操作系统中的引导管理器和引导加载程序

在本文中，您将了解操作系统中的引导管理器和引导加载程序。但在讨论这些功能之前，您必须了解操作系统的引导过程。

什么是引导（Booting）？

引导（Booting）是指计算机的启动或重新启动。这个过程通常被称为“boot”，它源自有人通过靴带（bootstrap）来提升自己。开机时，计算机遵循一系列初始化硬件、将操作系统加载到内存并使系统准备就绪的阶段。

开机过程通常在用户按下电源开关或恢复操作系统时开始。它包含一系列明确定义的阶段，使计算机能够从“关闭”状态转变为可以接受命令并运行程序的运行状态。

操作系统中引导过程的重要性

• 硬件初始化：这是启动涉及激活 CPU、RAM、存储设备和输入/输出外围设备等硬件组件的启动点。因此，它确保计算机拥有可访问的资源来开始工作。
• 加载操作系统：引导过程的主要目的是将操作系统加载到内存中。此外，操作系统控制所有硬件资源，并在它们与各种软件应用程序之间进行协调。它在提供服务、资源管理和不同软件组件之间的通信方面发挥着至关重要的作用。
• 系统配置：系统配置设置在引导过程中被读取和应用。例如，系统偏好设置、启动选项和硬件设置参数都属于此类别。机器在运行时如何工作由引导过程中配置的环境决定。
• 执行引导加载程序：在引导过程中，会执行一个名为引导加载程序的专用软件。在此上下文中，引导加载程序会查找操作系统内核，将其加载到内存中，并将控制权转移给内核。因此，操作系统的启动和运行都依赖于它。
• 用户界面：加载和激活操作系统后，系统就可以与用户进行交互了。它使用户能够登录、运行应用程序并在计算机上执行许多活动。它确保引导过程成功运行，从而提供良好的用户体验。
• 错误处理和恢复：初始化过程中存在错误检测和恢复机制。如果启动过程中出现任何问题，系统会尝试修复和诊断它们。管理员可以使用引导过程中生成的错误消息和日志来确定可以解决的错误。
• 安全初始化：计算机系统的安全基础的建立从引导开始。较新的平台在引导过程中包含安全措施，例如安全启动（Secure Boot），以便在初始化后只允许授权和经过认证的实体访问操作系统平台。

引导管理器 (Boot Manager)

引导管理器是一个高级实用应用程序，有助于从安装在 PC 上的不同操作系统中选择和触发 Windows 的启动。它主要负责在引导时选择要加载到内存中的操作系统。在多操作系统环境中，引导管理器发挥着特定作用，用户可以根据自己的需求选择要启动的操作系统，甚至可以使用不同的平台。

引导管理器通常位于MBR或ESP中，是引导过程中运行的第一个软件。它为用户提供了通过不同操作系统或引导配置进行引导的选项。

区分引导管理器和引导加载程序

虽然引导管理器和引导加载程序是引导过程中的相关组件，但它们的作用不同。

引导管理器 (Boot Manager)

• 它控制引导过程的操作系统的选择。
• 它提供用户选择不同操作系统的选项。
• 它通常位于 MBR 或 EFI 系统分区。
• 它处理主要的引导阶段。

引导加载程序 (Boot Loader)

• 将先前选择的操作系统引导到RAM/RAMDAC。
• 一个独立的程序，与引导管理器协同工作。
• 放置在操作系统（OS）所在的磁盘分区或扇区。
• 它在引导管理器完成工作后接管。

引导管理器是一个中间层，向用户展示各种选项，并启动引导过程到正确的引导加载程序，然后由引导加载程序引导首选操作系统。

引导管理器的示例

引导管理器有几个示例。一些主要的引导管理器示例如下：

1. GRUB (Grand Unified Bootloader)

• 它广泛用于 Linux 发行版。
• 菜单是灵活的，可以根据您的需求进行设计。
• 它可以在多种操作系统上运行，例如 Linux 或 Windows。
• 它甚至可以处理复杂的引导情况，如双引导和多引导。

2. Windows 引导管理器

• 它集成在 Windows 操作系统中。
• 它支持基于 Windows 系统的引导。
• 一个图形用户界面，允许用户在多个 Windows 安装选项之间进行选择。
• 它提供系统恢复和高级引导功能。

3. rEFInd

• 专为具有UEFI 固件的系统而创建。
• 在MacOS和Linux以及许多类似的双引导设置中很常见。
• 它提供了一个图形用户界面，为每个操作系统显示小的图标表示。
• 它促进了操作系统的自动版本识别。

4. Syslinux

• 它与大多数轻量级 Linux 发行版一起使用。
• 它还支持基于BIOS或UEFI的可引导 CD。
• 简洁性和可靠性。
• 适用于需要极简主义的情况的最佳选择。

5. Clover BootLoader

• 一个主要用于在非苹果硬件上引导 macOS 的引导加载程序。
• UEFI 支持，用户可选择的图形用户界面。
• 它是Hackintosh（非苹果硬件上的 macOS）社区的首选。
• 从不同的文件系统引导。

引导管理器（Boot Manager）的功能和职责

没有引导管理器，计算机无法正确初始化。除了启动引导过程外，它们还管理不同的操作环境和用户设置。

选择要引导的操作系统

• 用户界面：引导管理器旨在为用户提供一个菜单界面，从中可以选择他们想要引导的操作系统。
• 用户交互：它允许在引导过程中进行用户交互，并允许用户根据他们首选的选项或需求进行选择。
• 默认引导：通常，它有一个默认的操作系统，在用户在特定时间内不进行选择时会自动启动。

管理多个操作系统（双引导/多引导）

• 兼容性：它支持在一台 PC 上同时引导多个操作系统。
• 分区处理：它处理每个操作系统中复杂的文件结构和不同的分区选项。
• 引导链：它有助于在不同操作系统之间无缝加载所需的引导加载程序。
• 错误处理：避免在多个操作系统平台上可能出现的管理错误。

处理引导配置设置

• 配置存储：它存储“引导配置”。
• 配置编辑：它允许用户编辑引导配置，以选择他们在启动时需要看到的自定义引导选项。
• 高级配置：它处理复杂的初始引导参数，例如内核配置、默认超时和引导硬件。
• 安全启动：它负责并执行引导的安全设置，例如UEFI 平台上的安全启动。

错误处理和恢复

• 诊断信息：它提供关于引导失败/错误的诊断信息。
• 恢复选项：例如安全启动功能和系统还原工具等恢复选项。
• 日志生成：引导过程会生成日志和消息，这对于帮助管理员/用户跟踪和解决引导过程中发生的问题至关重要。

用户身份验证

• 用户登录：一些引导管理器甚至集成了用户身份验证功能，要求在选择要引导的操作系统之前进行用户验证。
• 安全增强：它通过在主系统启动前增加身份验证次数来提高系统安全性。

与固件集成

• BIOS/UEFI 交互：它通过与计算机的固件（BIOS或UEFI）进行交互来初始化引导过程。
• 固件兼容性：它与各种 BIOS 版本/UEFI 实现中的固件兼容。

引导管理器类型

有几种类型的引导管理器。一些主要的重要引导管理器类型如下：

BIOS 引导管理器

架构和兼容性

• 传统系统：传统的 BIOS 固件指的是与 BIOS（基本输入/输出系统）相关的 BIOS 引导管理器。
• 兼容性：BIOS 引导管理器可以支持 MBR 分区方案。

操作

• MBR 位置：BIOS 引导管理器（通常在 MBR 中）通常会启动相应的操作系统的引导加载程序。

特性

• 简洁性：BIOS 中的引导管理器很简单；它们只是帮助启动和执行引导过程。
• 常见用法：与传统系统和传统安装的 Windows 相关。

挑战

• 功能有限：它比当今大多数高级 UEFI 引导管理器要旧。
• 分区大小限制：然而，由于 MBR 的两 TB 分区大小限制，它在有效处理大容量存储方面的能力仍然受到很大限制。

UEFI 引导管理器

架构和兼容性

• 现代系统：UEFI（统一可扩展固件接口）引导管理器与当今的计算机系统相关联，它通常取代了 BIOS。
• 兼容性：与 BIOS 不同，UEFI 引导管理器兼容 GUID 分区表，可以支持大容量驱动器。

操作

• EFI 系统分区（ESP）：它通常位于 EFI 系统分区（引导加载程序）上，该分区会触发系统启动周期并与 UEFI 固件协作。

特性

• 图形界面：大多数 UEFI 引导管理器比其他引导操作为用户提供更高级的图形界面。
• 安全启动：它包含安全启动，这是一个内置的安全功能，旨在确保在引导过程中只使用合法的签名模块。
• 高级功能：它具有网络引导、固件更新、改进的错误处理等复杂操作。

优点

• 更快的启动时间：UEFI 通常比 BIOS 启动更快。
• 增强的安全性：第二个是安全启动，通过阻止未经授权或恶意代码在启动时加载来增强系统安全性。

特定文件系统的引导管理器

GRUB (Grand Unified Bootloader)

• 平台：主要用于 Linux 环境。
• 功能：它同时担任引导管理器和引导加载程序的作用，允许一个程序管理和加载不同的操作系统。
• 兼容性：它与 BIOS 和 UEFI 操作系统兼容，适用于各种配置。
• 配置：它提供了一系列可配置的功能，包括选择或修改引导参数和内核选项的能力。
• 多操作系统支持：非常适合双引导，可能支持多引导，这是维护多个 Linux 版本以及其他操作系统的简便方法。

Syslinux

• 轻量级：专为轻量级 Linux 发行版设计。
• 功能：在多引导/内核/操作系统系统中，引导加载程序也可以作为引导管理器。
• 兼容性：其部署灵活性专为 BIOS 和 UEFI 系统设计。
• 简洁性：它简单、直接且高效。在创建简单的书写方式时，可以随时随地使用最简单的书写形式。

rEFInd

• 以 UEFI 为中心：主要为 UEFI 系统构建。
• 用户界面：它拥有漂亮的图形用户界面，包含各种操作系统图标。
• 自动检测：它可以自动显示可用的操作系统，提供出色的用户界面。
• 自定义：它允许用户自定义主题和外观。

引导管理器专门用于满足不同的需求、系统架构和用户偏好。

什么是引导加载程序 (Boot Loader)？

引导加载程序是计算机系统引导过程中一个必不可少且特定的程序/软件部分，它执行其独特的工作。它用于加载和卸载操作系统内核。引导加载程序位于存储设备上的指定分区/扇区，它可能由引导管理器、固件或其他引导过程触发。

引导加载程序在固件/引导管理器和操作系统内核之间充当中介。此组件标识并将构成内核的文件加载到系统内存中，并将操作系统控制权交给内核。

与操作系统内核的交互

• 初始化：引导加载程序确保在执行时计算机资源已为操作系统做好准备。
• 定位内核：一旦加载到内存中，引导加载程序就必须在存储设备中找到内核映像。它会访问文件系统，解释其结构，并选择表示操作系统内核的特定文件。
• 将内核加载到内存：一旦识别出内核，引导加载程序就会将其放入计算机的 RAM 中。这一点对于快速流畅的运行至关重要，因为从内存引导操作系统比从存储设备读取数据要快得多。
• 设置执行环境：它确保为操作系统内核的执行设置适当的环境。例如，它涉及分配合适的内存地址、激活处理器寄存器以及配置平稳内核运行所需的硬件参数。
• 将控制权移交给内核：加载内核并设置好执行环境后，引导加载程序会将控制权移交给操作系统内核。它标志着从引导状态到调用操作系统的转变。
• 传递引导参数：引导加载程序有时可能会将其他参数和信息传递给内核。这些参数的值可能会在启动时指导操作系统，帮助配置设置或提供硬件信息。
• 错误处理和恢复：这些机制通常是引导加载程序的一部分。如果加载过程中出现故障，引导加载程序可能会使用通知或重新启动系统。
• 链式加载：例如，在多引导配置中存在多个引导加载程序的情况下，会应用“链式加载”原则，这意味着每个引导加载程序通过传递控制标志将控制权转移给另一个引导加载程序。电源在一个引导加载程序和另一个引导加载程序之间传输，从而实现多个操作系统的顺序加载。

引导加载程序是引导过程中一个至关重要的元素，它允许用户从一个加载阶段过渡到操作系统完全运行。引导对于查找、加载和将控制权移交给操作系统内核至关重要，因为启动过程会导致计算机系统有效运行。

引导加载程序（Boot Loader）的关键组件

引导加载程序由关键的构建块组成，使它们能够加载操作系统内核。这些组件包括阶段 1 加载程序、阶段 2 加载程序和配置文件/设置。

阶段 1 加载程序

角色和位置

• 引导加载程序具有第一个阶段，即阶段 1 加载程序，通常是一小段代码。
• 对于基于 BIOS 的系统，它位于主引导记录 (MBR) 中；对于特定分区，它位于分区引导记录 (PBR) 中。

职责

• 阶段 1 加载程序确保引导加载程序程序能够启动。
• 第二个阶段会搜索并加载构成引导加载程序的其他阶段。

大小限制

• 在这种情况下，阶段 1 加载程序可能很小，并且由于 PBR 或 MBR 的空间限制，仅包含足够用于其简单任务的代码。

错误处理

• 在阶段 1 加载程序级别，可能涉及一些基本的错误处理，以应对可能的加载困难。

阶段 2 加载程序

角色和位置

• 阶段 2 加载程序构成第二阶段，比第一部分（称为阶段 I 加载程序）更大。
• 这些数据通常存储在文件系统的不同部分，而不是 MBR 或 PBR。

职责

• 阶段 2 加载程序在阶段 1 加载程序之后运行，并继续引导过程。
• 与阶段 1 加载程序相比，它有了很大的改进，因为它包含了更多的功能。

文件系统访问

• 为了使阶段 2 加载程序能够引导操作系统的内核，它应该能够访问文件系统。

用户界面

• 许多引导加载程序都带有图形用户界面，为用户提供选择操作系统或配置引导选项的选项。

配置文件和设置

角色和位置

• 外部配置文件存储引导加载程序的参数和设置。
• 这些文件通常可以在特定的文件系统目录中找到。

职责

• 配置文件包含操作系统版本、引导选项以及引导加载程序运行期间所需的类似注意事项的详细信息。
• 这些文件可以进行自定义，以配置适合用户需求的引导设置。

编辑和自定义

• 用户/系统管理员可以通过安装引导选项、设置默认操作系统或其他高级选项来编辑配置文件，具体取决于个人偏好。

引导参数

• 通常，配置文件包含详细说明操作系统内核、根文件系统、内核选项等位置的参数，以便系统能够成功启动。

重要性

因此，引导加载程序必须正确配置，并且用户应该能够控制引导过程。

各种引导加载程序

操作系统中有几种引导加载程序。一些主要的引导加载程序如下：

GRUB (Grand Unified Boot Loader)

概述

• 类型：多引导加载程序。
• 平台：主要用于类 Unix 操作系统，在 Linux 中最为常见。

主要特点

• 模块化：GRUB 是一个高度模块化的系统，由多个阶段组成。此外，它支持各种类型的架构和不同的文件系统。
• 图形界面：提供可调整和专业的图形界面，易于使用。
• 多引导支持：支持多个操作系统引导，例如不同版本的 Linux 和 Windows。
• 可配置性：在大多数情况下，GRUB 使用一个名为 Grub.conf 的配置文件。在此文件中，用户可以定义引导参数、创建引导菜单并指定默认操作系统。
• 高级功能：包括链式加载等高级功能，用于加载其引导加载程序与其他引导加载程序。

用途

• GRUB 因其在大多数 Linux 发行版中作为标准引导加载程序的使用而广受欢迎。

LILO (Linux Loader)

概述

• 类型：一种多引导加载程序。

主要特点

• 稳定性：LILO 引导加载程序非常稳定。
• 简洁性：它简单且易于配置。
• 配置：用户通过修改conf文件来配置设置，定义他们偏好的操作系统条目和可能的引导参数。

用途

• Lilo 以前常用，但不能作为 GRUB 的替代品，因为后者更灵活、功能更强大。

错误处理和故障排除

引导错误可能因以下原因发生。了解各种引导错误并拥有适当的故障排除程序对于确保 PC 的正常运行至关重要。

错误：“无引导设备”或“找不到引导设备”

• 含义：未找到正确驱动程序（存储驱动器可能已损坏）。未检测到可引导设备（存储驱动器问题）。未检测到已引导的设备（引导配置可能存在问题）。

故障排除

• 访问您的BIOS/UEFI设置，并确保引导顺序正确。
• 连接存储磁盘。
• 如果您有扩展器，请确保您的外部设备没有问题。

错误：“无效系统磁盘”或“非系统磁盘”或“磁盘错误”

• 这表明系统引导程序未找到有效的系统磁盘。

故障排除

• 在BIOS或UEFI中设置操作系统。
• 检查操作系统磁盘是否有问题。
• 确保系统包含来自其系统磁盘的活动操作系统。

错误：“找不到操作系统”

• 目标磁盘上没有操作系统，因此引导加载程序无法检测到它。

故障排除

• 您需要确保检查引导和存储接口设置。
• 确保您的计算机操作系统位于正确的位置。
• 修复或重新加载引导加载程序。

错误：“GRUB 错误”

• 这意味着 GRUB 无法读取文件或识别文件系统。

故障排除

• 检查 GRUB 配置是否有错误。
• 检查布局是否正确并符合文件系统规范。
• 尝试使用更多 Live 媒体，或进入 GRUB 救援模式并修复GRUB。

错误：“正在加载操作系统”

• 此引导加载程序在引导过程中加载操作系统的内核时遇到启动问题。

故障排除

• 仔细检查引导加载程序到内核的引用点。
• 确保您拥有内核和initrd。
• 修复或重新安装引导加载程序。

错误：“BOOTMGR 丢失”

• 含义：Windows 引导失败或引导扇区损坏。

故障排除

• 可以使用 Windows 安装或恢复磁盘修复BootMGR。
• 确保引导顺序没有问题，并且正确的磁盘处于活动状态。

故障排除技术

有几种用于故障排除的技术。这些技术如下：

检查引导顺序

• 在BIOS/UEFI中检查您是否选择了正确的引导设备。
• 检查引导顺序是否考虑了合适的存储单元。

验证磁盘连接

• 将电源线和数据线都连接到它们。
• 检查外部设备的电缆和连接。

检查配置文件

• 检查引导加载程序配置文件中的错误或配置错误。
• 还包括检查语法、路径和文件系统规范。

修复引导加载程序

• 如果您可以使用恢复工具或安装磁盘，请尝试修复引导加载程序或重新安装 Windows。
• 在 Windows 中，Bootrec 或启动修复选项可能很有用。

用户引导修复工具

• 一些工具，例如 Linux 上的 boot-repair 和 Windows 中的自动修复选项，可以帮助解决引导加载程序的问题。

检查磁盘健康状况

• 运行磁盘检查工具测试存储设备的健康状况。
• 纠正磁盘错误。
• 安全启动问题
• 如有必要，修改安全启动。

访问恢复模式

• 许多引导加载程序和操作系统都有用于故障查找的救援模式。
• 例如，GRUB 包含救援模式，而 Windows 也提供安全模式。

结论

总而言之，整个过程涉及使用引导管理器和引导加载程序，它们共同使系统能够无中断地启动，并从固件绕过到操作系统内核。它们还充当 CPU 与硬盘驱动器等其他组件之间的通信通道，为用户提供操作系统选择以及将内核文件加载到内存的选项。例如，像GRUB、LILO和 Windows 引导管理器这样的专用引导加载程序在这些现代系统中很有用。在这种情况下，配置引导加载程序允许用户调整引导过程。然而，检测和解决常见错误是一个系统化的方法，涵盖了引导顺序和文件系统纯度等要素。引导管理器和引导加载程序是实现系统正确运行的稳健引导过程的关键概念。