Windows 啟動過程

frendguo發表於2022-06-30
Windows

引言

啟動過程是我們瞭解作業系統的第一個環節。瞭解 Windows 的啟動過程，可以幫助我們解決一些啟動的問題，也能幫助我們瞭解 Windows 的整體結構。

以下內容將分為【載入核心】、【核心初始化】和【應用程式初始化】三個部分。
啟動過程概覽

載入核心

如 啟動過程概覽 所示，載入過程分為兩種方式。傳統的 BIOS（Basic Input/Output System）和 UEFI（Unified Extensible Firmware Interface）。這兩種方式大致相似，本文以 BIOS 為例來說明引導說過。

載入 BIOS

此部分參考：How BIOS Works (yale.edu)

當開機鍵被按下後，電源將執行初始化，確保電源可靠後，主機板上的硬體電路給 CPU 發覆位（reset）訊號。

CPU 收到復位訊號後，將從 RAM 中讀取指令執行。此時記憶體中是沒有任何指令需要執行的。於是 CPU 就去 BIOS ROM 中特定的位置（FFFF0H）中執行指令，這個指令是一個跳轉指令 ，將告訴 CPU 真正的 BIOS 程式所在的位置。跳轉指令如下：

jmp far f000:e05b ; 跳轉到0xfe05b執行

執行 BIOS

BIOS 主要包含以下四個部分的程式：

  • POST：Power On Self Test。用於檢測硬體的可用性，如果有問題，會發出蜂鳴聲並且停止進行下一步。
  • Bootstrap Loader：用來確定作業系統的位置，幫助引導作業系統的啟動。此程式會遍歷所有的儲存裝置的0盤0道1扇區的內容，如果這一扇區最後兩位元組的內容是0x55 0xaa，則認為它是啟動區（也就是 MBR，Master Boot Record），並將扇區的內容（也就是ntldr）複製到記憶體0x7c00位置。至此，程式碼的控制權就交給了作業系統程式碼了。

Windows 的做法是，讓引導扇區中的程式碼讀入其他扇區的資料，然後跳轉到下一個扇區的程式碼區。這樣就可以不受單個引導扇區長度的限制，這種做法相當於將第一個引導扇區當做一個載入器（loader），而真正完成引導扇區功能的扇區隨後被載入進來並執行。這一過程對於 MBR 是透明的，從而保持良好的相容性。

  • BIOS：用於軟體和硬體的通訊。
  • CMOS Setup：一個配置程式，用於配置作業系統的時間、日期和密碼等

載入 NT 核心

此時程式碼的控制權已經來到了 ntldr（也可以是 WinLoad 或者 os loader），此時處理器還執行真實模式下，所以 ntldr 也分為兩部分：真實模式程式碼和保護模式程式碼。

在真實模式下，ntldr 的主要任務是：

  • 完成在真實模式下執行的初始化。比如清除鍵盤緩衝區。
  • 為切換到保護模式做好基本的環境準備。
  • 將處理器切換到保護模式下，然後將控制權交給保護模式下的程式碼。

在保護模式下，需要完成以下步驟：

  1. 由於虛擬機器制轉譯機制還未就緒，首先要做的就是把實體記憶體管理起來。採用一個記憶體描述符陣列將每一段記憶體的大小和用途記錄下來，然後開啟頁面對映機制
  2. 繼續執行其他的初始化工作。包含 I/O 裝置的初始化等
  3. 從系統分割槽的根目錄下讀取 boot.ini 檔案。並檢查是否存在有效的 hiberfil.sys 檔案，如果存在，則將引導過程轉移到休眠系統的恢復過程。否則，將解析 boot.ini 檔案 。
  4. 執行 NTDETECT.COM 程式。此程式執行在真實模式下，它將利用 BIOS 來查詢系統的基本裝置和配置資訊，並收集起來。在引導後期，將其存放到登錄檔 HKLM\HARDWARE\DESCRIPTION 下。
  5. 載入 ntoskrnl.exe、hal（預設為 hal.dll，具體是哪個映像檔案，在 boot.ini 中會有記錄），再通過載入登錄檔的 system 儲巢，即 WINDOWS\system32\config\system 檔案 拿到哪些裝置驅動程式必須被載入進來，然後再把必要的裝置驅動載入進來。
  6. 此時載入的準備工作基本就緒，將準備的資訊構造成一個引數塊 LOADER_PARAMETER_BLOCK.如下定義來自 WRK。
typedef struct _LOADER_PARAMETER_BLOCK {
    LIST_ENTRY LoadOrderListHead; // 載入的模組連結串列，每個元素都為 KLDR_DATA_TABLE_ENTRY
    LIST_ENTRY MemoryDescriptorListHead; // 記憶體描述符連結串列，每個元素都為 MEMORY_ALLOCATION_DESCRIPTOR
    LIST_ENTRY BootDriverListHead;// 引導驅動程式連結串列，每個元素都為 BOOT_DRIVER_LIST_ENTRY
    ULONG_PTR KernelStack;// 核心棧頂
    ULONG_PTR Prcb;// 程式環境，指向一個程式控制塊
    ULONG_PTR Process;// 初始程式，EPROCESS
    ULONG_PTR Thread;// 初始執行緒，ETHREAD
    ULONG RegistryLength;// System 儲巢的長度
    PVOID RegistryBase;// System 儲巢的基地址
    PCONFIGURATION_COMPONENT_DATA ConfigurationRoot;// 配置樹，包含 ISA、磁碟和 ACPI 的配置資料
    PCHAR ArcBootDeviceName;// 引導分割槽的 ARC 名稱
    PCHAR ArcHalDeviceName;// 系統分割槽的 ARC 名稱
    PCHAR NtBootPathName;// OS 目錄的路徑名稱，比如“\Windows”
    PCHAR NtHalPathName;// OS 載入器的路徑名稱，比如“\”
    PCHAR LoadOptions;// 引導選項，來自 boot.ini
    PNLS_DATA_BLOCK NlsData;// 包含 ANSI 內碼表、OEM 內碼表和 Unicode 碼錶
    PARC_DISK_INFORMATION ArcDiskInformation;// 所有磁碟的簽名結構
    PVOID OemFontFile;// OEM 字型檔案
    struct _SETUP_LOADER_BLOCK *SetupLoaderBlock;// 網路引導或文字模式安裝引導
    PLOADER_PARAMETER_EXTENSION Extension;// 擴充套件部分

    union {
        I386_LOADER_BLOCK I386;
        // ALPHA_LOADER_BLOCK Alpha;
        // IA64_LOADER_BLOCK Ia64;
    } u;
} LOADER_PARAMETER_BLOCK, *PLOADER_PARAMETER_BLOCK;
  1. 最後，ntlrd 將控制權交給 ntoskrnl.exe 的入口函式。表示核心載入完成。

核心初始化

到這裡，接下來的過程，我們就可以通過 WRK 來觀察具體的過程了。

ntoskrnl.exe 的入口函式是 _KiSystemStartup，可以順著這個方法往下看。

整個初始化分為兩個階段：Phase0 和 Phase1。

階段1的初始化入口是 Phase1InitializationDiscard 方法。此方法也是做了各種初始化，具體可以去看程式碼。由於其時間比較長，所以內部做了一個進度估計。

待 階段1 完成初始化，執行體的各個元件都進入了一個正常狀態。但只有核心是沒有意義的，系統必須讓應用程式跑起來。應用程式的啟動就得依賴剛啟動的 smss 程式繼續了。

應用初始化

現在控制權來到了 smss，smss 是 Windows 中一個重要的程式。

smss 還會繼續完成引導過程。在核心初始化期間，只有 System 儲巢被載入到記憶體當中了。其他的就得由 smss 來載入。其他初始化必要的工作，可以參看 HKLM\SYSTEM\CurrentControlSet\Control\Session Manager 。

登錄檔中能發現一些有趣的子鍵。

  • 建立系統的全域性環境變數，這些環境變數由 Environment 鍵下的值指定
  • 執行在啟動時執行的程式，這些程式由 BootExecute 值指定
  • 執行啟動時的檔案刪除或重新命名任務，這由 FileRenameOperations 子鍵來指定
  • 啟動 Windows 子系統程式（csrss.exe）。子系統程式的命令列字串由 SubSystems 子鍵的 Windows 值指定

然後 smss 便會啟動 winlogon 程式，隨後接下來的引導便交由 winlogon 程式了。 winlogon 主要職責如下：

  1. 建立初始視窗
  2. 建立登入桌面和預設桌面
  3. 啟動服務控制管理器（SCM，Service Control Manager）程式（services.exe）
  4. 啟動本地安全權威子系統（lsass）程式

在登入過程的最後，winlogon 檢查登錄檔 HKLM\SOFTWARE\Microsoft\Windows NT\CurrentVersion\Winlogon\Userinit 的值，並建立一個程式來執行該值字串。該值串的預設值為 userinit.exe 程式的路徑。Userinit 程式載入當前登入使用者的輪廓，然後檢查 HKCU\Software\Microsoft\Windows NT\CurrentVersion\Winlogon\Shell 的值，並建立一個程式來執行該值字串；如果該值不存在，則執行 HKLM\SOFTWARE\Microsoft\Windows NT\CurrentVersion\Winlogon\Shell 的值，其預設值為 explorer.exe。然後，userinit 程式退出。由於當前登入會話的 Shell 程式（explorer.exe）已經啟動，因此使用者可以在桌面上操作了。

至此，引導就全部結束了。

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