计算机启动过程详解

前置知识

理解计算机启动过程需要掌握以下基本概念：

1. 内存功能：内存是存储数据的地方，给出地址信号可返回对应数据
2. CPU工作原理：CPU不断从内存中取出指令并执行
3. 程序计数器(PC)：决定CPU从内存哪个地址取指令，会不断+1或由跳转指令修改

启动过程核心机制

1. BIOS主导启动的原因

计算机启动时，CPU的PC寄存器被强制初始化为0xFFFF0，这是BIOS程序的入口地址。具体实现方式：

• 段基址寄存器cs初始化为0xF000
• 偏移地址寄存器IP初始化为0xFFF0
• 实模式下最终地址计算：cs左移4位 + IP = 0xFFFF0

2. 内存映射机制

CPU地址总线宽度决定可访问内存空间大小，但并非全部分配给内存：

• 部分地址空间分配给外设(显存、硬盘控制器等)
• 外设存储区域被"映射"到内存特定区域
• 实模式下(开机时)只有1MB内存可用

3. 实模式内存分布

BIOS空间被映射到内存0xC0000-0xFFFFF，其中：

• 系统BIOS位于0xF0000-0xFFFFF
• BIOS程序占用内存开头区域(如中断向量表)

BIOS执行流程

1. 初始跳转：

   • 0xFFFF0处指令：jmp far f000:e05b
   • 跳转到0xFE05B执行BIOS核心代码

2. BIOS主要工作：

   • 硬件检测和初始化
   • 建立中断向量表并填写中断例程
   • 最后加载启动区

启动区加载机制

1. 启动区识别

BIOS按启动顺序检查设备：

• 读取每个设备的0盘0道1扇区(512字节)
• 检查最后两个字节是否为0x55和0xAA
• 找到符合条件的第一个设备作为启动设备

2. 启动区加载

• 将512字节启动区内容复制到内存0x7C00
• 执行跳转指令使PC指向0x7C00
• 控制权转交给启动区代码

3. 0x7C00的由来

历史原因：

• 第一个BIOS(IBM PC 5150)假设操作系统最小需要32KB内存
• 为安全预留空间：32KB末尾(0x8000)减去1KB(0x400) = 0x7C00
• 后续保持兼容性无法更改

启动区代码功能

启动区主要任务：

1. 加载真正的操作系统内核到内存
2. 跳转到内核入口地址

典型启动区代码结构示例：

; hello-os
ORG 0x7c00  ; 声明加载地址

entry:
    ; 初始化寄存器
    MOV AX,0
    MOV SS,AX
    MOV SP,0x7c00
    MOV DS,AX
    MOV ES,AX
    
    ; 显示消息
    MOV SI,msg
putloop:
    MOV AL,[SI]
    ADD SI,1
    CMP AL,0
    JE fin
    MOV AH,0x0e
    MOV BX,15
    INT 0x10
    JMP putloop
    
fin:
    HLT
    JMP fin
    
msg:
    DB 0x0a,0x0a      ; 换行
    DB "hello-os"
    DB 0x0a           ; 换行
    DB 0              ; 结束符
    
    RESB 0x7dfe-$     ; 填充到510字节
    DB 0x55, 0xaa     ; 启动标识

操作系统内核加载

启动区完成后：

1. 从磁盘特定位置加载操作系统内核到内存
2. 跳转到内核入口地址
3. 内核开始执行：初始化内存管理、进程管理、文件系统等

完整启动流程总结

1. 按下电源，CPU PC初始化为0xFFFF0(一跳)
2. 跳转到BIOS核心代码0xFE05B(二跳)
3. BIOS加载启动区到0x7C00并跳转(三跳)
4. 启动区加载操作系统内核并跳转(四跳)
5. 操作系统内核开始执行，完成系统初始化

深入学习的建议

要完全理解计算机启动过程，建议：

1. 研究实模式和保护模式的内存管理
2. 学习x86汇编语言
3. 阅读Linux内核源码中启动相关部分
4. 实践编写简单的启动区代码