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intelx86为何从0xFFFF0处执行

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发表于 2018-8-15 11:26:23 |显示全部楼层
操作系统引导从用户按下计算机电源开关开始,到操作系统运行起来这段时间被称为“系统引导(boot)”,一般的操作系统理论都不将它看做操作系统的一部份,因 而很多操作系统教科书都这部份只字未提。但是从开发操作系统的角度来看,“引导”是非常重要的一个环节。因为,你开发的操作系统正是经过“引导”程序读进 内存,然后才开始工作的。因此,要想开发一个操作系统,了解“引导”过程,是非常必要的。

  “引导”过程与计算机硬件密切相关,这里只针对最常见的Intel x86及IBM PC体系结构进行描述,其余硬件平台的“引导”进程请参见相应资料。


第一条指令的地址

  在用户按下计算机电源开关之后,CPU会自动的将其CS寄存器设定为0xFFFF,将其IP寄存器设定为0x0000。由于CS:IP指出了下一条指令的地址[1],因此CPU会跳到0xFFFF:0x0000处进行执行。为什么是这个地址而不是其它地址呢?这其实是一个很巧妙的设计。

  我们知道,从80386开始,到后面80486、奔腾,它们都是32位的CPU,但是它们都与Intel先前开发的8086兼容。也就是说,在默认情况下,80386、80486等,只不过是一台运行得更快一些的8086罢了。因此,这里我们只讨论8086[2]

  8086是16位的CPU,但是却有20根地址线[3]。也就是说它可以寻址 220 = 1M 内存空间。这段内存空间由RAM、ROM组成。ROM是随机只读存储器,里面的程序是在计算机出厂的时候直接烧录在里面的,完成一些主机自检等操作,并提 供一些访问磁盘等基本输入输出服务,因而这段程序常被称为BIOS(Basic Input/Ouput Service)。由于不同的计算机厂商生产的计算机所带的外设不一样,因此,这段程序大小也限机型的不同而不一样,有可能A厂出产的计算机所带的这段程 序的大小为1K,而B厂出产的这段程序的大小为2K。如果将这段程序放在0x0000处,那么用户写的程序就可能从0x0400处开始也可能从 0x0800处开始,非常不统一。故而,将此段程序放在1M内存的顶部,那么用户写的程序就都可以从0x0000处开始了。

  但将BIOS这段程序放在1M内存的顶部,如果这段程序大小为1K,那么应当从0xFFC00开始放。如果这段程序的大小为2K,那 么应当从0xFF800开始放,对于CPU而言,到底是应当从0xFFC00开始执行还是应当从0xFF800开始执行呢?为了解决这个问题,8086规 定,CPU均从0xFFFF0处开始执行,而在0xFFFF0处,放一条无条件转移指令JMP。如果A厂的BIOS是从0xFFC00开始放的,那么这条 转移指令就跳转到0xFFC00处开始执行。如果B厂的BIOS是从0xFF800开始放的,那么这条转移指令就跳转到0xFF800处开始执行,各个厂 家可以跟据自己所生产的BIOS程序的大小,来决定此转移指令具体跳转到的位置。

  这里有一点需要清楚的是,通常认为,内存编址是连续的,不会出现空洞,其实完全不是这样。比如,假设BIOS的编址是从 0xF0000开始,而RAM,即通常讲的内存编址是从0x00000开始,那么,如果用户只安装了32K内存,那么内存的编址范围就是 0x00000~0x07FFF,那么从0x08000至0xEFFFF处就没有安装内存,这就是一个内存空洞。

  好了,当CPU执行了放在0xFFFF0处的第一条指令后,就跳转到BIOS程序内部去执行了,下面就来看看BIOS都做了些什么。

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BIOS的工作

  BIOS的工作相当简单,主要的工作就是执行主机自检(POST),然后查找操作系统存在在哪个磁盘上,将操作系统载入。BIOS在查找各磁盘 的操作系统时,主要是查找磁盘上的第一个扇区(0面0磁道1扇区),每个扇区是512字节,如果这是一个引导扇区,那么就将它载入0x7C00的内存地址 上,然后跳转到此地址上执行。如果此不是一个引导扇区,就继续查找下一个磁盘,看其上面是否存在引导扇区。如果所有的磁盘上都不存在引导扇区,则在屏幕上 打印出一条出错信息。

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引导扇区的工作

  引导扇区只有一扇区即512字节大,因此它的主要目的是把操作系统的内核读进内存,然后跳转到操作系统内核处开始执行。从编写操作系统角度来 说,前面的CPU上电及BIOS的工作都不是操作系统能控制的,而从引导扇区开始,就完完全全可由操作系统来控制了,因此,编写引导扇区也是编写操作系统 必要的工作之一。从BIOS跳入引导扇区后,计算机系统引导工作就算完成,怎样把操作系统内核读进内存,然后再安排一条跳转指令跳到内核处执行就是操作系 统开发人员的工作了。

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其它资源
  • 对于引导过程更详细的描述及示例程序可以参见谢煜波的《操作系统引导探究》
            简单操作系统(1)十分钟完成的操作系统
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