CN102681859A - 一种从USB大容量存储设备中启动Windows操作系统的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种从USB大容量存储设备中启动Windows操作系统的方法。此方法在解决常规的Windows操作系统不支持从USB大容量存储设备中直接启动的技术限制的同时，保留了常规Windows操作系统所包含的所有特性，如可安装第三方软件和驱动程序等；可被用于以即插即用的方式在不同的计算机上使用同一套Windows操作系统，或者在同一台计算机上使用不同的Windows操作系统，即为Windows操作系统提供“便携性”。

Description

一种从USB大容量存储设备中启动Windows操作系统的方法

技术领域

本发明一般的涉及一种从USB大容量存储设备中启动Windows操作系统的方法。此方法在解决常规的Windows操作系统不支持从USB大容量存储设备中直接启动的技术限制的同时，保留了常规Windows操作系统所包含的所有特性，如可安装第三方软件和驱动程序等；可被用于以即插即用的方式在不同的计算机上使用同一套Windows操作系统，或者在同一台计算机上使用不同的Windows操作系统，即为Windows操作系统提供“便携性”。

背景技术

为了防范盗版，微软发布的常规Windows操作系统(如：Windows XP，Vista，7等，不包括Windows PE，Embedded)均不支持安装在USB大容量存储设备上，即使将已安装至本地硬盘的Windows系统克隆至USB大容量存储设备中，然后让计算机从USB大容量存储设备启动，在启动过程中也会发生蓝屏现象。这意味者用户无法以即插即用的方式在不同的计算机上使用同一套Windows操作系统，或者以即插即用的方式在同一台计算机上使用不同的Windows操作系统。

Windows启动流程中的一个关键环节决定了他不能从USB大容量存储设备中启动。举例来说，Windows XP的启动流程如下：

1.从硬盘启动；

2.Windows引导启动阶段；

首先是ntldr初始化。ntldr依靠ntdetect.com程序通过Bios得到系统的基本设备信息。并且读出System注册表下的数据，并根据其信息加载″引导-启动″驱动程序，但不初始化。然后加载系统目录所在的文件系统驱动程序。最后，ntldr将之前得到的系统的基本设备信息和System注册表下的数据交给Ntoskrnl.exe，并开始初始化它，在后面被加载的配置管理器也将使用这份注册表数据。接下来，依次完成内存管理器初始化、对象管理器初始化、配置管理器初始化、其它内核管理器初始化和IO管理器初始化。其中的IO管理器初始化，IO管理器加载驱动程序(包括引导型驱动)，开始枚举总线和设备，然后初始化Ntldr加载进来的″引导-启动″驱动程序，最后加载并初始化″系统-启动″驱动程序。

3.加载磁盘、卷驱动

系统正确创建磁盘设备对象，卷设备对象，并创建卷的盘符。第一次访问该卷会使用IO管理器将该卷对应的文件系统驱动程序加载进来并初始化，然后再加载Win32k.sys，而Win32k.sys会将屏幕从引导视频驱动程序所使用的VGA模式切换成系统默认的分辨率。

4.Windows按流程完成启动

启动第一个进程Smss.exe，并完成它自己的初始化。阶段1已完成，阶段1线程调用内存管理器的零页面线程函数，它变成了一个零页面线程，负责以后的内存页面清零任务。接着Smss启动Csrss.exe(Windows环境子系统进程)，Csrss.exe启动了以后，其它应用程序才能正常使用Windows子系统API。然后Smss启动Winlogon，Windows正常启动到桌面。

在以上流程中，和硬件相关的关键部分在IO管理器初始化，在不同的硬件中移植Windows XP会蓝屏也是IO管理器初始化出的问题，IO管理器和PNP管理器一起枚举总线和总线上的设备，一旦找到一个设备就会根据获得的该设备硬件ID，查找注册表看是否存在有该设备的驱动程序，如果没有，就暂不加载，等到进入桌面后，由用户模式的PNP管理器来协助安装该设备的驱动程序。在这一点上，该设备如果是系统启动的关键设备(比如系统卷所在的磁盘控制器)，且又不能正确加载驱动程序，那么系统则无法启动，立即产生蓝屏现象，无法正常使用。此关键环节决定了常规Windows操作系统不能从USB大容量存储设备中启动。

当然，因为市场需要，微软发布了两个系列定制裁剪版本的Windows操作系统，可被部署在USB大容量存储设备上。一个是Windows PE操作系统系列，一个是WindowsEmbedded操作系统系列。

Windows PE操作系统系列是Windows的简化版本，主要用途是提供Windows预安装环境，与Windows早期DOS启动盘的作用相近，可以帮助大企业和PC厂商部署Windows操作系统，以及对受损的Windows系统进行维护，如利用Windows系统镜像恢复系统。因为Windows PE包含大部分Windows的系统文件，所以有互联网的用户对其进行改装，把Windows的文件和功能放在Windows PE上，令Windows PE变成“便携式(portable)”的Windows，虽然不可能达到Windows软件完全兼容，但仍可运行大部分Windows程序。

但是，基于Windows PE制作的便携式Windows，仍无法按照常规的Windows操作系统那样运行。首先系统架构决定了Windows PE不支持Windows Installer封装的应用程序，这意味着用户无法按照自己的需求安装软件。其次，因为这个限制，不具备专业知识用户无法自主安装硬件驱动，这使得在Windows PE环境下无法充分利用计算机的性能、功能(主要体现在因缺少网卡驱动而无法访问网络)和达到满意的人机交互效果(主要体现在因缺少显卡驱动而降低了显示效果)。因此，Windows PE一直以来作为系统管理员的常用工具存在，而不能成为供普通用户使用的Windows操作系统。

Windows Embedded是一种嵌入式操作系统，可以以组件化的形式提供Windows操作系统的功能。举例来说，Windows XP Embedded与Windows XP Professional一样基于二进制，包含10,000多个独立的功能组件，因此开发人员在自定义设备映像中管理或降低内存占用量时可以选择并获得最佳功能。Windows XP Embedded基于Win32编程模型，由于采用常见的开发工具，如Visual Studio.NET，使用商品化PC硬件，与桌面应用程序无缝集成，因此可以缩短上市时间。

总体来说，Windows Embedded是一个只读操作系统解决方案，它提供了增强型写过滤器(EWF)，将选定的磁盘I/O重新路由到内存或其它的存储媒体，从而让操作系统认为您的只读存储器是可写的。这样的方式可以保证Windows Embedded在嵌入式设备上更加稳定的工作，并有机会回滚出厂状态。

Windows Embedded的组件化结构使得开发人员可以更加灵活、方便的对Windows系统进行裁剪，通过剥离不必要的组件来降低内存、CPU占用，从而降低功耗，实现节能，并最终实现延长嵌入式设备的待机时间的目的。

如果将Windows Embedded的所有组件保留下来，Windows Embedded与Windows差异很小，因此，基于Windows Embedded制作的“便携式”Windows，理论上说可以达到与Windows相同的性能、功能和人机交互效果。

但是，基于此方法得到的是一个全新的“便携式”Windows，用户需要购买额外的License授权，需要重新安装第三方软件、驱动程序，无法将用户现有的Windows系统无缝转换成“便携式”Windows。

发明内容

本发明提出了将用户现有的Windows操作系统无缝转换成“便携式”Windows的解决方案。具体而言，本发明提出了一种从USB大容量存储设备中启动Windows操作系统的方法。此方法在解决常规的Windows操作系统不支持从USB大容量存储设备中直接启动的技术限制的同时，保留了常规Windows操作系统所包含的所有特性，如可安装第三方软件和驱动程序等；可被用于以即插即用的方式在不同的计算机上使用同一套Windows操作系统，或者在同一台计算机上使用不同的Windows操作系统，即为Windows操作系统提供“便携性”。

此方法包含一个安装模块和一个USB STOR MANAGER模块：所述的安装模块负责向Windows操作系统中安装所述的USB STOR MANAGER模块和设定将所有与USB大容量存储设备类设备相关的驱动程序加载到物理内存的时间提前到由System Loader加载；所述的USB STOR MANAGER模块，负责识别和启动所有与USB大容量存储设备类设备相关的驱动程序。

本发明的优点在于能够为用户现有的Windows操作系统提供“无损”的“便携性”，而不是像Windows Embedded那样须采用全新版本的Windows，或者如Windows PE那样存在技术限制且无法得到很好的用户体验。采用本方法，用户无须购买额外的Windows License授权，无须重新安装Windows漏洞补丁，无须重新安装软件、硬件驱动程序，无须恢复软件设置(如重新设置outlook帐号和数据文件位置)，甚至无须进行用户数据迁移。简而言之，此方法降低了“便携式”Windows的拥有成本，同时避免了用户重装操作系统将遇到的几乎所有困难和麻烦。

根据本发明的实施例，可以采用多种方法来将Windows操作系统部署到USB大容量存储设备上，比如先按本发明提出的方法对用户本机操作系统进行注册表修改和驱动程序的安装，然后利用公知的系统镜像或硬盘克隆软件(如Ghost、TrueImage等)将已具备“便携性”的操作系统分区或整个硬盘克隆到USB大容量存储设备中。或者利用公知的USB启动盘制作方法，比如利用Ghost将一个只包含必要硬盘、分区信息和必要文件的Ghos t镜像文件还原到USB大容量存储设备，来得到一个具备启动功能的USB大容量存储设备，然后从Windows PE光盘启动将已具备“便携性”的Windows操作系统必要文件复制到USB大容量存储设备中。

根据本发明的实施例，可以在USB大容量存储设备中或者目标计算机的本地硬盘预先植入海量的硬件设备驱动或者所有已知目标计算机的硬件设备驱动，从而避免在不同硬件配置计算机上往复使用时，需要多次安装硬件设备驱动，影响用户正常工作。

随后参考下列附图所示的具体最佳实施例，对本发明的其他特征和优点予以更详细的说明，附图中相同的参考数字用于标识相同的部件。

附图说明

图1是本发明实施例所涉及基本单元的方框图。

图2是本发明实施例的简要工作流程图。

图3是本发明实施例中加入总线过滤驱动后系统设备例图。

具体实施方式

为了方便对本发明的原理和特征的理解，下文将参考一示范实施例的实施来予以说明。具体地来说，本示范实施例是以在本地硬盘上安装了Windows XP操作系统的标准PC计算机和另外一台硬件配置不同且未配置本地硬盘的标准PC计算机，和USB闪存盘作为设备场景，以总线过滤驱动程序作为USB STOR MANAGER模块来进行描述的。

但应理解，这不是唯一可以实施本发明的实施例。相反，本发明可以应用于各种不同的Windows操作系统，例如Windows 2000，XP，2003，Vista，7，2008；可以应用于不同的计算机环境，如台式机、笔记本、上网本、平板电脑等；可以应用于不同的USB大容量存储设备，如USB固态硬盘、USB移动硬盘等；可以是直接安装到位于USB大容量存储设备中的Windows操作系统中，也可以是安装到位于计算机本地存储设备中的Windows系统中，然后将此Windows系统克隆至USB大容量存储设备中或者通过接口转换器将本地存储设备变成USB大容量存储设备；

为便于描述，以下“便携式”Windows称为UClient，USB STOR MANAGER模块称为UClient总线过滤驱动程序。

图1显示根据本发明实施例的方框图。图1描述了中的Windows操作系统内核简图，与Windows操作系统不同的是其内核中增加了一个UClient总线过滤驱动程序。UClient总线过滤驱动程序的主要作用是有序的控制USB设备的加载次序，其具体工作流程如下：

1.每当操作系统内核中的总线驱动枚举到一个设备后，报告给PNP管理器，然后PNP管理器查询该设备的设备ID；

2.我们的总线过滤驱动同时也获得该设备的设备ID，然后判断是否是USB主控制器，USB Hub，USB大容量存储设备类设备；

3.如果是这些设备，就向注册表Enum键和CriticalDeviceDatabase键下写入设备的对应驱动程序信息；

4.PNP管理器再得到该设备的设备ID后，会根据这个ID去查询注册表以上两个键值下面是否有正确的驱动程序.如果有就加载，并初始化。

图2所示的流程图给出了本发明实施例中安装模块的安装流程：

1.去掉Windows系统分页文件

在安装有Windows XP的系统上去掉分页文件，并重启计算机使之生效。操作步骤是：我的电脑右键-》属性-》高级-》性能；设置-》高级-》虚拟内存：更改-》选择无分页文件 设置。之后重启计算机。此步骤主要是为了减少UClient占用空间，并非必须步骤。用户手工执行此步骤后，运行安装模块。

2.修改注册表，使与USB大容量存储设备类设备相关的驱动程序被优先加载

为了使得与USB大容量存储设备类设备相关的驱动程序被优先加载，安装模块至少需修改以下4个注册表位置的Start的键值为0，Group的键值为Boot Bus Extender。

HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\ControlSet001\Services\usbehci

HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\ControlSet001\Services\usbhub

HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\ControlSet001\Services\usbuhci

HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\ControlSet001\Services\HidUsb

3.安装UClient总线过滤驱动

安装模块在本地硬盘的Windows系统中安装UClient总线过滤驱动。

4.对USB大容量存储设备进行磁盘分区

安装模块确认USB闪存盘分区的容量足够大容纳Windows XP系统，并调用分区子模块，分区格式与当前准备好的Windows XP分区格式一致；

5.复制MBR启动代码

安装模块将当前Windows XP系统MBR扇区(本地磁盘0扇区)的代码区(446字节，0000-01BD)覆盖UClient MBR扇区的代码区(446字节，0000-01BD)；

6.复制系统分区

安装模块的分区克隆子模块将Windows XP系统所在的分区数据以扇区级方式复制到USB闪存盘上。

7.安装完成

按正常方式拔下USB闪存盘，即可得到UClient闪存盘。

需要说明的是，以上步骤只是手工部署的简易说明，所有步骤均可通过程序完成。

图3所示的流程图给出了本发明实施例的完整启动流程：

1.从UClient启动

用户插入已制作好的UClient闪存盘到电脑计算机中，进入Bios，设置从UClient系统所在存储介质(UClient闪存盘)启动，并重新启动计算机。

2.Windows引导启动阶段

BIOS初始化后，加载UClient闪存盘的用户所选存储介质MBR(0扇区的启动代码)。根据分区表中的启动代码加载Windows的System Loader——“ntldr”，ntldr自身初始化后，会加载并初始化操作系统核心程序Ntoskrnl.exe。Ntoskrnl.exe中的各种管理器初始化自身，PNP管理器和IO管理器初始化完成后，开始初始化类型为″引导-启动″的驱动程序。

3.UClient总线过滤驱动初始化

UClient总线过滤驱动开始初始化，并且在PNP管理器和IO管理器协助下开始对各种总线上的设备进行枚举，每当枚举到一个设备后，总线驱动程序都会报告给PNP管理器，然后PNP管理器查询该设备的设备ID，UClient总线过滤驱动同时也获得该设备的设备ID，然后判断是否是USB主控制器，USB Hub，USB大容量存储设备类设备。如果是这些设备，就向注册表Enum键和CriticalDeviceDatabase键下写入设备的对应驱动程序信息。PNP管理器再得到该设备的设备ID后，会根据这个ID去查询注册表以上两个键值下面是否有正确的驱动程序，因为UClient总线过滤驱动已经将正确的驱动程序信息写入到注册表相关位置，所以这些设备的驱动程序必然加载成功。

4.加载与USB大容量存储设备类设备相关的驱动程序

USB主控制器，USB Hub，USB大容量存储设备类设备的驱动程序相继加载并初始化后，UClient所在的存储介质设备也被创建，并初始化。

5.加载磁盘、卷驱动

系统正确创建磁盘设备对象，卷设备对象，并创建卷的盘符。第一次访问该卷会使用IO管理器将该卷对应的文件系统驱动程序加载进来并初始化，然后再加载Win32k.sys，而Win32k.sys会将屏幕从引导视频驱动程序所使用的VGA模式切换成系统默认的分辨率。

6.Windows按正常流程完成启动

启动第一个进程Smss.exe，并完成她自己的初始化。阶段1已完成，阶段1线程调用内存管理器的零页面线程函数，它变成了一个零页面线程，负责以后的内存页面清零任务。接着Smss启动Csrss.exe(Windows环境子系统进程)，Csrss.exe启动了以后，其它应用程序才能正常使用Windows子系统API。Smss启动Winlogon，Windows正常启动到桌面。

从上述内容，可以看出，此方法解决了常规的Windows操作系统不支持从USB大容量存储设备中直接启动的技术限制。同时，因为在Windows操作系统中安装的UClient总线过滤驱动只是负责保证Windows在启动过程中能正确加载设备驱动程序，因此本方法保留了常规Windows操作系统所包含的所有特性，如可安装第三方软件和驱动程序等；可被用于以即插即用的方式在不同的计算机上使用同一套Windows操作系统，或者在同一台计算机上使用不同的Windows操作系统，即为Windows操作系统提供“便携性”。

本专业人员会理解，可以在不背离其精神或核心特征的前提下以各种特定形式实施本发明，比如所述的System Loader可以是第三方的System Loader或Windows系统的System Loader；所述的USB STOR MANAGER模块，不一定是总线过滤驱动，他可以是一个普通的启动类型为SERVICE_BOOT_START(0)的驱动程序，可以利用IoRegisterBootDriverReinitialization函数注册在Boot Driver被重新初始化时对与USB大容量存储设备类设备相关的驱动程序进行识别和启动。因此，本说明书中公开的实施例完全视为说明性的，而非限定性的，本发明范围由所附权利要求书限定，而非前述描述的内容，只包括属于此范围和及其等效物范围和含义之内的所有变更。

Claims (11)

1.一种从USB大容量存储设备中启动Windows操作系统的方法，可以使得位于USB大容量存储设备中的Windows操作系统支持从USB大容量存储设备直接启动，所述方法包含一个安装模块和一个USB STOR MANAGER模块；

所述的安装模块负责向Windows操作系统中安装所述的USB STOR MANAGER模块和设定将所有与USB大容量存储设备类设备相关的驱动程序加载到物理内存的时间提前到由System Loader加载；

所述的USB STOR MANAGER模块，负责识别和启动所有与USB大容量存储设备类设备相关的驱动程序。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的USB大容量存储设备是指USB设备中类型属于Mass Storage Class的设备，包括但不限于U盘、优盘、USB移动硬盘。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的与USB大容量存储设备类设备相关的驱动程序泛指Windows操作系统中从根设备到所有USB大容量存储设备类设备驱动程序、USB主控制器驱动程序、USB hub驱动程序等各种与USB大容量存储设备类设备相关的驱动程序；所述的USB主控制器驱动程序是指各种USB Host Controller驱动程序，可以是Open Host Controller驱动程序，USB Universal Host Controller驱动程序，USB 2.0Enhanced Host Controller驱动程序，USB 3.0 Host Controller驱动程序；所述的USB大容量存储设备类设备驱动程序是指USB设备中类型为MassStorage Class的驱动程序。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的System Loader负责将所述的所有与USB大容量存储设备类设备相关的驱动程序从USB大容量存储设备中加载到物理内存，可以是第三方的System Loader或Windows系统的System Loader，Window系统的System Loader是指将类型为SERVICE_BOOT_START(0)的驱动程序从USB大容量存储设备中加载到物理内存的程序，可以是NTLDR，也可以是Winload.exe等。

5.根据权利要求1所述的方法，所述的USB STOR MANAGER模块的识别方法，可以是根据硬件的硬件ID、兼容ID、实例ID来识别出所有与USB大容量存储设备类设备相关的驱动程序，然后自动启动这些驱动程序和设备。

6.根据权利要求1所述的方法，所述的USB STOR MANAGER模块可以是一个总线过滤驱动程序，也可以是一个普通的启动类型为SERVICE_BOOT_START(0)的驱动程序；所述的总线过滤驱动程序可以在IRP_MJ_PNP中执行所述的与USB大容量存储设备类设备相关的驱动程序的识别过程；所述的普通的启动类型为SERVICE_BOOT_START(0)的驱动程序则可以利用IoRegisterBootDriverReinitialization函数注册在BootDriver被重新初始化时进行识别。 

7.根据权利要求1所述的方法，其特征是，因为Windows中的USB主控驱动程序、USB Hub驱动程序和USB大容量存储设备类设备驱动程序在大多数计算机中都是一样的，所述的Windows操作系统可以在硬件配置不同的计算机上从USB大容量存储设备中直接启动。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的Windows操作系统为Windows XP及以上的各种版本的常规Windows操作系统，包括但不限于Windows XP，Windows 2003，Vista，Win7，Windows Server 2008。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的安装可以是直接安装到位于USB大容量存储设备中的Windows操作系统中，也可以是安装到位于计算机本地存储设备中的Windows系统中，然后将此Windows系统克隆至USB大容量存储设备中或者通过接口转换器将本地存储设备变成USB大容量存储设备。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征是，所述的计算机可以是任意可以安装Windows操作系统的设备，如台式机、笔记本、上网本、平板电脑、服务器等。

11.根据权利要求7所述的方法，其特征是，所述的硬件配置不同指的是在硬件配置上存在主要硬件的不同，主要硬件包括但不限于不同厂商的主板、CPU、硬盘、内存、显示适配器、网络适配器。 

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