按下開機(jī)鍵后的 4.98 秒……
以下文章來源于低并發(fā)編程?，作者閃客sun
本講只為講明白下面一個(gè)問題：
我們按下開機(jī)鍵后究竟發(fā)生了什么？
好的，這似乎是好多人都特別想搞明白的一個(gè)問題，有時(shí)候非常納悶，為什么一個(gè)看似這么簡(jiǎn)單的問題，就是搜不到一個(gè)直面問題的答案呢？
好問題，我也不知道為什么會(huì)這樣，但我猜是因?yàn)椋?/p>
其一，似懂非懂的人太多，他們其實(shí)也不知道究竟發(fā)生了什么，所以只能模糊大概地說一些教科書上的話。
其二，知道這個(gè)答案的人一定是大牛，大牛要么不回答這個(gè)問題，要么就不會(huì)簡(jiǎn)單地回答這個(gè)問題。而我呢，自認(rèn)為剛好處于兩者之間，現(xiàn)在又特別想把自己知道的分享出來，所以你在這里找到了答案。
我想當(dāng)你探尋這個(gè)問題的答案時(shí)，搜到的大多數(shù)是這樣的描述：
BIOS 按照“啟動(dòng)順序”，把控制權(quán)轉(zhuǎn)交給排在第一位的存儲(chǔ)設(shè)備：硬盤。然后在硬盤里尋找主引導(dǎo)記錄的分區(qū)，這個(gè)分區(qū)告訴電腦操作系統(tǒng)在哪里，并把操作系統(tǒng)被加載到內(nèi)存中，然后你就能看到經(jīng)典的啟動(dòng)界面了，這個(gè)開機(jī)過程也就完成了。
這種描述簡(jiǎn)直太魔幻了，為什么是?BIOS?主導(dǎo)這一切？怎么叫按照啟動(dòng)順序？這個(gè)分區(qū)咋就被加載到內(nèi)存了，又咋告訴電腦操作系統(tǒng)在哪里了？我無法忍受這樣的魔幻描述，我非要把它說得清清楚楚。
首先學(xué)一個(gè)東西，一定要有一個(gè)前置的知識(shí)，我們把它當(dāng)做已知的，我不可能從原子組成分子開始講原理。那學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)啟動(dòng)過程的前置知識(shí)是什么呢？我要求你已知以下幾點(diǎn)：
內(nèi)存是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的地方，給出一個(gè)地址信號(hào)，內(nèi)存可以返回該地址所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。
CPU 的工作方式就是不斷從內(nèi)存中取出指令，并執(zhí)行。
CPU 從內(nèi)存的哪個(gè)地址取出指令，是由一個(gè)寄存器中的值決定的，這個(gè)值會(huì)不斷進(jìn)行 +1 操作，或者由某條跳轉(zhuǎn)指令指定其值是多少。
好了，只需要知道這三點(diǎn)前置知識(shí)，你就能專業(yè)地解釋計(jì)算機(jī)的啟動(dòng)過程了。
一、為什么是 BIOS 主導(dǎo)？
都說開機(jī)后，BIOS 就開始運(yùn)行自己的程序了，又硬件自檢，又加載啟動(dòng)區(qū)的。我就不服了，為什么開機(jī)后是執(zhí)行 BIOS 里的程序？為啥不是內(nèi)存里的？為啥不是硬盤里的？
好的，不要懷疑前置知識(shí)，CPU 的工作方式，就是不斷從內(nèi)存中取指令并執(zhí)行，那為什么會(huì)說是執(zhí)行 BIOS 里的程序呢？這就不得不說說內(nèi)存映射了。
二、內(nèi)存映射
CPU 地址總線的寬度決定了可訪問的內(nèi)存空間的大小。比如 16 位的 CPU 地址總線寬度為 20 位，地址范圍是 1M。32 位的 CPU 地址總線寬度為 32 位，地址范圍是 4G。你可以算算我們現(xiàn)在的 64 位機(jī)的地址范圍。
可是，可訪問的內(nèi)存空間這么大，并不等于說全都給內(nèi)存使用，也就是說尋址的對(duì)象不只有內(nèi)存，還有一些外設(shè)也要通過地址總線的方式去訪問，那怎么去訪問這些外設(shè)呢？就是在地址范圍中劃出一片片的區(qū)域，這塊給顯存使用，那塊給硬盤控制器使用，等等 。
這樣說，其實(shí)就不符合我們的前置知識(shí)了，所以可以有一種不太正確的理解方式，那就是內(nèi)存中的這塊位置就是顯存，那塊位置就是硬盤控制器。我們?cè)谙鄳?yīng)的位置上讀取或者寫入，就相當(dāng)于在顯存等外設(shè)的相應(yīng)位置上讀取或者寫入，就好像這些外設(shè)的存儲(chǔ)區(qū)域，被映射到了內(nèi)存中的某一片區(qū)域一樣。這樣我們就不用管那些外設(shè)啦，關(guān)注點(diǎn)仍然是一個(gè)簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單的內(nèi)存。這就是所謂的內(nèi)存映射。
太好了，現(xiàn)在又用簡(jiǎn)單的前置知識(shí)就能解釋得通了，我們繼續(xù)往下推。
三、實(shí)模式下的內(nèi)存分布
剛剛說到內(nèi)存中劃分出了一片一片區(qū)域給各種外設(shè)，那么問題自然就來了，哪塊區(qū)域，分給了哪塊外設(shè)了呢？如果是規(guī)定，那應(yīng)該有一張表比較好吧。嗯沒錯(cuò)，還真有，它就是實(shí)模式下的內(nèi)存分布，筆者給它畫了一張圖：
哎喲我真是個(gè)小天使，把比例都表現(xiàn)出來了，網(wǎng)上能再找出比我這個(gè)更直觀的請(qǐng)給我留言。實(shí)模式之后再解釋，現(xiàn)在簡(jiǎn)單理解就是計(jì)算機(jī)剛開機(jī)的時(shí)候只有 1M 的內(nèi)存可用。
我們看到，內(nèi)存被各種外設(shè)瓜分了，即映射在了內(nèi)存中。BIOS 更狠，不但其空間被映射到了內(nèi)存 0xC0000 - 0xFFFFF 位置，其里面的程序還占用了開頭的一些區(qū)域，比如把中斷向量表寫在了內(nèi)存開始的位置，真所謂先到先得啊。
四、怎么就從 BIOS 里的程序開始執(zhí)行了
好了，現(xiàn)在我們知道 BIOS 里的信息被映射到了內(nèi)存 0xC0000 - 0xFFFFF 位置，其中最為關(guān)鍵的系統(tǒng) BIOS 被映射到了 0xF0000 - 0xFFFFF 位置。假如我現(xiàn)在說，CPU 開機(jī)就是執(zhí)行了這塊區(qū)域的代碼，然后巴拉巴拉一頓操作就開機(jī)了，你肯定要噴我了，為什么就執(zhí)行到這了呢，那咋不從頭開始執(zhí)行？
這就自然有了一種猜想，我們要用到另一個(gè)前置知識(shí)了，就是 CPU 從內(nèi)存的哪個(gè)位置取出執(zhí)行并執(zhí)行呢？是 PC 寄存器中的地址值。BIOS 程序的入口地址也就是開始地址是 0xFFFF0（人家就那么寫的），也就是開機(jī)鍵一按下，一定有一個(gè)神奇的力量，將 pc 寄存器中的值變成 0xFFFF0，然后 CPU 就開始馬不停蹄地跑了起來。沒錯(cuò)，接下來這句話，可能就是你找了很久的答案，請(qǐng)做好準(zhǔn)備：
在你開機(jī)的一瞬間，CPU 的 PC 寄存器被強(qiáng)制初始化為 0xFFFF0。如果再說具體些，CPU 將段基址寄存器 cs 初始化為 0xF000，將偏移地址寄存器 IP 初始化為 0xFFF0，根據(jù)實(shí)模式下的最終地址計(jì)算規(guī)則，將段基址左移 4 位，加上偏移地址，得到最終的物理地址也就是抽象出來的 PC 寄存器地址為 0xFFFF0。
當(dāng)我在學(xué)習(xí)這段知識(shí)時(shí)，看到這句話才讓將我心里積壓了很久的疑惑解開，多么簡(jiǎn)單粗暴的道理啊。寫到這里我也是長(zhǎng)舒了一口氣，因?yàn)槭Ｏ碌倪^程，就幾乎只是流水賬一樣的正推了。
至于怎么強(qiáng)制初始化的，我覺得就越過了前置知識(shí)的邊界了，況且各個(gè)廠商的硬件實(shí)現(xiàn)也不一定相同，有很多辦法，也很簡(jiǎn)單。討論起來意義就不大了。
五、BIOS 里到底寫了什么程序
好了，我們現(xiàn)在知道了 BIOS 被映射到了內(nèi)存的某個(gè)位置，并且開機(jī)一瞬間 CPU 強(qiáng)制將自己的 pc 寄存器初始化為 BIOS 程序的入口地址，從這里開始 CPU 馬不停蹄地向前跑了起來。那接下來的問題似乎也非常自然地就問出來了，那就是 BIOS 程序里到底寫了啥？
把 BIOS 程序里的二進(jìn)制信息全貼出來也不合適，我們分析一些主要的。我們首先還是來猜測(cè)，你看入口地址是 0xFFFF0，說明程序是從這執(zhí)行的。實(shí)模式下內(nèi)存的下邊界就是 0xFFFFF，也就是只剩下 16 個(gè)字節(jié)的空間可以寫代碼了，這夠干啥的呢？如果你有心的話應(yīng)該能猜出，入口地址處可能是個(gè)跳轉(zhuǎn)指令，跳到一個(gè)更大范圍的空間去執(zhí)行自己的任務(wù)。沒錯(cuò)就是這樣，0xFFFF0 處存儲(chǔ)的機(jī)器指令，翻譯成匯編語言是：
意思是跳轉(zhuǎn)到物理地址 0xfe05b 處開始執(zhí)行（回憶下前面說的實(shí)模式下的地址計(jì)算方式）。
地址 0xfe05b 處開始，便是 BIOS 真正發(fā)揮作用的代碼了，這塊代碼會(huì)檢測(cè)一些外設(shè)信息，并初始化好硬件，建立中斷向量表并填寫中斷例程。這里的部分不要展開，這只是一段寫死的程序而已，而且對(duì)理解開機(jī)啟動(dòng)過程無幫助，我們看后面精彩的部分，也就是 BIOS 的最后一項(xiàng)工作：加載啟動(dòng)區(qū)。
六、0x7c00 是啥
該較真的地方就是要較真，我絕對(duì)不會(huì)讓加載這種魔幻的詞出現(xiàn)在這里，我們現(xiàn)在就來把它拆解成人話。
其實(shí)這個(gè)詞也并不魔幻，加載在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域就是指，把某設(shè)備上（比如硬盤）的程序復(fù)制到內(nèi)存中的過程。那加載啟動(dòng)區(qū)這個(gè)過程，翻譯過來就是，BIOS 程序把啟動(dòng)區(qū)的內(nèi)容復(fù)制到了內(nèi)存中的某個(gè)區(qū)域。好了，問題又自然出來了，啟動(dòng)區(qū)是哪里？被復(fù)制到了內(nèi)存的哪個(gè)位置？然后呢？我們一個(gè)個(gè)來回答。
什么是啟動(dòng)區(qū)呢？即使你不知道，你也應(yīng)該能夠猜到，一定是符合某種特征的一塊區(qū)域，于是人們把它就叫做啟動(dòng)區(qū)了，那要符合什么特征呢？先不急，不知道你有沒有過設(shè)置 BIOS 啟動(dòng)順序的經(jīng)歷，通常有 U 盤啟動(dòng)、硬盤啟動(dòng)、軟盤啟動(dòng)、光盤啟動(dòng)等等，BIOS 會(huì)按照順序，讀取這些啟動(dòng)盤中位于 0 盤 0 道 1 扇區(qū)的內(nèi)容。
至于磁盤格式的劃分，本篇就不做講解了，總之對(duì)于內(nèi)存，我們給出一個(gè)數(shù)字地址就能獲取到該地址的數(shù)據(jù)，而對(duì)于磁盤，我們需要給出磁頭、柱面、扇區(qū)這三個(gè)信息才能定位某個(gè)位置的數(shù)據(jù)，都是描述位置的一種方式而已。
接著說， 這 0 盤 0 道 1 扇區(qū)的內(nèi)容一共有 512 個(gè)字節(jié)，如果末尾的兩個(gè)字節(jié)分別是 0x55 和 0xaa，那么 BIOS 就會(huì)認(rèn)為它是個(gè)啟動(dòng)區(qū)。如果不是，那么按順序繼續(xù)向下個(gè)設(shè)備中尋找位于 0 盤 0 道 1 扇區(qū)的內(nèi)容。如果最后發(fā)現(xiàn)都沒找到符合條件的，那直接報(bào)出一個(gè)無啟動(dòng)區(qū)的錯(cuò)誤。
BIOS 找到了這個(gè)啟動(dòng)區(qū)之后干嘛呢？哦，前面說過了是加載，就是把這 512 個(gè)字節(jié)的內(nèi)容，一個(gè)比特都不少的全部復(fù)制到內(nèi)存的 0x7c00 這個(gè)位置。怎么復(fù)制的？當(dāng)然是指令啦。哪些指令呢？這里我只能簡(jiǎn)單說指令集中是有 in 和 out 的，用來將外設(shè)中的數(shù)據(jù)復(fù)制到內(nèi)存，或者將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)復(fù)制到外設(shè)，用這兩個(gè)指令，以及外設(shè)給我們提供的讀取方式，就能做到這一點(diǎn)啦。
啟動(dòng)區(qū)內(nèi)容此時(shí)已經(jīng)被 BIOS 程序復(fù)制到了內(nèi)存的 0x7c00 這個(gè)位置，然后呢？這個(gè)其實(shí)也不難猜測(cè)，啟動(dòng)區(qū)的內(nèi)容就是我們自己寫的代碼了，復(fù)制到這里之后，就開始執(zhí)行唄，之后我們的程序就接管了接下來的流程，BIOS 的使命也就結(jié)束啦。所以復(fù)制完之后，接下來應(yīng)該是一個(gè)跳轉(zhuǎn)指令吧！沒錯(cuò)，正是這樣，PC 寄存器的值變?yōu)?0x7c00，指令開始從這里執(zhí)行。
咦？不知道你有沒有發(fā)現(xiàn)，我們似乎不知不覺又把之前的一句魔法語言翻譯成人話了，開頭我們說：
BIOS 把控制權(quán)轉(zhuǎn)交給排在第一位的存儲(chǔ)設(shè)備。
所以這句話是什么意思呢？就是 BIOS 把啟動(dòng)區(qū)的 512 字節(jié)復(fù)制到內(nèi)存的 0x7c00 位置，并且用一條跳轉(zhuǎn)指令將 pc 寄存器的值指向 0x7c00。你看，這不是也沒多幾個(gè)字嘛，就把這個(gè)問題說得明明白白，簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單。
哦，對(duì)了，現(xiàn)在似乎就剩下一個(gè)問題了，為什么非要是 0x7c00 呢？好問題，當(dāng)然答案也很簡(jiǎn)單，那就是人家 BIOS 開發(fā)團(tuán)隊(duì)就是這樣定的，之后也不好改了，不然不兼容。為什么不好改？我們看一個(gè)簡(jiǎn)單的啟動(dòng)區(qū) 512 字節(jié)的代碼。（代碼摘抄自《30 天自制操作系統(tǒng)》）
我們看第一行：
這個(gè)數(shù)字就是剛剛說的啟動(dòng)區(qū)加載位置，這行匯編代碼簡(jiǎn)單說就表示把下面的地址統(tǒng)統(tǒng)加上 0x7c00。正因?yàn)?BIOS 將啟動(dòng)區(qū)的代碼加載到了這里，因此有了一個(gè)偏移量，所以所有寫啟動(dòng)區(qū)代碼的人就需要在開頭寫死一個(gè)這樣的代碼，不然全都串位了。
然后正因?yàn)樗袑懖僮飨到y(tǒng)的，啟動(dòng)區(qū)的第一行匯編代碼都寫死了這個(gè)數(shù)字，那 BIOS 開發(fā)者最初定的這個(gè)數(shù)字就不好改了，否則它得挨個(gè)聯(lián)系各個(gè)操作系統(tǒng)的開發(fā)廠商，說唉我這個(gè)地址改一下哈，你們跟著改改。在公司推動(dòng)另一個(gè)團(tuán)隊(duì)改個(gè)代碼都得大費(fèi)周折，想想看這樣的推動(dòng)得耗費(fèi)多大人力。況且即使改了，之前的代碼也都不兼容了，這不得被人們罵死啊。
再看最后一行：
這也驗(yàn)證了我們之前說的這 512 字節(jié)的最后兩個(gè)字節(jié)得是 0x55 0xaa，BIOS 才會(huì)認(rèn)為它是一個(gè)啟動(dòng)區(qū)，才會(huì)去加載它，僅此而已。
回過頭來說 0x7c00 這個(gè)值，它其實(shí)就是一個(gè)規(guī)定死的值，但還是會(huì)有人問，那必然有它的合理性吧。其實(shí)，我的解釋也只能說是人家規(guī)定了這個(gè)值，后人們替他們解釋這個(gè)合理性，并不是說當(dāng)初人家就一定是這樣想的，就好比我們做語文的閱讀理解題一樣。
第一個(gè) BIOS 開發(fā)團(tuán)隊(duì)是 IBM PC 5150 BIOS，當(dāng)時(shí)被認(rèn)為的第一個(gè)操作系統(tǒng)是 DOS 1.0 操作系統(tǒng)，BIOS 團(tuán)隊(duì)就假設(shè)是為它服務(wù)的。但操作系統(tǒng)還沒出，BIOS 團(tuán)隊(duì)假設(shè)其操作系統(tǒng)需要的最小內(nèi)存為 32 KB。BIOS 希望自己所加載的啟動(dòng)區(qū)代碼盡量靠后，這樣比較“安全”，不至于過早的被其他程序覆蓋掉?？墒侨绻麅H僅留 512 字節(jié)又感覺太懸了，還有一些?？臻g需要預(yù)留，那擴(kuò)大到 1 KB 吧。這樣 32 KB 的末尾是 0x8000，減去 1KB(0x400) ，剛好等于 0x7c00。哇塞，太精準(zhǔn)了，這可以是一種解釋方式。
七、啟動(dòng)區(qū)里的代碼寫了啥
其實(shí)寫到這，我這篇文章就應(yīng)該戛然而止了，因?yàn)樽畛醯哪莻€(gè)問題已經(jīng)解決了，CPU 已經(jīng)開始馬不停蹄地從我們預(yù)期的位置跑起來了，萬事開頭難，剩下的內(nèi)容，就是操作系統(tǒng)想怎么玩就怎么玩了。
但我覺得還不夠味，似乎還有些問題縈繞在你腦海里。比如說這個(gè)問題：
啟動(dòng)區(qū)里的代碼寫了啥？就 512 字節(jié)就是全部操作系統(tǒng)內(nèi)容了？
這是一個(gè)好問題，512 個(gè)字節(jié)確實(shí)干不了啥，現(xiàn)在的操作系統(tǒng)怎么也得按 M 為單位算吧，512 個(gè)字節(jié)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠呢，那是怎么回事呢？
其實(shí)我們可以按照之前的思路猜測(cè)，BIOS 用很少的代碼就把 512 字節(jié)的啟動(dòng)區(qū)內(nèi)容加載到了內(nèi)存，并跳轉(zhuǎn)過去開始執(zhí)行。那按照這個(gè)套路，這 512 字節(jié)的啟動(dòng)區(qū)代碼，是不是也可以把更多磁盤中存儲(chǔ)的操作系統(tǒng)程序，加載到內(nèi)存的某個(gè)位置，然后跳轉(zhuǎn)過去呢？
沒錯(cuò)，就是這個(gè)套路。所以 BIOS 負(fù)責(zé)加載了啟動(dòng)區(qū)，而啟動(dòng)區(qū)又負(fù)責(zé)加載真正的操作系統(tǒng)內(nèi)核，這配合默契吧？
由于用于啟動(dòng)盤的磁盤是人家寫操作系統(tǒng)的廠商制作的，俗稱制作啟動(dòng)盤，所以他也肯定知道操作系統(tǒng)的核心代碼存儲(chǔ)在磁盤的哪個(gè)扇區(qū)，因此啟動(dòng)區(qū)就把這個(gè)扇區(qū)，以及之后的好多好多扇區(qū)（具體取決于操作系統(tǒng)有多大）都讀到內(nèi)存中，然后跳轉(zhuǎn)到開始的程序開始的位置。跳轉(zhuǎn)到哪里呢？這個(gè)就不像 0x7c00 這個(gè)數(shù)那么經(jīng)典了，不同的操作系統(tǒng)肯定也不一樣，也不用事先規(guī)定好，反正寫操作系統(tǒng)的人給自己定一個(gè)就好了，別覆蓋其他關(guān)鍵設(shè)備用到的區(qū)域就好。
八、操作系統(tǒng)內(nèi)核寫了啥
好了現(xiàn)在經(jīng)過好幾輪跳跳跳，終于跳到內(nèi)核代碼啦，我們來一起回顧一下：
按下開機(jī)鍵，CPU 將 PC 寄存器的值強(qiáng)制初始化為 0xffff0，這個(gè)位置是 BIOS 程序的入口地址（一跳）
該入口地址處是一個(gè)跳轉(zhuǎn)指令，跳轉(zhuǎn)到 0xfe05b 位置，開始執(zhí)行（二跳）
執(zhí)行了一些硬件檢測(cè)工作后，最后一步將啟動(dòng)區(qū)內(nèi)容加載到內(nèi)存 0x7c00，并跳轉(zhuǎn)到這里（三跳）
啟動(dòng)區(qū)代碼主要是加載操作系統(tǒng)內(nèi)核，并跳轉(zhuǎn)到加載處（四跳）
經(jīng)過這連續(xù)的四次跳躍，終于來到了操作系統(tǒng)的世界了，剩下的內(nèi)容，可以說是整個(gè)操作系統(tǒng)課程所講述的原理，分段、分頁、建立中斷、設(shè)備驅(qū)動(dòng)、內(nèi)存管理、進(jìn)程管理、文件系統(tǒng)、用戶態(tài)接口等等。
這些名詞在操作系統(tǒng)的課程中你可能都或多或少聽過，如果你好好學(xué)了的話也一定知道大概的原理，不過像筆者這樣從頭到尾研讀過 linux 內(nèi)核源碼的硬核狗來說，這些概念不只是書本上枯燥無味的概念，而是活靈活現(xiàn)在操作系統(tǒng)的每一行代碼上，有的展現(xiàn)了作者無比的智慧，有的讓我看到了作者由于硬件設(shè)定不得已做出的屈服。
如果這篇文章提起了你對(duì)操作系統(tǒng)的好奇心，建議你也找時(shí)間讀一讀，和我一起入坑，你會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)新世界的大門向你打開了
