〔PConline杂谈〕对于身边我们早已习以为常的事情，往往会忽略其背后更多原理，但是被人突然问起来原因的时候，却又说不出其所以然，不知道大家有没有这样体验？正如有人问你，电脑是如何开机呢？相信你肯定会很干脆回答道，按下开机建。 那问题来了，你有没有想过电脑开机背后原理呢？按下了开机键后硬件部分会发生什么反应？又是如何通过CPU、内存、显卡、主板等硬件将硬盘搭载的系统启动，以便我们使用呢？ 如果你组装过电脑或看过电脑组装视频，可能对机箱线路构成有大概印象，它们分别负责硬盘指示灯、音频接口、开机和重启的指示灯、机箱上面USB接口及开机按键的正常工作。 当你按下电脑电源键的时候，其实是将主板上的两个负责开机的针脚进行短接。于是出现按下电源键开不了机的情况时，一些专业人士会将主板的连接线拔掉，再通过螺丝刀将主板的电源开关线PowerSW来连接两个接线柱，实现短接开机。有趣的是，这两个接口不能一直连接在一起，否则电脑会关机。 说到接口方面，主机的主板提供CPU、AGP、PCI插槽、USB端口以及PS2接口等在通信速度存在比较大的区别。如何解决不同插槽通信速度差异？主板给CPU、SATA、USB设备提供不同的时钟频率，从而保证这些硬件能正常运行。 此外，当你按下电脑电源键给微控制器发出了Reset信号的时候，主板会经过一系列的转换后，开始启动电脑里面的一块芯片，这块芯片里面有一个程序叫做基本输出输入系统，也就是我们常说的BIOS。 此时，BIOS会先检查，也就是硬件自检，主要是检查电脑的硬件能不能满足电脑正常运行的基本条件，如果硬件出现问题，主板会发出不同含义的蜂鸣，电脑也不会正常启动。 BIOS自检完毕后将按照BOOT顺序列表逐一检查。如果光驱软驱在前，BIOS会自动检测是否有光盘软盘在内，如果有光盘软盘，BIOS会尝试使用光盘软盘对系统进行引导，USB启动亦是如此。 如果当前光盘软盘USB存储设备内没有相关的引导文件，BIOS会自动跳转到下一个BOOT项目，一直按照BOOT顺序表进行到有可执行的项目为止。接着，BIOS把控制权转交给下一阶段的启动程序，再到启动系统的阶段。 此时，BIOS需要知道，下一阶段的启动程序具体存放在哪一个设备，等于BIOS需要有一个外部储存设备的排序，排在前面的设备就是优先转交控制权的设备。这种排序叫做启动顺序，打开BIOS的操作界面，里面有一项就是设定启动顺序。 当BIOS按照硬盘的顺序启动后，这时候电脑把控制权转交给了第一位的硬盘，给到硬盘搭载的系统来控制，读取该设备的第一个扇区，也就是读取最前面的512个字节，称作主引导记录。如果这512个字节的最后两个字节是0x55和0xAA，表明这个设备可以用于启动。如果不是，表明设备不能用于启动，控制权于是被转交给启动顺序中的下一个设备。 主引导记录仅起到引导的作用，告诉电脑要去硬盘中的哪一个部分去寻找操作系统，主引导记录还有一部分记录了硬盘的分区表，也就是将硬盘里面的分区情况记录了下来，由于每个区可以安装不同的操作系统，这是时候，主引导记录必须知道将控制权转交给哪个区。 如果每个扇区为512个字节，这意味着单个分区最大不超过2TB，考虑到扇区的逻辑地址是32位，所以单个硬盘可利用的空间最大也不超过2TB。如果想使用更大的硬盘，只有2个方法，一是提高每个扇区的字节数，二是增加扇区总数。 由于计算机的控制权就要转交给硬盘的某个分区，会出现了三种情况。 第一种情况，卷引导记录。盘的四个主分区里面，只有一个是激活的。计算机会读取激活分区的第一个扇区，叫做卷引导记录。而卷引导记录的作用主要是告诉电脑，操作系统在这个分区里的位置后，计算机就会加载操作系统了。 第二种情况，扩展分区和逻辑分区。随着硬盘容量越来越大，四个主分区已经不够了，需要更多的分区。不过分区表只有四项，因此规定有且仅有一个区可以被定义成扩展分区。所谓扩展分区指的是这个区里面又分成多个区，而这种分区里面的分区，就叫做逻辑分区。 电脑先读取扩展分区的第一个扇区被称为扩展引导记录，它里面也包含一张64字节的分区表，但最多只有两个逻辑分区，计算机接着读取第二个逻辑分区的第一个扇区，再从里面的分区表中找到第三个逻辑分区的位置，以此类推，直到某个逻辑分区的分区表只包含它自身为止。从这里看到，扩展分区可以包含无数个逻辑分区，但在日常中很少通过这种方式启动操作系统，除非操作系统确实安装在扩展分区，否则采用第三种情况。 第三种情况，启动管理器。在启动管理器后，计算机读取主引导记录前面446字节的机器码之后，不再把控制权转交给某一个分区，而是运行事先安装的启动管理器（bootloader），由用户选择启动哪一个操作系统。 到了这一阶段，控制权交给了操作系统后，操作系统的内核将载入内存。内核加载成功后，第一个运行的程序。这时根据配置文件产生init进程。然后，init线程加载系统的各个模块，比如窗口程序和网络程序，直至跳出登录界面，等待用户输入用户名和密码。 总结 看完上面介绍后，大家对电脑按下开机键产生一系列奇妙的变化有了更深的感知，不知道有没有被这精密的设计震撼到呢？小小的按钮，大大的世界，希望大家拥有一双善于发现美的眼睛，还能继续探索美丽背后的原理，做个生活观察家。
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