本講只為講明白下面一個問題： > 我們按下開機鍵後究竟發生了什麼？ 好的，這似乎是好多人都特別想搞明白的一個問題，有時候非常納悶，為什麼一個看似這麼簡單的問題，就是搜不到一個直面問題的答案呢？ 好問題，我也不知道為什麼會這樣，但我猜是因為： - **其一**，似懂非懂的人太多，他們其實也不知道究竟發生了什麼，所以只能模糊大概地說一些教科書上的話。 - **其二**，知道這個答案的人一定是大牛，大牛要麼不回答這個問題，要麼就不會簡單地回答這個問題。而我呢，自認為剛好處於兩者之間，現在又特別想把自己知道的分享出來，所以你在這裡找到了答案。 我想當你探尋這個問題的答案是，搜到的大多數是這樣的描述： > BIOS 按照“啟動順序”，把控制權轉交給排在第一位的儲存裝置：硬碟。然後在硬盤裡尋找主引導記錄的分割槽，這個分割槽告訴電腦作業系統在哪裡，並把作業系統被載入到記憶體中，然後你就能看到經典的啟動介面了，這個開機過程也就完成了。 這種描述簡直太魔幻了，為什麼是 **BIOS** 主導這一切？怎麼叫按照**啟動順序**？這個分割槽咋就被**載入**到記憶體了，有咋**告訴**電腦作業系統在哪裡了？我無法忍受這樣的魔幻描述，我非要把它說得清清楚楚。 首先學一個東西，一定要有一個**前置**的知識，我們把它當做已知的，我不可能從原子組成分子開始講原理。那學習計算機啟動過程的前置知識是什麼呢？我要求你已知以下幾點： 1. 記憶體是儲存資料的地方，給出一個地址訊號，記憶體可以返回該地址所對應的資料。 2. CPU 的工作方式就是不斷從記憶體中取出指令，並執行。 3. CPU 從記憶體的哪個地址取出指令，是由一個暫存器中的值決定的，這個值會不斷進行 +1 操作，或者由某條跳轉指令指定其值是多少。 好了，只需要知道這三點**前置**知識，你就能專業地解釋計算機的啟動過程了。 ## 一、為什麼是 BIOS 主導？ 都說開機後，BIOS 就開始執行自己的程式了，又硬體自檢，又載入啟動區的。我就不服了，為什麼開機後是執行 BIOS 裡的程式？為啥不是記憶體裡的？為啥不是硬盤裡的？ 好的，不要懷疑前置知識，CPU 的工作方式，就是不斷從記憶體中取指令並執行，那為什麼會說是執行 BIOS 裡的程式呢？這就不得不說說**記憶體對映**了。 ## 二、記憶體對映 **CPU 地址匯流排的寬度決定了可訪問的記憶體空間的大小**。比如 16 位的 CPU 地址匯流排寬度為 20 位，地址範圍是 1M。32 位的 CPU 地址匯流排寬度為 32 位，地址範圍是 4G。你可以算算我們現在的 64 位機的地址範圍。 可是，可訪問的記憶體空間這麼大，並不等於說全都給記憶體使用，也就是說定址的物件不只有記憶體，還有一些外設也要通過地址匯流排的方式去訪問，那怎麼去訪問這些外設呢？就是在地址範圍中劃出一片片的區域，這塊給視訊記憶體使用，那塊給硬碟控制器使用，等等 。 這樣說，其實就不符合我們的前置知識了，所以可以有一種不太正確的理解方式，那就是記憶體中的這塊位置就是視訊記憶體，那塊位置就是硬碟控制器。我們在相應的位置上讀取或者寫入，就相當於在視訊記憶體等外設的相應位置上讀取或者寫入，就好像這些外設的儲存區域，被**對映**到了記憶體中的某一片區域一樣。這樣我們就不用管那些外設啦，關注點仍然是一個簡簡單單的記憶體。這就是所謂的**記憶體對映**。 太好了，現在又用簡單的前置知識就能解釋得通了，我們繼續往下推。 ## 三、真實模式下的記憶體分佈 剛剛說到記憶體中劃分出了一片一片區域給各種外設，那麼問題自然就來了，哪塊區域，分給了哪塊外設了呢？如果是規定，那應該有一張表比較好吧。嗯沒錯，還真有，它就是真實模式下的記憶體分佈，筆者給它畫了一張圖：  哎喲我真是個小天使，把比例都表現出來了，網上能再找出比我這個更直觀的請給我留言。真實模式之後再解釋，現在簡單理解就是計算機剛開機的時候只有 1M 的記憶體可用。 我們看到，記憶體被各種外設瓜分了，即對映在了記憶體中。BIOS 更狠，不但其空間被對映到了記憶體 0xC0000 - 0xFFFFF 位置，其裡面的程式還佔用了開頭的一些區域，比如把中斷向量表寫在了記憶體開始的位置，真所謂先到先得啊。 ## 四、怎麼就從 BIOS 裡的程式開始執行了 好了，現在我們知道 BIOS 裡的資訊被對映到了記憶體 0xC0000 - 0xFFFFF 位置，其中最為關鍵的系統 BIOS 被對映到了 0xF0000 - 0xFFFFF 位置。假如我現在說，CPU 開機就是執行了這塊區域的程式碼，然後巴拉巴拉一頓操作就開機了，你肯定要噴我了，為什麼就執行到這了呢，那咋不從頭開始執行？ 這就自然有了一種猜想，我們要用到另一個前置知識了，就是 CPU 從記憶體的哪個位置取出執行並執行呢？**是 PC 暫存器中的地址值**。BIOS 程式的入口地址也就是開始地址是 0xFFFF0（人家就那麼寫的），也就是開機鍵一按下，一定有一個神奇的力量，將 pc 暫存器中的值變成 0xFFFF0，然後 CPU 就開始馬不停蹄地跑了起來。沒錯，接下來這句話，可能就是你找了很久的答案，請做好準備： **在你開機的一瞬間，CPU 的 PC 暫存器被強制初始化為 0xFFFF0**。如果再說具體些，CPU 將段基址暫存器 cs 初始化為 0xF000，將偏移地址暫存器 IP 初始化為 0xFFF0，根據真實模式下的最終地址計算規則，將段基址左移 4 位，加上偏移地址，得到最終的實體地址也就是抽象出來的 PC 暫存器地址為 0xFFFF0。 當我在學習這段知識時，看到這句話才讓將我心裡積壓了很久的疑惑解開，多麼簡單粗暴的道理啊。寫到這裡我也是長舒了一口氣，因為剩下的過程，就幾乎只是流水賬一樣的正推了。 至於怎麼強制初始化的，我覺得就越過了前置知識的邊界了，況且各個廠商的硬體實現也不一定相同，有很多辦法，也很簡單。討論起來意義就不大了。 ## 五、BIOS 裡到底寫了什麼程式 好了，我們現在知道了 BIOS 被對映到了記憶體的某個位置，並且開機一瞬間 CPU 強制將自己的 pc 暫存器初始化為 BIOS 程式的入口地址，從這裡開始 CPU 馬不停蹄地向前跑了起來。那接下來的問題似乎也非常自然地就問出來了，那就是 BIOS 程式裡到底寫了啥？ 把 BIOS 程式裡的二進位制資訊全貼出來也不合適，我們分析一些主要的。我們首先還是來猜測，你看入口地址是 0xFFFF0，說明程式是從這執行的。真實模式下記憶體的下邊界就是 0xFFFFF，也就是隻剩下 16 個位元組的空間可以寫程式碼了，這夠幹啥的呢？如果你有心的話應該能猜出，入口地址處可能是個跳轉指令，跳到一個更大範圍的空間去執行自己的任務。沒錯就是這樣，0xFFFF0 處儲存的機器指令，翻譯成組合語言是： ``` jmp far f000:e05b ``` 意思是跳轉到實體地址 0xfe05b 處開始執行（回憶下前面說的真實模式下的地址計算方式）。 地址 0xfe05b 處開始，便是 BIOS 真正發揮作用的程式碼了，這塊程式碼會檢測一些外設資訊，並初始化好硬體，建立中斷向量表並填寫中斷例程。這裡的部分不要展開，這只是一段寫死的程式而已，而且對理解開機啟動過程無幫助，我們看後面精彩的部分，也就是 BIOS 的最後一項工作：**載入啟動區**。 ## 六、0x7c00 是啥 該較真的地方就是要較真，我絕對不會讓**載入**這種魔幻的詞出現在這裡，我們現在就來把它拆解成人話。 其實這個詞也並不魔幻，載入在計算機領域就是指，**把某裝置上（比如硬碟）的程式複製到記憶體中的過程**。那載入啟動區這個過程，翻譯過來就是，**BIOS 程式把啟動區的內容複製到了記憶體中的某個區域**。好了，問題又自然出來了，啟動區是哪裡？被複制到了記憶體的哪個位置？然後呢？我們一個個來回答。 什麼是啟動區呢？即使你不知道，你也應該能夠猜到，一定是符合某種特徵的一塊區域，於是人們把它就叫做啟動區了，那要符合什麼特徵呢？先不急，不知道你有沒有過設定 BIOS 啟動順序的經歷，通常有 U 盤啟動、硬碟啟動、軟盤啟動、光碟啟動等等，**BIOS 會按照順序，讀取這些啟動盤中位於 0 盤 0 道 1 扇區的內容**。 至於磁碟格式的劃分，本篇就不做講解了，總之對於記憶體，我們給出一個數字地址就能獲取到該地址的資料，而對於磁碟，我們需要給出磁頭、柱面、扇區這三個資訊才能定位某個位置的資料，都是描述位置的一種方式而已。 接著說， 這 0 盤 0 道 1 扇區的內容一共有 512 個位元組，**如果末尾的兩個位元組分別是 0x55 和 0xaa，那麼 BIOS 就會認為它是個啟動區**。如果不是，那麼按順序繼續向下個裝置中尋找位於 0 盤 0 道 1 扇區的內容。如果最後發現都沒找到符合條件的，那直接報出一個無啟動區的錯誤。 BIOS 找到了這個啟動區之後幹嘛呢？哦，前面說過了是載入，**就是把這 512 個位元組的內容，一個位元都不少的全部複製到記憶體的 0x7c00 這個位置**。怎麼複製的？當然是指令啦。哪些指令呢？這裡我只能簡單說指令集中是有 in 和 out 的，用來將外設中的資料複製到記憶體，或者將記憶體中的資料複製到外設，用這兩個指令，以及外設給我們提供的讀取方式，就能做到這一點啦。 啟動區內容此時已經被 BIOS 程式複製到了記憶體的 0x7c00 這個位置，然後呢？這個其實也不難猜測，啟動區的內容就是我們自己寫的程式碼了，複製到這裡之後，就開始執行唄，之後我們的程式就接管了接下來的流程，BIOS 的使命也就結束啦。所以複製完之後，接下來應該是一個跳轉指令吧！沒錯，正是這樣，PC 暫存器的值變為 0x7c00，指令開始從這裡執行。 咦？不知道你有沒有發現，我們似乎不知不覺又把之前的一句魔法語言翻譯成人話了，開頭我們說： > BIOS 把控制權轉交給排在第一位的儲存裝置。 所以這句話是什麼意思呢？**就是 BIOS 把啟動區的 512 位元組複製到記憶體的 0x7c00 位置，並且用一條跳轉指令將 pc 暫存器的值指向 0x7c00**。你看，這不是也沒多幾個字嘛，就把這個問題說得明明白白，簡簡單單。 哦，對了，現在似乎就剩下一個問題了，為什麼非要是 0x7c00 呢？好問題，當然答案也很簡單，那就是人家 BIOS 開發團隊就是這樣定的，之後也不好改了，不然不相容。為什麼不好改？我們看一個簡單的啟動區 512 位元組的程式碼。（程式碼摘抄自《30 天自制作業系統》） ``` ; hello-os ; TAB=4 ORG 0x7c00 ;程式載入到記憶體的 0x7c00 這個位置 ;程式主體 entry: MOV AX,0 ;初始化暫存器 MOV SS,AX MOV SP,0x7c00 MOV DS,AX ;段暫存器初始化為 0 MOV ES,AX MOV SI,msg putloop: MOV AL,[SI] ADD SI,1 CMP AL,0 ;如果遇到 0 結尾的，就跳出迴圈不再列印新字元 JE fin MOV AH,0x0e ;指定文字 MOV BX,15 ;指定顏色 INT 0x10 ;呼叫 BIOS 顯示字元函式 JMP putloop fin: HLT JMP fin msg: DB 0x0a,0x0a ;換行、換行 DB "hello-os" DB 0x0a ;換行 DB 0 ;0 結尾 RESB 0x7dfe-$ ;填充0到512位元組 DB 0x55, 0xaa ;可啟動裝置標識 ``` 我們看第一行： ``` ORG 0x7c00 ``` 這個數字就是剛剛說的啟動區載入位置，這行彙編程式碼簡單說就表示把下面的地址統統加上 0x7c00。正因為 BIOS 將啟動區的程式碼載入到了這裡，因此有了一個偏移量，所以所有寫啟動區程式碼的人就需要在開頭寫死一個這樣的程式碼，不然全都串位了。 然後正因為所有寫作業系統的，啟動區的第一行彙編程式碼都寫死了這個數字，那 BIOS 開發者最初定的這個數字就不好改了，否則它得挨個聯絡各個作業系統的開發廠商，說唉我這個地址改一下哈，你們跟著改改。在公司推動另一個團隊改個程式碼都得大費周折，想想看這樣的推動得耗費多大人力。況且即使改了，之前的程式碼也都不相容了，這不得被人們罵死啊。 再看最後一行： ``` DB 0x55, 0xaa ``` 這也驗證了我們之前說的這 512 位元組的最後兩個位元組得是 0x55 0xaa，BIOS 才會認為它是一個啟動區，才會去載入它，僅此而已。 回過頭來說 0x7c00 這個值，它其實就是一個規定死的值，但還是會有人問，那必然有它的合理性吧。其實，我的解釋也只能說是人家規定了這個值，後人們替他們解釋這個合理性，並不是說當初人家就一定是這樣想的，就好比我們做語文的閱讀理解題一樣。 第一個 BIOS 開發團隊是 IBM PC 5150 BIOS，當時被認為的第一個作業系統是 DOS 1.0 作業系統，BIOS 團隊就假設是為它服務的。但作業系統還沒出，BIOS 團隊假設其作業系統需要的最小記憶體為 32 KB。BIOS 希望自己所載入的啟動區程式碼儘量靠後，這樣比較“安全”，不至於過早的被其他程式覆蓋掉。可是如果僅僅留 512 位元組又感覺太懸了，還有一些棧空間需要預留，那擴大到 1 KB 吧。這樣 32 KB 的末尾是 0x8000，減去 1KB(0x400) ，剛好等於 0x7c00。哇塞，太精準了，這可以是一種解釋方式。 ## 七、啟動區裡的程式碼寫了啥 其實寫到這，我這篇文章就應該戛然而止了，因為最初的那個問題已經解決了，CPU 已經開始馬不停蹄地從我們預期的位置跑起來了，萬事開頭難，剩下的內容，就是作業系統想怎麼玩就怎麼玩了。 但我覺得還不夠味，似乎還有些問題縈繞在你腦海裡。比如說這個問題： > 啟動區裡的程式碼寫了啥？就 512 位元組就是全部作業系統內容了？ 這是一個好問題，512 個位元組確實幹不了啥，現在的作業系統怎麼也得按 M 為單位算吧，512 個位元組遠遠不夠呢，那是怎麼回事呢？ 其實我們可以按照之前的思路猜測，BIOS 用很少的程式碼就把 512 位元組的啟動區內容載入到了記憶體，並跳轉過去開始執行。那按照這個套路，這 512 位元組的啟動區程式碼，是不是也可以把更多磁碟中儲存的作業系統程式，載入到記憶體的某個位置，然後跳轉過去呢？ 沒錯，就是這個套路。**所以 BIOS 負責載入了啟動區，而啟動區又負責載入真正的作業系統核心**，這配合默契吧？ 由於用於啟動盤的磁碟是人家寫作業系統的廠商製作的，俗稱制作啟動盤，所以他也肯定知道作業系統的核心程式碼儲存在磁碟的哪個扇區，因此啟動區就把這個扇區，以及之後的好多好多扇區（具體取決於作業系統有多大）都讀到記憶體中，然後跳轉到開始的程式開始的位置。跳轉到哪裡呢？這個就不像 0x7c00 這個數那麼經典了，不同的作業系統肯定也不一樣，也不用事先規定好，反正寫作業系統的人給自己定一個就好了，別覆蓋其他關鍵裝置用到的區域就好。 ## 八、作業系統核心寫了啥 好了現在經過好幾輪跳跳跳，終於跳到核心程式碼啦，我們來一起回顧一下： 1. 按下開機鍵，CPU 將 PC 暫存器的值強制初始化為 0xffff0，這個位置是 BIOS 程式的入口地址（一跳） 2. 該入口地址處是一個跳轉指令，跳轉到 0xfe05b 位置，開始執行（二跳） 3. 執行了一些硬體檢測工作後，最後一步將啟動區內容載入到記憶體 0x7c00，並跳轉到這裡（三跳） 4. 啟動區程式碼主要是載入作業系統核心，並跳轉到載入處（四跳） 經過這連續的四次跳躍，終於來到了作業系統的世界了，剩下的內容，可以說是整個作業系統課程所講述的原理，分段、分頁、建立中斷、裝置驅動、記憶體管理、程序管理、檔案系統、使用者態介面等等。 這些名次在作業系統的課程中你可能都或多或少聽過，如果你好好學了的話也一定知道大概的原理，不過像筆者這樣從頭到尾研讀過 linux 核心原始碼的硬核狗來說，這些概念不只是書本上枯燥無味的概念，而是活靈活現在作業系統的每一行程式碼上，有的展現了作者無比的智慧，有的讓我看到了作者由於硬體設定不得已做出的屈服，建議你也找時間讀一讀，與我交流一下感悟哈哈。 ## 九、參考資料 好了，這回我真的要結束了，相信如果你真的看完了全文，計算機的啟動過程，可以說有了比較具象的瞭解。如果你想深入細節，也就是了解整個過程的每一點，那可要下功夫了。 初學者推薦兩本書籍，可以順序閱讀，祝你入坑： - 《30 天自制作業系統》 - 《作業系統真象