计算机启动原理与多重引导.ppt

1、硬盘结构与计算机启动引导,王万里 QQ：461949534,提到“计算机”这个词大家都不陌生，大部分人还是喜欢称它为“电脑”。其实这两种称呼多多少少有些区别，前者显得更专业一些，后者更大众化。 现在计算机已经成了我们生活中很重要的一部分，当然了，任何事物都不是完美的，在使用过程中，计算机也给我们带来了不少的麻烦。 计算机带来的问题很多。比如安全方面的、各种应用软件方面的、计算机的优化与管理方面的等等。据我所知，一个让人头疼的就是系统的安装问题。因为很大一部分人用的是组装的台式机，他们装机的时候没有安装光驱，需要安装系统的时候，只能选择其他的安装路径。然而其他的安装路径都不像光盘安装那样傻瓜，这

2、就带来了问题。还有不少人喜欢使用多个系统，这些系统的安装顺序以及引导问题处理不好的话都会带来不少的麻烦。 今天我就这些方面的问题跟大家简单地聊一聊。,认识硬盘结构,要从根本上解决系统的安装问题和多重引导问题，就要了解计算机的系统启动原理，那么认识硬盘的结构就是必须的。,硬盘尺寸主要有5.25英寸和3.5英寸两种，现在市场上普遍使用的是3.5英寸硬盘。用于笔记本电脑中的有2.5英寸、1.8英寸和0.9英寸等几种。 硬盘主要由：盘片，磁头，盘片转轴及控制电机，磁头控制器，数据转换器，接口，缓存等几个部分组成。 硬盘的外部结构 在硬盘的正面都贴有硬盘的标签，标签上一般都标注着与硬盘相关的信息，例如产

3、品型号、产地、出厂日期、产品序列号等。在硬盘的一端有电源接口插座、主从设置跳线器和数据线接口插座，而硬盘的背面则是控制电路板。 总得来说，硬盘外部结构可以分成如下几个部份：,硬盘正面,硬盘背面,接口 包括电源插口和数据接口两部分，其中电源插口与主机电源相联，为硬盘工作提供电力保证；数据接口则是硬盘数据和主板控制器之间进行传输交换的纽带，根据联接方式的差异，分为EIDE接口和SCSI接口等。,控制电路板,一般在硬盘的背面，大多采用贴片式元件焊接，包括主轴调速电路、磁头驱动与伺服定位电路、读写电路、控制与接口电路等。在电路板上还有一块高效的单片机ROM芯片，其固化的软件可以进行硬盘的初始化，执行加

4、电和启动主轴电机，加电初始寻道、定位以及故障检测等。在电路板上还安装有容量不等的高速缓存芯片。,控制电路板,硬盘的内部结构,硬盘内部结构由固定面板、控制电路板、磁头、盘片、主轴、电机、接口及其它附件组成，其中磁头盘片组件(Hard Disk Assembly，HDA)是构成硬盘的核心，它封装在硬盘的净化腔体内，包括有浮动磁头组件、磁头驱动机构、盘片、主轴驱动装置及前置读写控制电路这几个部份。,细看硬盘内部结构,浮动磁头组件,它是硬盘中最精密的部位之一，它由读写磁头、传动手臂、传动轴三部份组成。 磁头是硬盘技术中最重要和关键的一环，实际上是集成工艺制成的多个磁头的组合，它采用了非接触式头、盘结构

5、，加后电在高速旋转的磁盘表面移动，与盘片之间的间隙只有0.10.3 m ，这样可以获得很好的数据传输率。现在转速为7200RPM的硬盘间隙一般都低于0.3 m，以利于读取较大的高信噪比信号，提供数据传输率的可靠性。,浮动磁头组件,磁盘片,磁盘片,磁盘片表面上以磁盘片中心为圆心，不同半径的同心圆称为磁道。 不同磁盘片相同半径的磁道所组成的圆柱称为柱面。 磁盘片被分成许多扇形的区域，每个区域叫一个扇区。每个扇区的大小一般是512B（字节）。 磁盘片有双面的也有单面的，每一个盘面都对应一个磁头。通常用磁头数表示盘面数，柱面数表示磁道数。 硬盘容量=磁头数*柱面数*扇区数*512B,磁盘片,磁盘片,磁

6、盘片的数据结构按照磁道从低到高可以分为5部分： MBR（Master Boot Record，主引导记录），位于硬盘的0柱面、0磁头、1扇区的位置，被称之为零磁道位置。它由分区命令产生的。MBR结束标志为55AA。 DBR（DOS Boot Record，Dos引导记录），该层位于硬盘的0柱面、1磁头、1扇区的位置，它是由格式化命令产生的。DBR结束标志也是55AA。 FAT（File Allocation Table，文件分配表），位于硬盘的0柱面、1磁头、2扇区的位置，FAT表面大小由硬盘的容量来决定。 DIR（Directory，文件目录），当在DOS模式下输入DIR后，屏幕上显示的内容

7、就是该区的内容。 DATA，数据层，主要负责硬盘中数据的存放，当数据复制到硬盘时，数据就存储在这个区中。,主轴转速,硬盘的主轴转速是决定硬盘内部数据传输率的决定因素之一，它在很大程度上决定了硬盘的速度，同时也是区别硬盘档次的重要标志。 从目前的情况来看，7200RPM的硬盘在国内市场已经逐步取代了5400RPM硬盘的地位，成为了主流，而更高转速的硬盘，如SCSI硬盘的主轴转速已经达到10000RPM甚至15000RPM，但由于价格原因让普通用户难以接受。,单碟容量,因为标准硬盘的碟片数是有限的，靠增加碟片来扩充容量满足不断增长的存储容量的需求是不可行的。只有提高每张碟片的容量才能从根本上解决这

8、个问题。 单碟容量的一个重要意义在于提升硬盘的数据传输速度。硬盘单碟容量的提高得益于数据记录密度的提高，而记录密度同数据传输率是成正比的，单碟容量越高，它的数据传输率也将会越高。,高速缓存,指在硬盘内部的高速存储器，硬盘的数据被磁头读取后先存到硬盘上的缓存芯片中，再由接口传送给系统，缓存的容量和速度都对硬盘速都有直接影响。 目前硬盘的高速缓存一般为512KB2MB，最近出现的8MB缓存硬盘。,最大内部数据传输率,也叫持续数据传输率(Sustained Transfer Rate)，单位为Mb/s。它是指磁头至硬盘缓存间的最大数据传输率，一般取决于硬盘的盘片转速和盘片线密度(指同一磁道上的数据容

9、量)。 注意，在这项指标中常常使用Mb/s或Mbps为单位，这是兆位/秒的意思，如果需要转换成MB/s(兆字节/秒)，就必须将Mbps数据除以8(一字节8位数)。,外部数据传输率,也称为突发数据传输率(Burst Data Transfer Rate) ，它是指从硬盘缓冲区读取数据的速率，单位为MB/s。 目前有Ultra DMA/33、Ultra DMA/66和Ultra DMA/100三种，现在主流的硬盘已经全部采用Ultra DMA/100技术，外部数据传输率可达100MB/s。,寻道时间,是指硬盘磁头移动到数据所在磁道而所用的时间，单位为毫秒(ms)。寻道时间又分为平均寻道时间和道间步

10、进时间： 平均寻道时间则为磁头移动到正中间的磁道需要的时间，单位为毫秒(ms) ； 道间步进时间表示磁头从一个磁道转移至另一磁道的时间，单位为毫秒(ms)。,潜伏期,表示当磁头移动到数据所在的磁道后，等待所要的数据块继续转动（半圈或多些、少些）到磁头下的时间，其单位为毫秒(ms)。 平均潜伏期就是盘片转半圈的时间。,全程访问时间（平均访问时间）,指磁头开始移动直到最后找到所需要的数据块所用的全部时间，单位为毫秒(ms)。 平均访问时间指磁头找到指定数据的平均时间，单位为毫秒(ms) 。通常是平均寻道时间和平均潜伏时间之和。,连续无故障时间(MTBF),是指硬盘从开始运行到出现故障的最长时间，单

11、位是小时。一般硬盘的MTBF至少在30,000小时以上。,计算机启动过程与多重引导,开机原理：插上ATX 电源后，有一个静态5V电压送到南桥,为南桥里面的ATX 开机电路提供工作条件（ATX 电源的开机电路是集成南桥里面的），南桥里面的ATX 开机电路将开始工作，会送一个电压给晶体，晶体起振工作，产生振荡，发出波形。同时ATX 开机电路会送出一个开机电压到主板的开机针帽的一个脚，针帽的另一个脚接地。当打开开机开关时，开机针帽的两个脚接通，而使南桥送出开机电压对地短路，拉低南桥送出的开机电压，而使南桥里的开机电路导通，拉低静态5V电压，使其变为0 电位，使电源开始工作，从而达到开机目的。（ATX

12、 电源里还有一个稳压部分，它需要静态5V变为0 电位才能工作）。,电源工作后，主板开始加电。主板上的芯片组会接收到电信号，此时CPU 开始复位（RESET），CPU 每次复位都会执行0 xFFFFFFF0 这个地址的程序，此地址指向的就是BIOS，然后BIOS 会检测电脑的硬件，比如硬盘，光驱，网卡等等（就是我们平时见到的开机自检过程， Power On Self-Test，POST）。正常的系统启动都是从硬盘开始的，这时BIOS就会把控制权交给MBR。MBR所在的硬盘的第一个扇区（Boot Sector，前面我们以MBR代称的硬盘5个数据结构组成部分之一）由 MBR (Master Boot

13、 Record)，DPT (Disk Partition Table) 和 Boot Record ID三部分组成。,MBR又称作主引导记录，占用 Boot Sector 的前 446 个字节 ( 0 to 0 x1BD )，存放系统主引导程序 (它负责从活动分区中装载并运行系统引导程序)。DPT 即主分区表占用 64 个字节 (0 x1BE to 0 x1FD)， 记录了磁盘的基本分区信息。 主分区表分为四个分区项， 每项 16 字节， 分别记录了每个主分区的信息(因此最多可以有四个主分区)。Boot Record ID 即引导区标记占用两个字节 (0 x1FE and 0 x1FF)， 对

14、于合法引导区， 它等于 0 xAA55， 这是判别引导区是否合法的标志。,Boot Sector 的具体结构如下图所示：,分区表由四个分区项构成， 每一项的结构如下： BYTE State: 分区状态， 0 = 未激活， 0 x80 = 激活 (注意此项) BYTE StartHead: 分区起始磁头号 WORD StartSC : 分区起始扇区和柱面号， 底字节的低6位为扇区号，高2位为柱面号的第 9，10 位， 高字节为柱面号的低 8 位 BYTE Type: 分区类型， 如 0 x0B = FAT32， 0 x83 = Linux 等，00 表示此项未用 BYTE EndHead: 分区

15、结束磁头号 WORD EndSC : 分区结束扇区和柱面号， 定义同前 DWORD Relative : 在线性寻址方式下的分区相对扇区地址(对于基本分区即为绝对地址) DWORD Sectors : 分区大小 (总扇区数),由于主分区表中只能分四个分区， 无法满足需求， 因此设计了一种扩展分区格式。 基本上说， 扩展分区的信息是以链表形式存放的， 但也有一些特别的地方。 首先， 主分区表中要有一个基本扩展分区项， 所有扩展分区都隶属于它，也就是说其他所有扩展分区的空间都必须包括在这个基本扩展分区中。 对于DOS / Windows 来说， 扩展分区的类型为 0 x05 或 0 x0F (LB

16、A模式)。 除基本扩展分区以外的其他所有扩展分区则以链表的形式级联存放， 后一个扩展分区的数据项记录在前一个扩展分区的分区表中， 但两个扩展分区的空间并不重叠。,BIOS 首先读取并运行硬盘主引导记录中的代码，这些代码首先检验主引导记录中的分区表，寻找到活动分区（即标志为可引导分区的分区），然后读取并运行活动分区之引导扇区中的代码。活动分区引导扇区的作用：从分区中读取内核映象并启动内核。内核映象保存在硬盘分区文件系统中，因此，硬盘引导扇区中的代码还需要定位内核映象在文件系统中的位置，然后装载内核并启动内核。,如果计算机上的系统是windows XP，那么它的引导加载器就是ntldr，它的配套组

17、建就是boot.ini，系统安装时，ntldr就把自己的引导代码写在了MBR中，开机时MBR就会把ntldr调入内存，从而把控制权交给ntldr，ntldr再根据boot.ini中的配置以及用户的选择去加载相应操作系统的系统加载工具，从而启动系统。 同理，windows vista/7的引导加载器及配套组建分别是bootmgr和bcd；新版linux的是grldr和grub.cfg;旧版本的linux是grldr和menu.lst。 需要说明的是，一台计算机上安装多个操作系统时，默认情况下最后安装的操作系统都会把mbr中的内容改成自己的引导加载程序，如果最后安装的系统比已经存在的系统版本低，那

18、么它的引导加载器就不能自动识别已经存在的系统，就会造成已经存在的系统无法启动。,例如，一台计算机上先安装了windows7，后来安装了xp，那么不借助第三方工具的话windows7就会无法启动。 同一系列高版本系统可以自动识别低版本系统，所以如果先安装了xp，后安装windows7，windows7就会把xp的启动项加入自己的bcd中，形成包含有winsows7和xp的启动菜单列表供用户选择，如果用户选择了windows7，启动过程继续进行，bootmgr把控制权交给windows7的系统加载器winload.exe，如果用户选择了xp，bootmgr会把控制权交给ntldr，由ntldr去启

19、动xp，这样就形成了多重引导。在这个例子中，bootmgr处于第一层，winload.exe与ntldr并列处于第二层。,有些系统的引导加载器功能比较强大，具有管理功能，可以识别其他系列的系统。例如linux自带的grub就可识别windows系列的系统，在改写mbr后可以把windows系列的系统加入自己的启动配置文件menu.lst或者grub.cfg，因此在windows系统与linux系统共存的机器上可以先安装windows系列的系统，再安装linux系列的系统。 当然了，上面讲的都是相对简单的，但是不够灵活的安装方式。这样的安装方式一般会有一些通病： 1、启动菜单过于复杂且臃肿 2、

20、重新安装系统后往往造成其他的系统不能启动 了解系统的启动原理后，我们就可以借助一些工具按照自己的意愿来安装和管理这些系统了。,下面介绍几个相关的辅助工具，这些工具中有的是系统自带的，有的是第三方工具。 bootsect.exe 此工具是引导扇区修复工具，也可以说是引导扇区转换工具。它是专门针对windows7和xp系统来修复引导扇区的，是win7/vista内自带的工具，使用命令如下： bootsect.exe /nt60 C: 这是修复win7/vista的例子，同理/nt52就是修复xp的命令。如果你把mbr给格式化了，有没有光驱，那么你就可以从硬盘（优盘）安装了，只需要输入这条命令，再把

21、安装文件中的几个pe、内核文件拷入C盘，再根据提示安装就可以了。 bcdedit 这是一款编辑bcd内容的软件，也是vosta/win7自带的软件，其命令较复杂，这里不再介绍。,Easybcd 这是一款很好用的第三方软件，其功能包含了bcdedit的功能，但是比后者要强大得多，且是图形界面。 Grub for dos（grub4dos） 这是一款基于linux自带的grub而开发的能够同时引导windows和linux的的引导加载器，具有管理功能，是一款第三方软件。,Windows与linux共存 下面说一下windows下安装linux的有关问题。 在windows下安装linux常用的方式

22、有wubi安装、livecd安装、usb安装和硬盘安装。 我首先反对的就是wubi安装，因为这样安装后，你得到的并不是真正的linux系统，只是相当于在winsows系统中装了一个linux虚拟机，且它的引导顺序是windows的引导加载器引导wubi，wubi引导grub，然后才启动linux的，不但臃肿繁琐，而且计算机中运行仅仅是一个虚拟机。 livecd安装和usb安装就不多说了，按照提示往下走就行了。但是我有一点建议，就是livecd安装时，不要建立/boot分区，直接把grub安装在linux的跟分区里，且不要让grub改写mbr，最后用easybcd把,Linux引导项加在wind

23、ows的引导配置文件（bcd，boot.ini）中，这样方便以后对系统的维护和重装，重装前只需要备份一下bcd就行了，重装后，用原来的bcd替换新产生的bcd。 硬盘安装的思想就是借助第三方工具（通常是grub4dos），在windows的启动配置文件里加入引导，使其能够引导到linux的安装镜像文件（.iso），安装后，再把windows的启动配置文件里的这一引导项删除就ok了（如果不删除，grub4dos就成了累赘了，引入grub4dos的目的只是用来安装linux的）。（如果grub没有改写mbr，需要在windows的启动配置文件里加入linux的启动项，让windows的引导加载器能

24、够引导linux） 具体操作如下：,解压grub4dos-0.4.4.zip至C盘根目录下，文件夹命名为grub4dos，将其中的grldr.mbr、grub.exe、grlder和menu.lst复制到C盘根目录下（只复制grlder和menu.lst文件复制到C盘根目录下也可）， 用记事本打开menu.lst，写入以下内容：,将ubuntu-10.04-desktop-i386.iso放在C盘根目录下，同时解压其中的casper文件夹到C盘根目录下，将文件夹中的vmlinuz和initrd.lz文件复制到C盘根目录。 将ubuntu-10.04-desktop-i386.iso放在C盘根目

25、录下后，将其中的“.disk”文件夹也解压到C盘根目录下。 图一中的第二行、第三行的末尾是ubuntu镜像文件名，它可以更改，但必须与你的ISO镜像文件名保持一致。在第五行的末尾“initrd.lz”在Ubuntu的先前版本中可能为“initrd.gz”，这个也需保持一致。,修改C盘根目录下的boot.ini文件（该文件为系统文件，隐藏，只读属性需修改），在文件末尾处添加以下内容并恢复其属性： C:grldr=“GRUB” 这一句中没有空格，在Vista系统中可能不需要加双引号。,重新启动电脑，可以看到启动选择页面中WINDOWS XP启动项下多了一个选项：GRUB，也即图2 中引号内的内容。

26、选择GRUB，进入grub4dos的引导页面，可以看到Install Ubuntu选项，即图1中的第一行“title”后的字符。选择该选项，进入Ubuntu的LiveCD模式：整个桌面只有只有2个图标，其中一个的意思是安装Ubuntu，如下图,进入Ubuntu的安装桌面后，打开一个终端（Terminal），输入图3中的字符（注意字符之间的空格）：,“/”之前的是字母“L”的小写，不是“1”。语句的意义是卸载/isodevice，如果不执行这个操作，则安装Ubuntu进行到为Ubuntu分区这一步的时候会报错。至于为什么要卸载，不解。 执行图3的语句之后，双击桌面的图标开始安装Ubuntu。总共

27、分为7步，执行到如下图所示的界面时，选择“手动指定分区”选项。,Easybcd用法简介 1、正常安装Linux到其他分区，最后要求写入grub时，选择Linux挂载点为/的分区！这一步很重要，因为grub写入linux所在分区不会将MBR的grub覆盖！2、这时Win7可以正常启动，但是没有选项来选择进入linux。下载easybcd这个软件，越新越好。3、打开easybcd，在add/remove entry里面,选择linux,Type选择grub（新版的linux要选择gr2ub）,在Name添加上你想要的名字,随便写一个如archlinux,Driver选linux所在的分区。这里选择

28、的分区要和刚才安装linux时grub安装的位置一致。可能分区号Partition X与linux安装时的不一样，这里就要通过硬盘大小来确定哪一个。最后add entry保存好，view settings就可以看到两个选项了，一个是本来的win7，一个是刚刚建的。,4、重启计算机、完成。 当然了，也可以不用借助easybcd而直接使用bcdedit命令来完成这种操作，但是比较麻烦，举两个例子。 1、在bcd中添加早期的windows启动项 新建一个文本文档，写入如下代码(程序1)，然后将其另 存为后缀名为bat 的批处理文件，如：a.bat。双击运行该批处理程序，按照提示操作。代码中，以“:”

29、起始的语句为前一行的注释(批处理命令的有关知识，请参见相关文献)。程序运行过程如下图所示。运行结束后，可在开始菜单“运行.”中键入cmd，打开命令提示符，键入“bcdedit”命令，查看运行批处理程序的结果，其显示的是BCD 数据库中各启动项的详细信息，如下图所示。,程序1： echo off : 关闭回显 bcdedit /create ntldr /d Earlier Windows OS Loader : 创建一个基于NTLDR 的OS 加载器项(Ntldr) set /p a=请输入ntldr 文件所在的分区： : 提示用户输入分区，形如C：，注意冒号 bcdedit /set ntldr device partition=%a% : 设置启动引导加载程序所在的分区，此处即为ntldr文件所在的分区 set /p b=请输入ntldr 文件的路径和文件名： : 提示用户输入ntldr 文件的路径和文件名，是除去盘符“C:”之外的路径，如ntltr 文件在C 分区的根目录下，则应输入的路径是“ntl