CN1317616C - 多重操作系统的多键引导系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多重操作系统的多键引导系统及方法，包括：开机按键逻辑单元，EC芯片及其RAM，查询模块，加载模块，首先提供多个开机按键并与EC芯片相连，并定制多个MBR，接着侦测因按下特定按键而引起的EC芯片电信号的相应变化，而在EC芯片RAM中写入相应的标识信息，然后根据该标识信息查找与其对应的定制MBR，加载相应的MBR，最后根据该加载的MBR引导相应的操作系统，本发明可以减少系统资源的占用，提高启动速度，并减少用户对系统的干预。

Description

多重操作系统的多键引导系统及方法
技术领域
本发明是关于一种计算机操作系统的开机引导系统及方法，特别是关于一种具有多重操作系统的计算机的多开机按键引导系统及方法。
背景技术
启动一台计算机和加载操作系统的过程通常被叫做“bootstrap process”或简单地叫“booting”。各种不同的操作系统启动流程不尽相同，请参考图1，为Win9x/DOS的启动流程示意图，在第一阶段，系统加电自检POST过程(步骤101)，POST是Power On Self Test的缩写，也就是加电自检的意思，微机执行内存FFFF0H处的程序(这里是一段固化的ROM程序)，对系统的硬件(包括内存)进行检查；
第二阶段，读取分区记录和引导记录(步骤102)。当微机检查到硬件正常并与CMOS设置相符后，按照CMOS设置从相应设备启动(这里假设从硬盘启动)，读取硬盘的分区记录(DPT)和主引导记录(MBR)；
第三阶段，读取DOS引导记录(步骤103)。微机正确读取分区记录和主引导记录后，如果主引导记录和分区表校验正确，则执行主引导记录并进一步读取DOS引导记录(位于每一个主分区的第一个扇区)，然后执行该DOS引导记录；
第四阶段，装载系统隐含文件(步骤104)。将DOS系统的隐含文件IO.SYS入内存，加载基本的文件系统FAT，这时候一般会出现StartingWindows 9x...的标志，IO.SYS将MS.SYS读入内存，并处理System.dat和User.dat文件，加载磁盘压缩程序；
第五阶段，实DOS模式配置(步骤105)。系统隐含文件装载完成，微机将执行系统隐含文件，并执行系统配置文件(Config.sys)，载入Config.sys中定义的各种驱动程序；
第六阶段，调入命令解释程序(Command.com)(步骤106)。系统装载命令管理程序，以便对系统的各种操作命令进行协调管理(我们所使用的Dir、Copy等内部命令就是由Command.com提供的)；
第七阶段，执行批处理文件(Autoexec.bat)(步骤107)。计算机将一步一步地执行批处理文件中的各条命令；
第八阶段，载入Win.com(步骤108)。Win.com负责将Windows下的各种驱动程序和启动执行文件加以执行，至此启动完毕。
当系统加电自检通过以后，硬盘被复位，BIOS将根据用户指定的启动顺序从软盘、硬盘或光驱进行启动。以从硬盘启动为例，系统BIOS将主引导记录读入内存。然后，将控制权交给主引导记录MBR，然后检查分区表DPT的状态，寻找活动的分区。最后，由主引导记录将控制权交给活动分区的引导程序，由引导程序加载操作系统。
主引导扇区位于整个硬盘的0磁道0柱面1扇区(cylinder 0，side 0，sector1)，包括硬盘主引导记录MBR(Main Boot Record)和分区表DPT(DiskPartition Table)，大小为512字节，其中，MBR 446字节(0000h--01BDh)，DPT 64字节(01BE--01FD)，结束标志2字节(55AA)。主引导记录的作用就是检查分区表是否正确以及确定哪个分区为引导分区，并在程序结束时把该分区的启动程序(例如DOS的IO.SYS)调入内存交予控制权。分区表以80H或00H为开始标志，以55AAH为结束标志，共64字节，位于本扇区的最末端。
主引导扇区结构如下：
000H--08AH MBR启动程序(寻找开机分区)
08BH--0D9H MBR启动字符串
0DAH--1BCH保留(″0″)
1BEH--1FDH硬盘分区表
1FEH--1FFH结束标志(55AA)
硬盘分区表DPT总共64字节(01BE--01FD)，每个分区占16个字节，所以可以表示四个分区，这也就是为什么一个磁盘的主分区和扩展分区之和总共只能有四个的原因。每个分区内部结构定义如下表所示。
  Offset   Length(bytes)   Description
  0h   1   分区类型：00表示非活动分区；80
  表示活动分区；其它为无效分区。
1h 3   分区的起始地址(面/扇区/磁道)，通常第一分区的起始地址开始于1面0道1扇区，因此这三个字节应为010100。
  4h   1   分区的操作系统的类型
  5h   3   分区的结束地址(面/扇/道)
  8h   4   分区起始逻辑扇区
  Ch   4   分区占用的总扇区数
而操作系统引导扇区OBR(OS Boot Record)，通常位于硬盘的0磁道1柱面1扇区(这是对于DOS来说的，对于那些以多重引导方式启动的系统则位于相应的主分区/扩展分区的第一个扇区)，是操作系统可直接访问的第一个扇区，它也包括一个引导程序和一个被称为BPB(BIOS Parameter Block)的本分区参数记录表。其实每个逻辑分区都有一个OBR，其参数视分区的大小、操作系统的类别而有所不同。引导程序的主要任务是判断本分区根目录前两个文件是否为操作系统的引导文件(例如MSDOS或者起源于MSDOS的Win9x/Me的IO.SYS和MSDOS.SYS)。如是，就把第一个文件读入内存，并把控制权交予该文件。BPB参数块记录着本分区的起始扇区、结束扇区、文件存储格式、硬盘介质描述符、根目录大小、FAT个数、分配单元(AllocationUnit，以前也称之为簇)的大小等重要参数。OBR由高级格式化程序产生(例如DOS的Format.com)。
而另一方面，现有的计算机操作系统功能已远远超出了其概念本身，其已经成为一个大杂烩，融合了许多模块、组件、应用程序等等。功能强大了所带来的必然结果就是针对性不强、效率降低，不论要做什么工作，每次必须启动整个操作系统，相对来说，启动速度就会减慢，所占用的系统资源也相对增加，使系统负担加重，功耗相应增加，假若开启了某些不安全的服务就容易受到攻击。而且，针对各种功能必须安装特定的软件，否则就无法进行正常的工作。对用户来说，要操控整个操作系统就必须具备一定计算机专业知识，不易于推广使用。
这从操作系统的加载所需时间就可以很明显的看出，例如，即便用户只是想打开计算机看看电影，听听音乐，但仍然也要经过漫长的时间来等待系统启动，而所加载的许多功能是用户用不到的。
针对上述问题，目前比较常见的解决方式是用引导装载程序引导多个操作系统，也就是说，通过一个开机按钮接通电源，在程序引导过程中，出现一个多重操作系统的选择接口，让用户进行选择，以支持多重启动功能，开发人员的工作量仅仅集中在定制特定功能的操作系统、相关组件和应用程序上，针对特定功能可以将操作系统做的更专更强。其实这也就是操作系统发展的两个方向，分别向广度和深度去着眼。
但上述多重引导的方式，其仍要经过一定的等待时间，才能出现选择接口，对于使用者而言，还是不能直达所需的操作系统，必须经过选择才能启动所需的功能，如此，虽然定制了操作系统，但系统启动的速度并未切实得到提高，而且还引入了手工介入的步骤，限制了运行效率，增加了使用难度以及出错机率。
发明内容
本发明是为解决上述问题而提供一种多重操作系统的多键引导系统及方法，通过按下特定开机按键而启动特定操作系统，以减少系统资源的占用，提高启动速度，并减少用户对系统的干预。
本发明提供一种多重操作系统的多键引导系统，通过设置多个开机按键，按下不同的开机按键加载不同的定制MBR(主引导记录)而引导不同的操作系统，该引导系统包括：开机按键逻辑单元，用以提供所述多个开机按键并在一开机按键按下后产生相应的电信号；EC芯片及其RAM，与该逻辑单元相连，用以响应该电信号而产生相应中断处理，并针对不同的开机按键在该EC芯片RAM中写入相应的标识信息；查询模块，用以根据该EC芯片RAM中的标识信息查找相应的定制MBR；加载模块，如果查找到对应的定制主引导记录，则加载查找到的对应的定制主引导记录；如果未查找到对应的定制主引导记录，则加载主引导扇区的主引导记录。
本发明进而提供一种多重操作系统的多键引导方法，通过设置多个开机按键，按下不同的开机按键加载不同的定制MBR(主引导记录)而引导不同的操作系统，该引导方法首先提供所述多个开机按键并与EC芯片相连，并根据操作系统数量相应定制多个MBR，接着侦测因按下特定开机按键而引起的EC芯片电信号的相应变化，根据该电信号而在EC芯片RAM中写入相应的标识信息，然后根据该标识信息查找与其对应的定制MBR，如果查找到对应的定制主引导记录，则加载查找到的对应的定制主引导记录；如果未查找到对应的定制主引导记录，则加载主引导扇区的主引导记录，最后根据该加载的MBR引导相应的操作系统。
本发明针对特定功能设置特定按键，做到使用的傻瓜型，方便用户选择，针对特定功能定制操作系统，启动速度快，占用系统资源小，功耗降低，而且服务范围和安全策略均被事先定制于操作系统内，减少用户对系统的设置，安全性提高，受到攻击的机会减小。
附图说明
图1为Win9x/DOS的启动流程示意图；
图2为本发明的多重操作系统的多键引导系统架构图；
图3为本发明的多重操作系统的多键引导方法流程图；
图4为本发明的加载MBR过程的示意图；
图5为本发明的功能实施流程图。
其中，附图标记说明如下：
步骤101  加电自检
步骤102  读取分区记录和引导记录
步骤103  读取DOS引导记录
步骤104  装载系统隐含文件
步骤105  实DOS模式配置
步骤106  调入命令解释程序
步骤107  执行批处理文件
步骤108  载入Win.com
201   CPU     202   芯片组      203   系统RAM
204   BIOS    2041  查询模块    2042  加载模块
205   EC芯片  206   EC芯片RAM
207   开机按键逻辑单元
步骤301 提供多个开机按键并与EC芯片相连
步骤302 根据操作系统数量相应定制多个MBR
步骤303 侦测因按下特定按键而引起的EC芯片电信号的相应变化
步骤304 根据该电信号而在EC芯片RAM中写入相应的标识信息
步骤305 根据该标识信息查找与其对应的定制MBR
步骤306 根据该查询情况加载相应的MBR
步骤307 根据该加载的MBR引导相应的操作系统
步骤501 触发所连GPI信号，引起中断
步骤502 EC Firmware中断服务程序将标识值写入EC RAM
步骤503 根据标识值加载定制的主引导记录
步骤504 定制的主引导记录是否存在
步骤505 加载主引导扇区信息，即MBR和DPT
步骤506 将磁盘分区表DPT附到定制的主引导记录之后
步骤507 OS启动
具体实施方式
当打开计算机电源后，CPU就获得了控制权。CPU立刻执行存储在主板上的BIOS(Basic Input Output System基本输入输出系统)中的指令。在BIOS指令的最后部分，包含了启动例程。该例程的任务是读取位于第一个硬盘中第一个扇区中的主引导记录(MBR)。在主引导记录中，包含了主引导程序和描述磁盘分区情况的磁盘分区表。BIOS执行主引导程序，以继续完成引导过程。主引导程序查看磁盘分区表，以获得活动分区。如果只有一个主分区的话，那么就将装入该分区的操作系统并启动。
如果一个硬盘中包含了多个主分区，每个可启动的分区(比如每个分区都包含了一个操作系统)的第一个扇区都包含了自己的引导记录(bootrecord)。该引导记录包含了启动该分区中操作系统的启动程序。在查询到活动分区后，主引导记录运行分区的引导程序。引导程序装入操作系统文件并运行操作系统。
大多数操作系统，包括DOS、Windows3.x、Windows95/98、Windows NT从硬盘启动的时候，需要从活动分区启动。但是不同的操作系统用不同的方式从活动分区上启动，例如：
DOS、Window3.x、Windows95/98必需从第一个硬盘上的活动分区启动。
Windows NT可以从逻辑分区上启动，但是其引导程序必需放在第一个硬盘的活动分区上。
OS/2可以从逻辑分区上启动。但是包含逻辑分区的扩展分区必需在硬盘的前2GB内。
Linux可以从逻辑分区上启动，也可以从主分区上启动。
值得注意的是，MBR是由分区程序(例如DOS的Fdisk.exe)产生的，不同的操作系统可能这个扇区是不尽相同，也可以由用户自由编写，只要它能完成前述的任务即可，这也是为什么能实现多系统启动的原因。现有的支持多重启动的方法也都是对MBR进行定制的编写，因此，也就必须要等执行到加载MBR时，用户才能选择所需要的操作系统来加载。
针对这种情况，本发明提出一种多键引导方法，利用多个开机按键，不同的按键对应开启不同的操作系统。
如图2所示，为本发明的多重操作系统的多键引导系统架构图，包括：CPU201、芯片组202、系统RAM203、BIOS 204、查询模块2041、加载模块2042、EC芯片205、EC芯片RAM206以及开机按键逻辑单元207。
其中，开机按键逻辑单元207用以提供多个开机按键并在一按键按下后产生相应的电信号，EC芯片205及其RAM206与该开机按键逻辑单元207相连，用以回应该电信号而产生相应中断处理，并针对不同的开机按键在该EC RAM206中写入相应的标识信息，查询模块2041用以根据该EC RAM中的标识信息查找相应的定制MBR，加载模块2042用以根据该查询情况而加载相应的MBR。
该开机按键逻辑单元207包括多个开机按键，每个按键相应的用于开启特定的操作系统。
请参阅图3，为本发明的多重操作系统的多键引导方法流程图，首先，提供多个开机按键并与EC芯片相连(步骤301)，并根据操作系统数量相应定制多个MBR(步骤302)，这样就可以侦测因按下特定按键而引起的EC芯片电信号的相应变化(步骤303)，根据该电信号而在EC芯片RAM中写入相应的标识信息(步骤304)，然后根据该标识信息查找与其对应的定制MBR(步骤305)，根据该查询情况加载相应的MBR(步骤306)，最后根据该加载的MBR引导相应的操作系统(步骤307)。
实现本发明的关键技术环节在于引导过程，即如何区分不同的硬件信号来引导相应操作系统。这是因为，当计算机加电后，8051核心的嵌入式芯片(Embedded Chip)EC中的固件(Firmware)代码即进行初始化，无需启动系统，这就为多个开机按键的区分提供了必要条件。EC具有多个GPIO(General-Purpose Input/Output，通用输入输出)，可由设计者定义其功能，有效的GPI输入将引起EC中断，相应的中断服务程序随即调入。
现有的BIOS是通过中断19H直接将主引导扇区的MBR加载至内存0：7C00H处，而本发明如果只使用原有的一个MBR显然是不够的，应该是一个操作系统对应一个独立的MBR。如图4所示，为本发明的加载MBR过程的示意图，当BIOS要加载MBR时，比原来多了一步判断的过程，它是根据EC Firmware写入RAM的标识值来载入相应的定制主引导记录。定制的操作系统及其主引导记录分别用数字1、2、3来区别。假设三个操作系统的标识值也分别为1、2、3，那么当输入标识值为2时，BIOS就加载MBR2，判断它是否存在，若存在则将DPT附在其后引导OS2；若不存在，出于保护的目的将加载MBR和DPT，按原有模式由用户选择引导OS。判断定制的主引导记录存在与否的方法可以通过预先在定制的主引导记录特定位置写入唯一的标识字符串，然后再拿他比较来实现。例如，定制为Game Station的操作系统所对应的主引导记录中可以加入“game”这一关键词串，通过搜寻这一字符串便可知是否存在该MBR。
因此，本发明首先需要在机构部分增加多个特定功能的开机按键及相应电路的位置，在硬件部分，将按键电信号与相应的EC GPI相连，以便EC获得相应开机信号。
然后修改EC Firmware程序，在中断服务程序中针对不同的开机按键在EC的RAM里写入相应的标识信息，以便BIOS进行进一步处理。标识值应事先约定，唯一的标识值对应唯一的特定功能即唯一的开机按键。
同时，对BIOS程序也要进行修改，在开机自检后根据EC RAM中开机按键标示信息以判断所使用的开机按键，以便加载相应的主引导记录。对从非MBR区域加载的定制主引导记录进行判断，如果该主引导记录存在则将MBR中的硬盘分区表信息附加在主引导记录之后，引导相应的操作系统；若该主引导记录不存在则加载MBR和DPT进行通常的用户选择引导操作系统，这是一种针对特定功能OS出错情况下的保护措施。
另外，也要定制MBR主引导记录，使其驻留在硬盘特定的位置(如第一磁道除了MBR以外的操作系统未定义的部分)。一个操作系统对应一个主引导记录，大小为446字节，分区表信息是共享的，无需重写。
当然，操作系统内核、模块及上层应用程序也需做相应的组合调整，使其仅加载必要的组件，完成快速启动。
请参阅图5，为本发明的功能实施流程图，当特定按钮按下开机时，引起与之相连的EC GPI pin电信号变化，触发相应中断(步骤501)，ECFirmware中断服务程序对标识字(位于EC RAM中)进行赋值，每一个特定按键都对应唯一的标识值(步骤502)，BIOS在POST(Power ON Self-test)过程结束后根据EC RAM中的标识值调入非MBR区域的定制主引导记录，其事先驻留在硬盘特定的位置(如第一磁道除了MBR以外的操作系统未定义的部分)(步骤503)，然后判断定制主引导记录是否存在(步骤504)，若不存在则读入MBR和DPT中的数据(步骤505)，若存在则将主引导扇区中的硬盘分区表信息附加在定制的主引导记录之后(步骤506)，最后根据当前的主引导记录和硬盘分区表引导操作系统(步骤507)。
以上所述，仅为本发明其中的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围；即，凡依本发明范围所作的均等变化与修饰，皆为本发明范围所涵盖。

Claims (9)

1、一种多重操作系统的多键引导系统，通过设置多个开机按键，按下不同的开机按键加载不同的定制主引导记录而引导不同的操作系统，其中该引导系统包括：
一开机按键逻辑单元，用以提供所述多个开机按键并在一开机按键按下后产生相应的电信号；
一EC芯片及其RAM，与该逻辑单元相连，用以响应该电信号而产生相应中断处理，并针对不同的开机按键在该EC芯片RAM中写入相应的标识信息；
一查询模块，用以根据该EC芯片RAM中的标识信息查找相应的定制主引导记录；及
一加载模块，如果查找到对应的定制主引导记录，则加载查找到的对应的定制主引导记录；如果未查找到对应的定制主引导记录，则加载主引导扇区的主引导记录。
2、如权利要求1所述的多重操作系统的多键引导系统，其中在该开机按键逻辑单元所提供的所述多个开机按键中，每个开机按键相应的用于开启特定的操作系统。
3、如权利要求1所述的多重操作系统的多键引导系统，其中该标识信息唯一的对应于某一个开机按键。
4、如权利要求1所述的多重操作系统的多键引导系统，其中与唯一标识信息对应的定制主引导记录中包含有唯一标识信息字符串。
5、一种多重操作系统的多键引导方法，通过设置多个开机按键，按下不同的开机按键加载不同的定制主引导记录而引导不同的操作系统，其中该引导方法包括：
提供所述多个开机按键并与EC芯片相连；
根据操作系统数量相应定制多个主引导记录；
侦测因按下特定开机按键而引起的EC芯片电信号的相应变化；
根据该电信号而在EC芯片RAM中写入相应的标识信息；
根据该标识信息查找与其对应的定制主引导记录；
如果查找到对应的定制主引导记录，则加载查找到的对应的定制主引导记录；如果未查找到对应的定制主引导记录，则加载主引导扇区的主引导记录；及
根据该加载的主引导记录引导相应的操作系统。
6、如权利要求5所述的多重操作系统的多键引导方法，其中所述多个开机按键中的每一个都对应唯一的标识信息。
7、如权利要求5所述的多重操作系统的多键引导方法，其中该多个定制主引导记录事先驻留于硬盘特定的位置。
8、如权利要求5所述的多重操作系统的多键引导方法，其中根据该标识信息查找与其对应的定制主引导记录的步骤是通过在各个定制主引导记录中查询唯一的标识信息来获知该相应的定制主引导记录是否存在。
9、如权利要求5所述的多重操作系统的多键引导方法，其中如果查找到对应的定制主引导记录，则加载查找到的对应的定制主导记录的步骤包括，将磁盘分区表附在定制主引导记录之后引导相应的操作系统。
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