Windows 啟動過程

• 2022 年 6 月 30 日
• 筆記
• Windows

引言

啟動過程是我們了解操作系統的第一個環節。了解 Windows 的啟動過程，可以幫助我們解決一些啟動的問題，也能幫助我們了解 Windows 的整體結構。

以下內容將分為【加載內核】、【內核初始化】和【應用程序初始化】三個部分。

加載內核

如 啟動過程概覽 所示，加載過程分為兩種方式。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。

加載 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，主板上的硬件電路給 CPU 發複位（reset）信號。

CPU 收到複位信號後，將從 RAM 中讀取指令執行。此時內存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 程序所在的位置。跳轉指令如下：

jmp far f000:e05b ; 跳轉到0xfe05b執行

運行 BIOS

BIOS 主要包含以下四個部分的程序：

• POST：Power On Self Test。用於檢測硬件的可用性，如果有問題，會發出蜂鳴聲並且停止進行下一步。
• Bootstrap Loader：用來確定操作系統的位置，幫助引導操作系統的啟動。此程序會遍歷所有的存儲設備的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）複製到內存0x7c00位置。至此，代碼的控制權就交給了操作系統代碼了。

Windows 的做法是，讓引導扇區中的代碼讀入其他扇區的數據，然後跳轉到下一個扇區的代碼區。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加載器（loader），而真正完成引導扇區功能的扇區隨後被加載進來並執行。這一過程對於 MBR 是透明的，從而保持良好的兼容性。

• BIOS：用於軟件和硬件的通信。
• CMOS Setup：一個配置程序，用於配置操作系統的時間、日期和密碼等

加載 NT 內核

此時代碼的控制權已經來到了 ntldr（也可以是 WinLoad 或者 os loader），此時處理器還運行實模式下，所以 ntldr 也分為兩部分：實模式代碼和保護模式代碼。

在實模式下，ntldr 的主要任務是：

• 完成在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代碼。

在保護模式下，需要完成以下步驟：

1. 由於虛擬機制轉譯機制還未就緒，首先要做的就是把物理內存管理起來。採用一個內存描述符數組將每一段內存的大小和用途記錄下來，然後打開頁面映射機制
2. 繼續執行其他的初始化工作。包含 I/O 設備的初始化等
3. 從系統分區的根目錄下讀取 boot.ini 文件。並檢查是否存在有效的 hiberfil.sys 文件，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 文件 。
4. 運行 NTDETECT.COM 程序。此程序運行在實模式下，它將利用 BIOS 來查詢系統的基本設備和配置信息，並收集起來。在引導後期，將其存放到註冊表 HKLM\HARDWARE\DESCRIPTION 下。
5. 加載 ntoskrnl.exe、hal（默認為 hal.dll，具體是哪個映像文件，在 boot.ini 中會有記錄），再通過加載註冊表的 system 儲巢，即 WINDOWS\system32\config\system 文件 拿到哪些設備驅動程序必須被加載進來，然後再把必要的設備驅動加載進來。
6. 此時加載的準備工作基本就緒，將準備的信息構造成一個參數塊 LOADER_PARAMETER_BLOCK.如下定義來自 WRK。

typedef struct _LOADER_PARAMETER_BLOCK {
    LIST_ENTRY LoadOrderListHead; // 加載的模塊鏈表，每個元素都為 KLDR_DATA_TABLE_ENTRY
    LIST_ENTRY MemoryDescriptorListHead; // 內存描述符鏈表，每個元素都為 MEMORY_ALLOCATION_DESCRIPTOR
    LIST_ENTRY BootDriverListHead;// 引導驅動程序鏈表，每個元素都為 BOOT_DRIVER_LIST_ENTRY
    ULONG_PTR KernelStack;// 內核棧頂
    ULONG_PTR Prcb;// 進程環境，指向一個進程控制塊
    ULONG_PTR Process;// 初始進程，EPROCESS
    ULONG_PTR Thread;// 初始線程，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、磁盤和 ACPI 的配置數據
    PCHAR ArcBootDeviceName;// 引導分區的 ARC 名稱
    PCHAR ArcHalDeviceName;// 系統分區的 ARC 名稱
    PCHAR NtBootPathName;// OS 目錄的路徑名稱，比如「\Windows」
    PCHAR NtHalPathName;// OS 加載器的路徑名稱，比如「\」
    PCHAR LoadOptions;// 引導選項，來自 boot.ini
    PNLS_DATA_BLOCK NlsData;// 包含 ANSI 代碼頁、OEM 代碼頁和 Unicode 碼錶
    PARC_DISK_INFORMATION ArcDiskInformation;// 所有磁盤的簽名結構
    PVOID OemFontFile;// OEM 字體文件
    struct _SETUP_LOADER_BLOCK *SetupLoaderBlock;// 網絡引導或文字模式安裝引導
    PLOADER_PARAMETER_EXTENSION Extension;// 擴展部分

    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 的入口函數。表示內核加載完成。

內核初始化

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 的入口函數是 _KiSystemStartup，可以順着這個方法往下看。

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，具體可以去看代碼。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，執行體的各個組件都進入了一個正常狀態。但只有內核是沒有意義的，系統必須讓應用程序跑起來。應用程序的啟動就得依賴剛啟動的 smss 進程繼續了。

應用初始化

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

smss 還會繼續完成引導過程。在內核初始化期間，只有 System 儲巢被加載到內存當中了。其他的就得由 smss 來加載。其他初始化必要的工作，可以參看 HKLM\SYSTEM\CurrentControlSet\Control\Session Manager 。

註冊表中能發現一些有趣的子鍵。

• 建立系統的全局環境變量，這些環境變量由 Environment 鍵下的值指定
• 運行在啟動時執行的程序，這些程序由 BootExecute 值指定
• 執行啟動時的文件刪除或重命名任務，這由 FileRenameOperations 子鍵來指定
• 啟動 Windows 子系統進程（csrss.exe）。子系統進程的命令行字符串由 SubSystems 子鍵的 Windows 值指定

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

1. 創建初始窗口
2. 創建登錄桌面和默認桌面
3. 啟動服務控制管理器（SCM，Service Control Manager）進程（services.exe）
4. 啟動本地安全權威子系統（lsass）進程

在登錄過程的最後，winlogon 檢查註冊表 HKLM\SOFTWARE\Microsoft\Windows NT\CurrentVersion\Winlogon\Userinit 的值，並創建一個進程來運行該值字符串。該值串的默認值為 userinit.exe 程序的路徑。Userinit 進程加載當前登錄用戶的輪廓，然後檢查 HKCU\Software\Microsoft\Windows NT\CurrentVersion\Winlogon\Shell 的值，並創建一個進程來運行該值字符串；如果該值不存在，則運行 HKLM\SOFTWARE\Microsoft\Windows NT\CurrentVersion\Winlogon\Shell 的值，其默認值為 explorer.exe。然後，userinit 進程退出。由於當前登錄會話的 Shell 程序（explorer.exe）已經啟動，因此用戶可以在桌面上操作了。

至此，引導就全部結束了。