读书笔记之计算机启动过程二——《操作系统真相还原》
2016-09-04 23:31
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接上文，本来按照顺序来讲这一部分应该在前的，但是这一篇又是由上一篇引出来了，一步一步的深入，一点一点的陷进去，就像平时查东西，查了A又要去查B，然后……
上篇讲了计算机操作系统的启动，这篇就讲讲计算机的启动，从理所当然的按下电源键那一刻开始，别问我为什么要按电源键……
其实作者讲的非常清楚了，原著中由此引出的好多问题，都给予了解答，今天针对开机流程这个问题，我就总结一下，具体的请看链接：http://www.epubit.com.cn/book/onlinechapter/37376
从按下主机上的power键后，第一个运行的软件是BIOS。于是产生了三个问题。
（1）它是由谁加载的。
（2）它被加载到哪里。
（3）它的cs：ip是谁来更改的。
BIOS全称叫Base Input & Output System，即基本输入输出系统。
人们给任何事物起名字，肯定都不是乱起的，必然是根据该事物的特点，通过总结，精练出一些文字来标识此事物，这个便是对一般事物取名的方法。通过名字，就能够反应出该事物的特性。最符合特性的名字就是昵称和外号了，比如抽油机是用来开采石油的一种机器，因为其工作时，就像“磕头”一样，所以大家给其起了更形象的名字—“磕头机”。
回到BIOS上，输入输出我理解，命名中加上系统二字也明白，可为什么还要用“基本”来修饰呢？
先来点背景知识，很久很久以前：
Intel 8086有20条地址线，故其可以访问1MB的内存空间，即2的20次方=1048576=1MB，地址范围若按十六进制来表示，是0x00000到0xFFFFF。不知道硬件工程师当时设计的初衷是什么，总之人家有自己的理由，这1MB的内存空间被分成多个部分。
为了让大家先有个印象，免得太抽象不容易理解，先把实模式下1MB内存给大家梳理一下，很辛苦的，各位看官要仔细看哈，所以感兴趣或有强迫症的同学一定要背下来（玩笑），见表2-1。
表2-1 实模式下的内存布局
先从低地址看，地址0～0x9FFFF处是DRAM（Dynamic Random Access Memory），即动态随机访问内存，我们所装的物理内存就是DRAM，如DDR、DDR2等。又要开始咬文嚼字了，动态是什么意思？动态指此种存储介质由于本身电气元件的性质，需要定期地刷新。内存中的每一位都是由电容和晶体管来组成的，您想，单条内存现在都到4GB，内存条的体积大小您也清楚，那么小的面积得集成多少电容才能够拼凑出4GB的内存容量，不包括相关电路元件，也得是4GB×8个电容了。如此小的电容，其缺点也是明显的，漏电很快，所以漏电了就要及时把电补充上去，这样数据才不至于丢失。这个补充电的过程就称为刷新。其实不仅是电容需要刷新，就连电信号也是一样的，不知道您注意了没有，我们平时使用的网线，也是需要在每隔一定长度距离时接个中继放大器，这个就是来放大电信号的，因为物理链路一长，信号衰减就特别严重，只好通过这种“打气”的方式来保持稳定了。终于把动态这一词搞定了，不过我们最终要搞定的词是BIOS中的“基本”，所以咱们还得接着看。
见表2-1，内存地址0～0x9FFFF的空间范围是640KB，这片地址对应到了DRAM，也就是插在主板上的内存条。有没有人开始小声嘀咕了：为什么是对应到了DRAM，难道不是直接访问到我的物理内存DRAM吗？难道我的内存条不是全部的内存？还可以访问到别处吗？如果您有这样的疑问，我除了回答是啊是啊之外，还是很欣慰的，终于有人和我之前想的一样了。
一会再解释这个，否则咱们离“基本”越来越远了。表2-1，看顶部的0xF0000～0xFFFFF，这64KB的内存是ROM。这里面存的就是BIOS的代码。BIOS的主要工作是检测、初始化硬件，怎么初始化的？硬件自己提供了一些初始化的功能调用，BIOS直接调用就好了。BIOS还做了一件伟大的事情，建立了中断向量表，这样就可以通过“int中断号”来实现相关的硬件调用，当然BIOS建立的这些功能就是对硬件的IO操作，也就是输入输出，但由于就64KB大小的空间，不可能把所有硬件的IO操作实现得面面俱到，而且也没必要实现那么多，毕竟是在实模式之下，对硬件支持得再丰富也白搭，精彩的世界是在进入保护模式以后才开始，所以挑一些重要的、保证计算机能运行的那些硬件的基本IO操作，就行了。这就是BIOS称为基本输入输出系统的原因。
BIOS其实一直睡在某个地方，直到被唤醒……
前面热火朝天地说了BIOS的功能和内存布局，似乎还没说到正题上，BIOS是如何启动的呢？因为BIOS是计算机上第一个运行的软件，所以它不可能自己加载自己，由此可以知道，它是由硬件加载的。那这个硬件是谁呢？其实前面已经提到过了，相当于是只读存储器ROM，因为它一直就睡在那里不动。
大家知道，只读存储器中的内容是不可擦除的，也就是它不像动态随机访问存储器DRAM那样，掉电后，里面的数据就会丢失。这种存储介质是用来存储一成不变的数据的，当数据写进去后，便与日月同辉，庭前坐看花开花落，不朽于天地万物之间，哈哈，有点夸张了。
BIOS代码所做的工作也是一成不变的，而且在正常情况下，其本身是不需要修改的，平时听说的那些主板坏了要刷BIOS的情况属于例外。于是BIOS顺理成章地便被写进此ROM。ROM也是块内存，内存就需要被访问。此ROM被映射在低端1MB内存的顶部，即地址0xF0000～0xFFFFF处，可以参考表2-1顶部的BIOS部分。只要访问此处的地址便是访问了BIOS，这个映射是由硬件完成的。
BIOS本身是个程序，程序要执行，就要有个入口地址才行，此入口地址便是0xFFFF0。
最重要的一点来了，知道了BIOS在哪里后，CPU如何去执行它，即CPU中的cs：ip值是如何组合成0xFFFF0的。
如果大家不了解内存的分段访问机制，可以参考第0章，里面有讲解CPU为什么分段方式内存。说正事，CPU访问内存是用段地址+偏移地址来实现的，由于在实模式之下，段地址需要乘以16后才能与偏移地址相加，求出的和便是物理地址，CPU便拿此地址直接用了。这个“段基址：段内偏移地址”的组合是0xffff：0吗？或者是0xF000：0xFFF0?或者是更奇葩一点的组合：0xFEEE：0x1110？或者您想出的组合比我的还奇葩，好啦，不折磨大家了，还是说正事要紧。既然作为第一个运行的程序都没开始执行，自然就没办法用软件搞定这件事了，还是得靠硬件支持才行。
在开机的一瞬间，也就是接电的一瞬间，CPU的cs：ip寄存器被强制初始化为0xF000：0xFFF0。由于开机的时候处于实模式，再重复一遍加深印象，在实模式下的段基址要乘以16，也就是左移4位，于是0xF000：0xFFF0的等效地址将是0xFFFF0。上面说过了，此地址便是BIOS的入口地址。
当我给出这个地址后，不知道大家意识到什么没有。BIOS是在实模式下运行的，而实模式只能访问1MB空间（20位地址线，2的20次方是1MB）。而地址0xFFFF0距1MB只有16个字节了（见表2-1除标题外的第一行），这么小的空间够干吗？BIOS又要检测硬件，做各种初始化工作，还要建立中断向量表……16字节的机器指令肯定干不了这么多事。也许有的同学会问，超过寄存器宽度会怎么样呢？比如0xFFFF0+16，这样就溢出了，由于实模式下的寄存器宽度是16位，0xFFFF0+16已经超过了其最大值0xFFFFF。溢出的部分就会回卷到0，又会重新开始，即0xFFFF0+16等于0，0xFFFF0+17等于1。
既然此处只有16字节的空间了，这只能说明BIOS真正的代码不在这，那此处的代码只能是个跳转指令才能解释得通了。好，既然心里有了推断，那咱们就来证明这个推断正确与否。
图2-2是我在bochs中抓的图，下面给大家分析一下这图中的信息都代表什么。
▲图2-2 bochs开机界面
首先得承认，这张图有点超前了，这是在有了MBR后才能抓到的，否则会提示boot failed： not a bootable disk，而我们还没有MBR，还没有写主引导记录。先不管这张图是怎么来的啦，反正大家立即就能够在自己的虚拟机里看到这张图了。大家先注意框框中的内容。一共有3个，最上面左边第1个标有cs：ip的那个框，cs寄存器的值是0xf000，ip寄存器的值是0xfff0，也就是段基址0xf000，段内偏移地址0xfff0，这个组合出来的地址便是0xffff0，这是处理器下一条待执行指令的地址。这与上面所说的BIOS入口地址是吻合的。另外，因为cs和ip寄存器中存储的是下一条要执行的指令，目前还没有执行，也就是说，当前还没有执行BIOS，这是机器刚开机的那一刻。这一刻还是值得庆祝的，因为即使是计算机行业的同学都很少看到这一刻，何况我们让这一刻停了下来，成为永恒。
按理说，既然让CPU去执行0xFFFF0处的内容（目前还不知道其是指令，还是数据），此内容应该是指令才行，否则这地址处的内容若是数据，而不是指令，CPU硬是把它当成指令来译码的话，一定会弄巧成拙铸成大错。现在咱们又有了新的推断，物理地址0xFFFF0处应该是指令，继续探索。
继续看第二个框框，里面有条指令jmp far f000：e05b，这是条跳转指令，也就是证明了在内存物理地址0xFFFF0处的内容是一条跳转指令，我们的判断是正确的。那CPU的执行流是跳到哪里了呢？段基址0xf000左移4位+0xe05b，即跳向了0xfe05b处，这是BIOS代码真正开始的地方。
第三个框框cs：f000，其意义是cs寄存器的值是f000，与我们刚刚所说的加电时强制将cs置为f000是吻合的，正确。
接下来BIOS便马不停蹄地检测内存、显卡等外设信息，当检测通过，并初始化好硬件后，开始在内存中0x000～0x3FF处建立数据结构，中断向量表IVT并填写中断例程。
好了，终于到了接力的时刻，这是这场接力赛的第一棒，它将交给谁呢？咱们下回再说。
上篇讲了计算机操作系统的启动，这篇就讲讲计算机的启动，从理所当然的按下电源键那一刻开始，别问我为什么要按电源键……
其实作者讲的非常清楚了，原著中由此引出的好多问题，都给予了解答，今天针对开机流程这个问题，我就总结一下，具体的请看链接：http://www.epubit.com.cn/book/onlinechapter/37376
从按下主机上的power键后，第一个运行的软件是BIOS。于是产生了三个问题。
（1）它是由谁加载的。
（2）它被加载到哪里。
（3）它的cs：ip是谁来更改的。
BIOS全称叫Base Input & Output System，即基本输入输出系统。
人们给任何事物起名字，肯定都不是乱起的，必然是根据该事物的特点，通过总结，精练出一些文字来标识此事物，这个便是对一般事物取名的方法。通过名字，就能够反应出该事物的特性。最符合特性的名字就是昵称和外号了，比如抽油机是用来开采石油的一种机器，因为其工作时，就像“磕头”一样，所以大家给其起了更形象的名字—“磕头机”。
回到BIOS上，输入输出我理解，命名中加上系统二字也明白，可为什么还要用“基本”来修饰呢？
实模式下的1MB内存布局
先来点背景知识，很久很久以前：Intel 8086有20条地址线，故其可以访问1MB的内存空间，即2的20次方=1048576=1MB，地址范围若按十六进制来表示，是0x00000到0xFFFFF。不知道硬件工程师当时设计的初衷是什么，总之人家有自己的理由，这1MB的内存空间被分成多个部分。
为了让大家先有个印象，免得太抽象不容易理解，先把实模式下1MB内存给大家梳理一下，很辛苦的，各位看官要仔细看哈，所以感兴趣或有强迫症的同学一定要背下来（玩笑），见表2-1。
表2-1 实模式下的内存布局
| 起始 | 结 束 | 大 小 | 用 途 |
|---|---|---|---|
| FFFF0 | FFFFF | 16B | BIOS入口地址，此地址也属于BIOS代码，同样属于顶部的640KB字节。只是为了强调其入口地址才单独贴出来。此处16字节的内容是跳转指令jmp f000：e05b |
| F0000 | FFFEF | 64KB-16B | 系统BIOS范围是F0000～FFFFF共640KB，为说明入口地址，将最上面的16字节从此处去掉了，所以此处终止地址是0XFFFEF |
| C8000 | EFFFF | 160KB | 映射硬件适配器的ROM或内存映射式I/O |
| C0000 | C7FFF | 32KB | 显示适配器BIOS |
| B8000 | BFFFF | 32KB | 用于文本模式显示适配器 |
| B0000 | B7FFF | 32KB | 用于黑白显示适配器 |
| A0000 | AFFFF | 64KB | 用于彩色显示适配器 |
| 9FC00 | 9FFFF | 1KB | EBDA（Extended BIOS Data Area）扩展BIOS数据区 |
| 7E00 | 9FBFF | 622080B约608KB | 可用区域 |
| 7C00 | 7DFF | 512B | MBR被BIOS加载到此处，共512字节 |
| 500 | 7BFF | 30464B约30KB | 可用区域 |
| 400 | 4FF | 256B | BIOS Data Area（BIOS数据区） |
| 000 | 3FF | 1KB | Interrupt Vector Table（中断向量表） |
见表2-1，内存地址0～0x9FFFF的空间范围是640KB，这片地址对应到了DRAM，也就是插在主板上的内存条。有没有人开始小声嘀咕了：为什么是对应到了DRAM，难道不是直接访问到我的物理内存DRAM吗？难道我的内存条不是全部的内存？还可以访问到别处吗？如果您有这样的疑问，我除了回答是啊是啊之外，还是很欣慰的，终于有人和我之前想的一样了。
一会再解释这个，否则咱们离“基本”越来越远了。表2-1，看顶部的0xF0000～0xFFFFF，这64KB的内存是ROM。这里面存的就是BIOS的代码。BIOS的主要工作是检测、初始化硬件，怎么初始化的？硬件自己提供了一些初始化的功能调用，BIOS直接调用就好了。BIOS还做了一件伟大的事情，建立了中断向量表，这样就可以通过“int中断号”来实现相关的硬件调用，当然BIOS建立的这些功能就是对硬件的IO操作，也就是输入输出，但由于就64KB大小的空间，不可能把所有硬件的IO操作实现得面面俱到，而且也没必要实现那么多，毕竟是在实模式之下，对硬件支持得再丰富也白搭，精彩的世界是在进入保护模式以后才开始，所以挑一些重要的、保证计算机能运行的那些硬件的基本IO操作，就行了。这就是BIOS称为基本输入输出系统的原因。
BIOS是如何苏醒的
BIOS其实一直睡在某个地方，直到被唤醒……前面热火朝天地说了BIOS的功能和内存布局，似乎还没说到正题上，BIOS是如何启动的呢？因为BIOS是计算机上第一个运行的软件，所以它不可能自己加载自己，由此可以知道，它是由硬件加载的。那这个硬件是谁呢？其实前面已经提到过了，相当于是只读存储器ROM，因为它一直就睡在那里不动。
大家知道，只读存储器中的内容是不可擦除的，也就是它不像动态随机访问存储器DRAM那样，掉电后，里面的数据就会丢失。这种存储介质是用来存储一成不变的数据的，当数据写进去后，便与日月同辉，庭前坐看花开花落，不朽于天地万物之间，哈哈，有点夸张了。
BIOS代码所做的工作也是一成不变的，而且在正常情况下，其本身是不需要修改的，平时听说的那些主板坏了要刷BIOS的情况属于例外。于是BIOS顺理成章地便被写进此ROM。ROM也是块内存，内存就需要被访问。此ROM被映射在低端1MB内存的顶部，即地址0xF0000～0xFFFFF处，可以参考表2-1顶部的BIOS部分。只要访问此处的地址便是访问了BIOS，这个映射是由硬件完成的。
BIOS本身是个程序，程序要执行，就要有个入口地址才行，此入口地址便是0xFFFF0。
最重要的一点来了，知道了BIOS在哪里后，CPU如何去执行它，即CPU中的cs：ip值是如何组合成0xFFFF0的。
如果大家不了解内存的分段访问机制，可以参考第0章，里面有讲解CPU为什么分段方式内存。说正事，CPU访问内存是用段地址+偏移地址来实现的，由于在实模式之下，段地址需要乘以16后才能与偏移地址相加，求出的和便是物理地址，CPU便拿此地址直接用了。这个“段基址：段内偏移地址”的组合是0xffff：0吗？或者是0xF000：0xFFF0?或者是更奇葩一点的组合：0xFEEE：0x1110？或者您想出的组合比我的还奇葩，好啦，不折磨大家了，还是说正事要紧。既然作为第一个运行的程序都没开始执行，自然就没办法用软件搞定这件事了，还是得靠硬件支持才行。
在开机的一瞬间，也就是接电的一瞬间，CPU的cs：ip寄存器被强制初始化为0xF000：0xFFF0。由于开机的时候处于实模式，再重复一遍加深印象，在实模式下的段基址要乘以16，也就是左移4位，于是0xF000：0xFFF0的等效地址将是0xFFFF0。上面说过了，此地址便是BIOS的入口地址。
当我给出这个地址后，不知道大家意识到什么没有。BIOS是在实模式下运行的，而实模式只能访问1MB空间（20位地址线，2的20次方是1MB）。而地址0xFFFF0距1MB只有16个字节了（见表2-1除标题外的第一行），这么小的空间够干吗？BIOS又要检测硬件，做各种初始化工作，还要建立中断向量表……16字节的机器指令肯定干不了这么多事。也许有的同学会问，超过寄存器宽度会怎么样呢？比如0xFFFF0+16，这样就溢出了，由于实模式下的寄存器宽度是16位，0xFFFF0+16已经超过了其最大值0xFFFFF。溢出的部分就会回卷到0，又会重新开始，即0xFFFF0+16等于0，0xFFFF0+17等于1。
既然此处只有16字节的空间了，这只能说明BIOS真正的代码不在这，那此处的代码只能是个跳转指令才能解释得通了。好，既然心里有了推断，那咱们就来证明这个推断正确与否。
图2-2是我在bochs中抓的图，下面给大家分析一下这图中的信息都代表什么。
▲图2-2 bochs开机界面
首先得承认，这张图有点超前了，这是在有了MBR后才能抓到的，否则会提示boot failed： not a bootable disk，而我们还没有MBR，还没有写主引导记录。先不管这张图是怎么来的啦，反正大家立即就能够在自己的虚拟机里看到这张图了。大家先注意框框中的内容。一共有3个，最上面左边第1个标有cs：ip的那个框，cs寄存器的值是0xf000，ip寄存器的值是0xfff0，也就是段基址0xf000，段内偏移地址0xfff0，这个组合出来的地址便是0xffff0，这是处理器下一条待执行指令的地址。这与上面所说的BIOS入口地址是吻合的。另外，因为cs和ip寄存器中存储的是下一条要执行的指令，目前还没有执行，也就是说，当前还没有执行BIOS，这是机器刚开机的那一刻。这一刻还是值得庆祝的，因为即使是计算机行业的同学都很少看到这一刻，何况我们让这一刻停了下来，成为永恒。
按理说，既然让CPU去执行0xFFFF0处的内容（目前还不知道其是指令，还是数据），此内容应该是指令才行，否则这地址处的内容若是数据，而不是指令，CPU硬是把它当成指令来译码的话，一定会弄巧成拙铸成大错。现在咱们又有了新的推断，物理地址0xFFFF0处应该是指令，继续探索。
继续看第二个框框，里面有条指令jmp far f000：e05b，这是条跳转指令，也就是证明了在内存物理地址0xFFFF0处的内容是一条跳转指令，我们的判断是正确的。那CPU的执行流是跳到哪里了呢？段基址0xf000左移4位+0xe05b，即跳向了0xfe05b处，这是BIOS代码真正开始的地方。
第三个框框cs：f000，其意义是cs寄存器的值是f000，与我们刚刚所说的加电时强制将cs置为f000是吻合的，正确。
接下来BIOS便马不停蹄地检测内存、显卡等外设信息，当检测通过，并初始化好硬件后，开始在内存中0x000～0x3FF处建立数据结构，中断向量表IVT并填写中断例程。
好了，终于到了接力的时刻，这是这场接力赛的第一棒，它将交给谁呢？咱们下回再说。
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