BIOS、MBR、PBR等基础知识

朱雀 2022-05-16 02:13 324阅读 0赞

BIOS、MBR、PBR等基础知识，兼谈U盘、移动硬盘以及操作系统的安装与启动基本原理

2009年03月23日 星期一 08:48

一、基本概念  
    1、BIOS的概念   
　　BIOS（Basic Input/Output System，基本输入输出系统）全称是ROM－BIOS，是只读存储器基本输入／输出系统的简写，它实际是一组被固化到电脑中，为电脑提供最低级最直接的硬件控制的程序，它是软件程序和硬件设备之间的枢纽，通俗地说，BIOS是硬件与软件程序之间的一个“转换器”或者说是接口（虽然它本身也只是一个程序），负责解决硬件的即时要求，并按软件对硬件的操作要求具体执行。  
    BIOS，它在计算机系统中起着非常重要的作用。一块主板性能优越与否，很大程度上取决于主板上的BIOS管理功能是否先进。BIOS芯片，在主板上表现为一块长方型或正方型芯片。

主要作用：负责检查硬件并且查找可启动的设备（即设备上有引导信息）。

硬件故障会有报警音。

可启动设备有：HD（硬盘），USB（U盘），CDROM（光盘），查找可启动设备的顺序是可以在BIOS中设置的。

如何识别是否是可启动设备：查看第一扇区的最后两个字节是否是55，AA。

由于BIOS直接和系统硬件资源打交道，因此总是针对某一类型的硬件系统，而各种硬件系统又各有不同，所以存在各种不同种类的BIOS，随着硬件技术的发展，同一种BIOS也先后出现了不同的版本，新版本的BIOS比起老版本来说，功能更强。

2、MBR的概念  
    主引导扇区位于硬盘的0磁道0柱面1扇区，共512bytes，由三大部分组成：  
    硬盘主引导记录MBR（Master Boot Record）占446bytes：即引导代码，不同系统的引导代码各不相同。  
    分区表DPT（Disk Partition Table）占64bytes  
    硬盘有效标志MN（Magic Number）占2bytes。AA和55被称为幻数(Magic Number),BOIS读取MBR的时候总是检查最后是不是有这两个幻数,如果没有就被认为是一个没有被分区的硬盘  
    主引导扇区包含的MBR、DPT、MN，这3个区域是操作系统无关的，在每块硬盘上都存在；MBR是一段可执行程序，由各个操作系统写入不同的代码。 MBR的存储空间限制为446字节，MBR所做的唯一的事情就是装载第二引导装载程序。Windows产生的MBR装载运行PBR；GRUB产生的MBR装载运行grldr。

GRUB是linux的主流引导程序，几乎可以引导所有的操作系统。在/boot/grub目录中存放与grub程序有关的文件。

/boot/grub/grub.conf文件为Grub程序的配置文件，用来配置启动操作系统的信息。

/boot/grub/stage1 是当前硬盘MBR的一个备份，512字节。

之后加载文件系统驱动，即以stage1\_5为结尾的文件。默认支持十种文件系统，有iso，fat，e2fx等。

之后加载stage2文件，真正的启动引导程序，该部分会去加载操作系统的内核。

现在的linux也支持efi的启动方式。

3、操作系统引导过程  
    主引导记录（Master Boot Record，MBR）：512字节，位于硬盘的第一个扇区；可存放一小段程序及主分区表。MBR的boot code占用其中的前446个字节，随后的64个字节为DPT（Disk Partition Table，硬盘分区表）。  
    XP系统引导过程是，BIOS自检后,DPT把系统控制权交给硬盘第一个分区的PBR（Partition Boot Record），XP的PBR会去找这个分区的ntldr，之后是boot.ini,选择启动的系统后load注册表,交控制权给ntoskrnl,然后加载驱动,系统配置等等。  
    Vista的PBR不再找ntldr,而是找bootmgr,这个文件也是保存在硬盘第一个分区的根目录下.之后,bootmgr去找同路径下的\\boot\\BCD. BCD这个文件实际是一个注册表文件,里面的数据保存了系统的引导信息,如果是多系统引导,会提供引导的界面内容. 如果是单Vista系统,控制权会交给winload.exe,之后再去找ntoskrnl.exe.  
　　扩展引导记录（Extended Boot Record，EBR）：512字节，位于扩展分区的第一个扇区，存放逻辑分区信息。  
　　分区引导区（Partition Boot Record，PBR）：512字节，位于每个非扩展主分区及每个逻辑分区的第一个扇区；可存放小段程序。  
　　活动分区（Active Partition）：可将所有主分区和逻辑分区中的一个标识为Active，表示系统启动时即加载运行其PBR程序的分区。  
    DBR ： DOS引导记录（DOS Boot Record）应称为OBR（OS Boot Record），意思是活动分区的PBR，即操作系统引导记录。

二、分区概念

一个硬盘的分区有Primary（主分区）、Extended（扩展分区）、Logical（逻辑分区）三种。  
    1、主分区  
    如果你只有一个硬盘，那么这个硬盘肯定应该有一个主分区，以前DOS必须在主分区才能启动。建立主分区的最大用途便是安装操作系统，另外如果你有多个主分区，那么只有一个可以设置为活动分区（Active），操作系统就是从这个分区启动的，当然了，只允许有一个活动分区，所谓的“激活分区”就是将某个主分区设置为活动分区。  
    2、扩展分区  
    因为主分区有先天的限制（最多只能有4个），扩展分区就是为了解决这种限制应运而生的，但是需要记住的是：它可是不能直接用来保存资料的，扩展分区的主要功能就是让你在其中建立逻辑分区，而且事实上只能建立20多个。  
    3、逻辑分区（逻辑驱动器）  
   从上面的介绍你可以了解到，逻辑分区并不是独立的分区，它是建立在扩展分区中的二级分区，而且在DOS/WINDOWS下，这样的一个逻辑分区对应于一个逻辑驱动器（Logical Driver），我们平时说的D: E:........一般指的就是这种逻辑驱动器。  
   4、分区的限制  
   一个硬盘最多只能划分为4个主分区，或者是3个主分区加上一个扩展分区，这是因为在硬盘的开头，也就是主引导扇区总共512字节存放着MBR占 446bytes，DPT分区表占64bytes以及硬盘有效标志占2bytes，由于记录空间只有那么大，所以也只能记录这4个分区的信息。

三、一般单操作系统启动过程  
　　1.BIOS加载并启动保存在硬盘MBR中的引导程序，该引导程序一般在操作系统安装时写入  
　　2.MBR引导程序扫描所有分区表，找出活动分区（Windows MBR程序只会在MBR中的分区表中查找活动分区，即Windows只能安装在主分区；Linux无此限制）  
　　3.MBR引导程序加载并启动保存在活动分区PBR中的引导程序  
　　4.活动分区PBR中的引导程序加载并启动安装在其上的操作系统（例如对Win98，定位并执行io.sys；对WinXP，定位并执行 ntoskrnl.exe；对于Linux，定位并执行vmlinuz-xxx内核映像）。显然PBR引导程序与操作系统密切相关，一般在操作系统安装时写入。  
　　总结为：BIOS–>MBR—>PBR–>OS files

四、修改标准过程实现按需启动指定操作系统  
　　使用BootLoader等软件置换MBR中的引导程序或PBR中的引导程序(即操作系统的引导程序，主要用来加载内核），如Windows的NTBoot Loader，Linux下的Lilo、Grub等。Windows NTBoot Loader一般用于在一台机器上安装多个Windows系统；Lilo或Grub用于在一台机器上安装多个Linux系统或同时安装Linux和Windows系统。

五、MBR损坏及修复  
    MBR的损坏不会危及数据，修复也很简单，重写MBR就是，DOS下面的fdisk/mbr即可修改DOS引导，像DISKGEN等工具修改MBR更是随手拈来。

六、从U盘或移动硬盘启动操作系统的步骤：  
    1、U盘格式化后（FAT32或NTFS都可以），把U盘激活成活动分区（可使用DiskGenius硬盘分区软件）  
    2、写入U盘活动分区的PBR，以达到PBR读取bootmgr文件的目的（可使用Vista或windows7自带的 bootsect.exe 进行操作）  
    3、复制相应启动文件到U盘根目录  
    4、修改bios启动顺序从U盘启动即可

移动硬盘：开机识别成 USB-HDD  
    在XP中格式化成FAT32、NTFS格式的U盘：开机出现在BIOS的Removable Device中，识别成USB-ZIP，默认为主分区非活动分区。可以用DiskGenius激活为活动分区，再开机识别为USB-HDD。  
    量产成HDD的U盘：开机出现在BIOS的Hard Disk中，识别成USB-HDD，默认自动设置为活动分区。

BIOS引导MBR中的Boot Loader，Boot Loader载入Kernel， INIT初始化并决定系统的运行级别。
    	1>在刚开机时 ，由于 80x86 的特性 CS ( Code Segment ) 这个寄存器中全部都放着 1 ， 而 IP ( Instruction Pointer ) 这个寄存器中全部都放着 0 ，换句话说 ， CS=FFFF 而 IP=0000 。 此时 ， CPU 就依据CS 及 IP 的值 ， 到 FFFF0H 去执行那个地方所放的指令 。这时候 ，由于FFFF0H 已经到了高位址的顶端 ，所以  FFFF0H 这个地方 ，总是会放一个JMP 指令 ，跳到比较低的位址 。 接著 ， ROM BIOS 就会作一些检查的动作像内存 、 键盘等...... 并在我们俗称的 UMB ( Upper Memory Block )之中扫描 ，看看是否有合法的 ROM 存在 ( 比如 SCSI 卡上的 ROM ) 。假如有就到里面去执行一些东西 ， 执行完之后再继续刚才的行程 。 到了最后 ，读取硬盘上的第一个 sector 。 在这里 ， 假设系统是由硬盘启动。因此 ， 就硬盘的构造而言 ，它的第一个 扇区称为 MBR ( Master Boot Record ) 。 因为一个 sector 是 512 bytes ， 而 MBR 这 512 bytes 可分为两个部份 ，第一个部份为 Pre-Boot 区 ， 占了 446 bytes； 第二部份是 Partition Table Record ， 占了 66 bytes 。 Pre-Boot 区的作用之一 ，就是去看看哪个 Partition 被标成 Active ， 然后去读那个 Partition 的Boot区 。
    	2>在 Linux 的启动方面 , 一般人最常把 LILO或Grub 放在 MBR 或 Superblock ，假如你把LILO或Grub 放在 MBR ，那很明显的，当读取到 MBR 的时候 ，LILO 或Grub就被执行 。 此时你的屏幕上会出现启动选项接着 ，就进行 Load Kernel的动作。在另一方面来说，假如你把 LILO或Grub安装在 Superblock , 通常你还会有一个管理开机的程序 ，也许是放在 MBR ( 像 OSBS ) 或者是放在一个单独的 Partition ( 像 OS/2 的 Boot Manager) 。再由这个管理开机的程序去读取 LILO或Grub ， 进而做 Load Kernel 的动作 。到了目前为止 ,  Kernel 被load 到 memory 中之后 ，接着进行一连串 probe 周边的动作 ，像串口、并口 、 软盘 、 声卡 、 硬盘 、 光驱 等 ...... 接着 mount root partition 。 在这之后 kernel 会起动 init 这个 process 。init 这个 process 的 PID 为 1 ，它是所有 process 的祖先 ，它会根据运行级别来启动相应的服务和程序。  
    init 初始化
    init从/etc/inittab中读取数据并初始化
    – init运行级别
    – 系统启动脚本
    – 执行运行级别对应目录下的脚本
    – 设置热键
    – 定义UPS设备脚本
    – 在虚拟控制台上循环开启getty进程
    – 定义runlevel 5时的X显示管理器
      init是所有进程的父进程。在核心加载完成后总是先启动。
      init 这个 process 会依据 /etc/inittab 中所记载的内容进入不同的 run-level 并启动不同的 process 。 所以 inittab 的重要性可见一斑 ， 那什么叫 run-level 呢 ? 所谓 run-level 就是系统中定义了许多不同的 level（等级） ，而系统会随著 level 的不同而去启动不同的资源 。

runlevel 命令可以显示上一个和当前运行级别，如果没有上一个运行级别，则显示N。

init命令可以改变当前运行级别。

单用户模式可以修改root密码。

grub加密。

grub-md5-crypt 命令可以生成一个加密的密码。