全网最硬核讲解计算机的启动过程
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2020-12-30 16:35
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：
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。 CPU 的工作方式就是不断从内存中取出指令，并执行。 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：
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：
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） 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） 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） 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。
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