你知道操作系統(tǒng)是如何啟動(dòng)起來(lái)的嗎

操作系統(tǒng)被稱(chēng)為“第一個(gè)程序”，the first programme，原因很簡(jiǎn)單，只有當(dāng)操作系統(tǒng)啟動(dòng)起來(lái)后才能運(yùn)行我們編寫(xiě)的程序，那么你有沒(méi)有想過(guò)這個(gè)問(wèn)題：操作系統(tǒng)是怎樣啟動(dòng)起來(lái)的呢？ 實(shí)際上這個(gè)過(guò)程就像發(fā)射火箭一樣有趣 ，看完這篇你就明白啦。

操作系統(tǒng)也是普通程序

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首先我們必須意識(shí)到這樣兩點(diǎn)：

1. CPU執(zhí)行的是機(jī)器指令，編譯器將程序翻譯后成了機(jī)器指令
2. 操作系統(tǒng)本身也是一個(gè)程序，這個(gè)程序被編譯后也會(huì)生成一大堆機(jī)器指令

現(xiàn)在我們知道了，操作系統(tǒng)本身其實(shí)也是一大堆機(jī)器指令，既然是機(jī)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(xiě)的程序，編譯后生成的是可執(zhí)行文件，也就是說(shuō)是以“文件”的形式存放的，并且存放在硬盤(pán)上，而操作系統(tǒng)也沒(méi)什么不同，編譯后生成的機(jī)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(chǔ)數(shù)據(jù)的介質(zhì)，像CD、磁盤(pán)之類(lèi)都可以。

我們編寫(xiě)的程序在啟動(dòng)時(shí)被加載器——也就是loader，加載到內(nèi)存，加載器也是一個(gè)程序，這是一個(gè)加載其它程序的程序；這么說(shuō)可能有點(diǎn)拗口，但計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中有大量類(lèi)似的程序，編譯器是一個(gè)翻譯程序的程序、操作系統(tǒng)是一個(gè)運(yùn)行其它程序的程序、鏈接器是一個(gè)鏈接程序的程序、解釋器是一個(gè)執(zhí)行腳本程序的程序等等。

雞生蛋蛋生雞的問(wèn)題

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

此時(shí)這里會(huì)出現(xiàn)一個(gè)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(gè)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(gè)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(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)一個(gè)沒(méi)有出口的無(wú)窮遞歸啊有沒(méi)有，總得有個(gè)什么把前一個(gè)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(shí)間到底在哪里開(kāi)始的呢 ？時(shí)間到底有沒(méi)有開(kāi)始(參考時(shí)間簡(jiǎn)史或相對(duì)論)？

時(shí)間有沒(méi)有開(kāi)始這個(gè)問(wèn)題我不清楚，但操作系統(tǒng)啟動(dòng)的這個(gè)問(wèn)題我知道。

上述關(guān)于加載器以及加載加載器等問(wèn)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(wú)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)，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(jì)算機(jī)開(kāi)關(guān)通電時(shí)，內(nèi)存中的內(nèi)容是未被初始化的，也就是說(shuō)內(nèi)存中的內(nèi)容是無(wú)效的， 此時(shí)的內(nèi)存里還是一片荒蕪 ，這里沒(méi)有任何東西可供CPU來(lái)執(zhí)行，這就好比大爆炸之前的宇宙。

但我們的計(jì)算機(jī)總是能啟動(dòng)起來(lái)，CPU必須得執(zhí)行“一段什么程序”把第一個(gè)boot loader加載到內(nèi)存中， 由于此時(shí)內(nèi)存中還什么都沒(méi)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(méi)錯(cuò)，這段程序就被保存在了BIOS的非易失性存儲(chǔ)ROM或者flash存儲(chǔ)中了，這里的代碼在即使斷電后也會(huì)保存下來(lái)，加電后CPU開(kāi)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(gè)boot loader是怎樣被加載到內(nèi)存的了吧。

在早期的計(jì)算機(jī)上甚至專(zhuān)門(mén)有一個(gè)按鈕，讓用戶(hù)自己選擇該從哪里，比如打孔紙帶、打孔卡片或者硬盤(pán)，加載一個(gè)更復(fù)雜的程序來(lái)運(yùn)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(dòng)

然而現(xiàn)實(shí)情況比較復(fù)雜，我們剛才提到的boot loader這段小程序功能實(shí)在是太弱了，此時(shí)其能訪問(wèn)的磁盤(pán)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(gè)比較牛的loader程序來(lái)，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(duì)硬件進(jìn)行檢查、給用戶(hù)提供選項(xiàng)加載哪個(gè)操作系統(tǒng)等等，安裝多系統(tǒng)的同學(xué)應(yīng)該知道，啟動(dòng)時(shí)會(huì)給你一個(gè)選項(xiàng)到底是啟動(dòng)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(kāi)始運(yùn)行。

你會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)過(guò)程就和發(fā)射三級(jí)火箭一樣，最初一級(jí)火箭啟動(dòng)，燃料用盡后二級(jí)火箭啟動(dòng)，二級(jí)火箭完成使命后三級(jí)火箭啟動(dòng)，最終把衛(wèi)星送到太空，而計(jì)算機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程也類(lèi)似。

最初是CPU運(yùn)行BIOS中的一段代碼把一級(jí)boot loader加載到內(nèi)存中運(yùn)行，該程序又會(huì)把二級(jí)boot loader加載到內(nèi)存運(yùn)行，而二級(jí)boot loader又會(huì)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(kāi)始運(yùn)行，經(jīng)過(guò)一系列的初始化，比如硬件檢測(cè)、開(kāi)啟必要的后臺(tái)進(jìn)程等等，最終圖形界面或者命令行界面呈現(xiàn)出來(lái)。

接下來(lái)我們把這個(gè)過(guò)程細(xì)化一下。

更詳細(xì)的啟動(dòng)過(guò)程

你在按下電源的瞬間相當(dāng)于火箭點(diǎn)火，此時(shí)一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始工作。

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

通常BIOS會(huì)把磁盤(pán)當(dāng)做啟動(dòng)設(shè)備(大部分情況下)，此時(shí)BIOS中的這段代碼開(kāi)始將磁盤(pán)的第0號(hào)塊加載到內(nèi)存中，那么這第0號(hào)塊中有什么呢？沒(méi)錯(cuò)，就是第一階段boot loader程序，這第0號(hào)塊也被稱(chēng)之為Master Boot Record，MBR，肯定有不少同學(xué)聽(tīng)說(shuō)過(guò)。

到這里，火箭的一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)燃料用盡，二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始點(diǎn)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(kāi)始直接與內(nèi)存交互了，CPU開(kāi)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(gè)分區(qū)表，partition table，這個(gè)表的中的每一個(gè)條目本質(zhì)上在說(shuō)：“操作系統(tǒng)是否在我這個(gè)分區(qū)，我這個(gè)分區(qū)有多大”，CPU在執(zhí)行MBR中的代碼時(shí)會(huì)去檢查操作系統(tǒng)存在哪個(gè)分區(qū)中，定位后開(kāi)始從相應(yīng)分區(qū)的起始位置讀取磁盤(pán)數(shù)據(jù)到內(nèi)存中，這時(shí)的磁盤(pán)數(shù)據(jù)中保存的就是二階boot loader，second-stage boot loader，此時(shí)一階boot loader把控制權(quán)轉(zhuǎn)交給二階boot loader，火箭三級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)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(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)完成使命， 到這一時(shí)刻，操作系統(tǒng)開(kāi)始接管計(jì)算機(jī) ，操作系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一系列自身的初始化后創(chuàng)建出若干必要進(jìn)程，至此計(jì)算機(jī)啟動(dòng)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(méi)有過(guò)多涉及細(xì)節(jié)，操作系統(tǒng)本身的初始化也是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)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(jì)算機(jī)的啟動(dòng)是一個(gè)多階段的過(guò)程，當(dāng)然在一些嵌入式設(shè)備等這個(gè)過(guò)程會(huì)簡(jiǎn)化，但總體上也需要經(jīng)過(guò)類(lèi)似過(guò)程，只不過(guò)階段數(shù)會(huì)少一些。

回到最開(kāi)始的那個(gè)問(wèn)題，也就是時(shí)間有沒(méi)有開(kāi)始，其實(shí)這個(gè)問(wèn)題一些物理大牛已經(jīng)回答過(guò)了， 但我很想在這里開(kāi)一個(gè)腦洞 ，當(dāng)上帝在為自己創(chuàng)建的宇宙(計(jì)算機(jī))加電的那一刻——也就是宇宙大爆炸時(shí)，時(shí)間開(kāi)始了，時(shí)間這個(gè)概念是和宇宙(計(jì)算機(jī))相伴相生的，如果沒(méi)有宇宙(計(jì)算機(jī))，時(shí)間這個(gè)概念其實(shí)是沒(méi)有意義的，就好比如果沒(méi)有計(jì)算機(jī)，加載這個(gè)概念其實(shí)是沒(méi)有意義的， 你思考時(shí)間到底有沒(méi)有起點(diǎn)這個(gè)問(wèn)題就好比計(jì)算機(jī)中的程序在思考到底是誰(shuí)把自己加載到內(nèi)存的、又是誰(shuí)把操作系統(tǒng)加載到內(nèi)存中的等等 。。好啦，腦洞就開(kāi)到這里。

現(xiàn)在你應(yīng)該明白計(jì)算機(jī)啟動(dòng)這個(gè)問(wèn)題了吧