BIOS的启动原理——Linux内核设计学习笔记

10/19 08:42
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RAM:随机存取存储器,常见的内存条就是一类RAM,其特点是加电状态下可任意读、写,断电后信息消失。
在RAM中什么程序也没有的时候,谁来完成加载软盘中操作系统的任务呢?
答案是:BIOS。

BIOS的启动原理

在了解BIOS是如何将操作系统程序加载到内存中之前,我们先来了解一下BIOS程序自身是如何启动的。从我们使用计算机的经验得知:要想执行一个程序,必须在窗口中双击它,或者在命令行界面中输入相应的执行命令。从计算机底层机制上讲,其实是在一个已经运行起来的操作系统的可视化界面或命令行界面中执行一个程序。但是,在开机加电的一瞬间,内存中什么程序也没有,没有任何程序在运行,不可能有操作系统,更不可能有操作系统的用户界面。我们无法人为地执行BIOS程序,那么BIOS程序又是由谁来执行的呢?
秘诀是:0xFFFF0 !!!

从体系的角度看,不难得出这样的结论:既然用软件方法不可能执行BIOS,就只能靠硬件方法完成了。从硬件角度看,Intel 80x86系列的CPU可以分别在16位实模式和32位保护模式下运行。为了兼容,也为了解决最开始的启动问题,Intel将所有80x86系列的CPU,包括最新型号的CPU的硬件都设计为加电即进入16位实模式状态运行。同时,还有一点非常关键的是,将CPU硬件逻辑设计为加电瞬间强行将CS的值置为0xF000、IP的值置为0xFFF0,这样CS:IP就指向0xFFFF0这个地址位置,如 1-1所示。从图1-1中可以清楚地看到,0xFFFF0指向了BIOS的地址范围。
BIOS的启动原理
图1-1 启动时BIOS在内存的状态及初始执行位置

小贴士

  • IP/EIP(Instruction Pointer):指令指针寄存器,存在于CPU中,记录将要执行的指令在代码段内的偏移地址,和CS组合即为将要执行的指令的内存地址。实模式为绝对地址,指令指针为16位,即IP;保护模式下为线性地址,指令指针为32位,即EIP。

  • CS(Code Segment Register):代码段寄存器,存在于CPU中,指向CPU当前执行代码在内存中的区域(定义了存放代码的存储器的起始地址)。
    注意,这是一个纯硬件完成的动作!如果此时这个位置没有可执行代码,那么就什么也不用说了,计算机就此死机。反之,如果这个位置有可执行代码,计算机将从这里的代码开始,沿着后续程序一直执行下去。
    BIOS程序的入口地址恰恰就是0xFFFF0 ! 也就是说,BIOS程序的第一条指令就设计在这个位置。

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