TWI417789B - 電腦系統及啟動方法 - Google Patents

Description

電腦系統及啟動方法

本發明係有關於電腦系統的開機程序，尤其是有關於加速載入作業系統的技術。

一般電腦系統中包含了基本的處理器，記憶體，硬碟等元件，由基本輸入輸出系統負責基本管理。而作業系統的載入可進一步使電腦系統完全發揮功能。電腦系統的開機程序通常分為幾個階段：首先基本輸入輸出系統在開機後逐一初始化每一元件，接著從硬碟中啟動開機載入器(Boot Loader)或直接啟動作業系統。由於電腦系統中的元件相當多，逐一初始化的過程可能會耗費十秒至十六秒不等。接著依照基本輸入輸出系統或開機載入器的定義，電腦系統會從硬碟中讀取作業系統以供處理器執行。從硬碟讀取作業系統的過程也是相當漫長，一般需要四十秒至一分鐘不等。由於在基本輸入輸出系統逐一初始化每一元件的過程中，並不是每一元件都是載入作業系統所需之必要元件。因此一種節省時間而更快啟動作業系統的方法是有待開發的。

一種啟動方法，用於包含一處理器，一記憶體以及一硬碟之電腦，其中該硬碟包含一作業系統以及一開機載入器。首先啟動一基本輸入輸出系統。接著依據一設定檔在該記憶體中設定一預留區塊。接著將該作業系統從該硬碟中拷貝至該預留區塊，構成一作業系統複本，並啟動被拷貝至該預留區塊之作業系統複本。

本發明另一實施例是一種電腦系統，包含一處理器，一記憶體，一硬碟，以及一基本輸入輸出系統。該硬碟中包含一作業系統。該電腦系統在開機後，該處理器執行該基本輸入輸出系統，依據一設定檔之設定在該記憶體中劃分一預留區塊，並將該作業系統從該硬碟中拷貝至該預留區塊以構成一作業系統複本，接著該處理器啟動被拷貝至該預留區塊之該作業系統複本。

第1圖係為本發明實施例之一電腦系統100。電腦系統100是一簡化架構圖，介紹了幾項基本必備元件，包含處理器102，非揮發式記憶體110，匯流排106，主記憶體120，硬碟130以及晶片組140。其中該非揮發式記憶體110中可儲存一基本輸入輸出系統104，是控制整個開機流程的核心機制。該硬碟130中可存放一開機載入器(Boot Loader)132以及一作業系統134。開機載入器132通常是用來提供額外服務，可在載入作業系統之前將作業系統所需的各種啟動環境預先設置好。舉例來說，該開機載入器132可以實作多重作業系統之開機選單，或是多重開機模式之開機選單等。

為了加速開機，本發明實施例在基本輸入輸出系統104進行初始化的階段，該基本輸入輸出系統104利用基本輸入輸出系統104初始化一些非必要元件的空檔，同時將作業系統134拷貝到主記憶體120中。由於主記憶體120的讀寫速度往往是遠大於硬碟130，因此從主記憶體120中載入作業系統，可以達到加速效果。為了將作業系統134預先拷貝到主記憶體120中，必須在主記憶體120中保留一預留區塊122以存放作業系統複本124。因為主記憶體120的空間分配，係在作業系統134的一內核程式(kernel)載入以後由一記憶體管理程式(memory manager)控制。如果未保留一預留區塊，則進入作業系統運行階段，作業系統為硬體驅動程式或其它應用軟體等分配記憶體空間時，可能會覆蓋到該作業系統複本124的記憶體空間而發生錯誤。因此在主記憶體120中保留一預留區塊可防止後續所有軟體和硬體發生衝突。詳細作法將於接下來以流程圖搭配第1圖來說明。

第2圖係為本發明實施例之電腦系統啟動流程圖。首先在步驟201中，啟動電腦系統100。該處理器102首先會讀取非揮發式記憶體110，執行其中的基本輸入輸出系統104，然後將主記憶體120初始化。在步驟203中，為了要將作業系統134預載入主記憶體120中，必須劃分出一段固定位址的記憶體空間作為預留區塊122使其不被其他軟硬體所存取。該固定位址可以事先定義在一設定檔中。劃分預留區塊的具體方法將於第3圖詳述。

在該主記憶體120中劃分了一塊預留區塊122後，接著在步驟205中，基本輸入輸出系統104將硬碟130初始化。唯有先將硬碟130初始化，其中的作業系統134才有辦法被讀出來。該作業系統134可以是一種映像檔(image file)的形式，而大小則視電腦系統100的規格而不等。舉例來說，該作業系統134可以是一個200MB大小的小型Linux作業系統。而假設該主記憶體120有2GB之大小，該預留區塊122可以是從0x0000H起始之300MB連續空間。

接著在步驟207中，基本輸入輸出系統104可以開始將作業系統134從硬碟130中拷貝到主記憶體120之該預留區塊122中。拷貝作業系統134的動作可能需要數秒不等，假設該硬碟130傳輸至主記憶體120的速度為每秒60MB，則拷貝200MB需要三至四秒。在本實施例中，拷貝的進度可以被即時地記錄在一個基本輸入輸出系統104，開機載入器132及作業系統三者都能訪問的地方，例如一暫存器(未圖示)或是主記憶體120中。拷貝的進度可以是硬碟130中下一個要拷貝的磁區(sector)。而在拷貝進行的過程中，基本輸入輸出系統104還同時對電腦系統100中其他的元件進行初始化，以充份利用時間。舉例來說，基本輸入輸出系統104可以同時初始化通用序列埠，音效卡，網路卡以及各式週邊裝置(未圖示)。

當基本輸入輸出系統104初始化電腦系統100的程序完成後，接下來進行步驟209，在載入作業系統之前先初始化作業系統所需之啟動環境，之後載入主記憶體120中的作業系統複本124。一般從硬碟130中載入作業系統134需要40至60秒，但是本發明實施例中，從主記憶體120中載入作業系統複本124只需要花5至10秒。所以效能增加十分顯著。

在其它實施方式中，當基本輸入輸出系統104初始化電腦系統100的程序完成後，處理器102還可以執行開機載入器132，該開機載入器132可以供用戶在幾種不同的作業系統選擇載入哪一個作業系統，並初始化作業系統所需之啟動環境。此時如果作業系統134拷貝至主記憶體120的程序還沒結束，會繼續由開機載入器132在背景執行拷貝動作而不衝突。

在其它實施方式中，該處理器102不需要等到作業系統134完全拷貝至主記憶體120才開始執行該作業系統複本124，而是可以同時進行。舉例來說，當基本輸入輸出系統104和開機載入器132皆完成初始化步驟時，作業系統134的拷貝進度可能只到一半。此時處理器102就可以先執行位在作業系統複本124中的前半段程式碼。而後半段程式碼可以運用資料串流的概念，一邊拷貝一邊執行。

更進一步地說，如果作業系統134的大小超過該主記憶體120所能提供的範圍，該預留區塊122可以當成是一種先進先出(FIFO)的快取記憶體，將作業系統134以資料串流的方式分批次讀入與執行。

第3圖係為本發明實施例之在主記憶體中劃分出一預留區塊之流程圖。在步驟301中，進入步驟203所述的預留區塊步驟，包含下列子程序。在步驟303中，該基本輸入輸出系統104讀取一設定檔，以判斷該作業系統134是不是第一次用來開機。該設定檔可儲存在基本輸入輸出系統104之非揮發性記憶體110或硬碟130中，記錄著上一次開機記錄，上次開機所用的作業系統版本、作業系統映像檔大小以及預留區塊122的大小和起始位址。如果判斷這次開機所用的作業系統134在前一次開機已經設定過預留區塊，就不需再重複進行，而是直接跳至步驟309。相對地，如果這次開機所用的作業系統134並沒有前次開機記錄或者前次開機並未設定預留區塊，則進行步驟305，根據作業系統134之映像檔案大小來設定預留區塊122之大小及起始位址。舉例來說，預留區塊122的起始位址可以是該主記憶體120的最前端0x0000H，而預留區塊122的大小可以是大於等於該作業系統134映像檔案大小之值。在設定了預留區塊122之後，進行步驟307，將該預留區塊的起始位址和大小存在上述設定檔中。之後進行步驟309，該基本輸入輸出系統104讀取上述設定檔中所存儲的該預留區塊之設定，包括其起始位址和大小等，以劃分出該預留區塊。最後在步驟311中結束預留區塊之子程序。接下來返回第2圖的流程，執行步驟203以後的步驟。前述從該主記憶體120中設定預留區塊122(步驟305)可以是由記憶體管理程式(memory management)在電腦系統100一次正常開機時完成，後續電腦系統100再次上電時，該基本輸入輸出系統104通過讀取該設定檔就可以得知該預留區塊的起始位址和大小，從而可以在對元件進行初始化的同時，進行拷貝作業系統的動作。

第4圖係為本發明實施例中載入作業系統之流程圖。第2圖之步驟209，從記憶體載入作業系統的過程，包括下列子步驟。步驟401中，當基本輸入輸出系統104和開機載入器132皆就緒時，就準備啟動作業系統。在步驟403中，該開機載入器132選擇作業系統並初始化作業系統之啟動環境，如前所述，這個步驟也可以是由基本輸入輸出系統104來執行，例如由基本輸入輸出系統104中的服務程式之第13號中斷服務程式(INT 13)來執行。初始化作業系統之啟動環境，舉例而言包括：載入該作業系統複本124的一內核程式(kernel)，以啟動包括處理器管理程式，記憶體管理程式(memory management)等在內的核心抽象程式。其中該記憶體管理程式啟動時，由於該預留區塊122事先已被分配來存放該作業系統複本124，則所有硬體驅動程式或其它應用軟體等向該記憶體管理程序申請記憶體空間時，就會避開該預留區塊122。接著執行步驟405，藉由驅動程式的方式將預留區塊122標記為一虛擬硬碟。接著在步驟407中，處理器102便將該預留區塊122視為一虛擬硬碟，並啟動儲存在其中的作業系統複本124。對作業系統而言，會將自身所在的預留區塊122辨識為有別於硬碟130之另一硬碟。在另一做法中，由於作業系統複本124和作業系統134的內容是一致的，因此可將該預留區塊122和硬碟130中的對應磁區結合成一鏡像磁碟陣列(RAID-1)。舉例來說，在步驟405中，由基本輸入輸出系統104或開機載入器132提供驅動程式，將作業系統複本124和作業系統134的結合體標記為鏡像磁碟陣列，使處理器102在步驟407中啟動儲存於該鏡像磁碟陣列中的該作業系統。之後進入步驟409，進入作業系統正常運作階段。由於主記憶體120的該預留區塊122與硬碟130中對應磁區(sector)建立了同步鏡像關係，因此在作業系統正常運作階段，都是直接對主記憶體120中之該預留區塊122進行讀寫，由於主記憶體120存取比硬碟130的存取快速，因此在實際運作的時候，可仰賴主記憶體120進行主要的讀寫工作，直到累積一定的變化之後再同步(sync)至硬碟130中，因此作業系統正常運作的效率也得以提升。

第5圖係為本發明實施例中各項啟動階段之時序圖。其中t1代表基本輸入輸出系統啟動階段，t2代表開機載入器的執行階段，而t3代表作業系統的載入階段。在t1階段中，t0代表初始化記憶體和硬碟所耗費的時間，即第2圖中完成步驟205所耗費的時間。而接續t0階段之後的t1’階段，即代表拷貝階段，即是第2圖中完成步驟207之從硬碟拷貝作業系統到記憶體所耗費的時間。綜上所述，本發明利用基本輸入輸出系統啟動階段的同時將作業系統拷至記憶體中，藉此加速了啟動作業。為了達成本發明的功效，基本輸入輸出系統中加入了同時拷貝作業系統的功能。而作業系統中也加入了特殊的記憶體管理機制，可以透過該基本輸入輸出系統的設定檔而得知該預留區塊的位置和大小，而使作業系統中的驅動程式避開該預留區塊的存取。

在本發明其他實施方式中，除了由基本輸入輸出系統來實現拷貝以外，還可以由硬體，例如是第1圖所示的晶片組140來實現。開機以後，硬體例如是晶片組140可以自動檢測該設定檔中的記錄，以獲得該預留區塊的起始位址和大小并並啟動拷貝動作，將作業系統內容拷貝到主記憶體之該預留區塊中。

本發明實施例所述的作業系統，尤其適用Linux、FreeBSD、Solaris或嵌入式系統之核心(Kernel)。儲存作業系統的媒體不限定為硬碟，也可以是其他大容量但是速度比記憶體慢的儲存裝置，例如記憶卡或者光碟。

雖然本發明以較佳實施例說明如上，但可以理解的是本發明的範圍未必如此限定。相對的，任何基於相同精神或對本發明所屬技術領域中具有通常知識者為顯而易見的改良皆在本發明涵蓋範圍內。因此專利要求範圍必須以最廣義的方式解讀。

100‧‧‧電腦系統

102‧‧‧處理器

104‧‧‧基本輸入輸出系統

106‧‧‧匯流排

110‧‧‧非揮發式記憶體

120‧‧‧主記憶體

122‧‧‧預留區塊

124‧‧‧作業系統複本

130‧‧‧硬碟

132‧‧‧開機載入器

134‧‧‧作業系統

140‧‧‧晶片組

第1圖係為本發明實施例之一電腦系統100；第2圖係為本發明實施例之電腦系統啟動流程圖；第3圖係為本發明實施例之預留區塊之流程圖；第4圖係為本發明實施例中載入作業系統之流程圖；以及第5圖係為本發明實施例中各項啟動階段之時序圖。

100．．．電腦系統

102．．．處理器

104．．．基本輸入輸出系統

106．．．匯流排

110．．．非揮發式記憶體

120．．．主記憶體

122．．．預留區塊

140．．．晶片組

124．．．作業系統複本

130．．．硬碟

132．．．開機載入器

134．．．作業系統

Claims (27)

1. 一種啟動方法，用於包含一處理器，一記憶體以及一硬碟之電腦，其中該硬碟包含一作業系統，該啟動方法包含：啟動一基本輸入輸出系統；依據一設定檔之一設定在該記憶體中劃分一預留區塊，其中該設定檔之該設定係由該作業系統之一記憶體管理程式在該電腦一正常開機程序時設定；將該作業系統從該硬碟中拷貝至該預留區塊，構成一作業系統複本；以及啟動被拷貝至該預留區塊之該作業系統複本。
2. 如申請專利範圍第1項所述之啟動方法，進一步包含，其中將該作業系統從該硬碟拷貝至該預留區塊的步驟由該基本輸入輸出系統完成，在該作業系統被拷貝至該硬碟的同時，該基本輸入輸出系統初始化該電腦之元件。
3. 如申請專利範圍第1項所述之啟動方法，其中將該作業系統從該硬碟拷貝至該預留區塊的步驟是由一晶片組完成。
4. 如申請專利範圍第1項所述之啟動方法，其中劃分該預留區塊之步驟進一步包含： 讀取該設定檔以判斷該作業系統是否在前次開機已設定該預留區塊；如果該作業系統已設定該預留區塊，則沿用該預留區塊之設定；以及如果該作業系統未設定該預留區塊，則設定該預留區塊。
5. 如申請專利範圍第4項所述之啟動方法，其中如果該作業系統未設定該預留區塊，則設定該預留區塊之步驟進一步包含：根據該作業系統之映像檔大小設定該預留區塊；將該預留區塊之設定以及該作業系統之映像檔大小儲存在該設定檔中。
6. 如申請專利範圍第5項所述之啟動方法，其中設定該預留區塊之步驟是由該記憶體管理程式完成。
7. 如申請專利範圍第1項所述之啟動方法，其中該設定檔之資料在該電腦關機後不丟失。
8. 如申請專利範圍第1項所述之啟動方法，更包含：初始化該作業系統之啟動環境，其中該初始化該作業系統之啟動環境由一開機載入器或由該基本輸入輸出系統完成。
9. 如申請專利範圍第8項所述之啟動方法，更包含： 在該記憶體之該預留區塊上建立一虛擬硬碟，其中該虛擬硬碟之大小與該作業系統複本之映像檔之大小有關；以及指定從該虛擬硬碟啟動該作業系統複本。
10. 如申請專利範圍第8項所述之啟動方法，更包含：將該預留區塊與該硬碟結合成一鏡像磁碟陣列，其中將該硬碟中包含之該作業系統與該預留區塊中之該作業系統複本構成同步鏡像；以及指定從該預留區塊啟動該作業系統複本。
11. 如申請專利範圍第8項所述之啟動方法，該開機載入器進一步將該作業系統從該硬碟拷貝至該預留區塊。
12. 如申請專利範圍第1項所述之啟動方法，該作業系統複本被啟動後，進一步將該作業系統從該硬碟拷貝至該預留區塊。
13. 如申請專利範圍第8項所述之啟動方法，其中更包括：記錄一拷貝進度，其中該基本輸入輸出系統，該開機載入器及該作業系統都能讀取該拷貝進度。
14. 一種電腦系統，包含：一處理器，一記憶體，一硬碟，以及一基本輸入輸出系統；其中：該硬碟中包含一作業系統； 該電腦系統在開機後，該處理器執行該基本輸入輸出系統，依據一設定檔之一設定在該記憶體中劃分一預留區塊，並將該作業系統從該硬碟中拷貝至該預留區塊以構成一作業系統複本，接著該處理器啟動被拷貝至該預留區塊之該作業系統複本，其中該設定檔之該設定係由該作業系統之一記憶體管理程式在該電腦系統一正常開機程序時設定。
15. 如申請專利範圍第14項所述之電腦系統，其中該基本輸入輸出系統將該作業系統從該硬碟拷貝至該預留區塊的同時，該基本輸入輸出系統初始化該電腦系統之元件。
16. 如申請專利範圍第14項所述之電腦系統，進一步包含一晶片組，該晶片組將該作業系統從該硬碟中拷貝至該預留區塊。
17. 如申請專利範圍第14項所述之電腦系統，其中：劃分該預留區塊前，讀取該設定檔以判斷該作業系統是否在前次開機已設定該預留區塊；如果該作業系統已設定該預留區塊，則沿用該預留區塊之設定；以及如果該作業系統未設定該預留區塊，則設定該預留區 塊。
18. 如申請專利範圍第17項所述之電腦系統，更包含該記憶體管理程式，其實現設定該預留區塊，該記憶體管理程式根據該作業系統之映像檔大小設定該預留區塊，並將該預留區塊之設定以及該作業系統之映像檔大小儲存在該設定檔中。
19. 如申請專利範圍第14項所述之電腦系統，其中該設定檔之資料在該電腦斷電後不丟失。
20. 如申請專利範圍第14項所述之電腦系統，其中：該基本輸入輸出系統初始化該作業系統之啟動環境，並在該記憶體之該預留區塊上建立一虛擬硬碟，其中該虛擬硬碟之大小與該作業系統之映像檔之大小有關，並設定從該虛擬硬碟啟動該作業系統複本。
21. 如申請專利範圍第14項所述之電腦系統，其中：該基本輸入輸出系統初始化該作業系統之啟動環境，並將一虛擬硬碟與該硬碟結合成一鏡像磁碟陣列，其中該作業系統與該作業系統複本構成同步鏡像。
22. 如申請專利範圍第14項所述之電腦系統，其中更包含一開機載入器，該開機載入器初始化該作業系統之啟動環境。
23. 如申請專利範圍第22項所述之電腦系統，其中 該開機載入器在該記憶體之該預留區塊上建立一虛擬硬碟，其中該虛擬硬碟之大小與該作業系統之映像檔之大小有關，並設定從該虛擬硬碟啟動該作業系統複本。
24. 如申請專利範圍第22項所述之電腦系統，其中該開機載入器將一虛擬硬碟與該硬碟結合成一鏡像磁碟陣列，其中該作業系統與該作業系統複本構成同步鏡像。
25. 如申請專利範圍第22項所述之電腦系統，其中該開機載入器進一步將該作業系統從該硬碟拷貝至該預留區塊。
26. 如申請專利範圍第14項所述之電腦系統，該作業系統複本被啟動後，進一步將該作業系統從該硬碟拷貝至該預留區塊。
27. 如申請專利範圍第22項所述之電腦系統，其中更包括一拷貝進度，其中該基本輸入輸出系統，該開機載入器及該作業系統都能讀取該拷貝進度。