操作系統(tǒng)是如何啟動起來的？

大家好，我是小風(fēng)哥。

操作系統(tǒng)被稱為“第一個程序”，the first programme，原因很簡單，只有當(dāng)操作系統(tǒng)啟動起來后才能運行我們編寫的程序，那么你有沒有想過這個問題：操作系統(tǒng)是怎樣啟動起來的呢？

實際上，這個過程就像發(fā)射火箭一樣有趣?？赐赀@篇文章，你就明白啦~

操作系統(tǒng)也是普通程序

首先我們必須意識到這樣兩點：

CPU執(zhí)行的是機器指令，編譯器將程序翻譯后成了機器指令

操作系統(tǒng)本身也是一個程序，這個程序被編譯后也會生成一大堆機器指令

現(xiàn)在我們知道了，操作系統(tǒng)本身其實也是一大堆機器指令，既然是機器指令那么它必須得存放在什么地方。

存放在哪里呢？

想想我們編寫的程序，編譯后生成的是可執(zhí)行文件，也就是說是以“文件”的形式存放的，并且存放在硬盤上，而操作系統(tǒng)也沒什么不同，編譯后生成的機器指令同樣是以文件的形式存放的，存放在哪里呢？可以存放在任何能存儲數(shù)據(jù)的介質(zhì)，像CD、磁盤之類都可以。

我們編寫的程序在啟動時被加載器——也就是loader，加載到內(nèi)存，加載器也是一個程序，這是一個加載其它程序的程序；這么說可能有點拗口，但計算機系統(tǒng)中有大量類似的程序，編譯器是一個翻譯程序的程序、操作系統(tǒng)是一個運行其它程序的程序、鏈接器是一個鏈接程序的程序、解釋器是一個執(zhí)行腳本程序的程序等等。

雞生蛋蛋生雞的問題

回到我們的主題，我們寫的代碼是loader加載到內(nèi)存后運行的，那么操作系統(tǒng)這個程序是也同樣的道理，必須得有個什么東西也要把操作系統(tǒng)加載到內(nèi)存中運行才可以，這個東西不叫l(wèi)oader，而是叫boot loader，其本身也是一個程序，它的任務(wù)就是加載一個更大的程序，就像這里的操作系統(tǒng)。

此時這里會出現(xiàn)一個雞生蛋蛋生雞的，既然我們的程序是被加載器loader（操作系統(tǒng)的一部分）加載到內(nèi)存中，而操作系統(tǒng)又是被boot loader這個加載程序加載到內(nèi)存中的，那么又是什么加載器把boot loader這個加載程序加載到內(nèi)存中呢？而又又是什么加載器把上一句中的什么加載器加載內(nèi)存中呢？而又又又是什么。。？

你會發(fā)現(xiàn)這個一個沒有出口的無窮遞歸啊有沒有，總得有個什么把前一個程序加載到內(nèi)存，就好比今天的前一天是昨天、昨天的前一天是前天、前天的前一天是大前天，如果一直這樣思考下去那么時間到底在哪里開始的呢？時間到底有沒有開始（參考時間簡史或相對論）？

時間有沒有開始這個問題我不清楚，但操作系統(tǒng)啟動的這個問題我知道。

上述關(guān)于加載器以及加載加載器等問題全部指向了內(nèi)存，讓我們好好想一想內(nèi)存有什么特殊性？

內(nèi)存斷電后是無法保存數(shù)據(jù)

程序員都知道內(nèi)存只有在加電的情況下才可以保存數(shù)據(jù)（關(guān)于內(nèi)存的實現(xiàn)原理你可以參考這篇《你管這破玩意叫CPU？》），那么很顯然，當(dāng)斷電后內(nèi)存中的內(nèi)容就丟失了，那么又很顯然的，當(dāng)你在按下計算機開關(guān)通電時，內(nèi)存中的內(nèi)容是未被初始化的，也就是說內(nèi)存中的內(nèi)容是無效的，此時的內(nèi)存里還是一片荒蕪，這里沒有任何東西可供CPU來執(zhí)行，這就好比大爆炸之前的宇宙。

但我們的計算機總是能啟動起來，CPU必須得執(zhí)行“一段什么程序”把第一個boot loader加載到內(nèi)存中，由于此時內(nèi)存中還什么都沒有，那么這段程序一定被保存在了其它地方。

保存在了哪里呢？

沒錯，這段程序就被保存在了BIOS的非易失性存儲ROM或者flash存儲中了，這里的代碼在即使斷電后也會保存下來，加電后CPU開始執(zhí)行這里代碼，把boot loader加載到內(nèi)存中，現(xiàn)在你應(yīng)該明白第一個boot loader是怎樣被加載到內(nèi)存的了吧。

在早期的計算機上甚至專門有一個按鈕，讓用戶自己選擇該從哪里，比如打孔紙帶、打孔卡片或者硬盤，加載一個更復(fù)雜的程序來運行，操作面板上的旋鈕可以控制把這些程序加載到內(nèi)存的什么位置上去：

火箭與操作系統(tǒng)啟動

然而現(xiàn)實情況比較復(fù)雜，我們剛才提到的boot loader這段小程序功能實在是太弱了，此時其能訪問的磁盤地址空間有限，不能把完整的內(nèi)核全部加載到操作系統(tǒng)中，該怎么辦呢？

既然boot loader比較弱那么就換一個比較牛的loader程序來，就這樣出現(xiàn)了二階boot loader，second stage loader：

二階boot loader功能更為豐富，比如對硬件進行檢查、給用戶提供選項加載哪個操作系統(tǒng)等等，安裝多系統(tǒng)的同學(xué)應(yīng)該知道，啟動時會給你一個選項到底是啟動windows還是linux，這就是二階boot loader的作用。

最終，操作系統(tǒng)被二階boot loader加載到內(nèi)存中開始運行。

你會發(fā)現(xiàn)這個過程就和發(fā)射三級火箭一樣，最初一級火箭啟動，燃料用盡后二級火箭啟動，二級火箭完成使命后三級火箭啟動，最終把衛(wèi)星送到太空，而計算機的啟動過程也類似。

最初是CPU運行BIOS中的一段代碼把一級boot loader加載到內(nèi)存中運行，該程序又會把二級boot loader加載到內(nèi)存運行，而二級boot loader又會把操作系統(tǒng)加載到內(nèi)存中，此后控制權(quán)被轉(zhuǎn)移到操作系統(tǒng)，（所謂控制權(quán)是指CPU跳轉(zhuǎn)到操作系統(tǒng)的代碼），操作系統(tǒng)開始運行，經(jīng)過一系列的初始化，比如硬件檢測、開啟必要的后臺進程等等，最終圖形界面或者命令行界面呈現(xiàn)出來。

接下來我們把這個過程細(xì)化一下。

更詳細(xì)的啟動過程

你在按下電源的瞬間相當(dāng)于火箭點火，此時一級發(fā)動機開始工作。

加電CPU重置后開始在地址0xffff0處開始執(zhí)行指令，這個地址其實是BIOS ROM的末尾處，該位置其實是一個跳轉(zhuǎn)指令，跳轉(zhuǎn)到ROM的一段啟動代碼上，該代碼會進行必要的自檢，Power-on self-test （POST），展示BIOS啟動界面等等，最重要的一步是找到啟動設(shè)備，所謂啟動設(shè)備就是指從哪里加載操作系統(tǒng)，比如CD-ROM、或者磁盤、甚至U盤等都可以作為啟動設(shè)備，早些年流行用U盤重新安裝系統(tǒng)，其實就是告訴BIOS的這段代碼從U盤中加載操作系統(tǒng)。

通常BIOS會把磁盤當(dāng)做啟動設(shè)備（大部分情況下），此時BIOS中的這段代碼開始將磁盤的第0號塊加載到內(nèi)存中，那么這第0號塊中有什么呢？沒錯，就是第一階段boot loader程序，這第0號塊也被稱之為Master Boot Record，MBR，肯定有不少同學(xué)聽說過。

到這里，火箭的一級發(fā)動機燃料用盡，二級發(fā)動機開始點火，BIOS中的這段代碼把控制權(quán)交給加載到內(nèi)存boot loader，所謂控制權(quán)就是跳轉(zhuǎn)到boot loader程序，這樣CPU終于開始直接與內(nèi)存交互了，CPU開始從內(nèi)存中取出指令然后執(zhí)行。

MBR中除了包含一段可執(zhí)行代碼之外還有一個分區(qū)表，partition table，這個表的中的每一個條目本質(zhì)上在說：“操作系統(tǒng)是否在我這個分區(qū)，我這個分區(qū)有多大”，CPU在執(zhí)行MBR中的代碼時會去檢查操作系統(tǒng)存在哪個分區(qū)中，定位后開始從相應(yīng)分區(qū)的起始位置讀取磁盤數(shù)據(jù)到內(nèi)存中，這時的磁盤數(shù)據(jù)中保存的就是二階boot loader，second-stage boot loader，此時一階boot loader把控制權(quán)轉(zhuǎn)交給二階boot loader，火箭三級發(fā)動機開始工作。

2_boot loader的主要工作將操作系統(tǒng)加載到內(nèi)存中，此后控制權(quán)轉(zhuǎn)交給操作系統(tǒng)，火箭的三級發(fā)動機完成使命，到這一時刻，操作系統(tǒng)開始接管計算機，操作系統(tǒng)經(jīng)過一系列自身的初始化后創(chuàng)建出若干必要進程，至此計算機啟動完畢，衛(wèi)星被成功送到了外太空中。

然而限于篇幅這里依然沒有過多涉及細(xì)節(jié)，操作系統(tǒng)本身的初始化也是一個比較復(fù)雜的過程，感興趣的同學(xué)可以去翻閱相關(guān)操作系統(tǒng)的資料。

總結(jié)與腦洞

計算機的啟動是一個多階段的過程，當(dāng)然在一些嵌入式設(shè)備等這個過程會簡化，但總體上也需要經(jīng)過類似過程，只不過階段數(shù)會少一些。

回到最開始的那個問題，也就是時間有沒有開始，其實這個問題一些物理大牛已經(jīng)回答過了，但我很想在這里開一個腦洞，當(dāng)上帝在為自己創(chuàng)建的宇宙（計算機）加電的那一刻——也就是宇宙大爆炸時，時間開始了，時間這個概念是和宇宙（計算機）相伴相生的，如果沒有宇宙（計算機），時間這個概念其實是沒有意義的，就好比如果沒有計算機，加載這個概念其實是沒有意義的，你思考時間到底有沒有起點，這個問題就好比計算機中的程序在思考到底是誰把自己加載到內(nèi)存的、又是誰把操作系統(tǒng)加載到內(nèi)存中的等等。

好啦，腦洞就開到這里，現(xiàn)在你應(yīng)該明白計算機啟動這個問題了吧~

END

審核編輯 ：李倩