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Compute booting

计算机通电后会运行主板上的特定程序(老主板BIOS, 新主板UEFI). 该程序会通电自检, 并 且读取基本设置项, 完成后会找到用户配置的主引导项(bootloader), 并且启动它.

BIOS已经过时, Intel决定在2020年前使用UEFI全部替换BIOS.

BIOS启动: BIOS->MBR->DPT->PBR->Bootloader->操作系统

UEFI UEFI->ESP分区->bootloader->操作系统

BIOS

BIOS是Basic Input-Output system的简写, 保存在主板的只读内存芯片里(可以使用 特殊方式刷新BIOS程序).

BIOS一般使用ROM或NVRAM作为芯片, ROM又分为ROM(只读, 不可擦除), EPROM(电可编程只 读存储器), EEPROM(电可擦只读存储器). NVRAM(非易失性随机访问存储器)分为nor flash和 nand flash. 演进过程: ROM->PROM->EPROM->EEPROM->nor flash->nand flash 主要是从擦除方式, 擦除速度, 次数, 读取速度和方式来优化的.

开机启动可以按功能键(Esc, F2, F10, Delete)进入BIOS设置界面, 设置后可以保存内容到 主板内存, 下次启动会自动加载. BIOS设置是保存在CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 中, 是一个随机存储器RAM, 一般集成到主板的南桥芯片组里, 需要一直供电, 不然数据会 丢失. 主板上的电池就是为它供电的, 现代主板使用EEPROM取代.

BIOS主要有四大功能:

  1. POST(Power-On Self Test), 通电自检, 会检查硬件是否正常, 不正常时使用不同报警声 来表示错误. 因为自检在加载显卡驱动之前, 所以不能在显示器上显示错误信息.

  2. Boot Sequence. 根据CMOS配置的启动顺序查找第一个发现的MBR分区, 512个字节, 最后 为0x55和0xAA为MBR

  3. CMOS设置程序. 配置CMOS, 重新BIOS后, CMOS需要重新配置.

  4. 硬件I/O和中断服务. 简单的与硬件交互, 检查或者简单的驱动硬件

BIOS淘汰的原因:

  1. 使用16位实模式CPU指令集, 1MB的内存空间, 前640K为基本内存, 后面384K内存留给开机必要硬 件和各类BIOS本身使用. 启动慢, 功能小, 限制了自身的发展

  2. 只支持MBR分区, MBR最大只支持4个主分区, 2TB大小. 当前已经不够用了.

UEFI

Intel为了改进BIOS, 在1998年出了EFI(Extensible Firmware Interface), Apple在2006年从 PowerPC换成Intel时, 选择了EFI, 但是其他公司没有跟随. 直到2007年, Intel把EFI公布 出来后, 其他的公司加入, 制作出UEFI(Unified Extensible Firmware Interface)标准, 才 流行起来.

UEFI有BIOS支持的所有功能, 并且向后兼容. 老主板只能使用BIOS+MBR, GPT分区硬盘只能 作为数据盘, 不能作为引导盘. 新主板支持UEFI+ GPT, 新主板如果开启Legacy BIOS , 那么也支持BIOS+MBR.

主要优点:

  1. 可以使用GPT分区, 硬盘容量和分区个数更大.

  2. 使用32位和64位指令, 开机可以更快, 更多的驱动硬件设备, 显示更清晰的引导画面.

  3. UEFI就像一个微型操作系统, 可以有自己的驱动程序, 是顺序驱动的. 驱动过程有(Secure Boot) 模式, 驱动过程会检查程序是否被篡改, 不然不允许加载(黑苹果为了模拟白苹果硬件平台, 需要篡改硬件的相关信息, 所以要关闭Secure Boot)

  4. UEFI先会检查CPU和内存, 如果这两个部件有问题, 不会报警, 屏幕也不会亮, 可以根据主板 上的指示灯大致判断.

分区

MBR

MBR(Master boot record, 主引导记录), 一共只有512个字节.

  1. 第1~446字节: 调用操作系统的机器码.
  2. 第447-510字节: 分区表(Partition table).
  3. 第511~512字节: 主引导记录签名(0x55和0xAA).

分区表(DPT)64个字节, 分为4项, 每项16字节(所以最多只能有4个主分区):

  1. 第1字节: 0x80表示激活
  2. 第2~4字节: 分区第一个扇区的物理地址
  3. 第5字节: 主分区类型
  4. 第6~8字节: 分区最后一个扇区的物理地址
  5. 第9-12字节: 分区第一个扇区的逻辑地址
  6. 第13-16字节: 分区扇区总数

其中分区扇区总数记录为32位, 最多只能有2^32个扇区, 每个扇区规定大小512B, 那么最大 支持为 2^32 * 512 = 2TB. 但是现代512B读取效率不高, 开发了每个扇区4K, 如果不数据 不对齐, 那么一次读取写入会跨物理扇区, 所以有个4K对齐, 空出数个扇区, 让每次读4K 时在一个扇区里.

当4个主分区不够时可以使用逻辑分区, 就是在主分区的头部再使用扩展分区表(Extended boot record，缩写为EBR). 64字节的分区表最多只有两项, 可以创建2个逻辑分区, 逻辑上 可以无限递归下去, 但是没有人会这么做.

MBR主分区中只能有一个激活状态的分区, 这个激活状态的分区的第一个扇区叫作引导 记录(VBR OR PBR), 指定操作系统第一个启动程序的位置.

如果操作系统不在主分区, 或者有多个操作系统, 需要修改主引导记录的机器码, 用来 指向启动管理器(Boot loader), 如Grub, 由用户选择启动哪一个操作系统.

GPT

GPT(全局唯一标识分区表（GUIDPartition Table), 是EFI中定义的新式分区.

优点:

  1. 支持更大的硬盘, 更多分区, 更大分区大小.
  2. 分区表自带备份, 首尾部分分别保存一份相同的分区表.

保护MBR, 为了使不支持GPT分区的操作系统, 错误操作破坏硬盘中的数据, 分区表最开头 还是保存了MBR区域, 只是这个区域会保存第一阶段的启动码, 并且标识为0xEE的分区, 以 此来表示这块硬盘使用GPT分区表. 不支持GPT分区表的读取这个标识, 为未知分区类型, 不 会进一步错误处理.

MBR/GPT混合分区表, 里面保存GPT前4个分区, 可以以MBR启动, 但是只能操作MBR分区表中 的分区. 如Boot Camp就是使用这种方式启动Windows.

保护MBR中指向bootloader程序, 因此必须通过bootloader程序引用操作系统.

U盘启动

  1. USB-HDD: (占用1个扇区, DOS显示C盘)硬盘仿真模式, 模拟硬盘MBR->DPT->PBR->引导 , 兼容性好, 但是在只支持USB-ZIP的电脑则无效.
  2. USB-HDD+: (占用1个扇区, DOS显示C盘)增强的USB-HDD模式, 提高了兼容性, 但还是 不能用于USB-ZIP
  3. USB-ZIP: (DOS显示A盘), 支持老设备, 新设备支持不好, 大容量支持不好
  4. USB-ZIP+: (占用1个扇区, DOS显示C或A盘)增强USB-ZIP, 支持USB-HDD/USB-ZIP双模式, 兼容性好, 但是老设备有可能以USB-ZIP启动, 出问题.
  5. USB-FDD: 把U盘模拟成软驱, DOS显示A盘
  6. USB-CDROM: 光盘仿真模式, DOS不占盘符, 兼容性高
  7. FBINST: (占用64个扇区), 在MBR的每个扇区都写入引导代码, 并在每个扇区记录扇区号, 这样无论U盘被识别为何种格式, 都可以正常启动

References

Eeprom和Flash的区别 MBR和EFI启动过程 Intel to Remove Legacy BIOS Support from UEFI by 2020 What Is UEFI, and How Is It Different from BIOS? 计算机是如何启动的？ IT之家学院：浅谈BIOS和CMOS BIOS、EFI与UEFI详解

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