操作系统启动过程详解：从开机到桌面的7大关键阶段

操作系统启动过程详解：从开机到桌面的7大关键阶段

引用

CSDN

1.

https://wenku.csdn.net/column/7wrj9e77px

从按下电源键的那一刻起，计算机便开始了一场精密的启动之旅。在这场旅程中，从硬件检测到系统加载，每一个环节都经过精心设计，确保我们能够顺利进入熟悉的桌面环境。本文将带你深入了解操作系统从开机到桌面的7大关键阶段，探索这个看似简单却暗藏玄机的过程。

1. 操作系统启动过程概述

操作系统是计算机硬件与用户之间的桥梁，而其启动过程是一个复杂且关键的操作，它确保了系统能够被正确加载并运行。在这一章中，我们将深入探讨操作系统从开机到启动完成的各个阶段，以及它们是如何协同工作的。

简要介绍

启动过程可以分为几个主要阶段，包括预引导环境、加载操作系统核心、系统服务的启动、以及用户环境的建立。每个阶段都涉及一系列特定的操作和检查，以确保系统达到可操作状态。

启动流程概览

1. 预引导环境 : 当按下电脑启动键后，电源通电，CPU开始执行位于主板上ROM中的BIOS程序。BIOS执行系统自检（POST）并寻找引导设备，随后加载引导加载程序。

2. 加载操作系统核心 : 引导加载程序（如GRUB）负责从存储设备加载操作系统内核。操作系统内核被加载到内存后，开始初始化系统硬件，准备后续的用户空间环境。

3. 系统服务的启动 : 内核加载完成后，启动管理器将启动各种系统服务。这些服务包括网络、显示、输入设备等，它们为操作系统提供必要的支持。

4. 用户环境的建立 : 系统服务启动后，将加载用户界面，可能是图形界面或命令行界面。用户可以登录并根据个人偏好进行配置。

启动过程的重要性

了解操作系统启动过程对IT专业人士至关重要。这不仅能够帮助他们快速诊断启动问题，还能通过优化启动过程来提升系统性能和用户体验。

2. 启动阶段一——预引导环境

2.1 BIOS的作用与自检过程

2.1.1 BIOS的基本功能

BIOS（Basic Input/Output System）是计算机中一个非常重要的底层固件程序，其主要功能是在计算机通电后，对硬件进行初始化，为操作系统载入提供必要的底层支持。BIOS的功能可以具体分为以下几个方面：

1. 自检与初始化硬件设备 ：在计算机启动时，BIOS会执行POST（Power-On Self Test）自检流程，检查并配置CPU、内存、硬盘等硬件设备的状态，并确保它们能够正常工作。

2. 启动引导顺序 ：BIOS负责确定计算机从哪个设备开始引导启动，比如从硬盘、光驱、USB设备或者其他网络接口。

3. 系统设置 ：BIOS提供了设置计算机硬件参数的界面，例如时钟、启动顺序、硬件监控等。

4. 引导操作系统的软件接口 ：当检测到正确的引导设备后，BIOS会加载引导扇区到内存中，然后将控制权转交给引导扇区，引导操作系统启动。

2.1.2 POST过程详解

POST是计算机启动过程中的一个重要环节，它在系统加电后立即执行。POST过程会按部就班地检查计算机的各个硬件组件是否正常工作。这个过程包括但不限于以下步骤：

1. 检查CPU ：验证CPU的正常工作，包括速度和功能。

2. 检查RAM ：进行内存读写测试，确保内存条安装正确无误。

3. 检查扩展插槽 ：测试主板上的插槽和扩展卡的功能。

4. 检查显卡 ：确保显卡及其内存正常工作。

5. 检查其他I/O设备 ：检测串口、并口、USB接口等其他I/O设备的状态。

6. 检查BIOS设置中的引导设备 ：确认启动顺序列表中的设备存在且可以访问。

7. 完成自检并发出信号 ：自检完成后，POST会通过一系列的声音提示（比如连续短响）或LED灯指示来报告状态。

2.2 引导加载程序的初始化

2.2.1 MBR与GPT的区别与选择

在理解MBR（Master Boot Record）与GPT（GUID Partition Table）的区别之前，我们需要了解它们都是存储在硬盘上的数据结构，用于帮助计算机在启动时定位和加载操作系统。

1. MBR的限制 ：

   • 只支持最多四个主分区，或者三个主分区加一个扩展分区。

   • 分区大小限制：MBR分区表最大支持2TB的硬盘，而每个分区最大不能超过2TB。

   • 数据结构较为简单，容易受到恶意软件攻击。

2. GPT的优势 ：

   • 支持多达128个主分区。

   • 支持更大的硬盘和分区大小。

   • 有更好的容错性和恢复能力。

   • 使用GUID（全局唯一标识符）为每个分区提供唯一标识。

2.2.2 引导扇区的作用

引导扇区是硬盘上的一部分区域，通常位于硬盘的第一个扇区（MBR情况下），它包含了启动计算机所需的重要信息。引导扇区的主要作用如下：

1. 启动代码 ：引导扇区中包含一小段引导代码，该代码在计算机启动时由BIOS加载到内存中执行。这段代码负责加载操作系统或者进一步的引导加载程序。

2. 分区表 ：MBR或GPT的引导扇区包含分区信息，这样计算机才能找到硬盘上的操作系统或其他可启动分区。

3. 标识信息 ：引导扇区包含用于校验扇区完整性的数据，如MBR中的有效签名。

理解了引导扇区的作用后，我们再来考虑如何根据实际需求选择MBR或GPT。现代操作系统和硬件通常支持GPT，但是考虑到遗留系统和兼容性问题，对于需要引导多个操作系统的机器或特定的嵌入式系统，MBR可能仍然是一个选项。而现代个人计算机和服务器推荐使用GPT，以充分利用大容量存储和增强系统的健壮性。

3. 启动阶段二——加载操作系统核心

3.1 加载器的启动流程

3.1.1 启动加载器的选择与配置

在现代操作系统中，启动加载器（Bootloader）是启动过程中不可或缺的一部分。它负责初始化硬件设备，并加载操作系统核心到内存中。常见的启动加载器有GRUB（GRand Unified Bootloader），LILO（LInux LOader）以及Windows上的Boot Manager。选择哪一种加载器，通常取决于用户需求和所安装的系统类型。

配置启动加载器时，需要编辑其配置文件，通常位于/boot/grub/grub.cfg（对于GRUB而言）。在配置文件中，用户可以指定默认启动的操作系统、启动菜单的显示时间、内核参数等。例如，GRUB允许通过修改grub.cfg文件来添加或修改启动参数，如quiet splash用于减少启动过程中的信息输出，nomodeset用于解决显卡驱动问题等。

3.1.2 操作系统选择界面的设计

在启动加载器配置完成后，系统重启时会出现一个启动选择菜单，用户可以通过该菜单选择要启动的操作系统。菜单的设计可以在配置文件中自定义，包括主题、背景、等待时间等。例如，在GRUB的