大家好，我是小風哥。操作系統(tǒng)被稱為“第一個程序”，the first programme，原因很簡單，只有當操作系統(tǒng)啟動起來后才能運行我們編寫的程序，那么你有沒有想過這個問題：操作系統(tǒng)是怎樣啟動起來的呢?實際上這個過程就像發(fā)射火箭一樣有趣，看完這篇你就明白啦。

操作系統(tǒng)也是普通程序

哦對了，順便說下，小風哥建了一個微信技術群，感興趣的同學可以加一下，拉到最后掃描二維碼備注“加群”即可。首先我們必須意識到這樣兩點：

• CPU執(zhí)行的是機器指令，編譯器將程序翻譯后成了機器指令
• 操作系統(tǒng)本身也是一個程序，這個程序被編譯后也會生成一大堆機器指令

現(xiàn)在我們知道了，操作系統(tǒng)本身其實也是一大堆機器指令，既然是機器指令那么它必須得存放在什么地方。存放在哪里呢?想想我們編寫的程序，編譯后生成的是可執(zhí)行文件，也就是說是以“文件”的形式存放的，并且存放在硬盤上，而操作系統(tǒng)也沒什么不同，編譯后生成的機器指令同樣是以文件的形式存放的，存放在哪里呢?可以存放在任何能存儲數(shù)據(jù)的介質，像CD、磁盤之類都可以。

我們編寫的程序在啟動時被加載器——也就是loader，加載到內(nèi)存，加載器也是一個程序，這是一個加載其它程序的程序;這么說可能有點拗口，但計算機系統(tǒng)中有大量類似的程序，編譯器是一個翻譯程序的程序、操作系統(tǒng)是一個運行其它程序的程序、鏈接器是一個鏈接程序的程序、解釋器是一個執(zhí)行腳本程序的程序等等。

雞生蛋蛋生雞的問題

回到我們的主題，我們寫的代碼是loader加載到內(nèi)存后運行的，那么操作系統(tǒng)這個程序是也同樣的道理，必須得有個什么東西也要把操作系統(tǒng)加載到內(nèi)存中運行才可以，這個東西不叫l(wèi)oader，而是叫boot loader，其本身也是一個程序，它的任務就是加載一個更大的程序，就像這里的操作系統(tǒng)。

此時這里會出現(xiàn)一個雞生蛋蛋生雞的，既然我們的程序是被加載器loader(操作系統(tǒng)的一部分)加載到內(nèi)存中，而操作系統(tǒng)又是被boot loader這個加載程序加載到內(nèi)存中的，那么又是什么加載器把boot loader這個加載程序加載到內(nèi)存中呢?而又又是什么加載器把上一句中的什么加載器加載內(nèi)存中呢?而又又又是什么。。?

你會發(fā)現(xiàn)這個一個沒有出口的無窮遞歸啊有沒有，總得有個什么把前一個程序加載到內(nèi)存，就好比今天的前一天是昨天、昨天的前一天是前天、前天的前一天是大前天，如果一直這樣思考下去那么時間到底在哪里開始的呢?時間到底有沒有開始(參考時間簡史或相對論)?

時間有沒有開始這個問題我不清楚，但操作系統(tǒng)啟動的這個問題我知道。上述關于加載器以及加載加載器等問題全部指向了內(nèi)存，讓我們好好想一想內(nèi)存有什么特殊性?

內(nèi)存斷電后是無法保存數(shù)據(jù)

程序員都知道內(nèi)存只有在加電的情況下才可以保存數(shù)據(jù)(關于內(nèi)存的實現(xiàn)原理你可以參考這篇《你管這破玩意叫CPU?》)，那么很顯然，當斷電后內(nèi)存中的內(nèi)容就丟失了，那么又很顯然的，當你在按下計算機開關通電時，內(nèi)存中的內(nèi)容是未被初始化的，也就是說內(nèi)存中的內(nèi)容是無效的，此時的內(nèi)存里還是一片荒蕪，這里沒有任何東西可供CPU來執(zhí)行，這就好比大爆炸之前的宇宙。

但我們的計算機總是能啟動起來，CPU必須得執(zhí)行“一段什么程序”把第一個boot loader加載到內(nèi)存中，由于此時內(nèi)存中還什么都沒有，那么這段程序一定被保存在了其它地方。保存在了哪里呢?沒錯，這段程序就被保存在了BIOS的非易失性存儲ROM或者flash存儲中了，這里的代碼在即使斷電后也會保存下來，加電后CPU開始執(zhí)行這里代碼，把boot loader加載到內(nèi)存中，現(xiàn)在你應該明白第一個boot loader是怎樣被加載到內(nèi)存的了吧。

在早期的計算機上甚至專門有一個按鈕，讓用戶自己選擇該從哪里，比如打孔紙帶、打孔卡片或者硬盤，加載一個更復雜的程序來運行，操作面板上的旋鈕可以控制把這些程序加載到內(nèi)存的什么位置上去：

火箭與操作系統(tǒng)啟動

然而現(xiàn)實情況比較復雜，我們剛才提到的boot loader這段小程序功能實在是太弱了，此時其能訪問的磁盤地址空間有限，不能把完整的內(nèi)核全部加載到操作系統(tǒng)中，該怎么辦呢?既然boot loader比較弱那么就換一個比較牛的loader程序來，就這樣出現(xiàn)了二階boot loader，second stage loader：

二階boot loader功能更為豐富，比如對硬件進行檢查、給用戶提供選項加載哪個操作系統(tǒng)等等，安裝多系統(tǒng)的同學應該知道，啟動時會給你一個選項到底是啟動windows還是linux，這就是二階boot loader的作用。

最終，操作系統(tǒng)被二階boot loader加載到內(nèi)存中開始運行。你會發(fā)現(xiàn)這個過程就和發(fā)射三級火箭一樣，最初一級火箭啟動，燃料用盡后二級火箭啟動，二級火箭完成使命后三級火箭啟動，最終把衛(wèi)星送到太空，而計算機的啟動過程也類似。最初是CPU運行BIOS中的一段代碼把一級boot loader加載到內(nèi)存中運行，該程序又會把二級boot loader加載到內(nèi)存運行，而二級boot loader又會把操作系統(tǒng)加載到內(nèi)存中，此后控制權被轉移到操作系統(tǒng)，(所謂控制權是指CPU跳轉到操作系統(tǒng)的代碼)，操作系統(tǒng)開始運行，經(jīng)過一系列的初始化，比如硬件檢測、開啟必要的后臺進程等等，最終圖形界面或者命令行界面呈現(xiàn)出來。

接下來我們把這個過程細化一下。

更詳細的啟動過程

你在按下電源的瞬間相當于火箭點火，此時一級發(fā)動機開始工作。加電CPU重置后開始在地址0xffff0處開始執(zhí)行指令，這個地址其實是BIOS ROM的末尾處，該位置其實是一個跳轉指令，跳轉到ROM的一段啟動代碼上，該代碼會進行必要的自檢，Power-on self-test (POST)，展示BIOS啟動界面等等，最重要的一步是找到啟動設備，所謂啟動設備就是指從哪里加載操作系統(tǒng)，比如CD-ROM、或者磁盤、甚至U盤等都可以作為啟動設備，早些年流行用U盤重新安裝系統(tǒng)，其實就是告訴BIOS的這段代碼從U盤中加載操作系統(tǒng)。通常BIOS會把磁盤當做啟動設備(大部分情況下)，此時BIOS中的這段代碼開始將磁盤的第0號塊加載到內(nèi)存中，那么這第0號塊中有什么呢?沒錯，就是第一階段boot loader程序，這第0號塊也被稱之為Master Boot Record，MBR，肯定有不少同學聽說過。

到這里，火箭的一級發(fā)動機燃料用盡，二級發(fā)動機開始點火，BIOS中的這段代碼把控制權交給加載到內(nèi)存boot loader，所謂控制權就是跳轉到boot loader程序，這樣CPU終于開始直接與內(nèi)存交互了，CPU開始從內(nèi)存中取出指令然后執(zhí)行。MBR中除了包含一段可執(zhí)行代碼之外還有一個分區(qū)表，partition table，這個表的中的每一個條目本質上在說：“操作系統(tǒng)是否在我這個分區(qū)，我這個分區(qū)有多大”，CPU在執(zhí)行MBR中的代碼時會去檢查操作系統(tǒng)存在哪個分區(qū)中，定位后開始從相應分區(qū)的起始位置讀取磁盤數(shù)據(jù)到內(nèi)存中，這時的磁盤數(shù)據(jù)中保存的就是二階boot loader，second-stage boot loader，此時一階boot loader把控制權轉交給二階boot loader，火箭三級發(fā)動機開始工作。2_boot loader的主要工作將操作系統(tǒng)加載到內(nèi)存中，此后控制權轉交給操作系統(tǒng)，火箭的三級發(fā)動機完成使命，到這一時刻，操作系統(tǒng)開始接管計算機，操作系統(tǒng)經(jīng)過一系列自身的初始化后創(chuàng)建出若干必要進程，至此計算機啟動完畢，衛(wèi)星被成功送到了外太空中。

然而限于篇幅這里依然沒有過多涉及細節(jié)，操作系統(tǒng)本身的初始化也是一個比較復雜的過程，感興趣的同學可以去翻閱相關操作系統(tǒng)的資料。

總結與腦洞

計算機的啟動是一個多階段的過程，當然在一些嵌入式設備等這個過程會簡化，但總體上也需要經(jīng)過類似過程，只不過階段數(shù)會少一些。回到最開始的那個問題，也就是時間有沒有開始，其實這個問題一些物理大牛已經(jīng)回答過了，但我很想在這里開一個腦洞，當上帝在為自己創(chuàng)建的宇宙(計算機)加電的那一刻——也就是宇宙大爆炸時，時間開始了，時間這個概念是和宇宙(計算機)相伴相生的，如果沒有宇宙(計算機)，時間這個概念其實是沒有意義的，就好比如果沒有計算機，加載這個概念其實是沒有意義的，你思考時間到底有沒有起點這個問題就好比計算機中的程序在思考到底是誰把自己加載到內(nèi)存的、又是誰把操作系統(tǒng)加載到內(nèi)存中的等等。。好啦，腦洞就開到這里。