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啟動程式

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啟動程式(英語:bootloader)是指在電腦系統中負責初始化周邊裝置、啟動作業系統的程式。在個人電腦上,當BIOS完成開機硬體檢測後,便會由磁碟上的主開機紀錄或是主機板的UEFI韌體讀取作業系統對應的啟動程式,再由啟動程式載入作業系統。Linux所使用的GNU GRUB、以及微軟為Windows開發的Windows開機管理程式,都屬於啟動程式的一種。

啟動流程

啟動的英文「boot」語源來自「鞋帶」(bootstrap),取成語「拉著自己的鞋帶站起來」(Pull oneself up by one's bootstraps)、自立振作之意。

在普通的个人电脑上,引导程序通常分为两部分:第一阶段引导程序位于主引导记录(MBR),用以引导位于某个分区上的第二阶段引导程序,如NTLDRBOOTMGR等。一些嵌入式系统直接运行存储在ROM中的可執行程序。

BIOS開機完成後,啟動程式就接手初始化硬體設備、建立記憶體空間的映射,以便為作業系統內核準備好正確的軟硬體環境。

對於UEFI系統,由EFI應用程式(即EFI系統分區中的.efi檔案)取代MBR和第二階段啟動程式,UEFI韌體會載入啟動程式的.efi檔案,再由啟動程式載入作業系統。

歷史

早期可编程商业计算机,如UNIVAC IIBM 701,会包含执行完整的输入输出操作的指令。相同的硬件逻辑可以被用来加载穿孔卡片的内容,或者其他输入媒体,如磁鼓或者磁带,这些引导程序可以通过按键启动。IBM701 计算机拥有一个 "Load" 按钮,此按钮可以将打孔卡片的前 36个bit字读入到主存中。左18-bit 半字被视为指令而执行,通常用来将额外的字读入到内存中。随后被加载的引导程序被执行,反过来无需更多地人为操作从媒介中加载更大的程序到内存中。随后计算机跳转到内存位置001,读取存储的第一个指令。第一条指令一般是相同的:将前80个内存位置的信息移到一个汇集区域(打孔卡片2,3,4...)。一旦信息被移动到这些区域后,机器跳转到080位置(读取一个卡片),然后下一个卡片将被读取,并处理相关信息。

同期的其他IBM计算机有着相似的特性。IBM1401系统使用读卡器从打孔卡片中加载一个程序。打孔卡片中存储的80个字符被读入到内存地址001~080.

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个人电脑

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Windows To Go 的引导U盘

现代计算机的UEFI和BIOS都支持从多种设备中启动,如:硬盘(MBR或者GPT)、光驱USB大容量存储设备(U盘、SD卡等),或者从网卡启动(使用PXE)。

通常,固件(UEFI或BIOS)都会允许用户设置启动顺序(英語:boot order)。如果将启动顺序设为「第一:DVD 驱动器;第二:硬盘驱动器」,固件会先尝试从 DVD 驱动器启动,如果失败(比如驱动器中没有 DVD)则会再尝试从本地的硬盘驱动器启动。

假设有一台PC,硬盘上装有 Windows 10,用户可以设置启动顺序为上述顺序,然后插入Linux Live CD,这样就可以直接试用Linux。更常见的情况是直接使用键盘从BIOS或UEFI的引导菜单(英語:boot menu)或者BIOS設定(英語:BIOS Setup)中选择,BIOS設定通常可以通过在POST时按DeleteF2进入。

智能手机

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Android手机的启动引导界面及解锁后警告

现代的智能手机具备操作系统,系统在启动之前需要通过bootloader启动,手机启动的时候基带执行初始化,然后引导系统内核,直到系统启动。智能手机生产厂商通常在出厂时锁定了手机的bootloader,以防止用户误操作损坏了系统文件造成手机功能异常,部分厂商会给开发者或普通用户发放bootloader解锁码,这通常需要步骤众多的申请,锁定bootloader能部分有效阻止恶意程序对手机造成的破坏,部分用户或开发者会通过解锁Bootloader以获得更多的功能和权限,这通常会带来使用风险。

參見

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