計算機與操作系統啟動原理
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近由于學習操作系統原理，加上自己對底層的興趣，查閱了不少資料，現結合《INSIDE WINDOWS NT》以及網上不少網友的文章，以及自己的粗略理解，整理出關于操作系統啟動的詳細資料，以資共享，當然這其中有不少是摘錄的文字，請原文作者原諒，如果有錯誤，還請各位指正：
在剛開機加電時，根據X386CUP的特性，代碼段（CS，CODE SEGMENT）寄存器的值為全1，指令計數器（IP,INSTRUCTION POINTER）的值為全0，既CS=FFFF、IP=0000。這時CPU根據CS和IP 的值執行FFFF0H處的指令。由于FFFF0H已經到了基本內存的高地址頂端，所以，FFFF0H處的指令一般總是一個JMP指令，jump到另一個位於ROM BIOS中的位置(就是執行BIOS中的系統測試代碼，隨著制作BIOS廠商的不同而會有些許差異 )它負責開機自檢。如檢查內存，鍵盤等。在自檢過程中，ROM BIOS會在上位內存（UMB，UPPERMEMORY BLOCK）中進行掃描，看看是否存在合法的設備控制卡ROM BIOS（如:SCSI卡上的ROM），如果有，就執行其中的一些初始化代碼。緊接著系統測試碼之后，控制權會轉移給ROM中的啟動程序(ROM bootstrap routine)，這個程序會將磁盤上的第零軌第零扇區讀入內存中(這就是一般所謂的boot sector，如果你曾接觸過電腦病毒，就大概聽過它的大名。假定硬盤是系統的啟動磁盤。硬盤的第一扇區稱為主引導記錄（MBR， MASTER BOOTRECORD）。MBR 的長度為512字節。可分為兩部分：第一部分為引導（PRE-BOOT）區，占了446個字節；第二部分為分區表（PARTITION PABLE），共有66個字節，記錄硬盤的分區信息。預引導區的作用之一是找到標記為活動（ACTIVE）的分區，并將活動分區的引導區讀入內存。如果用軟盤啟動計算機，ROM BIOS 讀入的是軟盤的引導區，既軟盤的第一個扇區。)，至於被讀到內存的哪里呢? --絕對位置07C0:0000(即07C00h處)，這是IBM系列PC的特性。經過一系列復雜操作后，最后將控制權轉移給操作系統。
對于linux而言，開機磁盤的boot sector上的正是linux的bootsect程序，也就是說，bootsect是第一個被讀入內存中并執行的程序。（鑒于大家研究linux不多，linux有源代碼可參，bootsect.S－>setup.S－>head.S －>main.c,所以我就將linux以后的啟動略去，主要看Windows的啟動，且主要對于NT而言，2k類似。－－因為9X已成為歷史）對于NT而言，boot sector上的正是Windows引導扇的引導代碼（他是在Windows安裝時被寫入的）. 當引導扇區被引導后,他首先查找NTLDR.（該文件必須存在于根目錄下,否則系統提示:
BOOT:Couldn't find NTLDR.或A kernel file is missing from the disk.NT.接著該死機了）NTLDR首先將CPU從實模式轉換到保護模式下.當NTLDR將所有的1M以下的內存頁描述符創建好后,NTLDR再開啟頁映射功能,現在NT可以訪問4G內存了.然后,NTLDR通過內建的文件系統代碼來查找根目錄下的BOOT.INI并根據BOOT.INI（這也是我們可以修改啟動選項的地方）的內容提示用戶可選的操作系統.當用戶在缺省的時間內沒有選擇.NTLDR就引導缺省的操作系統.然后NTLDR加載NTDECT.COM.調用INTxx來執行一大堆的BIOS系統調用.用來進行系統配置的檢測.所有檢測到的東西將被存到系統注冊表的HKLMHARDWAREDESCRIPTION項下. 接下來被加載的2個文件組成了WINDOWS NT的核心.那就是:HAL.DLL,NTOSKRNL.EXE.這2個文件在裝載時將被檢測PE校驗和,如果有問題或找不到.NT又要死機了.加載完這2個文件后,NTLDR再加載所有引導必須的驅動程序,然后加載HKEY_LOCAL_MACHINESYSTEMServices里的值SERVICE_BOOT_START的DRIVER.(此時不初始化.)然后NTLDR就會鎖定NTOSKRNL.EXE的main()函數,然后將控制轉移給NTOSKRNL.EXE. 接下來NT開始了自己復雜的OS核心初始化.首先調用ExpInitializeExecutive,而該函數則調用HAL.DLL里引出的函數HallnitSystem().這時.NT就完成了對中斷控制器的初始化和時間片的設定.當HallnitSystem()返回,接下來進行的就是對內存管理器,安全引用監視器,對象管理器,進程管理器的初始化.在內存管理器完成初始化后,NT才顯示Microsoft (R) Windows NT (TM) Version 4.0 (Build 1381)之類的.而后面的SERVICE PACK號碼則是從注冊表里HKEY_LOCAL_MACHINESYSTEMCurrentControlSetControlWindowsCSDVersion取出.當進程管理器初始化完成后(進程管理器是NTOSKRNL.EXE里最后被初始化的一個管理器),進程管理器產生2個進程.一個,乃是IDLE進程.一個,乃是SYSTEM進程.而當返回到ExpInitializeExecutive后,ExpInitializeExecutive就變成了IDLE線程.而IDLE線程的優先級是最低的.
現在調用HAL激活多CPU的功能.然后將依次調用Object Manager, Executive, Kernel, Security Reference Monitor,Memory Manager,Cache Manager,Configuration Manager,I/O Manager, Process Manager.
其中IO管理器負責完成啟動值為SERVICE_BOOT_START的驅動程序的初始化,緊接著,啟動注冊表內啟動值為SERVICE_SYSTEM_START的裝載.
所有的DRIVER完成初始化后,還沒有任何USER MODE的程序,也沒有任何環境子系統.系統進程將調用核心函數ExInitializeSystem創建SMSS進程.就是SESSION MANAGER進程.SMSS是第一個USER MODE的應用程序.他又是一個真正的NATIVE APPLICATION.他不依賴于任何子系統.SMSS唯一需要的就是NTDLL.DLL.而且就是他創建了WIN32子系統.
然后SMSS開始工作:
創建LPC端口對象SmApiPort.2個線程,等待客戶請求如加載子系統等.
創建環境變量.
定義DOS符號聯接.
創建附加的頁面調度文件.
從HKEY_LOCAL_MACHINESYSTEMCurrentControlSetSession ManagerBootExecute找出引導時加載的NATIVE APPLICATION. 通常有CHKDSK.EXE等.
調用CONFIG MANAGER完成對 HKEY_LOCAL_MACHINESAM,HKEY_LOCAL_MACHINESAMSECURITY, HKEY_LOCAL_MACHINESOFTWARE配置.
然后加載WIN32K.SYS.這時系統就被切換到圖形狀態.
啟動WIN32子系統.即CSRSS.EXE.
啟動WINLOGON.EXE.
創建用于調試的LPC端口,并創建線程來監視.
完成了這些工作后,SMSS就永遠等待WINLOGON和CSRSS的進程對象.把自己掛起.
WINLOGON在被啟動后.啟動SCM(服務管理器).將所有的"自動啟動"的SERVICE啟動起來.當然,WINLOGON并不等待任何SERVICE的完成啟動.很有可能用戶已經登陸而SERVICE沒有啟動出來.當用戶的START組里有某些應用程序需要依賴于某些SERVICE的存在的話,就有可能出錯.
當所有的SERVICE啟動無誤后,現在HKEY_LOCAL_MACHINESYSTEMCurrentControlSet就成為了LAST KNOWN GOOD CONTROL SET.
當啟動SCM后,WINLOGON就創建個工作站,代表KBD,MOUSE,MONITOR.并確保連SERVICE也不能訪問該工作站,以保證安全性.當工作站創建好后,就打開3個桌面.APP,SCR SAVER,WINLOGON.然后就是建立LSA和LPC聯接.用于登陸.注銷.口令操作.
通過調用LsaLookupAuthenticationPackage獲取MSV1_0的相關ID,用于驗證身份.創建WINLOGON窗口類.確保SAS序列鍵按下后窗口過程被調用.只有WINLOGON桌面解鎖后才能切換到其他應用程序桌面.
在LOGON時,WINLOGON調用GINA來確認用戶登陸.（這樣也提供了一個替換NT本身登陸驗證操作的方法）當用戶驗證身份完畢,登陸成功,桌面就被解鎖.并且調用USERINIT.EXE.該程序會查找出用戶的SHELL并啟動他.然后自己就結束生命.
就這樣，一個操作系統就完全啟動了。
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