x86计算机启动过程分析

x86计算机启动过程分析

 

 

计算机的加电和复位

       在处理器的众多引脚中，有一个RESET引脚，用于接受复位信号。每当处理器加电，或者RESET引脚的电平由低变高时，处理器都会执行一个硬件初始化以及一个可选的内部自测试，然后将所有寄存器的内容初始化到一个预置的状态。比如对于Intel8086来说，将CS寄存器初始化为０xFFFF，其他所有寄存器的内容都为0x0000，包括指令指针寄存器(IP)。

处理器的主要功能就是取指令和执行指令。加电或复位后，它就会立即尝试去做这样的工作。不过，在这个时候，内存中还没有任何有意义的指令，它该怎么办？

计算机的存储结构

 

       对于Intel8086来说，它有20根地址线，可访问的空间范围为１MB。范围为0x00000～0xFFFFF，处于各方面考虑，计算机系统设计者将这１MB的空间从物理上分为不同部分。如图，0x00000～0x9FFFF分配给内存条，即我们所熟知的内存，即SDRAM。0xF0000～0xFFFFF为BIOS芯片，即ROM。另外细心的读者可以发现，两者之间还空闲一部分区域，即从0xA0000～0xEFFFF的空间。这部分空间分配给了其他的物理部件，比如显存之类的板卡。

      由于SDRAM存储的数据掉电即失，而ROM存储的数据能长时间保存，掉电也不失，我们根据ROM的特性，将一些程序指令固化在ROM中。使处理器加电后自动执行。不能让处理器饿着，聪明的人类总会有办法让它自己觅食的。所以，计算机开机后，根据CS：IP的初始化值，计算机找到0xFFFF＊16＋０，即0xFFFF0处的指令执行。这里通常是一个跳转指令，原因是处理器执行时，IP的值是自动增长的，访存空间最多到0xFFFFF，所以程序最多再访问１６字节的空间就到达存储器尽头了。

      程序通常还是跳转到ROM中运行，进行硬件的监测，诊断，初始化。它还包括一套软件流程，包括读取从外围键盘输入的数据，显示硬件状况。由于这片ROM完成的是最基本的必备功能，所以得名BIOS（即Basic　Input　＆　Output　System），BIOS的容量是有限的，在完成最基本的功能后，接下来要做的，就是从辅存（一般是硬盘）读取指令数据到内存条，然后跳转到内存条的地址空间执行。

 

硬盘中的数据是什么？

硬盘中存放的就是我们的操作系统，一般位于C盘。BIOS会从硬盘的第一扇区，读取512字节的数据到内存的0x0000:0x7c00位置。这512字节就是大名鼎鼎的主引导扇区，即Bootloader。Bootloader将有关操作系统更详细的信息，读取到内存中来，例如全局描述符表。完成配置后，CPU使用权移交给操作系统。至此，操作系统登场。回顾以下整个过程，CPU的使用权好像接力棒一样从BIOS到Bootloader,再从Bootloader到操作系统。

 

总结

如何快速掌握操作系统启动流程呢，我认为以下几点最重要：1.复位后，处理器从哪里执行，即IP指向哪里；2.内存有多大，地址空间从哪里到哪里；3.操作系统存储在什么地方，如何加载操作系统到内存；4.加载操作系统后，内存中的各个段怎么管理。不同的处理器设计不同，所以上述方法也不同。比如ARM架构的处理器，就有ARM的方法。所以，学习操作系统过程中，最主要关注的不是技术，而是结合硬件特性来采取合适的解决方法，万变不离其宗。