(004)Linux的开机启动
十年运维系列之基础篇 - Linux
作者：曾林
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一、引言
这里虽然介绍的是Linux的开机启动，但是有些操作或者流程是不局限于linux操作系统的，而是针对几乎所有的操作系统。
二、 BIOS
当我们按下开机键的时候，电流会经过电源线流经整个主板。此时，一个加电的特殊电路会“敲打”一下CPU的被称作reset的引脚。此时cpu内的某些寄存器，比如cs、eip就会出现一些固定的内容。cs的值是0xFFFF、eip的值为0x0000。这就是告诉cpu从物理内存地址0xFFFF0处开始执行代码。哪里有什么代码呢？其实就一条，那就是让cpu跳转。跳到哪里去呢，就是这小节的主角——BIOS。
BIOS本质上是一个程序，而且它是电脑最开始执行的程序。它会读取CMOS（在计算机领域，CMOS常指保存计算机的基本启动信息的芯片。有时，人们会把BIOS和CMOS混淆，其实CMOS是主板上的一块可读写的并行或串行FLASH芯片，是用来保存BIOS的硬件设置和用户对某些参数的设置）中的信息来了解硬件情况，比如CPU的总线时钟、启动设备的搜素顺序、硬盘大小与型号、系统时间、即插即用设备、各设备的I/O地址、中断请求等。之后BIOS开始做开机自检，比如确定可用的内存（有时还要自己测试一下）、确定时钟速度等。如果测试成功则开始对硬件进行初始化、设定即插即用设备、确定启动设备……最后从启动设备中读取MBR，并将控制权交给MBR中的程序；如果测试不成功则会发出声响来提示（最常见的就是内存错误发出声响）。
无论什么操作系统，都要要从MBR做入口的。以下就介绍MBR。
三、MBR
MBR（全称master boot record），也就是主引导记录。很多人容易将MBR与Boot Sector（引导扇区）搞混淆。严格说应该是Boot Sector是由MBR、DPT（disk partition table）、和BRID（boot record ID，引导记录标识）三部分组成的，用公式表示如下：
Boot Sector = MBR + DPT + BRID
Boot Sector的大小为512字节。其中MBR是446字节、DPT是64字节、BRID是2字节。
BIOS并不是单独读取MBR的，它会将整个Boot Sector的全部内容读到内存中。因为从上面可知整个启动扇区的大小是512字节，于是BIOS会将整个512字节的Boot Sector内容读取到内存中0x7c00地址，然后BIOS会跳转到那里，将控制权交给MBR。因为这样的流程，这也就决定了MBR一定是在Boot Sector最前面，否则BIOS就将控制权交给DPT了。Boot Sector结构如下图：
Boot Sector就是硬盘（准确得说是所有的可引导的存储介质）上的第一个扇区。BIOS读取CMOS中被设为启动设备的第一个扇区，并将控制权交给它。但是BIOS在交权的时候并不是在“第一扇区”的它都认，必须要验明正身才行。BIOS要检查是否有BRID这个东西，也就是Boot Sector的最后两个字节。看它是不是“0x55AA”这样的内容。如果不是就死机，是就交权。
四、DPT
DPT(Disk Partiion Table，磁盘分区表)，大小上面已经介绍过了，一共64字节。此外，一个分区需要占用16位。这样来看，一个硬盘分区就只能描述“四个分区”。下面就来具体看看分区表中的分区表项是个什么数据结构（DPT包含4个分区表项，每个分区表项的数据结构都是一样的）。
| 偏移量 | 长度（字节） | 定 义 |
| 0x00 | 1 | 分区状态：0x00非活动分区；0x80活动分区； 其他数值没啥意义 |
| 0x01 | 1 | 分区起始磁头号 |
| 0x02 | 2 |
分区起始扇区号，0x02的0~5位 分区起始柱面号，0x02的6~7位和0x03的全部8位 |
| 0x04 | 1 | 文件系统标识位，0x83就是linux分区 |
| 0x05 | 1 | 分区结束磁头号 |
| 0x06 | 2 |
分区结束扇区号，0x06的0~5位 分区结束柱面号，0x06的6~7位和0x07的全部8位 |
| 0x08 | 4 | 分区起始相对扇区号 |
| 0x0C | 4 | 分区总的扇区数 |
注意上表的最后一行，分区的总扇区数是4个字节，也就是32位。也就是说，最多能表示2^32*512=2T这么大。因为分区表只能描述4个分区，那么顶天了就只能支持8T大小的硬盘。再大就没辙了吗？有办法，使用GPT，叫GUID分区表，单个分区就可以达到18EB。
根据分区表可知，我们“只能”描述4个分区，那么多于4个分区就没法了吗？肯定是有办法的。注意DPT表项的0x04偏移量的位置，这个表示文件系统标识位。表上说明0x83是linux分区。还有一个标志0x05，表上没说，这里说明一下。这代表扩展分区。扩展分区也有类似DPT的东西，来描述逻辑分区（logic），而且没什么大小限制，可以分出任意多个逻辑分区。但是需要注意的是，不管逻辑分区有多少，其总和是不能超出2T的大小限制的。
既然引入了扩展分区（Extended），又引出了逻辑分区（Logical），那么在DPT中剩下的三项（0x06, 0x08, 0x0C）代表什么？其实这三个代表的是主分区（Primary）。其实扩展分区也是主分区的一种，只是因为可以包含逻辑分区才这么命名的。而且扩展分区不能直接用，必须至少包含一个逻辑分区。Linux在对待主分区和逻辑分区还是有差别的。所以sda1~sda4都分配给主分区，不管你有没有分配；逻辑分区的分区号都是从5开始的。因此在linux上看一下分区所对应设备文件名，就能知道是主分区（Primary）还是逻辑分区（Logic）了。
