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操作系统引导全过程

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原文链接：操作系统引导全过程

导言

预备知识

了解操作系统引导需要先了解预备知识

BIOS

BIOS（Basic Input Output System基本输出输入系统）：主板的固件（具有软件功能的硬件）程序，位于ROM芯片中，能控制管理硬件设备

BIOS程序内存分布

BIOS工作在实模式下，最大20位寻址，也就是1M寻址范围（0x00000 ~ 0xFFFFF）（最初的8086处理器能够访问的内存最大只有1MB，保证兼容性）

0x00000 ~ 0x9FFFF（640KB）：基本内存

1
2
3
4
5
0x00000 ~ 0x003FF: 中断向量表（1024B）
0x00400 ~ 0x004FF: bios数据区（256B）
0x00500 ~ 0x07BFF: 自由内存区
0x07C00 ~ 0x07DFF: 引导程序加载区（512B）
0x07E00 ~ 0x9FFFF: 自由内存区

0xA0000 ~ 0xBFFFF（128KB）：显存

1
2
3
0xA0000 ~ 0xAFFFF: EGA/VGA/XGA/XVGA图形视频缓冲区（64KB）
0xB0000 ~ 0xB7FFF: Mono text video buffer（32KB）
0xB8000 ~ 0xBFFFF: CGA/EGA+ chroma text video buffer（32KB）

0xC0000 ~ 0xFFFFFF（128KB）：BIOS运行内存

1
2
3
4
0xC0000 ~ 0xC7FFFF: 显卡bios使用（32KB）
0xC8000 ~ 0xCBFFFF: ide控制器bios使用（16KB）
0xCC000 ~ 0xEFFFFF: 
0xF0000 ~ 0xFFFFFF: 系统bios使用（64KB）

硬盘

硬盘结构

物理结构

硬盘有机械和固态，存储介质和读写方式不同，但是都逻辑化为柱面（磁道）、磁头和扇区。硬盘扇区默认大小512B，空间分配一般按簇分配（多个扇区为一组簇）。

$硬盘容量=磁头数柱面数扇区数*512B$

文件结构

主要包括NTFS、FAT32、FAT16、exFAT等。不同操作系统的文件系统兼容性不同，如FAT32最大文件4G，但是win10镜像超过4G。FAT32本身理论上文件分配表的文件大小没有限制，但是却人为限制了大小。

逻辑结构

硬盘结构：硬盘内部有MBR（Master Boot Record主引导记录）、以及多个分区，每个主分区也有自己的PBR（分区引导记录）。一个MBR硬盘最多4个主分区（可通过其他方法创建逻辑分区），可标记为活动分区

MBR

MBR大小512B，位于0柱面、0磁头、1扇区，包括：主引导程序（446B）、硬盘分区表DPT（64B）、MBR结束标志AA55（2B）

  • 主引导程序：如GRUB，是执行操作系统引导的程序，用汇编实现，可以自己写然后刻录到iso中
  • 分区表DPT：一个分区16B空间
偏移 长度 内容
00 1 主分区状态标志 00非活动，80活动
01 1 主分区起始磁头号（最大256个磁头）
02 2 前5位起始扇区号，后10位起始柱面号
04 1 文件系统标志，常见FAT12：01，FAT16：04或06，NTFS：07
05 1 主分区结束磁头号
06 2 前5位结束扇区号，后10位结束柱面号
08 4 主分区起始相对扇区号
0c 4 主分区总扇区数
  • 结束标志AA55
PBR

每个主分区都有自身的PBR分区引导记录，详细参考

  • 跳转指令（3B）：跳转至引导代码
  • 厂商标识和DOS版本号（8B）
  • BPB：BIOS参数块
  • 操作系统引导程序
  • 结束标志AA55

引导详细过程

  1. boot加载
    按下开机，CPU供电，执行0x0FFFF0H指令（跳转指令），跳转到BIOS程序入口地址
  2. 执行BIOS程序
  3. Power-On Self Test BIOS对硬件自检
  4. 自检完毕后，执行显卡、IDE等BIOS，检查PCIE、SATA等设备，如果检查有问题例如不兼容（b85主板+3代CPU无法兼容P104显卡），BIOS检查不通过，不能亮机
  5. BIOS显示画面，可以设置引导顺序和CSM等操作
  6. BIOS加载首位硬盘的MBR到内存，控制权转交MBR引导程序
  7. MBR从查找分区表找到活动分区表，将活动分区的分区引导记录加载到内存，控制权转交PBR引导程序（启动管理器）
  8. 加载操作系统

引导考试简单过程

  1. CPU通电，boot跳转
  2. 通电自检
  3. 启动BIOS
  4. 加载MBR
  5. 加载PBR、加载启动管理器
  6. 加载操作系统

BIOS程序在内存最开始的空间构建中断向量表和相应服务程序,在后续POST过程中要用到中断调用等功能。 然后进行通电自检POST （Power-on Self Test）以检测硬件是否有故障。 CPU检测到中断信号后，根据中断号查询中断向量表，跳转到相应的中断处理程序。