PC操作系統(tǒng)啟動過程

PC32位操作系統(tǒng)啟動過程朱韜2015-01-20課程內(nèi)容PC系統(tǒng)啟動模式歷史PC主機(jī)硬件結(jié)構(gòu)BIOS主要功能相關(guān)概念PC系統(tǒng)物理地址空間（X8632位）PC保護(hù)模式內(nèi)存地址轉(zhuǎn)換MBRDOS啟動操作系統(tǒng)啟動操作系統(tǒng)啟動最終結(jié)果好書推薦PC系統(tǒng)啟動模式歷史DOS時代（它不能算是真正的操作系統(tǒng)）MAC和磁帶（都以為是喬布斯最先實現(xiàn)的）PC和軟盤（IBM實現(xiàn)，這時還沒微軟什么事）PC、BIOS、MBR和硬盤（也沒微軟什么事）PC操作系統(tǒng)時代PC、BIOS、MBR、硬盤和單個kernelPC、BIOS、MBR、硬盤、bootloader和多個kernelPC、EFI/UEFI、GUID、storage、bootloader和多個操作系統(tǒng)環(huán)境PC主機(jī)硬件結(jié)構(gòu)90后00后BIOS主要功能自診斷程序：通過讀取CMOS

RAM中的內(nèi)容識別硬件配置，并對其

進(jìn)行自檢和初始化CMOS設(shè)置程序：引導(dǎo)過程中，用特殊熱鍵啟動，進(jìn)行設(shè)置后，存

入CMOSRAM中系統(tǒng)自舉裝載程序：在自檢成功后將磁盤相對0道0扇區(qū)上MBR的

引導(dǎo)程序裝入內(nèi)存，讓其運行以裝入操作系統(tǒng)（歷史原因很復(fù)雜）主要I/O設(shè)備的驅(qū)動程序和中斷服務(wù)：由于BIOS直接和系統(tǒng)硬件

資源打交道，因此總是針對某一類型的硬件系統(tǒng)，而各種硬件系

統(tǒng)又各有不同，所以存在各種不同種類的BIOS，隨著硬件技術(shù)的

發(fā)展，同一種BIOS也先后出現(xiàn)了不同的版本，新版本的BIOS比起

老版本來說，功能更強(qiáng)（經(jīng)典廢話）最煩人的概念實模式和保護(hù)模式（兼容是個政治問題）物理存儲器（內(nèi)存條）物理地址（操作系統(tǒng)看不見）虛擬存儲器（內(nèi)存通貨膨脹后的解決方法）虛擬地址/線性地址（一眼看不清）邏輯地址（哥只是個傳說）實模式Intel808616位寄存器，尋址能力64K（可以支持文本圖形）20位地址線，尋址能力1M（當(dāng)時可不得了）地址線和寄存器有矛盾，因此產(chǎn)生了段（64K）16位基地址左移4位+16位偏移

=

20位地址DOS和Windows2.03.1Intel80286地址總線由原來的20根發(fā)展為24根，尋址能力16M（可以支持真正的圖形界面）CPU通過A20GATE來控制A20地址線為了向下兼容，依然只是用20根地址線，多出來的4位地址造成了后來許多運行時BUG，因此286是個失敗的產(chǎn)品保護(hù)模式Intel80386+（Linux誕生與此）32位寄存器，4G尋址（順理成章的事）32位地址線，4G尋址（當(dāng)時被認(rèn)為足夠用了）為了向下兼容，A20地址被用作實模式和保護(hù)模式的開關(guān)沒有實際的內(nèi)存段（段長可變，最大4G）全局描述符表(GDT)和局部描述符表(LDT)重要概念點（繞口令）線性地址空間：指linux系統(tǒng)中的虛擬地址空間，但虛擬地址

不是線性地址！（沒有更好的表述了）cpu尋址使用的是物理地址。所以在使用cpu尋址前要把地址轉(zhuǎn)

換好。（基本沒有讓你使用cpu尋址的可能）物理內(nèi)存中的高端內(nèi)存是DDR減去896M后多出來的那一段。虛

擬地址里面的高端內(nèi)存是指用于映射物理高端內(nèi)存的虛擬地址

空間。不過高端內(nèi)存被映射到用戶空間，那就是另外一回事了

（進(jìn)程間通信時使用）。內(nèi)核空間是可以訪問用戶空間的，不過不是通過虛擬地址直接

訪問的（用戶空間是內(nèi)核空間映射出來的，我花了一年時間才

理解）。內(nèi)存映射，在不同的情境中意義也不相同。（看不明白的時候

大多就是出現(xiàn)內(nèi)存映射了）PC系統(tǒng)物理地址空間（X8632位）PC虛擬地址與物理地址轉(zhuǎn)換MBR功能

硬盤的0柱面、0磁頭、1扇區(qū)稱為主引導(dǎo)扇區(qū)（也叫主引導(dǎo)記錄MBR）。它由三個部分組成，主引導(dǎo)代碼、硬盤分區(qū)表DPT（DiskPartitiontable）和分區(qū)有效標(biāo)志（55AA）。

在總共512字節(jié)的主引導(dǎo)扇區(qū)里主引導(dǎo)程序（bootloader）占446個字節(jié)，第二部分是Partitiontable區(qū)（分區(qū)表），即DPT，占64個字節(jié)，硬盤中分區(qū)有多少以及每一分區(qū)的大小都記在其中。第三部分是magicnumber，占2個字節(jié)，固定為55AA。MBR結(jié)構(gòu)DOS硬盤分區(qū)早期PC系統(tǒng)啟動過程DOS系統(tǒng)啟動成熟的PC系統(tǒng)啟動過程（Win95+、Linux）無bootloader的系統(tǒng)啟動（裸奔）有bootloader的單內(nèi)核單操作系統(tǒng)的啟動有bootloader的多內(nèi)核單操作系統(tǒng)的啟動有bootloader的多內(nèi)核多操作系統(tǒng)的啟動高級bootloader啟動多種操作系統(tǒng)UEFI模式下的bootloader啟動多種操作系統(tǒng)無bootloader的系統(tǒng)啟動（kernel0.11）bootsect.s：內(nèi)核引導(dǎo)程序保存在MBR中setup.s：操作系統(tǒng)加載程序，通常在bootloader中head.s：是system模塊的最開始部分，使系統(tǒng)進(jìn)入保護(hù)模式下運行系統(tǒng)啟動過程中的控制權(quán)變化主機(jī)加電BIOS加載入內(nèi)存實模式運行設(shè)備自檢BIOS運行搜尋啟動設(shè)備運行引導(dǎo)代碼將啟程引導(dǎo)序加載進(jìn)內(nèi)存從MBR加載啟動引導(dǎo)代碼啟動引導(dǎo)程序接管主機(jī)控制權(quán)運行并開啟保護(hù)模式加載系統(tǒng)內(nèi)核系統(tǒng)內(nèi)核接管主機(jī)控制權(quán)運行內(nèi)核操作系統(tǒng)啟動完成運行init進(jìn)程操作系統(tǒng)初始化有bootloader的系統(tǒng)啟動bootloader和MBR以及各分區(qū)間的關(guān)系Linuxkernel2.2+啟動過程MBR系統(tǒng)啟動后物理地址與虛擬地址的映射關(guān)系

物理地址有896M直接映射到虛擬地址的內(nèi)存空間，這是一一對應(yīng)的映射，只有起始地址不一樣，偏移是一樣的。

用戶區(qū)的代碼也是放在這段物理地址里面的，就是說物理地址可以進(jìn)行二次映射。多出來的叫做高端內(nèi)存，如果你使用vmalloc申請空間，就會在高端內(nèi)存中分配，如果你使用kmalloc申請空間，就會在小于896的內(nèi)存中分配。Linux系統(tǒng)啟動完成