• 实模式下1M内存
  • 比特，字，字节单位
  • BIOS 是怎么启动的
  • 找到 BIOD 的入口地址
  • 找到 jmp指令
  • 小小总结

如果你亲自动手重载过系统你就听过 BIOS 这个名词。BIOS 全称叫 Base Input & Output System ,也就是基本输入输出系统。

实模式下1M内存

在很久以前，Intel 8086 有 20 条地址线，因为 220=1048576=1MB，所以，这 20 条地址线可以访问 1MB 的内存。如果用 16 进制来表示就是 0x00000 ~ 0xFFFFF。

这里先大概预览一下实模式下的内存布局表

sysbios 内存 bios内存容量总数_sysbios 内存

比特，字，字节单位

计算机由几亿万个位(bit)组成，每个字节存储的都是 0，1 二进制.一般 8 个位组成一个字节（byte)，当然不同机器不一样。

每个字节类似一个存储单元，但是这样的一个存储单元有点小，所以有些机器把多个字节连接在一起，组成一个更大的内存单位，称为【字】。一个字一般由 2 个 或者 4 个字节组成。所以呢，每个字包含了更多的位，每个字可以容纳的无符号整数范围是 0 ~ 4294967295 (232-1),可以容纳的有符号整数范围是 -2147483648 (-231) ~ 2147483647 (231-1)。

  • 1字节(Byte) = 8位(bit)
  • 1 千字节(KB) = 1024字节(B)
  • 1 兆字节(MB) = 1024K (1024KB)

内存地址 0 ~ 0x9FFFF 的空间范围是 640KB，这个范围的地址对应到 DRAM（动态随机访问内存，断电即丢失），也就是我们插在主板的内存条，但是，内存条的内存不等于全部的物理内存。

sysbios 内存 bios内存容量总数_sysbios 内存_02

上表中的 0xF0000 ~ 0xFFFF，这 64KB 内存就是 ROM (只读存储)，这里存放的是 BIOS 的代码 (其实这里存储的只是跳转指令)。

我们先来看下面这张图，0xF0000 ~ 0xFFFF 这段地址可以分为 0xF0000 ~ 0xFFFEF + 0xFFFF0 ~ 0xFFFFF，其中 0xFFFF0 ~ 0xFFFFF 这段 16 字节，是 BIOS 的入口地址，此处的内容是 跳转指令 jmp f000: e05b 。其中 BIOS 的作用是 检测、初始化硬件 和 建立中断向量表，这里的建立操作对硬件来说就是 IO 操作。

sysbios 内存 bios内存容量总数_实模式_03

从上图可以清楚看出 ROM 只有 64KB，所以能够实现所有的 IO 操作非常有限，这也正是在实模式下为什么计算机只能运行硬件 IO 的基本操作。这应该也是 BIOS 为什么叫基本输入输出系统的原因吧。

回到一开始的问题，为什么在 CPU 眼里主板插上的内存条的内存不是“全部内存”呢？

这其实是由[地址总线]的宽度决定的，因为地址总线的宽度决定了可以访问的内存空间大小，就比如我们以前用的 32 位的电脑，其实它的地址范围就是 4GB (232=4294967296)，所以你电脑如果还是 32位 的，那就算买的内存条大于 4GB 也不会有什么本质的作用。

注意，刚刚说的是寻址范围为 4GB，但是并没有说它一定会寻址到哪里，所以寻址范围不一定是物理地址。这是怎么回事呢？

因为在计算机中，除了主板上的内存条外，还有其他设备也需要通过地址总线来访问，就比如显存，硬盘控制器等。试想，如果把所有的地址总线都拿来给主板上的内存条用，那么其他设备怎么办呢？是吧。所以说，地址总线需要将一部分内存预留出来，剩下的内存才是指向 DRAM（物理内存）。

sysbios 内存 bios内存容量总数_寻址_04

所以不要还以为电脑中内存条越大越好，还得看你电脑中地址总线的宽度，如果你电脑的地址总线的寻址范围只有 8G，那你买个 16G 的内存条有什么用呢？

BIOS 是怎么启动的

找到 BIOD 的入口地址

BIOS 是计算机上第一个运行的软件，那么既然是第一个软件，那它肯定不能自己加载自己了，所以 BIOS 是由硬件加载的。这个硬件也就是我们前面提到的 只读存储器 ROM。因为是只读的，所以里面的内容是不可以更改的，也可以说 BIOS 的工作是一成不变的。当然你如果要刷机情况除外。

sysbios 内存 bios内存容量总数_实模式_05

从上图可以很清楚看出 BIOS 写在 ROM，然后 ROM 被映射到整个 1M (实模式)的顶部，也就是之前说的 64KB 那里。然后 BIOS 的入口地址是 0xFFFF0。

好了，现在找到 BIOS 的入口了，那么 CPU 如何执行它呢？也就是说 CPU 的 cs：ip寄存器怎么将一串数字组织成 0xFFFF0 呢？

找到 jmp指令

这里先注释一点，CPU 给一串字符串给地址总线，地址总线将这一字符串映射成地址，CPU 才能访问该地址。

CPU 的访问内存需要涉及到内存分段机制，就是CPU 需要用 段基地址 + 偏移地址 才能找到物理地址。这里注意，在实模式下，段地址需要乘于 16，也就是向左移 4 位才能与偏移地址相加。

计算机在开机之后，CPU 的cs: ip寄存器被强制初始化为 0xF000: 0xFFF0，也就是 cs 寄存器的值是 0xF000，ip 寄存器的值是 0xFFF0，也就是段基地址是 0xF000，段内偏移地址是 0xFFF0，这个地址组合出来就是 0xFFFF0。

这里简单介绍下上面是怎么计算出来的。0xF000 转成二进制是 1111 0000 0000 0000 ，然后左移 4 位之后变成 1111 0000 0000 0000 0000 0000 ，再加上 0xFFF0（1111 1111 1111 0000） 等于 1111 1111 1111 1111 0000（FFFF0）。

0xF000 处存储的还是跳转指令 jmp f000: e05b，也就是下一条要执行的指令。也就是说跳转到下一条要执行的指令。这就是 BIOS 代码开始的地方。接下来 BIOS 就可以开始工作了。

小小总结

  • 主板内存条的内存不一定是实际的物理内存，这和地址总线的宽度有关，因为地址总线的宽度决定寻址的范围。而且不仅仅是主板上的内存条需要访问地址总线，其他设备也需要访问，所以地址总线需要预留出一部分地址空间出来给其他设备访问。因此我们买的 4GB 的内存条，在电脑看到的可能只有 3.8GB。
  • BIOS 的起始地址是 0xFFFF0,CPU 通过地址总线映射到这个地址，然后 CPU 访问该地址并执行它，这个访问过程需要用到内存分段机制，即 段基地址+偏移地址=物理地址。

参考《操作系统真象还原》《王爽的汇编语言》