Windows XP Professional計算機啟動過程

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概述
本文講述了Microsoft Windows XP 在x86架構計算機上的啟動過程，旨在使讀者更加了解Windows XP專業版啟動的基本知識。了解了這些知識以後，當啟動發生問題時，可以更快地找到解決方案以避免可能發生的各方麵的損失。但要注意的是，本文並沒有涉及到故障處理以及任何關於故障的闡述，本文僅僅介紹Windows XP引導/啟動過程。

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目錄
1. Windows XP啟動階段概覽
2. 每個啟動階段的詳細介紹

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Windows XP啟動階段概覽
從按下計算機開關啟動計算機，到登入到桌麵完成啟動，一共經過了以下幾個階段：
1. 預引導(Pre-Boot)階段；
2. 引導階段；
3. 加載內核階段；
4. 初始化內核階段；
5. 登陸。

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每個啟動階段的詳細介紹
a) 預引導階段
在按下計算機電源使計算機啟動，並且在Windows XP專業版操作係統啟動之前這段時間，我們稱之為預引導（Pre-Boot）階段，在這個階段裏，計算機首先運行Power On Self Test（POST），POST檢測係統的總內存以及其他硬件設備的現狀。如果計算機係統的BIOS(基礎輸入/輸出係統)是即插即用的，那麽計算機硬件設備將經過檢驗以及完成配置。計算機的基礎輸入/輸出係統（BIOS）定位計算機的引導設備，然後MBR(Master Boot Record)被加載並運行。在預引導階段，計算機要加載Windows XP的NTLDR文件。
b) 引導階段
Windows XP Professional引導階段包含4個小的階段。
首先，計算機要經過初始引導加載器階段（Initial Boot Loader），在這個階段裏，NTLDR將計算機微處理器從實模式轉換為32位平麵內存模式。在實模式中，係統為MS-DOS保留640kb內存，其餘內存視為擴展內存，而在32位平麵內存模式中，係統（Windows XP Professional）視所有內存為可用內存。接著，NTLDR啟動內建的mini-file system drivers，通過這個步驟，使NTLDR可以識別每一個用NTFS或者FAT文件係統格式化的分區，以便發現以及加載Windows XP Professional，到這裏，初始引導加載器階段就結束了。
接著係統來到了操作係統選擇階段，如果計算機安裝了不止一個操作係統（也就是多係統），而且正確設置了boot.ini使係統提供操作係統選擇的條件下，計算機顯示器會顯示一個操作係統選單，這是NTLDR讀取boot.ini的結果。（至於操作係統選單，由於暫時條件不夠，沒辦法截圖，但是筆者模擬了一個，見圖一。）
在boot.ini中，主要包含以下內容：
[boot loader]
timeout=30
default=multi(0)disk(0)rdisk(0)partition(1)\WINDOWS
[operating systems]
multi(0)disk(0)rdisk(0)partition(1)\WINDOWS="Microsoft Windows XP Professional" /fastdetect
multi(0)disk(0)rdisk(0)partition(2)\WINNT="Windows Windows 2000 Professional"
其中，multi(0)表示磁盤控製器，disk(0)rdisk(0)表示磁盤，partition(x)表示分區。NTLDR就是從這裏查找Windows XP Professional的係統文件的位置的。（*本文不會更詳細地講解boot.ini的組成結構，因為其與本主題關係不大，如果想了解，可以到一些專門的網站處查詢相關信息。）如果在boot.ini中隻有一個操作係統選項，或者把timeout值設為0，則係統不出現操作係統選擇菜單，直接引導到那個唯一的係統或者默認的係統。在選擇啟動Windows XP Professional後，操作係統選擇階段結束，硬件檢測階段開始。
在硬件檢測階段中，ntdetect.com將收集計算機硬件信息列表並將列表返回到NTLDR，這樣做的目的是便於以後將這些硬件信息加入到注冊表HKEY_LOCAL_MACHINE下的hardware中。
硬件檢測完成後，進入配置選擇階段。如果計算機含有多個硬件配置文件列表，可以通過按上下按鈕來選擇。如果隻有一個硬件配置文件，計算機不顯示此屏幕而直接使用默認的配置文件加載Windows XP專業版。
引導階段結束。在引導階段，係統要用到的文件一共有：NTLDR，Boot.ini，ntdetect.com，ntokrnl.exe，Ntbootdd.sys，bootsect.dos（可選的）。
c) 加載內核階段
在加載內核階段，ntldr加載稱為Windows XP內核的ntokrnl.exe。係統加載了Windows XP內核但是沒有將它初始化。接著ntldr加載硬件抽象層（HAL，hal.dll），然後，係統繼續加載HKEY_LOCAL_MACHINE\system鍵，NTLDR讀取select鍵來決定哪一個Control Set將被加載。控製集中包含設備的驅動程序以及需要加載的服務。NTLDR加載HKEY_LOCAL_MACHINE\system\service\...下start鍵值為0的最底層設備驅動。當作為Control Set的鏡像的Current Control Set被加載時，ntldr傳遞控製給內核，初始化內核階段就開始了。
d) 初始化內核階段
在初始化內核階段開始的時候，彩色的Windows XP的logo以及進度條顯示在屏幕中央，在這個階段，係統完成了啟動的4項任務：
 內核使用在硬件檢測時收集到的數據來創建了HKEY_LOCAL_MACHINE\HARDWARE鍵。
 內核通過引用HKEY_LOCAL_MACHINE\system\Current的默認值複製Control Set來創建了Clone Control Set。Clone Control Set配置是計算機數據的備份，不包括啟動中的改變，也不會被修改。
 係統完成初始化以及加載設備驅動程序，內核初始化那些在加載內核階段被加載的底層驅動程序，然後內核掃描HKEY_LOCAL_MACHINE\system\CurrentControlSet\service\...下start鍵值為1的設備驅動程序。這些設備驅動程序在加載的時候便完成初始化，如果有錯誤發生，內核使用ErrorControl鍵值來決定如何處理，值為3時，錯誤標誌為危機/關鍵，係統初次遇到錯誤會以LastKnownGood Control Set重新啟動，如果使用LastKnownGood Control Set啟動仍然產生錯誤，係統報告啟動失敗，錯誤信息將被顯示，係統停止啟動；值為2時錯誤情況為嚴重，係統啟動失敗並且以LastKnownGood Control Set重新啟動，如果係統啟動已經在使用LastKnownGood值，它會忽略錯誤並且繼續啟動；當值是1的時候錯誤為普通，係統會產生一個錯誤信息，但是仍然會忽略這個錯誤並且繼續啟動；當值是0的時候忽略，係統不會顯示任何錯誤信息而繼續運行
 Session Manager啟動了Windows XP高級子係統以及服務，Session Manager啟動控製所有輸入、輸出設備以及訪問顯示器屏幕的Win32子係統以及Winlogon進程，初始化內核完畢。
e) 登陸
 Winlogon.exe啟動Local Security Authority，同時Windows XP Professional歡迎屏幕或者登陸對話框顯示，這時候，係統還可能在後台繼續初始化剛才沒有完成的驅動程序。
 提示輸入有效的用戶名或密碼。
 Service Controller最後執行以及掃描HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Servives來檢查是否還有服務需要加載，Service Controller查找start鍵值為2或更高的服務，服務按照start的值以及DependOnGroup和DepandOnService的值來加載。
隻有用戶成功登陸到計算機後，Windows XP的啟動才被認為是完成，在成功登陸後，係統拷貝Clone Control Set到LastKnownGood Control Set，完成這一步驟後，係統才意味著已經成功引導了。

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結論
本文簡單講述了Windows XP Professional在32位計算機上的啟動/引導過程，包括每個啟動階段，以及階段中的詳細步驟。雖然本文沒有提及錯誤處理，但是通過讓讀者了解這些啟動過程，當遇到錯誤時他們會變得更加從容以及更加容易找到錯誤的原因。

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參考資料
[1] Microsoft Windows XP 專業版幫助；
[2] MCSE: Windows XP Professional Study Guide. Sybex Press.
[3] MCSE Training Kit Microsoft Windows XP Professional. Microsoft Press.

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作者:閆諾