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计算机的引导过程

计算机的引导过程

前一篇文章介绍了Intel计算机的主板与内存映射,从而为本文设定了一个系统引导阶段的场景。引导(Booting)是一个复杂的,充满技巧的,涉及多个阶段,又十分有趣的过程。下图列出了此过程的概要:
  
  



  

引导过程概要


  
  
你按下计算机的电源键后(现在别按!),机器就开始运转了。一旦主板上电,它就会初始化自身的固件(firmware)——芯片组和其他零零碎碎的东西 ——并尝试启动CPU。如果此时出了什么问题(比如CPU坏了或根本没装),那么很可能出现的情况是电脑没有任何动静,除了风扇在转。一些主板会在CPU 故障或缺失时发出鸣音提示,但以我的经验,此时大多数机器都会处于僵死状态。一些USB或其他设备也可能导致机器启动时僵死。对于那些以前工作正常,突然
出现这种症状的电脑,一个可能的解决办法是拔除所有不必要的设备。你也可以一次只断开一个设备,从而发现哪个是罪魁祸首。

  
  如果一切正常,CPU就开始运行了。在一个多处理器或多核处理器的系统中,会有一个CPU被动态的指派为引导处理器(bootstrap processor简写BSP),用于执行全部的BIOS和内核初始化代码。其余的处理器,此时被称为应用处理器(application processor简写AP),一直保持停机状态直到内核明确激活他们为止。虽然Intel CPU经历了很多年的发展,但他们一直保持着完全的向后兼容性,所以现代的CPU可以表现得跟原先1978年的Intel 8086完全一样。其实,当CPU上电后,它就是这么做的。在这个基本的上电过程中,处理器工作于实模式分页功能是无效的。此时的系统环境,就像古老的MS-DOS一样,只有1MB内存可以寻址,任何代码都可以读写任何地址的内存,这里没有保护或特权级的概念。
  
  CPU上电后,大部分寄存器的都具有定义良好的初始值,包括指令指针寄存器(EIP),它记录了下一条即将被CPU执行的指令所在的内存地址。尽管此时的Intel CPU还只能寻址1MB的内存,但凭借一个奇特的技巧,一个隐藏的基地址(其实就是个偏移量)会与EIP相加,其结果指向第一条将被执行的指令所处的地址0xFFFFFFF0(长16字节,在4GB内存空间的尾部,远高于1MB)。这个特殊的地址叫做复位向量(reset vector),而且是现代Intel CPU的标准。
  
  主板保证在复位向量处的指令是一个跳转,而且是跳转到BIOS执行入口点所在的内存映射地址。这个跳转会顺带清除那个隐藏的、上电时的基地址。感谢芯片组提供的内存映射功能,此时的内存地址存放着CPU初始化所需的真正内容。这些内容全部是从包含有BIOS的闪存映射过来的,而此时的RAM模块还只有随机的垃圾数据。下面的图例列出了相关的内存区域:
  
  



  

引导时的重要内存区域


  
  随后,CPU开始执行BIOS的代码,初始化机器中的一些硬件。之后BIOS开始执行上电自检过程POST),检测计算机中的各种组件。如果找不到一个可用的显卡,POST就会失败,导致BIOS进入停机状态并发出鸣音提示(因为此时无法在屏幕上输出提示信息)。如果显卡正常,那么电脑看起来就真的运转起来了:显示一个制造商定制的商标,开始内存自检,天使们大声的吹响号角。另有一些POST失败的情况,比如缺少键盘,会导致停机,屏幕上显示出错信息。其实POST即是检测又是初始化,还要枚举出所有PCI设备的资源——中断,内存范围,I/O端口。现代的BIOS会遵循高级配置与电源接口ACPI)协议,创建一些用于描述设备的数据表,这些表格将来会被操作系统内核用到。
  
  POST完毕后,BIOS就准备引导操作系统了,它必须存在于某个地方:硬盘,光驱,软盘等。BIOS搜索引导设备的实际顺序是用户可定制的。如果找不到合适的引导设备,BIOS会显示出错信息并停机,比如"Non-System Disk or Disk Error"没有系统盘或驱动器故障。一个坏了的硬盘可能导致此症状。幸运的是,在这篇文章中,BIOS成功的找到了一个可以正常引导的驱动器。
  
  现在,BIOS会读取硬盘的第一个扇区0扇区),内含512个字节。这些数据叫做主引导记录Master Boot Record简称MBR)。一般说来,它包含两个极其重要的部分:一个是位于MBR开头的操作系统相关的引导程序,另一个是紧跟其后的磁盘分区表。BIOS 丝毫不关心这些事情:它只是简单的加载MBR的内容到内存地址0x7C00处,并跳转到此处开始执行,不管MBR里的代码是什么
继承事业,薪火相传
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