代码改变世界

计算机加电后操作系统启动过程

2017-11-05 13:41  ☆Ronny丶  阅读(11137)  评论(1)  编辑  收藏  举报

揭开钢琴的盖子：操作系统好比一个架美丽的钢琴，我们可以用上面的琴键弹出优美的旋律。但是我们不能满足于只会弹奏，如果我们要更深入理解钢琴，必须打开钢琴的盖子，一探究竟。所以学习操作系统，不能停留上系统API的调用，需要能更好更高效的调用API，知道API的局限性与缺点，就必须打开操作系统的盖子，探究操作系统API下的底层原理。

从我们按下电源键使得计算机通电，计算机的各个部件是怎么运行起来的呢。我们现在使用的计算都遵循冯诺依曼结构，在我们探讨计算机的启动前，先弄明白我们的计算机的结构。

1. 冯诺依曼结构计算机的工作原理

  • 计算机的核心工作部件是CPU，CPU内部从上电开始反复执行着两个动作：1）取址；2）执行
  • 计算机根据一系列的操作指令来执行不同的动作，这些指令就是计算机程序。
  • 计算机运行的程序是以二进制的方式存在内存中，程序中的数据与指令不加区别的都存储在内存上。

2. 计算机的启动过程：

图1：从系统加电起所执行的程序
  1. X86 PC岁开机时，CPU处于实模式，这时候内存的计算方式是 段基址 << 4 + 段内偏移
  2. CPU的第一条指令是通过CS：IP来取得，而此时CS=0xFFFF，IP=0x0000。这是硬件设定好的。
  3. 所以最开始执行的指令地址就是0xFFFF0，这个内存地址映射在主板的BIOS ROM（只读存储区）中。
  4. ROM中的程序会检测RAM、键盘、显示器、软硬磁盘是否正确工作。同时会从地址0开始设置BIOS的中断向量表。
  5. ROM中的程序继续执行，将启动设备磁盘0磁道0扇区，一个512字节的扇区读到内存0x07c00处。0x07c00应试是一个历史遗留的问题，后续把system模块拷贝到地址开始处时，预留的空间将不够，所以bootset需要把0x07c00这一块操作系统引导与设置模块拷贝走。这算是一个历史包袱。
  6. 设置cs=0x07c0，ip=0x0000。
  7. ROM中的程序执行结束，转到0x07c00处开始执行。

启动设备是可以通过BIOS程序来设置的，信息写在CMOS中。CMOS（64B-128B）中存的还有实时钟，硬件配置信息等。(开始时按住Del键可以进入启动设置的配置界面，可以设置光盘启动或U盘启动等)。

图2：内核在磁盘上的分布情况

3. Bootsect.s做了哪些事

  1. 把0x7c00开始的512个字节，拷贝到0x90000处。（0x90000 - 0x90020）
  2. 设置栈ss = 0x9000，sp = 0xff00，这里把sp设置的够大，防止栈的区域把下面的操作系统代码覆盖了。
  3. 调用BIOS ox13中断，将第2-5个扇区拷贝到0x90020开始的内存处。如果出错，就反复读取。
  4. 获取磁盘的参数：磁道数等
  5. 打印字符串信息：system is loading
  6. 读入system部分（几百个扇区），读入到内存为0x10000处。（在0x90000的下面）
  7. 转到地址为0x90020的地址处执行，也就是开始执行setup部分的代码了。

4. Steup模块做了什么事

主要工作是完成操作系统启动前的设置工作。

  1. 读取光标的位置信息放在09000的头2个字节处。因为这时候bootsect模块的代码已经没有用了，可以覆盖了。
  2. 读出扩展内存的大小，放在接着的2个字节处。
  3. 获取显卡参数，硬盘参数等等。
  4. 将system模块的内容从0x10000处开始移到0x00000处，即内存的起始位置。之所以Load进来的时候为什么不一次性放在0x00000处，是因为0x00000处开始放的bios中断。现在bios中断已经不需要了，所以可以覆盖了。
  5. 这时候开始，BIOS的中断向量表已经被覆盖了，后面就不再需要BIOS的中断了。
  6. 设置中断向量表与全局描述符表的一部分内容。
  7. 把cr0的最后一位设置为1，也就是说从实模型进入保护模式。
  8. jmpi 0, 8。 cs = 8，取到的段基址其实是0x0000，那么这句话就是跳转到地址为0x00000的地方开始执行，也就是system模块的开始部分。

保护模式下地址翻译与中断处理的改变：

cp:ip的翻译过程是：从cs的前12位取出GDT的偏移量（这里是1），从gtd的对应表项中取得基地址，再和ip合并为一个完整的地址。
int n: n指明了IDT表中的序号。从IDT表中获取中断处理函数的入口地址。

5. system-head

System的第一部分就是head.s部分的代码，这部分代码实际处于绝对地址0处开始的地方。该部分的代码是在保护模式下执行的，所使用的是AT&T格式的汇编指令与之前使用的as86汇编指令不同。这部分的代码主要完成了下面几件事情。

  1. 初步始中断描述符中的256项门描述符。
  2. 检查A20地址线是否打开。关于A20地址线的解释
  3. 测试系统是否含有数据协处理器，并设置寄存器CR0对应的位。
  4. 初始化内存页目录表，为内存分页管理作好准备工作。页目录表放在了绝对物理地址为0开始处，也就是head.s程序物理内存位置，程序会被覆盖掉。80286当时24根地址线，寻址16M，所以页表要能寻址16MB。如果内存页大小为4k，那页表就有4K个表项，一个表项按4个字节算，那页表就需要16K个字节（4页）。这里只用到了1级页表，在后续的发展中出现了二级页表，3级页表。
  5. 最后跳转到system模块中的初始化程序init/main.c中继续执行。

head.s程序执行结束后，已经正式完成了内存页目录页表的设置，并重新设置了内核实际使用的中断描述符表idt和全局描述符表gtd。另外还为软盘驱动开辟了1kb的缓冲区。此时system模块在内存中的详细映像如下图所示：

图3：System内存中的映像示意图

6. 总体执行线路

整体上可以分类6个阶段，头2个阶段为boostset，中间3个阶段为setup，最后一个阶段为system的head模块。

图4：启动引导的整个过程中，内核在内存中的位置以及移动后的位置情况

7. 参考资料

[1] 《Linux内核完全剖析基于0.12内核》 赵炯著。
[2] 网易云课堂，哈尔滨工业大学《操作系统之应用》 李治军。