從打開電源到開始操作，計算機的啟動是一個非常復雜的過程。
我一直搞不清楚，這個過程到底是怎麼回事，只看見屏幕快速滾動各種提示...... 這幾天，我查了一些資料，試圖搞懂它。下面就是我整理的筆記。
零、boot的含義
先問一個問題，"啟動"用英語怎麼說？
回答是boot。可是，boot原來的意思是靴子，"啟動"與靴子有什麼關系呢？ 原來，這裡的boot是bootstrap（鞋帶）的縮寫，它來自一句諺語：
"pull oneself up by one's bootstraps"
字面意思是"拽著鞋帶把自己拉起來"，這當然是不可能的事情。最早的時候，工程師們用它來比喻，計算機啟動是一個很矛盾的過程：必須先運行程序，然後計算機才能啟動，但是計算機不啟動就無法運行程序！
早期真的是這樣，必須想盡各種辦法，把一小段程序裝進內存，然後計算機才能正常運行。所以，工程師們把這個過程叫做"拉鞋帶"，久而久之就簡稱為boot了。
計算機的整個啟動過程分成四個階段。
一、第一階段：BIOS
上個世紀70年代初，"只讀內存"（read-only memory，縮寫為ROM）發明，開機程序被刷入ROM芯片，計算機通電後，第一件事就是讀取它。
這塊芯片裡的程序叫做"基本輸出輸入系統"（Basic Input/Output System），簡稱為BIOS。
1.1 硬件自檢
BIOS程序首先檢查，計算機硬件能否滿足運行的基本條件，這叫做"硬件自檢"（Power-On Self-Test），縮寫為POST。
如果硬件出現問題，主板會發出不同含義的蜂鳴，啟動中止。如果沒有問題，屏幕就會顯示出CPU、內存、硬盤等信息。
1.2 啟動順序
硬件自檢完成後，BIOS把控制權轉交給下一階段的啟動程序。
這時，BIOS需要知道，"下一階段的啟動程序"具體存放在哪一個設備。也就是說，BIOS需要有一個外部儲存設備的排序，排在前面的設備就是優先轉交控制權的設備。這種排序叫做"啟動順序"（Boot Sequence）。
打開BIOS的操作界面，裡面有一項就是"設定啟動順序"。
二、第二階段：主引導記錄
BIOS按照"啟動順序"，把控制權轉交給排在第一位的儲存設備。
這時，計算機讀取該設備的第一個扇區，也就是讀取最前面的512個字節。如果這512個字節的最後兩個字節是0x55和0xAA，表明這個設備可以用於啟動；如果不是，表明設備不能用於啟動，控制權於是被轉交給"啟動順序"中的下一個設備。
這最前面的512個字節，就叫做"主引導記錄"（Master boot record，縮寫為MBR）。
2.1 主引導記錄的結構
"主引導記錄"只有512個字節，放不了太多東西。它的主要作用是，告訴計算機到硬盤的哪一個位置去找操作系統。
主引導記錄由三個部分組成：
（1） 第1-446字節：調用操作系統的機器碼。
（2） 第447-510字節：分區表（Partition table）。
（3） 第511-512字節：主引導記錄簽名（0x55和0xAA）。
其中，第二部分"分區表"的作用，是將硬盤分成若干個區。
2.2 分區表
硬盤分區有很多好處。考慮到每個區可以安裝不同的操作系統，"主引導記錄"因此必須知道將控制權轉交給哪個區。
分區表的長度只有64個字節，裡面又分成四項，每項16個字節。所以，一個硬盤最多只能分四個一級分區，又叫做"主分區"。
每個主分區的16個字節，由6個部分組成：
（1） 第1個字節：如果為0x80，就表示該主分區是激活分區，控制權要轉交給這個分區。四個主分區裡面只能有一個是激活的。
（2） 第2-4個字節：主分區第一個扇區的物理位置（柱面、磁頭、扇區號等等）。
（3） 第5個字節：主分區類型。
（4） 第6-8個字節：主分區最後一個扇區的物理位置。
（5） 第9-12字節：該主分區第一個扇區的邏輯地址。
（6） 第13-16字節：主分區的扇區總數。
最後的四個字節（"主分區的扇區總數"），決定了這個主分區的長度。也就是說，一個主分區的扇區總數最多不超過2的32次方。
如果每個扇區為512個字節，就意味著單個分區最大不超過2TB。再考慮到扇區的邏輯地址也是32位，所以單個硬盤可利用的空間最大也不超過2TB。如果想使用更大的硬盤，只有2個方法：一是提高每個扇區的字節數，二是增加扇區總數。
三、第三階段：硬盤啟動
這時，計算機的控制權就要轉交給硬盤的某個分區了，這裡又分成三種情況。
3.1 情況A：卷引導記錄
上一節提到，四個主分區裡面，只有一個是激活的。計算機會讀取激活分區的第一個扇區，叫做"卷引導記錄"（Volume boot record，縮寫為VBR）。
"卷引導記錄"的主要作用是，告訴計算機，操作系統在這個分區裡的位置。然後，計算機就會加載操作系統了。
3.2 情況B：擴展分區和邏輯分區
隨著硬盤越來越大，四個主分區已經不夠了，需要更多的分區。但是，分區表只有四項，因此規定有且僅有一個區可以被定義成"擴展分區"（Extended partition）。
所謂"擴展分區"，就是指這個區裡面又分成多個區。這種分區裡面的分區，就叫做"邏輯分區"（logical partition）。
計算機先讀取擴展分區的第一個扇區，叫做"擴展引導記錄"（Extended boot record，縮寫為EBR）。它裡面也包含一張64字節的分區表，但是最多只有兩項（也就是兩個邏輯分區）。
計算機接著讀取第二個邏輯分區的第一個扇區，再從裡面的分區表中找到第三個邏輯分區的位置，以此類推，直到某個邏輯分區的分區表只包含它自身為止（即只有一個分區項）。因此，擴展分區可以包含無數個邏輯分區。
但是，似乎很少通過這種方式啟動操作系統。如果操作系統確實安裝在擴展分區，一般采用下一種方式啟動。
3.3 情況C：啟動管理器
在這種情況下，計算機讀取"主引導記錄"前面446字節的機器碼之後，不再把控制權轉交給某一個分區，而是運行事先安裝的"啟動管理器"（boot loader），由用戶選擇啟動哪一個操作系統。
Linux環境中，目前最流行的啟動管理器是Grub。
四、第四階段：操作系統
控制權轉交給操作系統後，操作系統的內核首先被載入內存。
以Linux系統為例，先載入/boot目錄下面的kernel。內核加載成功後，第一個運行的程序是/sbin/init。它根據配置文件 （Debian系統是/etc/initab）產生init進程。這是Linux啟動後的第一個進程，pid進程編號為1，其他進程都是它的後代。
然後，init線程加載系統的各個模塊，比如窗口程序和網絡程序，直至執行/bin/login程序，跳出登錄界面，等待用戶輸入用戶名和密碼。
至此，全部啟動過程完成。
