我們每天都在和Windows打交道，很多人甚至可能在一天當中要面對多次Windows的啟動(dòng)過(guò)程，可是你知道在Windows的啟動(dòng)過(guò)程背后隱藏著(zhù)什么秘密嗎？在這一系列過(guò)程中都用到了哪些重要的系統文件？系統的啟動(dòng)分為幾個(gè)步驟？在這些步驟中計算機中發(fā)生了什么事情？本文將試圖為你解釋上述的疑惑。
隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，我們能夠見(jiàn)到的計算機硬件種類(lèi)越來(lái)越多。以計算機上最重要的組件CPU來(lái)說(shuō)，目前就有很多選擇。目前常見(jiàn)的CPU體系結構主要基于復雜指令集（Complex Instruction Set Computing，CISC）或者精簡(jiǎn)指令集（Reduced Instruction Set Computing，RISC），我們常用的英特爾的Pentium、Celeron系列以及AMD的Athlon、Sempron系列處理器都是基于復雜指令集的，而這些基于復雜指令集的CPU還有32位和64位的寄存器數據帶寬的區別。因為CPU種類(lèi)的不同，在不同CPU的系統中運行的Windows系統其啟動(dòng)過(guò)程也有一些小的不同。本文將會(huì )以目前來(lái)說(shuō)最普遍的，在x86架構的系統上安裝的32位Windows XP Professional為例向你介紹。
基本上，操作系統的引導過(guò)程是從計算機通電自檢完成之后開(kāi)始進(jìn)行的，而這一過(guò)程又可以細分為預引導、引導、載入內核、初始化內核，以及登錄這五個(gè)階段。
在繼續閱讀之前，首先請注意圖1，這是Windows XP的操作系統結構，其中包括了一些在后臺工作的組件以及經(jīng)常和我們打交道的程序。在了解Windows XP的啟動(dòng)過(guò)程之前，對系統結構有一個(gè)初步概念是很重要的。
預引導階段
當我們打開(kāi)計算機電源后，預引導過(guò)程就開(kāi)始運行了。在這個(gè)過(guò)程中，計算機硬件首先要完成通電自檢（Power-On Self Test，POST），這一步主要會(huì )對計算機中安裝的處理器、內存等硬件進(jìn)行檢測，如果一切正常，則會(huì )繼續下面的過(guò)程。
如果計算機BIOS是支持即插即用的（基本上，現階段能夠買(mǎi)到的計算機和硬件都是支持這一標準的），而且所有硬件設備都已經(jīng)被自動(dòng)識別和配置，接下來(lái)計算機將會(huì )定位引導設備（例如第一塊硬盤(pán)，設備的引導順序可以在計算機的BIOS設置中修改），然后從引導設備中讀取并運行主引導記錄（Master Boot Record，MBR）。至此，預引導階段成功完成。
引導階段
引導階段又可以分為：初始化引導載入程序、操作系統選擇、硬件檢測、硬件配置文件選擇這四個(gè)步驟。在這一過(guò)程中需要使用的文件包括：Ntldr、Boot.ini、Ntdetect.com、Ntoskrnl.exe、Ntbootdd.sys、Bootsect.dos（非必須）。
初始化引導載入程序
在這一階段，首先出場(chǎng)的是ntldr，該程序會(huì )將處理器由實(shí)模式（Real Mode）切換為32位平坦內存模式（32-bit Flat Memory Mode）。不使用實(shí)模式的主要原因是，在實(shí)模式下，內存中的前640KB是為MS-DOS保留的，而剩余內存則會(huì )被當作擴展內存使用，這樣Windows XP將無(wú)法使用全部的物理內存。而32位平坦內存模式下就好多了，Windows XP自身將能使用計算機上安裝的所有內存（其實(shí)最多也只能用2GB，這是32位操作系統的設計缺陷）。
接下來(lái)ntldr會(huì )尋找系統自帶的一個(gè)微型的文件系統驅動(dòng)。大家都知道，DOS和Windows 9x操作系統是無(wú)法讀寫(xiě)NTFS文件系統分區的，那么Windows XP的安裝程序為什么可以讀寫(xiě)NTFS分區？其實(shí)這就是微型文件系統驅動(dòng)的功勞了。只有在載入了這個(gè)驅動(dòng)之后，ntldr才能找到硬盤(pán)上被格式化為NTFS或者FAT/FAT32文件系統的分區。如果這個(gè)驅動(dòng)損壞了，就算硬盤(pán)上已經(jīng)有分區，ntldr也認不出來(lái)。
讀取了文件系統驅動(dòng)，并成功找到硬盤(pán)上的分區后，引導載入程序的初始化過(guò)程就已經(jīng)完成了，隨后我們將會(huì )進(jìn)行下一步。
操作系統選擇
這一步并非必須，只有在計算機中安裝了多個(gè)Windows操作系統的時(shí)候才會(huì )出現。不過(guò)無(wú)論計算機中安裝了幾個(gè)Windows，計算機啟動(dòng)的過(guò)程中，這一步都會(huì )按照設計運行一遍，但只有在確實(shí)安裝了多個(gè)系統的時(shí)候，系統才會(huì )顯示一個(gè)列表，讓你選擇想要引導的系統。
如果已經(jīng)安裝了多個(gè)Windows操作系統，那么所有的記錄都會(huì )被保存在系統盤(pán)根目錄下一個(gè)名為boot.ini的文件中。ntldr程序在完成了初始化工作之后就會(huì )從硬盤(pán)上讀取boot.ini文件，并根據其中的內容判斷計算機上安裝了幾個(gè)Windows，它們分別安裝在第幾塊硬盤(pán)的第幾個(gè)分區上。如果只安裝了一個(gè)，那么就直接跳過(guò)這一步。但如果安裝了多個(gè)，那么ntldr就會(huì )根據文件中的記錄顯示一個(gè)操作系統選擇列表，并默認持續30秒。如果你沒(méi)有選擇，那么30秒后，ntldr會(huì )開(kāi)始載入默認的操作系統。至此操作系統選擇這一步已經(jīng)成功完成。
小知識：系統盤(pán)（System Volume）和引導盤(pán)（Boot Volume）
這是兩個(gè)很容易被人搞混的概念。根據微軟的定義，系統盤(pán)是指保存了用于引導Windows的文件（根據前面的介紹，我們已經(jīng)清楚，這些文件是指ntldr、boot.ini等）的硬盤(pán)分區/卷；而引導盤(pán)是指保存了Windows系統文件的硬盤(pán)分區/卷。如果只有一個(gè)操作系統的話(huà)，我們通常會(huì )將其安裝在第一個(gè)物理硬盤(pán)的第一個(gè)主分區（通常被識別為C盤(pán)）上，那么系統盤(pán)和引導盤(pán)屬于同一個(gè)分區。但是，如果Windows安裝到了其他分區中，例如D盤(pán)中，那么系統盤(pán)仍然是C盤(pán)（因為盡管Windows被安裝到了其他盤(pán)，但是引導系統所用的文件還是會(huì )保存在C盤(pán)的根目錄下），但您的引導盤(pán)將會(huì )變成是D盤(pán)。很難理解保存了引導系統所需文件的分區被叫做“系統盤(pán)”，而保存了操作系統文件的分區被叫做“引導盤(pán)”，不過(guò)這是出自微軟的定義。
硬件檢測
這一過(guò)程中主要需要用到Ntdetect.com和Ntldr。當我們在前面的操作系統選擇階段選擇了想要載入的Windows系統之后，Ntdetect.com首先要將當前計算機中安裝的所有硬件信息收集起來(lái)，并列成一個(gè)表，接著(zhù)將該表交給Ntldr（這個(gè)表的信息稍后會(huì )被用來(lái)創(chuàng )建注冊表中有關(guān)硬件的鍵）。這里需要被收集信息的硬件類(lèi)型包括：總線(xiàn)/適配器類(lèi)型、顯卡、通訊端口、串口、浮點(diǎn)運算器（CPU）、可移動(dòng)存儲器、鍵盤(pán)、指示裝置（鼠標）。至此，硬件檢測操作已經(jīng)成功完成。
配置文件選擇
這一步也不是必須的。只有在計算機（常用于筆記本電腦）中創(chuàng )建了多個(gè)硬件配置文件的時(shí)候才需要處理這一步。
小知識：硬件配置文件
這個(gè)功能比較適合筆記本電腦用戶(hù)。如果你有一臺筆記本電腦，主要在辦公室和家里使用，在辦公室的時(shí)候可能會(huì )使用網(wǎng)卡將其接入公司的局域網(wǎng)，公司使用了DHCP服務(wù)器為客戶(hù)端指派IP地址；但是回到家之后，沒(méi)有了DHCP服務(wù)器，啟動(dòng)系統的時(shí)候系統將會(huì )用很長(cháng)時(shí)間尋找那個(gè)不存在的DHCP服務(wù)器，這會(huì )延長(cháng)系統的啟動(dòng)時(shí)間。在這種情況下就可以分別在辦公室和家里使用不同的硬件配置文件了，我們可以通過(guò)硬件配置文件決定在某個(gè)配置文件中使用哪些硬件，不使用哪些硬件。例如前面的例子，我們可以為筆記本電腦在家里和辦公室分別創(chuàng )建獨立的配置文件，而家庭用的配置文件中會(huì )將網(wǎng)卡禁用。這樣，回家后使用家用的配置文件，系統啟動(dòng)的時(shí)候會(huì )直接禁用網(wǎng)卡，也就避免了尋找不存在的DHCP服務(wù)器延長(cháng)系統啟動(dòng)時(shí)間。 如果Ntldr檢測到系統中創(chuàng )建了多個(gè)硬件配置文件，那么它就會(huì )在這時(shí)候將所有可用的配置文件列表顯示出來(lái)，供用戶(hù)選擇。這里其實(shí)和操作系統的選擇類(lèi)似，不管系統中有沒(méi)有創(chuàng )建多個(gè)配置文件，Ntldr都會(huì )進(jìn)行這一步操作，不過(guò)只有在確實(shí)檢測到多個(gè)硬件配置文件的時(shí)候才會(huì )顯示文件列表。
載入內核階段
在這一階段，ntldr會(huì )載入Windows XP的內核文件：Ntoskrnl.exe，但這里僅僅是載入，內核此時(shí)還不會(huì )被初始化。隨后被載入的是硬件抽象層（hal.dll）。
硬件抽象層其實(shí)是內存中運行的一個(gè)程序，這個(gè)程序在Windows XP內核和物理硬件之間起到了橋梁的作用。正常情況下，操作系統和應用程序無(wú)法直接與物理硬件打交道，只有Windows內核和少量?jì)群四Ｊ降南到y服務(wù)可以直接與硬件交互。而其他大部分系統服務(wù)以及應用程序，如果想要和硬件交互，就必須通過(guò)硬件抽象層進(jìn)行。
小知識：硬件抽象層
硬件抽象層的使用主要有兩個(gè)原因：第一，忽略無(wú)效甚至錯誤的硬件調用。如果沒(méi)有硬件抽象層，那么硬件上發(fā)生的所有調用甚至錯誤都將會(huì )反饋給操作系統，這可能會(huì )導致系統不穩定。而硬件抽象層就像工作在物理硬件和操作系統內核之間的一個(gè)過(guò)濾器，可以將認為會(huì )對操作系統產(chǎn)生危害的調用和錯誤全部過(guò)濾掉，這樣直接提高了系統的穩定性；第二，多平臺之間的轉換翻譯。這個(gè)原因可以列舉一個(gè)形象的例子，假設每個(gè)物理硬件都使用不同的語(yǔ)言，而每個(gè)操作系統組件或者應用程序則使用了同樣的語(yǔ)言，那么不同物理硬件和系統之間的交流將會(huì )是混亂而且很沒(méi)有效率的。如果有了硬件抽象層，等于給軟硬件之間安排了一位翻譯，這位翻譯懂所有硬件的語(yǔ)言，并會(huì )將硬件說(shuō)的話(huà)用系統或者軟件能夠理解的語(yǔ)言原意轉達給操作系統和軟件。通過(guò)這個(gè)機制，操作系統對硬件的支持可以得到極大的提高。
硬件抽象層被載入后，接下來(lái)要被內核載入的是HKEY_LOCAL_MACHINE\System注冊表鍵。Ntldr會(huì )根據載入的Select鍵的內容判斷接下來(lái)需要載入哪個(gè)Control Set注冊表鍵（圖2），而這些鍵會(huì )決定隨后系統將載入哪些設備驅動(dòng)或者啟動(dòng)哪些服務(wù)。這些注冊表鍵的內容被載入后，系統將進(jìn)入初始化內核階段，這時(shí)候ntldr會(huì )將系統的控制權交給操作系統內核。
初始化內核階段
當進(jìn)入到這一階段的時(shí)候，計算機屏幕上就會(huì )顯示W(wǎng)indows XP的標志了，同時(shí)還會(huì )顯示一個(gè)滾動(dòng)的進(jìn)度條，這個(gè)進(jìn)度條可能會(huì )滾動(dòng)若干次（圖3）。從這一步開(kāi)始我們才能從屏幕上對系統的啟動(dòng)有一個(gè)直觀(guān)的印象。在這一階段中主要會(huì )完成四項任務(wù)：創(chuàng )建Hardware注冊表鍵、對Control Set注冊表鍵進(jìn)行復制、載入和初始化設備驅動(dòng)，以及啟動(dòng)服務(wù)。
創(chuàng )建Hardware注冊表鍵
首先要在注冊表中創(chuàng )建Hardware鍵，Windows內核會(huì )使用在前面的硬件檢測階段收集到的硬件信息來(lái)創(chuàng )建HKEY_LOCAL_MACHINE\Hardware鍵。也就是說(shuō)，注冊表中該鍵的內容并不是固定的，而是會(huì )根據當前系統中的硬件配置情況動(dòng)態(tài)更新。
對Control Set注冊表鍵進(jìn)行復制
如果Hardware注冊表鍵創(chuàng )建成功，那么系統內核將會(huì )對Control Set鍵的內容創(chuàng )建一個(gè)備份。這個(gè)備份將會(huì )被用在系統的高級啟動(dòng)菜單中的“最后一次正確配置”選項。例如，如果我們安裝了一個(gè)新的顯卡驅動(dòng)，重啟動(dòng)系統之后Hardware注冊表鍵還沒(méi)有創(chuàng )建成功系統就已經(jīng)崩潰了，這時(shí)候如果選擇“最后一次正確配置”選項，系統將會(huì )自動(dòng)使用上一次的Control Set注冊表鍵的備份內容重新生成Hardware鍵，這樣就可以撤銷(xiāo)掉之前因為安裝了新的顯卡驅動(dòng)對系統設置的更改。
載入和初始化設備驅動(dòng)
在這一階段里，操作系統內核首先會(huì )初始化之前在載入內核階段載入的底層設備驅動(dòng)，然后內核會(huì )在注冊表的HKEY_LOCAL_MACHINE\System\CurrentControlSet\Services鍵下查找所有Start鍵值為“1”的設備驅動(dòng)（圖4）。這些設備驅動(dòng)將會(huì )在載入之后立刻進(jìn)行初始化，如果在這一過(guò)程中發(fā)生了任何錯誤，系統內核將會(huì )自動(dòng)根據設備驅動(dòng)的“ErrorControl”鍵的數值進(jìn)行處理。“ErrorControl”鍵的鍵值共有四種，分別具有如下含義：
0 忽略，繼續引導，不顯示錯誤信息。
1 正常，繼續引導，顯示錯誤信息。
2 恢復，停止引導，使用“最后一次正確配置”選項重啟動(dòng)系統。如果依然出錯則會(huì )忽略該錯誤。
3 嚴重，停止引導，使用“最后一次正確配置”選項重啟動(dòng)系統。如果依然出錯則會(huì )停止引導，并顯示一條錯誤信息。
啟動(dòng)服務(wù)
系統內核成功載入，并且成功初始化所有底層設備驅動(dòng)后，會(huì )話(huà)管理器會(huì )開(kāi)始啟動(dòng)高層子系統和服務(wù)，然后啟動(dòng)Win32子系統。Win32子系統的作用是控制所有輸入/輸出設備以及訪(fǎng)問(wèn)顯示設備。當所有這些操作都完成后，Windows的圖形界面就可以顯示出來(lái)了，同時(shí)我們也將可以使用鍵盤(pán)以及其他I/O設備。
接下來(lái)會(huì )話(huà)管理器會(huì )啟動(dòng)Winlogon進(jìn)程，至此，初始化內核階段已經(jīng)成功完成，這時(shí)候用戶(hù)就可以開(kāi)始登錄了。
登錄階段
在這一階段，由會(huì )話(huà)管理器啟動(dòng)的winlogon.exe進(jìn)程將會(huì )啟動(dòng)本地安全性授權（Local Security Authority，lsass.exe）子系統。到這一步之后，屏幕上將會(huì )顯示W(wǎng)indows XP的歡迎界面（圖5）或者登錄界面，這時(shí)候你已經(jīng)可以順利進(jìn)行登錄了。不過(guò)與此同時(shí)，系統的啟動(dòng)還沒(méi)有徹底完成，后臺可能仍然在加載一些非關(guān)鍵的設備驅動(dòng)。
隨后系統會(huì )再次掃描HKEY_LOCAL_MACHINE\System\CurrentControlSet\Services注冊表鍵，并尋找所有Start鍵的數值是“2”或者更大數字的服務(wù)。這些服務(wù)就是非關(guān)鍵服務(wù)，系統直到用戶(hù)成功登錄之后才開(kāi)始加載這些服務(wù)。
到這里，Windows XP的啟動(dòng)過(guò)程就算全部完成了。
小知識：為什么Windows XP的啟動(dòng)速度要比Windows 2000快
目前所有Windows操作系統中，可能Windows 2000的啟動(dòng)速度是最慢的，這并不是因為計算機硬件的性能不夠，而是因為Windows 2000的設計“先天不足”。為了彌補這一不足，微軟在開(kāi)發(fā)Windows XP的時(shí)候想出了一個(gè)新方法，那就是，所有不重要的設備驅動(dòng)和服務(wù)都將在用戶(hù)登錄系統之后才加載和運行。也就是說(shuō)，在系統啟動(dòng)過(guò)程中，加載和運行的程序全部都是運行系統所必需的，這樣才能用最短的時(shí)間顯示出登錄界面，供用戶(hù)登錄。而用戶(hù)登錄后系統才開(kāi)始加載非關(guān)鍵組件?？梢哉f(shuō)，Windows XP啟動(dòng)速度的加快實(shí)際上是一種“投機取巧”的作法，不過(guò)這種作法確實(shí)相當有效。然而這種設計也帶來(lái)了一些問(wèn)題，例如有些朋友反映，為什么自己的系統已經(jīng)成功登錄了，可是非要過(guò)好幾分鐘之后桌面上才會(huì )顯示出任務(wù)欄以及桌面圖標等內容。其實(shí)這就是因為在等待的這幾分鐘里，系統正在忙于處理那些不重要的服務(wù)和組件。如果需要處理的內容太多，或者計算機的硬件配置不夠強大，就有可能產(chǎn)生這種現象。
