2.2 安装操作系统前必读
随着时代的发展，操作系统的安装变得越来越简单，越来越智能化，需要用户干预的地方越来越少了。但是对于初学者而言，自行安装操作系统之前，有一些基础知识是必须要掌握的。如果没有做好准备就自行安装，很有可能安装失败。下面介绍一下安装操作系统之前需要掌握的基本知识。
2.2.1 BIOS——操作系统和硬件间的桥梁
BIOS是英文Basic Input Output System的简称，直译过来后中文名称就是“基本输入输出系统”，是计算机中最重要的组成部分之一。它是一组固化到计算机内主板上一个ROM芯片上的程序，保存着计算机最重要的基本输入输出的程序、开机后自检程序和系统自启动程序，可以从CMOS中读写系统设置的具体信息。其主要功能是为计算机提供最底层的、最直接的硬件设置和控制。使用BIOS设置程序还可以排除系统故障或诊断系统问题。BIOS应该是连接操作系统与硬件设备的一座“桥梁”，负责解决硬件的即时要求。
BIOS设置程序是存储在BIOS芯片中的，BIOS芯片是主板上一块长方形或正方形的芯片。早期的芯片有ROM（只读存储器）、EPROM（可擦除可编程只读存储器）、E2PROM（电可擦除可编程只读存储器）等。随着科技的进步和操作系统对硬件更高的响应要求，现在的BIOS程序一般存储在NORFlash（非易失闪存）芯片中，NORFlash除了容量比E2PROM更大外，主要是NORFlash具有写入功能，运行计算机通过软件的方式进行BIOS的更新，而无须额外的硬件支持（通常E2PROM的擦写需要不同的电压和条件），且写入速度快。
一、BIOS的3个主要功能
• 中断服务程序：中断服务程序是计算机系统软、硬件之间的一个可编程接口，用于程序软件功能与计算机硬件实现的衔接。操作系统对外围设备的管理即建立在中断服务程序的基础上。程序员也可以通过对INT 5、INT 13等中断的访问直接调用BIOS。
• 系统设置程序：计算机部件配置情况是放在一块可读写的CMOS芯片中的，它保存着系统CPU、硬盘驱动器、显示器、键盘等部件的信息。关机后，系统通过一块后备电池向CMOS供电以保持其中的信息。如果CMOS中关于计算机的配置信息不正确，会导致系统性能降低、硬件不能识别，并由此引发一系列的软、硬件故障。在BIOS ROM芯片中装有一个“系统设置程序”，用来设置CMOS中的参数。这个程序一般在开机时按下一个或一组键即可进入，它提供了良好的界面供用户使用。这个设置CMOS参数的过程，习惯上也称为“BIOS设置”。新购的计算机或新增了部件的系统，都需进行BIOS设置。
• 上电自检（POST）：计算机接通电源后，系统将有一个对内部各个设备进行检查的过程，这是由一个通常称之为POST（Power On Self Test，上电自检）的程序来完成的，这也是BIOS的一个功能。POST自检通过读取存储在CMOS中的硬件信息识别硬件配置，同时对其进行检测和初始化。自检中若发现问题，系统将给出提示信息或鸣笛警告。
有时我们需要修改BIOS的信息来进行操作系统的安装，那么如何进入BIOS界面呢。当打开计算机时，屏幕上一般会出现品牌机启动画面或主板LOGO画面，在屏幕的左下角一般都有一行字提示如何进入BIOS设置。我们按照提示按键盘上相应的按键即可。
下面列出了部分品牌主板和计算机进入BIOS设置界面的快捷键。由于同品牌计算机随着时间的不同，进入BIOS的方式也不太相同，如果按照提供的快捷键无法进入，请参考主板或计算机的说明书。
（1）DIY组装机主板类。
• 华硕主板：F8。
• 技嘉主板：F12。
• 微星主板：F11。
• 映泰主板：F9。
• 梅捷主板：Esc或F12。
• 七彩虹主板：Esc或F11。
• 华擎主板：F11。
• 斯巴达卡主板：Esc。
• 昂达主板：F11。
• 双敏主板：Esc。
• 翔升主板：F10。
• 精英主板：Esc或F11。
（2）品牌笔记本。
• 联想笔记本：F12。
• 宏碁笔记本：F12。
• 华硕笔记本：Esc。
• 惠普笔记本：F9。
• 戴尔笔记本：F12。
• 神舟笔记本：F12。
• 东芝笔记本：F12。
• 三星笔记本：F12。
（3）品牌台式机。
• 联想台式机：F12。
• 惠普台式机：F12。
•宏碁台式机：F12。
• 戴尔台式机：Esc。
• 神舟台式机：F12。
• 华硕台式机：F8。
• 方正台式机：F12。
• 清华同方台式机：F12。
• 海尔台式机：F12。
• 明基台式机：F8。
生产BIOS的厂商很多，并且品牌机会对BIOS进行自己的个性化定制，所以BIOS的界面各式各样，不过其中大部分都是英文界面。下面以某品牌计算机为例介绍BIOS选项，其他品牌计算机可能设置上有不一样的地方，但是大部分设置都是通用的。
• Main标签：主要用来设置时间和日期。显示计算机的硬件相关信息，如序列号、CPU型号、CPU速度、内存大小等，如图2-1所示。
图2-1
• Advanced标签：主要用来进行BIOS的高级设置。如启动方式、开机显示、USB选项、硬盘工作模式等，如图2-2所示。
图2-2
• Security标签：主要用来进行安全相关的设置。可以设置BIOS管理员密码、开机密码、硬盘密码，如图2-3所示。
图2-3
• Boot标签：用来设置计算机使用启动设备的顺序，如图2-4所示。
图2-4
• Exit标签：退出BIOS设置。在这里可以选择保存当时的修改，或者放弃修改直接退出。如果BIOS设置出现问题，还可以在这个界面载入初始设置，如图2-5所示。
图2-5
二、主引导记录和分区表
（1）主引导记录。
计算机开机后，BIOS首先进行自检和初始化，然后开始准备操作系统数据。这时就需要访问硬盘上的主引导记录了。
主引导记录（MBR，Main Boot Record）是位于磁盘最前边的一段引导代码。它负责磁盘操作系统对磁盘进行读写时分区合法性的判别、分区引导信息的定位，它是由磁盘操作系统在对硬盘进行初始化时产生的。
通常，我们将包含MBR引导代码的扇区称为主引导扇区。因这一扇区中，引导代码占有绝大部分空间，故而习惯上将该扇区称为MBR扇区（简称MBR）。由于这一扇区是管理整个磁盘空间的一个特殊空间，它不属于磁盘上的任何分区，因而分区空间内的格式化命令不能清除主引导记录的任何信息。
（2）主引导记录的组成如下。
• 启动代码：主引导记录最开头是第一阶段引导代码。其中，硬盘引导程序的主要作用是检查分区表是否正确，并且在系统硬件完成自检以后将控制权交给硬盘上的引导程序（如GNU GRUB）。它不依赖任何操作系统，而且启动代码也是可以改变的，从而能够实现多系统引导。
• 硬盘分区表：硬盘分区表占据主引导扇区的64个字节（偏移01BEH～偏移01FDH），可以对四个分区的信息进行描述，其中每个分区的信息占据16个字节。每个字节的定义可以参考硬盘分区结构信息。
• 结束标志：结束标志字55 AA（偏移1FEH～偏移1FFH）最后两个字节，是检验主引导记录是否有效的标志。
（3）分区表。
分区表是存储磁盘分区信息的一段区域。
传统的分区方案（称为MBR分区方案）是将分区信息保存到磁盘的第一个扇区（MBR扇区）中的64个字节中，每个分区项占用16个字节，这16个字节中存有活动状态标志、文件系统标识、起止柱面号、磁头号、扇区号、隐含扇区数目（4个字节）、分区总扇区数目（4个字节）等内容。因为MBR扇区只有64个字节用于分区表，所以只能记录4个分区的信息。这就是硬盘主分区数目不能超过4个的原因。后来为了支持更多的分区，引入了扩展分区及逻辑分区的概念，但每个分区项仍用16个字节存储。
2.2.2 磁盘分区
计算机中存放信息的主要存储设备就是硬盘，但是硬盘不能直接使用，必须对硬盘进行分割，分割成的一块一块的硬盘区域就是磁盘分区。在传统的磁盘管理中，将一个硬盘分为两大类分区：主分区和扩展分区。
• 主分区：主分区通常位于硬盘最前面的一块区域中，构成逻辑C磁盘。其中的主引导程序是它的一部分，此段程序主要用于检测硬盘分区的正确性，并确定活动分区，负责把引导权移交给活动分区的操作系统。如果这个分区的数据损坏将无法从硬盘启动操作系统。
• 扩展分区：除主分区外的其他用于存储的磁盘区域，我们叫它扩展分区。扩展分区不可以直接进行存储数据，它需要分成逻辑磁盘才可以被用来读写数据。如图2-6所示，左侧深蓝色的区域就是主分区，右侧浅蓝色部分是扩展分区。“D:”和“E:”是两个逻辑磁盘。
图2-6
2.2.3 UEFI——新的计算机硬件接口
UEFI，全称“统一的可扩展固件接口”（Unified Extensible Firmware Interface），是一种详细描述类型接口的标准。这种接口用于操作系统自动从预启动的操作环境，加载到一种操作系统上。
UEFI是以EFI 1.10为基础发展起来的。EFI中文名为“可扩展固件接口”，是Intel为PC固件的体系结构、接口和服务提出的建议标准。其主要目的是为了提供一组在OS（操作系统）加载之前（启动前）在所有平台上一致的、正确指定的启动服务，被看作是有20多年历史的BIOS的继任者。
与传统的BIOS相比，UEFI有以下优点。
• 纠错特性：与BIOS显著不同的是，UEFI是用模块化、C语言风格的参数堆栈传递方式、动态链接的形式构建系统，它比BIOS更易于实现，容错和纠错特性更强，从而缩短了系统研发的时间。更加重要的是，它运行于32位或64位模式，突破了传统16位代码的寻址能力，达到处理器的最大寻址，此举克服了BIOS代码运行缓慢的弊端。
• 兼容性：与BIOS不同的是，UEFI体系的驱动并不是由直接运行在CPU上的代码组成的，而是用EFI Byte Code（EFI字节代码）编写而成的。Java是以“Byte Code”形式存在的，正是这种没有一步到位的中间性机制，使Java可以在多种平台上运行。UEFI也借鉴了类似的做法。EFI Byte Code是一组用于UEFI驱动的虚拟机器指令，必须在UEFI驱动运行环境下被解释运行，由此保证了充分的向下兼容性。一个带有UEFI驱动的扩展设备既可以安装在使用安卓的系统中，也可以安装在支持UEFI的新PC系统中，它的UEFI驱动不必重新编写，这样就无须考虑系统升级后的兼容性问题。基于解释引擎的执行机制，还大大降低了UEFI驱动编写的复杂门槛，所有的PC部件提供商都可以参与。
• 鼠标操作：UEFI内置图形驱动功能，可以提供一个高分辨率的彩色图形环境，用户进入后能用鼠标单击调整配置，一切就像操作Windows系统下的应用软件一样简单。
• 可扩展性：UEFI将使用模块化设计，它在逻辑上分为硬件控制与OS软件管理两部分，硬件控制为所有UEFI版本所共有，而OS软件管理其实是一个可编程的开放接口。借助这个接口，主板厂商可以实现各种丰富的功能。比如我们熟悉的各种备份及诊断功能可通过UEFI加以实现，主板或固件厂商可以将它们作为自身产品的一大卖点。UEFI也提供了强大的联网功能，其他用户可以对你的主机进行可靠的远程故障诊断，而这一切并不需要进入操作系统。
因为UEFI标准出现的比较晚，所以如果启用了UEFI，则只能安装特定版本的Windows。Windows支持UEFI的情况如图2-7所示。
图2-7
2.2.4 MBR分区表和GPT分区表
由于磁盘容量越来越大，传统的MBR（主引导记录）分区表已经不能满足大容量磁盘的需求。传统的MBR分区表只能识别磁盘前面的2.2TB左右的空间，对于后面的多余空间只能浪费掉了，而对于单盘4TB的磁盘，只能利用一半的容量。因此，就有了GPT（全局唯一标识）分区表。
除此以外，MBR分区表只能支持4个主分区或3个主分区+1个扩展分区（包含随意数目的逻辑分区），而GPT分区表在Windows下可以支持多达128个主分区。
下面介绍MBR分区表和GPT分区表的区别。
一、MBR分区表
在传统硬盘分区模式中，引导扇区是每个分区（Partition）的第一扇区，而主引导扇区是硬盘的第一扇区。它由3部分组成，主引导记录MBR、硬盘分区表DPT和硬盘有效标志。在总共512字节的主引导扇区里，MBR占446个字节；第二部分是Partition table区（分区表），即DPT，占64个字节，硬盘中分区有多少及每一分区的大小都记在其中；第三部分是magic number，占2个字节，固定为55AA。一个扇区的硬盘主引导记录MBR由3部分组成。
• 主引导程序（偏移地址0000H～0088H），它负责从活动分区中装载，并运行系统引导程序。
• 分区表（DPT，Disk Partition Table）含4个分区项，偏移地址01BEH～01FDH，每个分区表项长16个字节，共64字节为分区项1、分区项2、分区项3、分区项4。
• 结束标志字，偏移地址01FE～01FF的2个字节值为结束标志55AA，如果该标志错误系统就不能启动。
二、GPT分区表
GPT的分区信息是在分区中，而不像MBR一样在主引导扇区，为保护GPT不受MBR类磁盘管理软件的危害，GPT在主引导扇区建立了一个保护分区（Protective MBR）的MBR分区表（此分区并不必要），这种分区的类型标识为0xEE，这个保护分区的大小在Windows下为128MB，Mac OS X下为200MB，在Window磁盘管理器里名为GPT保护分区，可让MBR类磁盘管理软件把GPT看成一个未知格式的分区，而不是错误地当成一个未分区的磁盘。
另外，为了保护分区表，GPT的分区信息在每个分区的头部和尾部各保存了一份，以便分区表丢失以后进行恢复。
基于x86/64的Windows想要从GPT磁盘启动，主板的芯片组必须支持UEFI（这是强制性的，但是如果仅把GPT用作数据盘则无此限制），如Windows 8/Windows 8.1支持从UEFI引导的GPT分区表上启动，大多数预装Windows 8系统的计算机也逐渐采用了GPT分区表。至于如何判断主板芯片组是否支持UEFI，一般可以查阅主板说明书或厂商的网站，也可以通过查看BIOS设置里面是否有UEFI字样。
2.2.5 配置基于UEFI/GPT的硬盘驱动器分区
当我们在基于UEFI的计算机安装Windows时，必须使用GUID分区表（GPT）文件系统对包括Windows分区的硬盘驱动器进行格式化。其他驱动器可以使用GPT或主启动记录（MBR）文件格式。
一、Windows RE工具分区
• 该分区必须至少为300MB。
• 该分区必须为Windows RE工具映像（winre.wim，至少为250MB）分配空间，此外，还要有足够的可用空间以便备份实用程序捕获到该分区。
• 如果该分区小于500MB，则必须至少具有50MB的可用空间。
• 如果该分区等于或大于500MB，则必须至少具有320MB的可用空间。
• 如果该分区大于1GB，我们建议应至少具有1GB的可用空间。
• 该分区必须使用Type ID：DE94BBA4-06D1-4D40-A16A-BFD50179D6AC。
• Windows RE工具应处于独立分区（而非Windows分区），以便为自动故障转移和启动Windows BitLocker驱动器加密的分区提供支持。
二、系统分区
• 计算机应含有一个系统分区。在可扩展固件接口（EFI）和UEFI系统上，这也可称为EFI系统分区或ESP。该分区通常存储在主硬盘驱动器上，计算机启动到该分区。
• 该分区的最小规格为100MB，必须使用FAT32文件格式进行格式化。
• 该分区由操作系统加以管理，不应含有任何其他文件，包括Windows RE工具。
• 对于Advanced Format 4K Native（4-KB-per-sector）驱动器，由于FAT32文件格式的限制，大小最小为260MB。FAT32驱动器的最小分区大小可按以下方式计算：扇区大小（4KB）×65527=256MB。
• Advanced Format 512e驱动器不受此限制的影响，因为其模拟扇区大小为512字节。512字节×65527=32MB，比该分区的最小值100MB要小。
下面介绍下默认分区配置和建议分区配置。
默认配置：Windows RE工具、系统、MSR和Windows分区。
Windows安装程序默认配置包含Windows恢复环境Windows RE工具分区、系统分区、MSR和Windows分区。图2-8所示显示了该配置。该配置可让BitLocker Drive Encryption投入使用，并将Windows RE存储在隐藏的系统分区中。通过使用该配置，可以将系统工具（如Windows BitLocker驱动器加密和Windows RE）添加到自定义Windows安装。
图2-8
建议配置包括Windows RE工具分区、系统分区、MSR、Windows分区和恢复映像分区。以下图表显示了该配置，如图2-9所示。
图2-9
在添加Windows分区之前添加Windows RE工具分区和系统分区，最后添加包含恢复映像的分区。在删除恢复映像分区或更改Windows分区大小的此类操作期间，这一分区顺序有助于维护系统和Windows RE工具分区的安全。
2.2.6 检测计算机是使用UEFI还是传统BIOS固件
要查看计算机固件的设置，进入开机设置界面是最好的办法，如果进入操作系统后，我们还想查看固件信息，那怎么实现呢？
1. 同时按键盘上的Win键和R键，打开“运行”对话框，输入“msinfo32”并按Enter键，如图2-10所示。
图2-10
2. 在弹出的“系统信息”窗口中，可以看到BIOS模式：如果值为“传统”，则为BIOS固件；如果值是“UEFI”，则为UEFI固件，如图2-11所示。
图2-11
2.2.7 Windows的启动过程
掌握Windows的启动过程会对以后的计算机问题分析中有很大的帮助，下面简要介绍Windows的启动过程。
一、从BIOS启动的过程
• 当打开电源后，BIOS首先执行上电自检（POST）过程，如果自检出现问题，此时无法启动计算机，并且系统会报警。自检完成后，BIOS开始读取启动设备启动数据。如果是从硬盘启动的话，BIOS会读取硬盘中的主引导记录（MBR），然后由主引导记录进行下一步操作。
• 主引导记录（MBR）搜索分区表并找到活动分区，然后读取活动分区的启动管理器（bootmgr），把它写入内存并执行，这一步之后，主引导记录的操作完成，下一步由bootmgr进行以后的操作。
• 启动管理器执行活动分区boot目录下的启动配置数据（BCD），启动配置数据中存储了操作系统启动时需要的各种配置。如果有多个操作系统，则启动管理器会让用户选择要启动的操作系统。如果只有一个操作系统，则启动管理器直接启动这个操作系统。
• 启动管理器运行Windows\system32目录下的winload.exe程序，然后启动管理器的任务就结束了。winload程序会完成后续的启动过程。
二、从UEFI启动Windows的过程
• 打开电源后，UEFI模块会读取启动分区内的bootmgfw.efi文件并执行它，然后由bootmgfw执行后续的操作。
bootmgfw程序读取分区内的BCD文件（启动配置数据）。此时和BIOS启动一样，如果有多个操作系统，会提示用户选择要启动的操作系统；如果只有一个，则默认启动当前操作系统。
• bootmgfw读取winload.efi文件并启动winload程序，由winload程序完成后续的启动过程。
2.2.8 Windows 10的安全启动
安全启动是在UEFI 2.3.1中引入的，安全启动定义了平台固件如何管理安全证书，如何进行固件验证及定义固件与操作系统之间的接口（协议）。
微软的平台完整性体系结构利用UEFI安全启动及固件中存储的证书与平台固件之间创建一个信任根。随着恶意软件的快速演变，恶意软件正在将启动路径作为首选攻击目标。此类攻击很难防范，因为恶意软件可以禁用反恶意软件产品，彻底阻止加载反恶意软件。借助Windows 10的安全启动体系结构及其建立的信任根，通过确保在加载操作系统之前，仅能够执行已签名并获得认证的“已知安全”代码和启动加载程序，可以防止用户在根路径中执行恶意代码。