小議計算機存儲之六.操作系統啓動過程
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草木瓜
20080903
前言
本文是本系列文章的最後一篇，主要介紹MS-DOS，各類Windows和Linux操作系統的啓動過
程，用了這麼久的操作系統是該系統地瞭解一下啓動的完整過程。
一、MS-DOS 啓動過程
當PC啓動時，讀取啓動盤第一個扇區並執行其中的引導代碼。如果發現了DOS 引導扇區，
會將IO.SYS的前三個扇區加載到內存中，並將PC控制權交由IO.SYS(輸入輸出模塊)。
IO.SYS接管計算機控制權執行如下操作：
首先將IO.SYS其他部分內容加載到內存，依此初始化每個缺省設備
接着加載處理MS-DOS內核文件MSDOS.SYS，不過在MS-DOS 7.0中，MSDOS.SYS改
爲啓動配置文件
再者處理 CONFIG.SYS文件，CONFIG.SYS是重要的配置文件，是可以進行編輯的文本
文件
內容示例：
DEVICE=C:/DOS71/ECHO.SYS w/e/l/c/o/m/e ..
DEVICE=C:/DOS71/ECHO.SYS c/o/p/y/r/i/g/h/t ..
DEVICE=C:/DOS71/HIMEM.SYS
...
SHELL=COMMAND.COM /P /E:640
...
SET PATH=C:/DOS71; ..;
注：SHELL行表示SHELL環境使用command.com，啓動的工作路徑爲C:/DOS71，環境
大小是640字節，/p表示這個是父進程，不能夠關閉或使用exit退出。更多詳細內容請參
考wiki。
根據CONFIG.SYS配置加載相應的SHELL，MS-DOS一般爲COMMAND.COM
處理COMMAND.COM時，會調用AUTOEXEC.BAT批處理腳本
AUTOEXEC.BAT裏面的命令都是可以SHELL環境下執行的，主要作用是設置一些環境變
量。如鍵盤，聲卡等等。同時也會初始一些低級的系統工具，如磁盤緩存，鼠標驅動，
鍵盤驅動等。最後顯示命令提示符。
二、基於MS-DOS的Windows啓動過程
Windows 3.x/95/98/Me 前期引導的由MS-DOS負責。在啓動階段，處理config.sys和執行autoexec.bat
同時會讀取配置文件WIN.INI和SYSTEM.INI，並加載相應的虛擬設備驅動(從SYSTEM.INI或者
HKLM/System/CurrentControlSet/Services/VxD)。所有系統配置文件和設備驅動都被加載後，32
位vxd消息服務(Msgsrv32)會啓動mprexe.exe，準備用戶登錄和網絡登陸，當用戶登陸到Windows
後，系統加載Explorer.exe，進入Windows。
基於MS-DOS的Windows，可以在啓動到DOS的命令提示符下，鍵入win，手工啓動Windows。
此時實際上是調用win.com文件。
詳細的啓動過程見轉載的《Win 98系統啓動過程全揭密》一文。
http://blog.csdn.net/liwei_cmg/archive/2008/09/15/2931385.aspx
三、基於Win NT 操作系統的啓動過程
WIN NT與基於DOS的Windows有顯著的不同，其操作系統引導程序爲 NTLDR。引導啓動過程
如下：
x86或x64平臺下，計算機以實模式啓動並加載NTLDR。NTLDR是一個二進制文件，有兩部分
組成，StartUp module 和 OS loader 。StartUp module 的主要任務就是將計算機切換到保護模式。
OS loader 主要包括識別訪問IDE硬盤的分區文件系統(如FAT, NTFS等等)的基本功能，如果是
SCSI硬盤，還需要加載Ntbootdd.sys文件，獲取相應的SCSI驅動。
引導程序接着讀取boot.ini配置文件，並顯示用戶選擇操作系統菜單。如果boot.ini丟失，系統會
缺省選擇C:/Windows目錄。
這個時候，Windows 2000以及後續版本的ntldr，會去查找hiberfil.sys(休眠文件，與內存等同大
小，是上次操作系統休眠時的內存鏡象)，將此文件讀取並加載內存。
boot.ini文件內容示例：
[boot loader]
timeout=30
default=multi(0)disk(0)rdisk(0)partition(1)/WINDOWS
[operating systems]
multi(0)disk(0)rdisk(0)partition(1)/WINDOWS="Microsoft Windows XP Professional" /noexecute=optin /fastdetect
multi(a)disk(b)rdisk(c)partition(d)這部分內容是關鍵，是採用ARC命名規則。ARC第一部分用
於標識硬件適配卡(磁盤控制器)，即爲multi或者scsi選項，這裏使用的是multi。multi表示一個非
scsi硬盤或一個由scsi bios訪問的scsi硬盤，而scsi則表示一個scsi bios禁止的scsi硬盤。
(a)表示磁盤控制器的序號，從0開始。
disk(b)，僅對multi項有意義，表示磁盤控制器的硬盤序號，從0開如。
rdisk(c)，僅對scsi項有意義，表示磁盤控制器的硬盤序號，從0開始。
partition(d)，表示對應硬盤分區號，從1開始。
注意，當只有一個操作系統選擇項時，啓動菜單不會顯示。用戶選擇操作系統，如果不是基
於NT的操作系統，NTLDR會讀取bootsect.dos，並交付計算機的控制權。如果選擇的是基於NT
的操作系統，接下來NTLDR會執行ntdetect.com，收集硬件信息。此時，NTLDR清屏並顯示
Windows啓動進度條，這時如果按下F8，會顯示高級啓動菜單，包括安全模式選項。
收集完所有相關硬件信息後，接着啓動NToskrnl.exe(NT 操作系統內核文件), 並讀取加載硬
件抽象層文件(hal.dll)。如果有文件丟失，系統會提示 "Windows could not start because the following file
was missing or corrupt"，並終止啓動。這時系統控制權交由內核，顯示Windows Logo。
加載內核時，啓動的硬件設備信息保存在 HKLM/SYSTEM，可以看到一系列鍵值組成Control Set，
如ControlSet001,ControlSet003,ControlSet004,CurrentControlSet等。Windows使用CurrentControlSet
讀取存取當前信息。Windows在啓動過程中使用HKLM/SYSTEM/Select確定對應的鍵值。
Default NTLDR的默認選擇，Failed 值如果等於 Default值，NTLDR會顯示錯誤信息，並提示
菜單是否以最後一次正確配置信息啓動(LastKnownGood)，如果用戶選擇LastKnownGood，Default
值也被修改爲LastKnownGood的值。
內核啓動過程：
ntoskrnl.exe 內核
hal.dll 硬件抽象層
kdcom.dll 內核調試擴展dll
bootvid.dll windows logo 以及進度條顯示
配置信息註冊表位置
HKLM/SYSTEM/CurrentControlSet/Control/Session Manager/BootExecute
以相應順序 HKLM/SYSTEM/CurrentControlSet/Control/ServiceGroupOrder 啓動服務，這
時會顯示進度條，Windows 2000以前版本進度條能反映服務加載，Server 2003和XP則是意
思一下，服務加載是異步的。
所有的設備驅動加載好了以後，NToskrnl.exe啓動Session Manager Subsystem (smss.exe)。
在所有文件打開之前，smss.exe啓動Autochk。Autochk 掛載(mount)所有的驅動，檢查是否正常，
上一次關閉是否徹底，否則會啓動chkdsk進行掃描修復，即我們常見的Check Disk。Session Manager Subsystem
配置信息位置：HKLM/SYSTEM/CurrentControlSet/Control/Session Manager。
啓動時，smss.exe處理過程：
創建環境變量 HKLM/SYSTEM/CurrentControlSet/Control/Session Manager/Environment
啓動內核態Win32子系統(win32k.sys)，允許windows切換到圖形化
啓動用戶態Win32子系統Client/Server Runtime Server Subsystem (csrss.exe)
創建虛擬內存頁 HKLM/SYSTEM/CurrentControlSet/Control/Session Manager/Memory Management
啓動winlogon.exe， 加裁 Graphical Identification And Authentication (GINA) ，提供用戶登錄支持
Winlogon啓動過程：
Winlogon 調用 GINA ，出現登錄提示框，用戶輸入用戶名密碼
Winlogon 啓動 Local Security Authority Subsystem Service (lsass.exe) 驗證登錄
Winlogon 啓動 Service Control Manager (SCM) ，SCM依此啓動設置爲自動啓動的服務
Winlogon之後的階段就是用戶登錄階段了。
用戶登錄階段：
更新Control Sets的LastKnownGood
用戶計算機的組策略被應用
啓動如下位置的應用
HKLM/SOFTWARE/Microsoft/Windows/CurrentVersion/RunOnce
HKLM/SOFTWARE/Microsoft/Windows/CurrentVersion/policies/Explorer/Run
HKLM/SOFTWARE/Microsoft/Windows/CurrentVersion/Run
HKCU/Software/Microsoft/Windows NT/CurrentVersion/Windows/Run
HKCU/Software/Microsoft/Windows/CurrentVersion/Run
HKCU/Software/Microsoft/Windows/CurrentVersion/RunOnce
All Users ProfilePath/Start Menu/Programs/Startup/
Current User ProfilePath/Start Menu/Programs/Startup/
Windows NT format 命令會將 Volume Boot Record 寫入磁盤，主要是爲了運行 NTLDR 程序。
在 Windows Vista 和 Windows Server 2008，NTLDR 不在使用，其被 winload.exe 和 Windows
Boot Manager 所替代。
四、Windows Vista 啓動過程
Wiki 關於 Vista 的啓動預覽：
Bios > Master Boot Record > Boot Sector > Windows Boot Manager > Read from BCD >
Search for hibernation file > Start winload.exe > Start ntoskrnl.exe > Start smss.exe >
Start winlogon.exe > start services and login interface
Vista 啓動過程與 NT 內核的操作系統稍有區別。Boot Sector 加載的是 Windows Boot Manager
(Bootmgr.) ，然後讀取 Boot Configuration Data 啓動操作系統。在NT 內核Boot Sector 加載
的是NTLDR。
Boot Configuration Data 存儲在數據文件中，位置一般存放於系統卷的/boot/bcd下。Boot Configuration Data
可以使用bcdedit.exe進行編輯。
winload.exe是操作系統的引導程序，由Windows Boot Manager調用，與NT下NTLDR功能是等
同的。
五、Linux 啓動過程
很容易發現，計算機啓動的控制權都是如下變化，BIOS->Boot Loader->Kernel。Linux也不例外。
之前的文章《Linux手機DIY.內核初探.系統後臺啓動簡單介紹》http://blog.csdn.net/liwei_cmg/archive/2006/11/28/1418109.aspx
也曾對Linux啓動作過介紹，不過偏重於手機嵌入式的實際代碼，這裏我想只就理論體系去簡單說明。
要理解內核啓動的具體詳細過程，就需要對內核源碼有全面的認識，目前自感缺乏這方面的知識。
啓動概覽：
機器加電啓動 BIOS
引導階段 Boot loader stage 1 (MBR) Boot loader stage 2 (LILO, GRUB ...)
啓動內核 (linux)
初始化 INIT (用戶)
Boot loader 階段：
系統實模式下執行引導扇區代碼，部分加載引導程序(Boot loader)後，將控制權交給引導程序。
Linux引導程序通常爲lilo和grub。接着引導程序將剩餘的內容加載到內存，並準備選擇待引導的操
作系統。
<GRUB>
Boot loader stage 1，BIOS 讀取執行 MBR，然後繼續引導 Boot loader stage 2。
Boot loader stage 2，控制權已經在GRUB手中，如果這部分的代碼在一個大磁盤驅動器上，還
需要加載Boot loader stage 1.5，其中包括對超過1024柱面和LBA驅動器的支持。Boot loader stage 1.5
可以存放在MBR，也可以存放在分區上。Boot loader stage 2 執行並顯示 GRUB 操作系統選擇
菜單，也允許修改操作系統環境和參數。GRUB支持訪問文件系統，本身的配置文件就是存放在
分區文件系統下，便於調整修改。/boot/grub 目錄中包含了 stage1、stage1.5 和 stage2 GRUB
引導加載程序等。
注：《服務器配置實例(一).HP Prolient ML570 服務器》http://blog.csdn.net/liwei_cmg/archive/2007/05/20/1618174.aspx
一文中就介紹了GRUB不能引導的處理方法。
GRUB配置文件/etc/grub.conf，內容示例：
# grub.conf generated by anaconda
#
# Note that you do not have to rerun grub after making changes to this file
# NOTICE: You do not have a /boot partition. This means that
# all kernel and initrd paths are relative to /, eg.
# root (hd0,0)
# kernel /boot/vmlinuz-version ro root=/dev/sda1
# initrd /boot/initrd-version.img
#boot=/dev/sda
default=0
timeout=10
splashimage=(hd0,0)/boot/grub/splash.xpm.gz
title Red Hat Linux (2.4.20-8)
root (hd0,0)
kernel /boot/vmlinuz-2.4.20-8 ro root=LABEL=/
initrd /boot/initrd-2.4.20-8.img
<LILO>
LILO方式是比較古老的方式，不支持文件系統，其引導代碼直接存放在MBR區。系統一旦引導
失敗後，只能通過軟盤啓動盤之類的方式加以修復。LILO直接使用裸設備方式讀取數據，顯示菜單
以便用戶選擇操作系統，並加以引導。
LILO啓動配置文件爲/etc/lilo.conf，內容示例：
prompt
timeout=50
default=linux
boot=/dev/sda
map=/boot/map
install=/boot/boot.b
message=/boot/message
linear
image=/boot/vmlinuz-2.4.20-8
label=linux
initrd=/boot/initrd-2.4.20-8.img
read-only
append="root=LABEL=/"
Kernel 內核階段：
引導程序將Linux內核映象加載到內存中，這個內核映象並不是可執行的內核，是經過壓縮
後的內核，通常是一個zImage(小於512K)或者bzImage(大於512K) ，需要調用zlib進行解壓縮。
內核加載時會處理一些硬件上的設置，並將內核映象完全解壓縮到高位內存區，加載RAM disk，
然後啓動內核。
<x86 系列的執行過程>
《Linux手機DIY.內核初探.系統後臺啓動簡單介紹》http://blog.csdn.net/liwei_cmg/archive/2006/11/28/1418109.aspx
一文中雖然介紹的是arm系列的CPU，但從過程來講是相似的，簡單列下調用過程。
arch/i386/boot/head.S start()
arch/i386/boot/compress/head.S startup_32()
arch/i386/boot/compress/misc.c decompress_kernel()
arch/i386/kernel/head.S startup_32()
init/main.c start_kernel()
init/main.c cpu_idle()
pivot_root ()
完成解壓縮後的 startup_32 () 函數（也稱爲清除程序或進程 0），會進行內存管理(頁表初
始化，內存分頁)。然後檢測 CPU 的類型以及可選的浮點單元（FPU），最後調用 start_kernel
函數，進入體系結構無關的 Linux 內核部分。其實可以理解爲 Linux 內核的 main 函數。
start_kernel () 完成大部分的初始化任務，設置IRQs，內存配置，啓動init進程(第一個用戶進程)，
最後啓動空任務cpu_idle()。這時進程調度接管了計算機的控制權，通過啓用中斷，可以提供多
任務處理能力。
內核啓動過程中同時也掛載了 initial RAM disk ("initrd") ，先前已加載，用戶系統啓動的臨時root
文件目錄。這使得加載驅動模塊時不必要使用物理磁盤或者其他磁盤驅動，減小了內核體積。
內核啓動會調用 pivot_root () ，卸載RAM disk，代替它的是真正的磁盤文件系統。RAM disk
使用的內存同時也被回收。
上述工作完成後，啓動init進程(通常爲/sbin/init)。init是所有進程的父進程，主要任務就是根據
/etc/inittab配置文件創建相應進程。init，inittab相關知識相參考man手冊。
六、寫在最後
文章的整理頗費時間，回顧整個系列，自感對存儲相關的知識作了一次較爲全面的梳理，從技術
到物理設備，再到邏輯結構，操作系統，每個知識點都有極爲深層的內容。相信大多數人只停留在
皮毛，而這個系列已不在是皮毛，已接觸到了皮層。