Zwlin's Blog

BIOS启动过程

2019/01/13

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BIOS启动过程

当计算机加电后,一般不直接执行操作系统,而是执行系统初始化软件完成基本IO初始化和引导加载功能。简单地说,系统初始化软件就是在操作系统内核运行之前运行的一段小软件。通过这段小软件,我们可以初始化硬件设备、建立系统的内存空间映射图,从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态,以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。最终引导加载程序把操作系统内核映像加载到RAM中,并将系统控制权传递给它。

对于绝大多数计算机系统而言,操作系统和应用软件是存放在磁盘(硬盘/软盘)、光盘、EPROM、ROM、Flash等可在掉电后继续保存数据的存储介质上。计算机启动后,CPU一开始会到一个特定的地址开始执行指令,这个特定的地址存放了系统初始化软件,负责完成计算机基本的IO初始化,这是系统加电后运行的第一段软件代码。对于Intel 80386的体系结构而言,PC机中的系统初始化软件由BIOS (Basic Input Output System,即基本输入/输出系统,其本质是一个固化在主板Flash/CMOS上的软件)和位于软盘/硬盘引导扇区中的OS Boot Loader(在ucore中的bootasm.S和bootmain.c)一起组成。BIOS实际上是被固化在计算机ROM(只读存储器)芯片上的一个特殊的软件,为上层软件提供最底层的、最直接的硬件控制与支持。更形象地说,BIOS就是PC计算机硬件与上层软件程序之间的一个"桥梁",负责访问和控制硬件。

以Intel 80386为例,计算机加电后,CPU从物理地址0xFFFFFFF0(由初始化的CS:EIP确定,此时CS和IP的值分别是0xF000和0xFFF0))开始执行。在0xFFFFFFF0这里只是存放了一条跳转指令,通过跳转指令跳到BIOS例行程序起始点。BIOS做完计算机硬件自检和初始化后,会选择一个启动设备(例如软盘、硬盘、光盘等),并且读取该设备的第一扇区(即主引导扇区或启动扇区)到内存一个特定的地址0x7c00处,然后CPU控制权会转移到那个地址继续执行。至此BIOS的初始化工作做完了,进一步的工作交给了bootloader。

补充信息

Intel的CPU具有很好的向后兼容性。在16位的8086 CPU时代,内存限制在1MB范围内,且BIOS的代码固化在EPROM中。在基于Intel的8086 CPU的PC机中的EPROM被编址在1MB内存地址空间的最高64KB中。PC加电后,CS寄存器初始化为0xF000,IP寄存器初始化为0xFFF0,所以CPU要执行的第一条指令的地址为CS:IP=0xF000:0XFFF0(Segment:Offset 表示)=0xFFFF0(Linear表示)。这个地址位于被固化EPROM中,指令是一个长跳转指令JMP F000:E05B。这样就开启了BIOS的执行过程。

到了32位的80386 CPU时代,内存空间扩大到了4G,多了段机制和页机制,但Intel依然很好地保证了80386向后兼容8086。地址空间的变化导致无法直接采用8086的启动约定。如果把BIOS启动固件编址在0xF000起始的64KB内存地址空间内,就会把整个物理内存地址空间隔离成不连续的两段,一段是0xF000以前的地址,一段是1MB以后的地址,这很不协调。为此,intel采用了一个折中的方案:默认将执行BIOS ROM编址在32位内存地址空间的最高端,即位于4GB地址的最后一个64KB内。在PC系统开机复位时,CPU进入实模式,并将CS寄存器设置成0xF000,将它的shadow register的Base值初始化设置为0xFFFF0000,EIP寄存器初始化设置为0x0000FFF0。所以机器执行的第一条指令的物理地址是0xFFFFFFF0。80386的BIOS代码也要和以前8086的BIOS代码兼容,故地址0xFFFFFFF0处的指令还是一条长跳转指令jmp F000:E05B。注意,这个长跳转指令会触发更新CS寄存器和它的shadow register,即执行jmp F000 : E05B后,CS将被更新成0xF000。表面上看CS其实没有变化,但CS的shadow register被更新为另外一个值了,它的Base域被更新成0x000F0000,此时形成的物理地址为Base+EIP=0x000FE05B,这就是CPU执行的第二条指令的地址。此时这条指令的地址已经是1M以内了,且此地址不再位于BIOS ROM中,而是位于RAM空间中。由于Intel设计了一种映射机制,将内存高端的BIOS ROM映射到1MB以内的RAM空间里,并且可以使这一段被映射的RAM空间具有与ROM类似的只读属性。所以PC机启动时将开启这种映射机制,让4GB地址空间的最高一个64KB的内容等同于1MB地址空间的最高一个64K的内容,从而使得执行了长跳转指令后,其实是回到了早期的8086 CPU初始化控制流,保证了向下兼容。