計算機系統引導過程

zhushoucheng發表於2021-05-01
計算機

從BIOS啟動到Kernel載入

大家天天使用電腦，有沒有想過整個系統是如何啟動的？從你按下電源鍵，到顯示登入介面，中間究竟經歷了什麼?

本文主要講述載入計算機核心系統的全過程，主要參考了MIT 6.828lab1實驗以及其他參考資料。某些地址、行為在不同計算機上可能不同，這裡僅用JOS系統做例子，重要的是理解整個過程。

-----------------------------------記憶體示意--------------------------------------
    
+------------------+  <- 0x00100000 (1MB)
|     BIOS ROM     |  <- 0x000FFFF0 (BIOS起始地址)
+------------------+  <- 0x000F0000 (960KB)
|  16-bit devices, |
|  expansion ROMs  |
+------------------+  <- 0x000C0000 (768KB)
|   VGA Display    |
+------------------+  <- 0x000A0000 (640KB)
|                  |
|    Low Memory    |  <- 0x00007C00 (Boot Loader將要載入的地址)
|                  |
+------------------+  <- 0x00000000

第一步 從BIOS開始

首先，我們必須知道，程式只有載入到記憶體中後，才能被使用。由於某些歷史原因，計算機在開機時執行於真實模式下，真實模式採用16位定址模式，最大定址空間為1MB，即在真實模式下，CPU僅能訪問到1MB的記憶體地址，而BIOS就被固化在這1MB中（實際會更復雜一些，BIOS儲存在可讀寫ROM中，通過硬接線到實體地址0x000f0000-0x000fffff）。

CPU硬體邏輯設計為在加電瞬間強行將CS值置為0XF000，IP為0XFFF0。該CS:IP地址正是BIOS程式的入口地址。所以，一旦接通電源，計算機將從BIOS指令開始執行。

  1. BIOS首先對機器進行加電自檢（POST），目的是檢查電腦各部件是否良好，包括載入顯示卡、檢查記憶體總量等操作。
  2. 而後，BIOS將開始初始化工作，主要是設定中斷向量表、對外部裝置進行一些初始化和檢查工作。
  3. 完成一系列初始化工作後，BIOS將磁碟中的第一個扇區載入到記憶體中（放在 0x7c00-0x7dff 處），該扇區為引導扇區，儲存著Boot Loader程式（載入程式）。之後，BIOS使用跳轉指令到0x7c00（Boot Loader程式入口）處，將計算機的控制權交給Boot Loader程式，由其繼續進行Kernel的引導。

第二步 Boot Loader載入Kernel

在JOS中，Boot Loader包括boot.S彙編程式和main.c兩個部分

BIOS使用跳轉指令後，來到0x7c00,即boot.S的入口。

boot.S主要是將處理器從真實模式轉換到 32 位的保護模式，讓CPU可以訪問到1MB以上的記憶體區域

  1. 首先，初始化常用暫存器
  2. 而後，開啟A20地址線，讓程式可以訪問1MB以上的記憶體地址。
  3. 載入全域性描述符表，開啟保護模式
  4. 跳轉到main.c程式地址，執行bootmain函式

bootmain函式負責從硬碟中將kernel讀入到記憶體之中。如何讀取的呢？首先，bootmain從第一個扇區開始讀入4K資料（引導扇區一般稱為第0個扇區），該資料為ELF頭和程式頭表，儲存著整個Kernel的地址、格式資訊，獲得了一系列資訊後，按表中資料將核心讀入到記憶體0x00100000中。至此核心已經被轉載至記憶體中。最後，bootmain函式跳轉到Kernel的入口處，將計算機控制權交給核心。

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