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闪客sun Python猫 2021-03-15
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剧照:恶魔城

作者:闪客sun
来源:低并发编程

本讲只为讲明白下面一个问题:

我们按下开机键后究竟发生了什么?

好的,这似乎是好多人都特别想搞明白的一个问题,有时候非常纳闷,为什么一个看似这么简单的问题,就是搜不到一个直面问题的答案呢?

好问题,我也不知道为什么会这样,但我猜是因为:

  • 其一,似懂非懂的人太多,他们其实也不知道究竟发生了什么,所以只能模糊大概地说一些教科书上的话。
  • 其二,知道这个答案的人一定是大牛,大牛要么不回答这个问题,要么就不会简单地回答这个问题。而我呢,自认为刚好处于两者之间,现在又特别想把自己知道的分享出来,所以你在这里找到了答案。

我想当你探寻这个问题的答案时,搜到的大多数是这样的描述:

BIOS 按照“启动顺序”,把控制权转交给排在第一位的存储设备:硬盘。然后在硬盘里寻找主引导记录的分区,这个分区告诉电脑操作系统在哪里,并把操作系统被加载到内存中,然后你就能看到经典的启动界面了,这个开机过程也就完成了。

这种描述简直太魔幻了,为什么是 BIOS 主导这一切?怎么叫按照启动顺序?这个分区咋就被加载到内存了,又咋告诉电脑操作系统在哪里了?我无法忍受这样的魔幻描述,我非要把它说得清清楚楚。

首先学一个东西,一定要有一个前置的知识,我们把它当做已知的,我不可能从原子组成分子开始讲原理。那学习计算机启动过程的前置知识是什么呢?我要求你已知以下几点:

  1. 内存是存储数据的地方,给出一个地址信号,内存可以返回该地址所对应的数据。
  2. CPU 的工作方式就是不断从内存中取出指令,并执行。
  3. CPU 从内存的哪个地址取出指令,是由一个寄存器中的值决定的,这个值会不断进行 +1 操作,或者由某条跳转指令指定其值是多少。

好了,只需要知道这三点前置知识,你就能专业地解释计算机的启动过程了。

一、为什么是 BIOS 主导?

都说开机后,BIOS 就开始运行自己的程序了,又硬件自检,又加载启动区的。我就不服了,为什么开机后是执行 BIOS 里的程序?为啥不是内存里的?为啥不是硬盘里的?

好的,不要怀疑前置知识,CPU 的工作方式,就是不断从内存中取指令并执行,那为什么会说是执行 BIOS 里的程序呢?这就不得不说说内存映射了。

二、内存映射

CPU 地址总线的宽度决定了可访问的内存空间的大小。比如 16 位的 CPU 地址总线宽度为 20 位,地址范围是 1M。32 位的 CPU 地址总线宽度为 32 位,地址范围是 4G。你可以算算我们现在的 64 位机的地址范围。

可是,可访问的内存空间这么大,并不等于说全都给内存使用,也就是说寻址的对象不只有内存,还有一些外设也要通过地址总线的方式去访问,那怎么去访问这些外设呢?就是在地址范围中划出一片片的区域,这块给显存使用,那块给硬盘控制器使用,等等 。

这样说,其实就不符合我们的前置知识了,所以可以有一种不太正确的理解方式,那就是内存中的这块位置就是显存,那块位置就是硬盘控制器。我们在相应的位置上读取或者写入,就相当于在显存等外设的相应位置上读取或者写入,就好像这些外设的存储区域,被映射到了内存中的某一片区域一样。这样我们就不用管那些外设啦,关注点仍然是一个简简单单的内存。这就是所谓的内存映射

太好了,现在又用简单的前置知识就能解释得通了,我们继续往下推。

三、实模式下的内存分布

刚刚说到内存中划分出了一片一片区域给各种外设,那么问题自然就来了,哪块区域,分给了哪块外设了呢?如果是规定,那应该有一张表比较好吧。嗯没错,还真有,它就是实模式下的内存分布,笔者给它画了一张图:

在这里插入图片描述

哎哟我真是个小天使,把比例都表现出来了,网上能再找出比我这个更直观的请给我留言。实模式之后再解释,现在简单理解就是计算机刚开机的时候只有 1M 的内存可用。

我们看到,内存被各种外设瓜分了,即映射在了内存中。BIOS 更狠,不但其空间被映射到了内存 0xC0000 - 0xFFFFF 位置,其里面的程序还占用了开头的一些区域,比如把中断向量表写在了内存开始的位置,真所谓先到先得啊。

四、怎么就从 BIOS 里的程序开始执行了

好了,现在我们知道 BIOS 里的信息被映射到了内存 0xC0000 - 0xFFFFF 位置,其中最为关键的系统 BIOS 被映射到了 0xF0000 - 0xFFFFF 位置。假如我现在说,CPU 开机就是执行了这块区域的代码,然后巴拉巴拉一顿操作就开机了,你肯定要喷我了,为什么就执行到这了呢,那咋不从头开始执行?

这就自然有了一种猜想,我们要用到另一个前置知识了,就是 CPU 从内存的哪个位置取出执行并执行呢?是 PC 寄存器中的地址值。BIOS 程序的入口地址也就是开始地址是 0xFFFF0(人家就那么写的),也就是开机键一按下,一定有一个神奇的力量,将 pc 寄存器中的值变成 0xFFFF0,然后 CPU 就开始马不停蹄地跑了起来。没错,接下来这句话,可能就是你找了很久的答案,请做好准备:

在你开机的一瞬间,CPU 的 PC 寄存器被强制初始化为 0xFFFF0。如果再说具体些,CPU 将段基址寄存器 cs 初始化为 0xF000,将偏移地址寄存器 IP 初始化为 0xFFF0,根据实模式下的最终地址计算规则,将段基址左移 4 位,加上偏移地址,得到最终的物理地址也就是抽象出来的 PC 寄存器地址为 0xFFFF0。

当我在学习这段知识时,看到这句话才让将我心里积压了很久的疑惑解开,多么简单粗暴的道理啊。写到这里我也是长舒了一口气,因为剩下的过程,就几乎只是流水账一样的正推了。

至于怎么强制初始化的,我觉得就越过了前置知识的边界了,况且各个厂商的硬件实现也不一定相同,有很多办法,也很简单。讨论起来意义就不大了。

五、BIOS 里到底写了什么程序

好了,我们现在知道了 BIOS 被映射到了内存的某个位置,并且开机一瞬间 CPU 强制将自己的 pc 寄存器初始化为 BIOS 程序的入口地址,从这里开始 CPU 马不停蹄地向前跑了起来。那接下来的问题似乎也非常自然地就问出来了,那就是 BIOS 程序里到底写了啥?

把 BIOS 程序里的二进制信息全贴出来也不合适,我们分析一些主要的。我们首先还是来猜测,你看入口地址是 0xFFFF0,说明程序是从这执行的。实模式下内存的下边界就是 0xFFFFF,也就是只剩下 16 个字节的空间可以写代码了,这够干啥的呢?如果你有心的话应该能猜出,入口地址处可能是个跳转指令,跳到一个更大范围的空间去执行自己的任务。没错就是这样,0xFFFF0 处存储的机器指令,翻译成汇编语言是:

jmp far f000:e05b

意思是跳转到物理地址 0xfe05b 处开始执行(回忆下前面说的实模式下的地址计算方式)。

地址 0xfe05b 处开始,便是 BIOS 真正发挥作用的代码了,这块代码会检测一些外设信息,并初始化好硬件,建立中断向量表并填写中断例程。这里的部分不要展开,这只是一段写死的程序而已,而且对理解开机启动过程无帮助,我们看后面精彩的部分,也就是 BIOS 的最后一项工作:加载启动区

六、0x7c00 是啥

该较真的地方就是要较真,我绝对不会让加载这种魔幻的词出现在这里,我们现在就来把它拆解成人话。

其实这个词也并不魔幻,加载在计算机领域就是指,把某设备上(比如硬盘)的程序复制到内存中的过程。那加载启动区这个过程,翻译过来就是,BIOS 程序把启动区的内容复制到了内存中的某个区域。好了,问题又自然出来了,启动区是哪里?被复制到了内存的哪个位置?然后呢?我们一个个来回答。

什么是启动区呢?即使你不知道,你也应该能够猜到,一定是符合某种特征的一块区域,于是人们把它就叫做启动区了,那要符合什么特征呢?先不急,不知道你有没有过设置 BIOS 启动顺序的经历,通常有 U 盘启动、硬盘启动、软盘启动、光盘启动等等,BIOS 会按照顺序,读取这些启动盘中位于 0 盘 0 道 1 扇区的内容

至于磁盘格式的划分,本篇就不做讲解了,总之对于内存,我们给出一个数字地址就能获取到该地址的数据,而对于磁盘,我们需要给出磁头、柱面、扇区这三个信息才能定位某个位置的数据,都是描述位置的一种方式而已。

接着说, 这 0 盘 0 道 1 扇区的内容一共有 512 个字节,如果末尾的两个字节分别是 0x55 和 0xaa,那么 BIOS 就会认为它是个启动区。如果不是,那么按顺序继续向下个设备中寻找位于 0 盘 0 道 1 扇区的内容。如果最后发现都没找到符合条件的,那直接报出一个无启动区的错误。

BIOS 找到了这个启动区之后干嘛呢?哦,前面说过了是加载,就是把这 512 个字节的内容,一个比特都不少的全部复制到内存的 0x7c00 这个位置。怎么复制的?当然是指令啦。哪些指令呢?这里我只能简单说指令集中是有 in 和 out 的,用来将外设中的数据复制到内存,或者将内存中的数据复制到外设,用这两个指令,以及外设给我们提供的读取方式,就能做到这一点啦。

启动区内容此时已经被 BIOS 程序复制到了内存的 0x7c00 这个位置,然后呢?这个其实也不难猜测,启动区的内容就是我们自己写的代码了,复制到这里之后,就开始执行呗,之后我们的程序就接管了接下来的流程,BIOS 的使命也就结束啦。所以复制完之后,接下来应该是一个跳转指令吧!没错,正是这样,PC 寄存器的值变为 0x7c00,指令开始从这里执行。

咦?不知道你有没有发现,我们似乎不知不觉又把之前的一句魔法语言翻译成人话了,开头我们说:

BIOS 把控制权转交给排在第一位的存储设备。

所以这句话是什么意思呢?就是 BIOS 把启动区的 512 字节复制到内存的 0x7c00 位置,并且用一条跳转指令将 pc 寄存器的值指向 0x7c00。你看,这不是也没多几个字嘛,就把这个问题说得明明白白,简简单单。

哦,对了,现在似乎就剩下一个问题了,为什么非要是 0x7c00 呢?好问题,当然答案也很简单,那就是人家 BIOS 开发团队就是这样定的,之后也不好改了,不然不兼容。为什么不好改?我们看一个简单的启动区 512 字节的代码。(代码摘抄自《30 天自制操作系统》)

; hello-os
; TAB=4

  ORG  0x7c00   ;程序加载到内存的 0x7c00 这个位置

;程序主体

entry:
  MOV  AX,0   ;初始化寄存器
  MOV  SS,AX
  MOV  SP,0x7c00
  MOV  DS,AX   ;段寄存器初始化为 0
  MOV  ES,AX
  MOV  SI,msg
putloop:
  MOV  AL,[SI]
  ADD  SI,1
  CMP  AL,0   ;如果遇到 0 结尾的,就跳出循环不再打印新字符
  JE  fin
  MOV  AH,0x0e   ;指定文字
  MOV  BX,15   ;指定颜色
  INT  0x10   ;调用 BIOS 显示字符函数
  JMP  putloop
fin:
  HLT
  JMP  fin
msg:
  DB  0x0a,0x0a  ;换行、换行
  DB  "hello-os"
  DB  0x0a   ;换行
  DB  0    ;0 结尾

  RESB 0x7dfe-$   ;填充0到512字节
  DB 0x55, 0xaa   ;可启动设备标识

我们看第一行:

ORG  0x7c00

这个数字就是刚刚说的启动区加载位置,这行汇编代码简单说就表示把下面的地址统统加上 0x7c00。正因为 BIOS 将启动区的代码加载到了这里,因此有了一个偏移量,所以所有写启动区代码的人就需要在开头写死一个这样的代码,不然全都串位了。

然后正因为所有写操作系统的,启动区的第一行汇编代码都写死了这个数字,那 BIOS 开发者最初定的这个数字就不好改了,否则它得挨个联系各个操作系统的开发厂商,说唉我这个地址改一下哈,你们跟着改改。在公司推动另一个团队改个代码都得大费周折,想想看这样的推动得耗费多大人力。况且即使改了,之前的代码也都不兼容了,这不得被人们骂死啊。

再看最后一行:

DB 0x55, 0xaa

这也验证了我们之前说的这 512 字节的最后两个字节得是 0x55 0xaa,BIOS 才会认为它是一个启动区,才会去加载它,仅此而已。

回过头来说 0x7c00 这个值,它其实就是一个规定死的值,但还是会有人问,那必然有它的合理性吧。其实,我的解释也只能说是人家规定了这个值,后人们替他们解释这个合理性,并不是说当初人家就一定是这样想的,就好比我们做语文的阅读理解题一样。

第一个 BIOS 开发团队是 IBM PC 5150 BIOS,当时被认为的第一个操作系统是 DOS 1.0 操作系统,BIOS 团队就假设是为它服务的。但操作系统还没出,BIOS 团队假设其操作系统需要的最小内存为 32 KB。BIOS 希望自己所加载的启动区代码尽量靠后,这样比较“安全”,不至于过早的被其他程序覆盖掉。可是如果仅仅留 512 字节又感觉太悬了,还有一些栈空间需要预留,那扩大到 1 KB 吧。这样 32 KB 的末尾是 0x8000,减去 1KB(0x400) ,刚好等于 0x7c00。哇塞,太精准了,这可以是一种解释方式。

七、启动区里的代码写了啥

其实写到这,我这篇文章就应该戛然而止了,因为最初的那个问题已经解决了,CPU 已经开始马不停蹄地从我们预期的位置跑起来了,万事开头难,剩下的内容,就是操作系统想怎么玩就怎么玩了。

但我觉得还不够味,似乎还有些问题萦绕在你脑海里。比如说这个问题:

启动区里的代码写了啥?就 512 字节就是全部操作系统内容了?

这是一个好问题,512 个字节确实干不了啥,现在的操作系统怎么也得按 M 为单位算吧,512 个字节远远不够呢,那是怎么回事呢?

其实我们可以按照之前的思路猜测,BIOS 用很少的代码就把 512 字节的启动区内容加载到了内存,并跳转过去开始执行。那按照这个套路,这 512 字节的启动区代码,是不是也可以把更多磁盘中存储的操作系统程序,加载到内存的某个位置,然后跳转过去呢?

没错,就是这个套路。所以 BIOS 负责加载了启动区,而启动区又负责加载真正的操作系统内核,这配合默契吧?

由于用于启动盘的磁盘是人家写操作系统的厂商制作的,俗称制作启动盘,所以他也肯定知道操作系统的核心代码存储在磁盘的哪个扇区,因此启动区就把这个扇区,以及之后的好多好多扇区(具体取决于操作系统有多大)都读到内存中,然后跳转到开始的程序开始的位置。跳转到哪里呢?这个就不像 0x7c00 这个数那么经典了,不同的操作系统肯定也不一样,也不用事先规定好,反正写操作系统的人给自己定一个就好了,别覆盖其他关键设备用到的区域就好。

八、操作系统内核写了啥

好了现在经过好几轮跳跳跳,终于跳到内核代码啦,我们来一起回顾一下:

  1. 按下开机键,CPU 将 PC 寄存器的值强制初始化为 0xffff0,这个位置是 BIOS 程序的入口地址(一跳)
  2. 该入口地址处是一个跳转指令,跳转到 0xfe05b 位置,开始执行(二跳)
  3. 执行了一些硬件检测工作后,最后一步将启动区内容加载到内存 0x7c00,并跳转到这里(三跳)
  4. 启动区代码主要是加载操作系统内核,并跳转到加载处(四跳)

经过这连续的四次跳跃,终于来到了操作系统的世界了,剩下的内容,可以说是整个操作系统课程所讲述的原理,分段、分页、建立中断、设备驱动、内存管理、进程管理、文件系统、用户态接口等等。

这些名词在操作系统的课程中你可能都或多或少听过,如果你好好学了的话也一定知道大概的原理,不过像笔者这样从头到尾研读过 linux 内核源码的硬核狗来说,这些概念不只是书本上枯燥无味的概念,而是活灵活现在操作系统的每一行代码上,有的展现了作者无比的智慧,有的让我看到了作者由于硬件设定不得已做出的屈服。

如果这篇文章提起了你对操作系统的好奇心,建议你也找时间读一读,和我一起入坑,你会发现一个新世界的大门向你打开了

九、参考资料

好了,这回我真的要结束了,相信如果你真的看完了全文,计算机的启动过程,可以说有了比较具象的了解。如果你想深入细节,也就是了解整个过程的每一点,那可要下功夫了。

初学者推荐两本书籍,可以顺序阅读,祝你入坑:

  • 《30 天自制操作系统》
  • 《操作系统真象还原》
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