计算机加电后发生了什么？代码 & 理论分析

计算机刚被加电的时候，RAM中空空如也，OS存储在磁盘中，CPU只能执行被加载到内存中的代码，那么操作系统的代码是如何被CPU执行的呢？

1.BIOS阶段

首先，CPU被设计为加电瞬间CS:IP指向0xF000:0xFFF0，也即是0xFFFF0的位置。此时是在实模式下，这个地址即是实际物理地址，ROM BIOS被设计为存储在这个位置，它的代码入口地址即是0xFFFF0。BIOS的代码地址范围：0xFE000~0xFFFFF，这些代码的作用是：

• 进行硬件自检，检测CPU、显卡、内存、硬盘的信息
• 在内存最开始的区域构建中断向量表（0x00000~0x003FF，1KB内存空间）
• 构建BIOS数据区（0x00400~0x004FF）
• 在上述数据区后面约57KB的位置加载8KB左右的、与中断向量表对应的中断处理程序

2.引导扇区（bootsect.s）

bootsect也被称为MBR（master boot record）

CPU收到int 0x19中断，在中断向量表中找到对应的中断服务程序的入口地址，并执行该中断服务程序对应的功能：将第一扇区（512个字节）的程序，也即是bootsect加载到内存中0x07C00地址处并跳转到此处

接下来，bootsect本身512个字节会被从0x7C00复制到内存的0x90000处

mov	ax,BYTE PTR BOOTSEG		;// 将ds段寄存器置为7C0h
mov	ds,ax
mov	ax,BYTE PTR INITSEG		;// 将es段寄存器置为9000h
mov	es,ax
mov	cx,256			;// 移动计数值 ＝ 256字 = 512 字节
sub	si,si			;// 源地址   ds:si = 07C0h:0000h
sub	di,di			;// 目的地址 es:di = 9000h:0000h
rep movsw			;// 重复执行，直到cx = 0;移动1个字

之后，bootsect触发0x13中断将setup.s程序加载到内存的0x90200处

load_setup:
	;// 以下10行的用途是利用BIOS中断INT 13h将setup模块从磁盘第2个扇区
	;// 开始读到90200h开始处，共读4个扇区。如果读出错，则复位驱动器，并
	;// 重试，没有退路。
	;// INT 13h 的使用方法如下：
	;// ah = 02h - 读磁盘扇区到内存；al = 需要读出的扇区数量；
	;// ch = 磁道（柱面）号的低8位；  cl = 开始扇区（0－5位），磁道号高2位（6－7）；
	;// dh = 磁头号；				  dl = 驱动器号（如果是硬盘则要置为7）；
	;// es:bx ->指向数据缓冲区；  如果出错则CF标志置位。 
	mov	dx,0000h				;// drive 0, head 0
	mov	cx,0002h				;// sector 2, track 0
	mov	bx,0200h				;// address = 512, in INITSEG
	mov	ax,0200h+SETUPLEN		;// service 2, nr of sectors
	int	13h					;// read it
	jnc	ok_load_setup			;// ok - continue
	mov	dx,0000h
	mov	ax,0000h				;// reset the diskette
	int	13h
	jmp	load_setup

再往后，再次触发0x13中断将系统模块装载入内存0x10000地址处

ok_load_setup:
;/* 取磁盘驱动器的参数，特别是每道的扇区数量。
;   取磁盘驱动器参数INT 13h调用格式和返回信息如下：
;   ah = 08h	dl = 驱动器号（如果是硬盘则要置位7为1）。
;   返回信息：
;   如果出错则CF置位，并且ah = 状态码。
;   ah = 0, al = 0,         bl = 驱动器类型（AT/PS2）
;   ch = 最大磁道号的低8位，cl = 每磁道最大扇区数（位0-5），最大磁道号高2位（位6-7）
;   dh = 最大磁头数，       电力＝ 驱动器数量，
;   es:di -> 软驱磁盘参数表。 */
	mov	dl,00h
	mov	ax,0800h		;// AH=8 is get drive parameters
	int	13h
	mov	ch,00h
;//	seg cs				;// 表示下一条语句的操作数在cs段寄存器所指的段中。
	mov	cs:sectors,cx		;// 保存每磁道扇区数。
	mov	ax,INITSEG
	mov	es,ax			;// 因为上面取磁盘参数中断改掉了es的值，这里重新改回。

由于这部分代码比较长，因此时间也比较久，屏幕上会打印出“loading system”进行提醒

;// Print some inane message   在显示一些信息（'Loading system ... '回车换行，共24个字符）。

	mov	ah,03h		;// read cursor pos
	xor	bh,bh			;// 读光标位置。
	int	10h
	
	mov	cx,27			;// 共24个字符。
	mov	bx,0007h		;// page 0, attribute 7 (normal)
	mov	bp,offset msg1		;// 指向要显示的字符串。
	mov	ax,1301h		;// write string, move cursor
	int	10h			;// 写字符串并移动光标。

最后，确认根文件系统的设备号，并跳转到setup函数的0x90200地址处

;// 此后，我们检查要使用哪个根文件系统设备（简称根设备）。如果已经指定了设备（!=0）
;// 就直接使用给定的设备。否则就需要根据BIOS报告的每磁道扇区数来
;// 确定到底使用/dev/PS0(2,28)还是/dev/at0(2,8)。
;//		上面一行中两个设备文件的含义：
;//		在Linux中软驱的主设备号是2（参加第43行注释），次设备号 = type*4 + nr, 其中
;//		nr为0－3分别对应软驱A、B、C或D；type是软驱的类型（2->1.2M或7->1.44M等）。
;//		因为7*4 + 0 = 28，所以/dev/PS0(2,28)指的是1.44M A驱动器，其设备号是021c
;//		同理 /dev/at0(2,8)指的是1.2M A驱动器，其设备号是0208。

;//	seg cs
	mov	ax,cs:root_dev
	cmp	ax,0
	jne	root_defined	;// 如果 ax != 0, 转到root_defined
;//	seg cs
	mov	bx,cs:sectors		;// 取上面保存的每磁道扇区数。如果sectors=15
						;// 则说明是1.2Mb的驱动器；如果sectors=18，则说明是
						;// 1.44Mb软驱。因为是可引导的驱动器，所以肯定是A驱。
	mov	ax,0208h			;// /dev/ps0 - 1.2Mb
	cmp	bx,15			;// 判断每磁道扇区数是否=15
	je	root_defined	;// 如果等于，则ax中就是引导驱动器的设备号。
	mov	ax,021ch			;// /dev/PS0 - 1.44Mb
	cmp	bx,18
	je	root_defined
undef_root:				;// 如果都不一样，则死循环（死机）。
	jmp undef_root
root_defined:
;//	seg cs
	mov	cs:root_dev,ax		;// 将检查过的设备号保存起来。

;// 到此，所有程序都加载完毕，我们就跳转到被
;// 加载在bootsect后面的setup程序去。

;	jmp	SETUPSEG:[0]		;// 跳转到9020:0000（setup程序的开始处）。
	db 0eah
	dw 0
	dw SETUPSEG

3.setup

利用BIOS中断读取机器数据，将其保存到0x90000地址处（会覆盖掉bootsect代码），这些数据包括硬件参数表、光标位置、根设备号等等

;// setup.s负责从BIOS 中获取系统数据，并将这些数据放到系统内存的适当地方。
;// 此时setup.s 和system 已经由bootsect 引导块加载到内存中。
;// 这段代码询问bios 有关内存/磁盘/其它参数，并将这些参数放到一个
;// “安全的”地方：90000-901FF，也即原来bootsect 代码块曾经在
;// 的地方，然后在被缓冲块覆盖掉之前由保护模式的system 读取。

;// 以下这些参数最好和bootsect.s 中的相同！
 INITSEG  = 9000h	;// 原来bootsect 所处的段
 SYSSEG   = 1000h	;// system 在10000(64k)处。
 SETUPSEG = 9020h	;// 本程序所在的段地址。


code segment
start:

;// ok, 整个读磁盘过程都正常，现在将光标位置保存以备今后使用。

	mov	ax,INITSEG		;// 将ds 置成INITSEG(9000)。这已经在bootsect 程序中
	mov	ds,ax			;// 设置过，但是现在是setup 程序，Linus 觉得需要再重新
						;// 设置一下。
	mov	ah,03h		;// BIOS 中断10 的读光标功能号ah = 03
	xor	bh,bh		;// 输入：bh = 页号
	int	10h			;// 返回：ch = 扫描开始线，cl = 扫描结束线，
	mov	ds:[0],dx		;// dh = 行号(00 是顶端)，dl = 列号(00 是左边)。
					;// 将光标位置信息存放在90000 处，控制台初始化时会来取。
	mov	ah,88h		;// 这3句取扩展内存的大小值（KB）。
	int	15h			;// 是调用中断15，功能号ah = 88
	mov	ds:[2],ax		;// 返回：ax = 从100000（1M）处开始的扩展内存大小(KB)。
					;// 若出错则CF 置位，ax = 出错码。

;// 下面这段用于取显示卡当前显示模式。
;// 调用BIOS 中断10，功能号ah = 0f
;// 返回：ah = 字符列数，al = 显示模式，bh = 当前显示页。
;// 90004(1 字)存放当前页，90006 显示模式，90007 字符列数。
	mov	ah,0fh
	int	10h
	mov	ds:[4],bx		;// bh = display page
	mov	ds:[6],ax		;// al = video mode, ah = window width

;// 检查显示方式（EGA/VGA）并取参数。
;// 调用BIOS 中断10，附加功能选择-取方式信息
;// 功能号：ah = 12，bl = 10
;// 返回：bh = 显示状态
;// (00 - 彩色模式，I/O 端口=3dX)
;// (01 - 单色模式，I/O 端口=3bX)
;// bl = 安装的显示内存
;// (00 - 64k, 01 - 128k, 02 - 192k, 03 = 256k)
;// cx = 显示卡特性参数(参见程序后的说明)。
	mov	ah,12h
	mov	bl,10h
	int	10h
	mov	ds:[8],ax		;// 90008 = ??
	mov	ds:[10],bx		;// 9000A = 安装的显示内存，9000B = 显示状态(彩色/单色)
	mov	ds:[12],cx		;// 9000C = 显示卡特性参数。

;// 取第一个硬盘的信息（复制硬盘参数表）。
;// 第1 个硬盘参数表的首地址竟然是中断向量41 的向量值！而第2 个硬盘
;// 参数表紧接第1 个表的后面，中断向量46 的向量值也指向这第2 个硬盘
;// 的参数表首址。表的长度是16 个字节(10)。
;// 下面两段程序分别复制BIOS 有关两个硬盘的参数表，90080 处存放第1 个
;// 硬盘的表，90090 处存放第2 个硬盘的表。
	mov	ax,0000h
	mov	ds,ax
	lds	si,ds:[4*41h]		;// 取中断向量41 的值，也即hd0 参数表的地址 ds:si
	mov	ax,INITSEG
	mov	es,ax
	mov	di,0080h		;// 传输的目的地址: 9000:0080 -> es:di
	mov	cx,10h			;// 共传输10 字节。
	rep movsb

;// Get hd1 data

	mov	ax,0000h
	mov	ds,ax
	lds	si,ds:[4*46h]		;// 取中断向量46 的值，也即hd1 参数表的地址 -> ds:si
	mov	ax,INITSEG
	mov	es,ax
	mov	di,0090h		;// 传输的目的地址: 9000:0090 -> es:di
	mov	cx,10h
	rep movsb
	

;// 检查系统是否存在第2 个硬盘，如果不存在则第2 个表清零。
;// 利用BIOS 中断调用13 的取盘类型功能。
;// 功能号ah = 15；
;// 输入：dl = 驱动器号（8X 是硬盘：80 指第1 个硬盘，81 第2 个硬盘）
;// 输出：ah = 类型码；00 --没有这个盘，CF 置位； 01 --是软驱，没有change-line 支持；
;//  02--是软驱(或其它可移动设备)，有change-line 支持； 03 --是硬盘。
	mov	ax,1500h
	mov	dl,81h
	int	13h
	jc	no_disk1
	cmp	ah,3			;// 是硬盘吗？(类型= 3 ？)。
	je	is_disk1
no_disk1:
	mov	ax,INITSEG		;// 第2个硬盘不存在，则对第2个硬盘表清零。
	mov	es,ax
	mov	di,0090h
	mov	cx,10h
	mov	ax,00h
	rep stosb

将位于0x10000地址处的内核程序复制到0x00000地址处（会覆盖掉终端向量表和BIOS数据区）

do_move:
	mov	es,ax		;// es:di -> 目的地址(初始为0000:0)
	add	ax,1000h
	cmp	ax,9000h	;// 已经把从8000 段开始的64k 代码移动完？
	jz	end_move
	mov	ds,ax		;// ds:si -> 源地址(初始为1000:0)
	sub	di,di
	sub	si,si
	mov cx,8000h	;// 移动8000 字（64k 字节）。
	rep movsw
	jmp	do_move

为了给后面的保护模式做准备，setup程序还要对中断描述符表寄存器（IDTR）和全局描述符表寄存器（GDTR）进行初始化设置

之后，设置 CPU 的控制寄存器 CR0（也称机器状态字），从而进入 32 位保护模式运行，并跳
转到位于 system 模块最前面部分的 head.s 程序继续运行

• 打开A20，实现4GB寻址
• 将CR0寄存器的第0位（PE）置零，将处理器工作方式设置为保护模式

4.head程序

之前提到system模块会被复制到0x00000开始的位置，head程序其实是system模块的一部分，而且是最开始的部分，0x00000其实也是head程序的起始地址。head.s 与前面bootsect.s和setup.s汇编不同，使用的是AT&T格式的汇编

• 加载各个数据段寄存器，重新设置中断描述符表 idt，共 256 项，并使各个表项均指向一个只报错误的哑中断程序
• 重新设置全局描述符表 gdt
• 使用物理地址 0 与 1M 开始处的内容相比较的方法，检测 A20 地址线是否已真的开启
• 设置管理内存的分页处理机制，将页目录表放在绝对物理地址 0 开始处紧随后面放置共可寻址 16MB 内存的 4 个页表，并分别设置它们的表项
• 最后利用返回指令将预先放置在堆栈中的/init/main.c 程序的入口地址弹出，去运行 main()程序

实模式与保护模式

实模式：

• 寻址
  • 段寄存器存放段的基地址，和偏移值共同确定内存地址，此内存地址即是真实物理地址，最大寻址空间是20位，1MB
• 中断机制
  • 使用中断向量表，其实位置在0x00000，位置固定

保护模式：

• 寻址
  • 段寄存器存放段描述符表中某一项的索引，索引值所指向的段描述符项包含以下信息：
    • 要寻址的内存段的基地址
    • 段的最大长度值
    • 段的访问级别等信息
  • 最大寻址空间是32位，4GB
• 中断机制
  • 使用中断描述符表（IDT），可以由操作系统灵活安排，通过IDTR寄存器定位位置