操作系统的启动过程详解

1.先有鸡还是先有蛋

什么是操作系统？定义有很多，我最喜欢的定义就是：操作系统是管理底层硬件资源，并为上层软件提供服务的软件。说到底操作系统就是一个C语言程序，这个C语言程序能启动和终止其他软件程序。那么问题来了，操作系统这个C程序又是怎么启动的，这个问题很像先有鸡还是先有蛋的问题，好像永远陷入了死循环。

2.什么是MBR

想要知道答案还得要了解一些计算机组成原理的知识。第一个要解决的问题是什么是MBR。

先来看看磁盘的组成原理。磁盘的组成主要有盘片、机械手臂、磁头与主轴马达所组成， 而数据的写入其实是在盘片上面。盘片上面又可细分出扇区与磁道两种单位， 其中扇区的物理量设计有两种大小，分别是 512字节与 4K字节（高级磁盘）。那么是否每个扇区都一样重要呢？其实整个磁盘的第一个扇区特别的重要，因为他记录了整个磁盘的重要信息，第一个扇区也叫主引导扇区。它在硬盘上的三维地址为（磁盘，磁道，扇区）这个三元组。这个三元组和我们的逻辑地址会有一个一对一的映射关系。

主引导扇区由三部分构成：

• 主引导记录（Master Boot Record, MBR）: 可以安装开机管理程序，有446字节。
• 磁盘分区表（Disk Partition Table, DPT）: 记录整个磁盘分区状态，有64 字节。
• 主引导扇区结束标志（MN） 0XAA55, 有2字节 。

446+64+2=512字节。所以MBR（Master Boot Record）主引导记录的作用就是安装启动引导程序的地方，并且MBR的位置就是（0，0，1）。

这里是一些扩展部分，可以不看。
由于分区表所在区块仅有64 字节容量，因此最多仅能有四组记录区，每组记录区记录了该区段的启始与结束的柱面号码，四个分区的大小可以不一样， 这四个分区的被称为主要分区或扩展分区。重点来了，第一个分区存放了主引导扇区的内容和一些数据内容，这没话说。那么就还剩三个分区可以使用，如果第二个分区和第三个分区被使用后，那么最后一个分区就是扩展分区。注意主要分区可以被格式化，但是扩展分区不能被格式化。扩展分区可以分成很多更小的分区，这些小分区叫逻辑分区，逻辑分区可以被格式化。

3.BIOS基本原理

BIOS是一个写入到主板上的一个固件（ 固件就是写入到硬件上的一个软件程序）。BIOS就是在开机的时候，计算机系统会主动执行的第一个程序。接下来BIOS会去分析计算机里面有哪些硬件设备，并进行硬件自检，如果硬件接口不匹配就会报错。之后BIOS会在硬盘中查找启动设备，并且到硬盘里面去读取第一个扇区的MBR位置。 MBR这个仅有446 字节的硬盘容量里面会放置最基本的开机管理程序，此时BIOS就功成圆满，而接下来就是MBR内的开机管理程序的工作了。这个开机管理程序的目的是在加载核心文件，由于开机管理程序是操作系统在安装的时候所提供的，所以他会认识硬盘内的文件系统格式，因此就能够读取核心文件。这个核心文件就是操作系统内核， 然后接下来核心文件加载成功意味着操作系统成功启动，BIOS将硬件的控制权交给操作系统。

4.BIOS深入理解

看完前面的BIOS基本原理，大部分人基本上还是一头雾水，为什么BIOS就是计算机执行的第一个程序？BIOS这个程序里面写了什么？等等一系列问题。

要解释这些问题需要有一些前置知识，我总不可能从原子组成分子开始讲起吧。这些前置知识就是：

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，是一个无情的执行指令的机器。
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。

以上知识就是计算机组成原理的一些基本知识，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。

先来理解一下内存映射，CPU 地址总线的宽度决定了可访问的内存空间的大小。32 位的 CPU 地址总线宽度为 32 位，地址范围是 4G。64 位的 CPU 地址总线宽度为 64 位，理论上地址范围是16384PB 或16777216TB。但实际上很多64位CPU使用40位地址线,最大寻址空间仅为1TB。

但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 。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，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。

小总结：就是当你按下电源键的那一刻，整台计算机的硬件开始通电，硬件上的固件就映射到内存当中。以磁盘为例，磁盘上的BIOS这个固件被映射到的内存位置为0xC0000 - 0xFFFFF 。0xFFFFF-0xC0000=256kB。这个256KB的固件程序包括了显卡BIOS、IDE控制器BIOS和最重要的系统BIOS。其中，系统BIOS在内存的 0xF0000 - 0xFFFFF位置。

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，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。

小总结：在你开机的一瞬间，CPU通电之后，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。

上面就分析完了BIOS程序是如何映射到内存以及CPU是如何知道BIOS程序在内存中的位置。

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？我们先来简单分析一下，你看系统BIOS程序的入口地址是 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。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。

5.0x7c00 是啥

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？

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。 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。

注释：看看第二段的内容，有一句话是“主引导扇区结束标志（MN） 0XAA55, 有2字节”，但刚刚又说“BIOS如果读取到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。”好像写反了，但其实并没有，因为机器使用的是小端法。现在Intel和arm系列的处理器使用的是小端法；IBM,sun系列的处理器使用的是大端法。

BIOS 找到了这个启动区之后干嘛呢？当然是把这 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。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 的使命也就结束了。所以复制完之后，接下来应该是一个跳转指令，PC 寄存器的值变为 0x7c00，指令开始从这里执行。

对了，现在似乎就剩下一个问题了，为什么非要是 0x7c00 呢？这个问题答案也很简单，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。正因为 BIOS 将启动区的代码加载到了0x7c00，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。

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。

6.总结

现在经过好几轮跳跳跳，终于跳到内核代码，我们来回顾一下：

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，操作系统就成功启动了。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、TCP\IP协议栈等等。