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计算机启动过程 ​

按下开机键，开始自检！

开机是很复杂的事情...

电路部分 ​

当开机键按下的时候，本质上是发生了一次电平的变化，并向一个针脚（这个在台式机上针脚一般是要你连到开机键上的）发送信号，信号最后会传到一个控制芯片（Embedded Controller）上。

这个芯片会和供电电路通信，然后由电源控制单元（Power Supply Unit）开始向全计算机供电。

供电单元启动之后，会向 CPU、内存、南桥北桥、外设、存储设备供电。

这当中会涉及很多的时序的数字信号通信，感兴趣的同学可以进一步去了解。

Boot ​

这里分成 BIOS 和 UEFI 两种讲，现代系统基本都已经使用了 UEFI（当然也有其他的一些方式，可能包括 u-boot、coreboot 等）。

提要： BIOS 和 UEFI 的关系：这是两种固件系统，并没有 UEFI BIOS 的说法，UEFI 不是 BIOS 更不是 BIOS 的扩展。BIOS 在有些现代的 UEFI 当中会被称为 legacy 模式或者 CSM 兼容模式。

BIOS ​

Basic Input Output System

BIOS 是一个封闭的、没有明确标准的启动方式，依靠 MBR 分区表。

功能 ​

BIOS 用于测试检查硬件、自检、选择启动设备，其本质是一个存有基本系统的 ROM，通过一步一步的交接最终把运行权交到系统手上。

加载 ​

当 CPU 复位后，指令指针会复位然后指向 ROM 中的程序位置开始运行。此时的 CPU 处在实模式，这是一种继承自 8086 的运行模式（第一代 CPU 的含金量）。

BIOS 此时会做一些简单的检查工作，叫做自检（POST）。

当 ROM 中的 BIOS 代码处理结束过后会运行选择的启动盘，由启动盘中的程序进行下一步操作。

系统引导 ​

这是软件系统提供的东西了，boot loader 做的事情就是运行系统内核（kernel），并把内存模式从实模式转换到保护模式（实模式功能有限，在内存寻址上并不能满足现代操作系统）。

因为 boot loader 是系统定制的，所以有很多种，这里就不列举了。

MBR 块当中的 boot loader 被加载到内存里后，依靠 MBR 指定的系统分区，随后再把需要引导的分区的卷引导记录（VBR）读取到内存并运行，最后运行内核，接下来的事情就是系统的驱动和用户界面运行。

UEFI ​

UEFI 是一个开放的、通用的固件标准，依靠 GPT 分区表。

Why ​

由于 BIOS 是没有明确标准的，为了统一和简化开发，搞出了 UEFI。他们两个的启动原理是不一样的。UEFI 可以兼容 BIOS 启动方式并不代表他是 BIOS 的扩展，而是他用 BIOS 风格启动了程序。而且，BIOS 并没有在固件层上提供一个可以选择启动方式的接口。

EFI 可执行文件： 一种规范的可执行文件，可以被 UEFI 执行。

安全验证 SEC ​

这一段会做一些安全上的事情不要问我可信的根是什么，我不知道，他会初始化一些缓存来当作内存使用，从而允许一些高级语言（比如 C）运行，然后把传一些参数给下一个阶段。

前期初始化 PEI ​

此时会初始化一些硬件设备，包括内存、CPU。

驱动执行环境 DXE ​

此时内存完全可以使用，此时会继续初始化剩下的东西，包括硬盘、PCI、USB 等。

加载操作系统前 TSL ​

此时，我们进入系统启动的环节，系统启动交到了启动管理器手上（就是 grub.efi 或者 bootmgr.efi），这一段运行结束之后进入系统。

系统运行 RT ​

此时就是操作系统运行。

灾难备份或关机 AL ​

如果遇到灾难性错误，固件应当提供恢复机制，但是规范协议貌似没有规定如何实现。

一些补充 ​

关于安全启动 ​

UEFI 引入了安全启动功能。

安全启动并不是一个坏东西，一个只需要运行一个系统的用户用这个东西可能会提高系统安全性（虽然用 bootloader 搞病毒实属是有点刁钻了）。整个过程是很复杂的你知道的，信息安全上的东西。简单来说，就是对将要启动的 EFI 可执行文件进行验证，如果他的签名是合法（受认证）的，那么就开始运行。

关于 ESP ​

这个分区里面存着 efi 文件和内核，我们原则上有一个原生的 efi 启动项，x86-64 上是 \EFI\BOOT\BOOTx64.EFI，此启动管理器将会根据一些设置来启动对应的其他 EFI 文件。

但是这样导致了混乱。按道理在 UEFI 的用户管理界面下，应当允许用户选择应该启动哪个启动项（不仅仅是哪个盘，而且应该包括哪个盘下面的哪个系统）。结果是大部分的 UEFI 做的都比较混乱，大部分是不能实现我们需要的多系统启动的要求的。

微软之恶 ​

虽然有一篇参考文章的作者在为微软在 UEFI 方面上辩护，但是微软仍然做了很多恶。

他做的事情包括但不限于：

  • 每次更新刷新 UEFI 默认启动项
  • 联合固件厂商改变默认 efi 文件
  • 偷摸通用 efi 文件
  • 不允许 bootmgr.efi 引导非 win 系统

在 UEFI 下装多系统的建议 ​

直接多硬盘，保证可以从 UEFI 选择启动项，或者依赖 grub 选择启动项。微软默认启动项可以死一死

参考：