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2024.10.21：初版

目录

1 基础知识

1.1 计算机存储空间

RAM 、ROM 与 Flash（具体参考[[寄存器，RAM与ROM]]）

RAM：随机存储器，用于存储系统运行过程中的数据，掉电不保存
ROM：只读存储器，只读不可写，可长期存储，掉电保存
Flash：从广义上来说，Flash 属于 ROM 概念中的一种，但更多时候 Flash 和 ROM 是并列关系，都是非易失性存储器

1.2 计算机启动流程

BIOS/UEFI –> Bootloader –> 操作系统内核 –> 应用

BIOS 和 Bootloader 无本质差别，都是初始化硬件和加载系统，理论上可以融合到一起（BIOS 着重初始化硬件，Bootloader 着重加载系统）。比如嵌入式系统中所有工作都合并到 Bootloader 中，而不存在单独的 BIOS 概念。大部分 PC 现在已经是 UEFI 模式，部分 PC 服务器还保留 BIOS+Bootloader 的模式

1.2.1 为什么需要引导

为什么需要引导而不是直接启动操作系统

  1. 初始化和自检：操作系统存储于外设存储介质中，CPU 需要通过外设才能访问到。所以在计算机启动时，需要先对硬件进行初始化和自检。该工作需要单独由引导程序来完成
  2. 引导设备选择：当有多个操作系统同时存在，或操作系统存在于不同的物理空间时，需要由单独的引导程序来进行引导，引导系统进入正确的操作系统
  3. 兼容性：现实不可能为每台不同的计算机硬件配置不同的操作系统。往往一套操作系统需要在多台不同的计算机上运行。引导程序提供了向后兼容性，向下由硬件厂商提供，向上提供统一的接口，供操作系统使用

1.2.2 为什么嵌入式上没有单独的 BIOS

‌‌‌　　ARM 体系多为硬件定制化开发。在系统开机时，大多已经预先知道有哪些外设，有哪些资源，且硬件很少再次变动，此时照方抓药即可，所以这些工作可以做到 BSP 或是 Bootloader 中，此时一套硬件和一套程序一一对应；而 x86 体系较为开放，计算机在开机时时常无法确定当前所用硬件，比如更换 CPU、内存条等行为会使硬件发生变动，此时需要 BIOS 重新适配新的硬件并向上层提供统一接口

2 启动流程

2.1 BIOS / UEFI

‌‌‌　　按下了电源键后，CPU 开始工作，一段写在 ROM 中的程序就开始运行； 引导机器去指定位置找系统运行；同时做一些硬件的初始化和自检等，只有硬件都 ok，才会把硬件交给操作系统。这个就是 BIOS (Basic Input Output System)

BIOS 和 UEFI 都是计算机的固件接口，UEFI 是 BIOS 的继任者

二者差异
BIOS: 16 位实模式，使用 MBR（主引导记录）分区格式，最大支持 2 TB 的硬盘
UEFI：32/64 位模式，使用 GPT（GUID 分区表）分区格式，支持更大的硬盘（最大可达 9.4 ZB）和更多的分区

以下都以 BIOS 作为统称

2.1.1 存储位置

BIOS 一般存储于一个独立的 ROM 中。在通用计算机系统中，该 ROM 常位于主板上

  • 此主板 ROM 直连 CPU，不需要初始化即可访问
  • BIOS 的地址固定，被写死到 CPU 的程序计数器 (PC)中，CPU 上电即执行该地址程序

为什么 BIOS 不直接集成到 CPU 上：CPU 上只存在寄存器和 L 1、L 2 级的缓存，而没有 ROM，因此将 BIOS 放在独立的主板 ROM 上

2.2 Bootloader

Bootloader 是在 BIOS 之后运行的，负责初始化硬件设备，并将系统的软硬件环境调整至合适状态，然后加载操作系统。现今 PC 大多将 Bootloader 融合到 UEFI 中

2.2.1 存储位置

  • 嵌入式设备中，Bootloader 存储于 Flash 中；
  • 在通用计算机系统中，Bootloader 存储于硬盘的引导扇区中；
  • 在现代通用计算机中，Bootloader 可以直接合并到 UEFI 中；

2.2.2 GRUB

以传统通用计算机为例，GRUB 存储于系统硬盘的第一个分区，即 MBR（主引导记录）中。具体参考[[计算机硬盘（机械硬盘）]]

  1. 在 BIOS 完成自检后，BIOS 根据设置的启动顺序查找可引导设备（硬盘、CD/DVD、USB 等）
  2. 如果找到引导设备（如系统硬盘），BIOS 读取主引导记录（MBR）并将其加载到内存中，将机器的控制权交给 MBR 中的引导程序（即 GRUB）。
  3. GRUB 将硬盘中的操作系统加载到内存并将机器控制权移交给操作系统

3 嵌入式 Bootloader

嵌入式系统（以裸机和 RTOS 为例）中的 Bootloader 就相对简单，主要功能为初始化硬件设备、建立内存空间映射图。详细可看[[单片机Bootloader原理]]

3.1 工作流程

汇编阶段：

  1. 基本的硬件设备初始化（屏蔽所有的中断、关闭处理器内部指令/数据 Cache 等），为第二阶段准备 RAM 空间

  2. 设置堆栈。完成后跳转到第二阶段的 C 程序入口点

 

C 语言阶段：

  1. 初始化本阶段要使用到的硬件设备。检测系统内存映射。视情况将内核加载到 RAM 中。为内核设置启动参数。

  2. 跳转至内核

3.2 工作模式

  1. 启动模式：Bootloader 将操作系统加载到 RAM 并启动，为正常工作模式
  2. 下载模式：Bootloader 通过通信手段接收更新数据，将更新的操作系统存储到 Flash 中替换原操作系统。重启后通过启动模式 Bootloader 进入新系统完成更新

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