bios如何加载系统 bios程序如何被加载到内存

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mob64ca13fae001 2024-07-30 13:12:42

文章标签 bios如何加载系统 windows linux 加载初始化 文章分类 iOS 移动开发

前言：
从今天起可以说是正式踏入操作系统编写的世界了，这里面会有很多未知副本等待我们，今天要去副本就是 “启动”，今天我们要了解计算机是如何启动的，揭开BIOS的神秘面纱，并在这打造去往下一关的钥匙 MBR，话不多说让我们开始吧！

一，计算机启动过程

bios如何加载系统 bios程序如何被加载到内存_linux

一开始就跟大家讲过程，大家头肯定会晕，我们放在之后在讲吧。我们先来看看操作系统载入内存

为什么要载入内存？

操作系统一开始存储在各种硬盘中（也可以是软盘，U盘），内存速度快，容量大，CPU的电路被设计成只能运行内存中指令的程序

如何加载到内存中？

首先载入内存被分为两个部分
程序被加载器（软件或者硬件）加载到内存某个区域
程序计数器将cs：ip指向该内存区域

而操作系统的载入，离不开BIOS，BIOS也是一款软件，在按下开机键的一刻，最先加载的便是BIOS程序，那么问题来了

谁加载的BIOS？
加载到哪儿去了？
谁改变了他的cs:ip?

二，伟大的BIOS

BIOS，全名(Base Input&Output system)，基础输入输出设备。

为了更进一步的了解他，我们来模拟一个环境，了解一下他的背景吧

① 实模式下的内存布局

在很久很久以前

Intel 8086有20条地址总线，所以其能访问的地址范围是 1MB：0~FFFFF，当时的1MB内存被硬件工程师分成了多个部分

bios如何加载系统 bios程序如何被加载到内存_windows_02

由图可知
0~9FFFF处是 DRAM
0xF0000~0xFFFFF处是 ROM

🚨注意：这里的内存分布不是说你的内存条的分布，而是访问地址的分布，0~9FFFF是指该范围对应DRAM，牢记这一点

DRAM（知识科普，会的可以跳过）

DRAM被称为动态随机访问内存，动态指此种存储介质由于本身电气元件的性质，我们平常的物理内存就是DRAM，他是可以被写入的，那为什么是动态的呢，因为他要不断地刷新

刷新：这里的刷新即充电，为什么要充电（~~好多为什么啊~~），为了了解如何充电的，我们可以先来了解一下内存的存储结构，内存中的每一位都是由电容和晶体管组成的，而电容里面的电荷便来代表所含比特数量
（不要在意这里贴的是固态的图，只是描述电容的大概样子，中间小圆点可以理解为电荷，大方块理解为电容）
而这么多电容，在所难免的就是会漏电，所以需要及时的充电，这样才不会导致数据丢失。

ROM（知识科普，会的可以跳过）

Read Only Memory，代表只读存储器，非破坏性读出方式工作，只能读出无法写入信息。信息一旦写入后就固定下来，即使切断电源，信息也不会丢失

上面我们说到了0xF0000~0xFFFFF 是ROM，其中存放的是BIOS代码

在CPU眼里主板上的物理内存不是它眼里全部的内存，打比方32位的CPU可以访问的地址范围是4GB，但是这4GB并不是全部落在物理内存条上面的（从上面我们就发现有的在ROM，有的在DRAM嘛），还有一些地址线是和其他硬件进行通信的，（比如 0 DAY说的显存访问）。所以要留给外设一些地址范围，分配够以后再给DRAM也就是我们本身的物理内存。

bios如何加载系统 bios程序如何被加载到内存_初始化_04

也就是说，你如果是32位电脑的话，最大可以装4G的内存条，但是实际可用内存是3.2~3.8G内存，看你的操作系统而决定，装再多其他的也访问不到~~（都2022了，不会有人用32位吧）~~

同时还找到了windows关于此问题的回答

BIOS

主要工作：硬件检测，硬件初始化，定义中断向量表

终于进入BIOS正题了，BIOS的主要工作就是进行硬件检测，初始化，同时他还干了一个伟大的事情，就是定义中断向量表，有了这个中断向量表就可以通过 “int 中断号”，来实现硬件的调用，一般都是一些基本的IO调用，在进入保护模式下才会有更加丰富的功能。

那既然BIOS是程序，那肯定就要有程序入口对吧，那程序入口在哪里呢，我们来看看上面的图，图上所说，BIOS程序入口是 0xFFFF0~0xFFFFF，那这里就有三个问题了。

BIOS被谁加载进来的？

ROM加载进入的，而且是永永远远固化在ROM，一个人享受岁月静好，沧海桑田，永不变迁。（除非你电脑坏了）

CPU的cs:ip如何定位到0xFFFF0，他又是如何组合的？
0xFFFF0~0xFFFFF这个地址他只有16字节，怎么放得下BIOS程序的？

带着这几个疑问我们继续往下探索

问题②

聪明的同学看到这里可能会说，cs:ip的组合很简单嘛，它可以是 0xF000：0xFFF0，或者是0xFEEE:0x1110等等组合，我只能说你确实很聪明，但是我们应该要想明白一点，在计算机启动前，整个计算机世界是一片荒芜，连BIOS这第一个软件都没有诞生，又有什么软件去做这种事情呢？

实际上在开机通电的一瞬间，CPU会强制将自己的cs:ip给定位到 0xF000:0xFFF0，由于开机处于实模式，那么段地址*16 + 基址 = 0xFFFF0。

问题③

仔细想想，16字节怎么可能放得下BIOS程序，写个a + b都不止16字节了吧（我猜的），所以我大胆一猜，这16字节肯定是 jmp 到某个地址继续去运行的。实际上也确实是这样的，它会jmp far f000: e05b ，具体的过程我们写完MBR会看到，跳转到这里便开始检测内存，显卡等等，检测完并初始化后呢，就开始在 0x000~0x3FF建立中断向量表填写中断例程。

当前路线总结：

电脑上电 - > CPU cs:ip 强制初始化为 0xF000:0xFFF0 -> 载入BIOS ->检测内存，显卡 -> 编写中断向量表

三，BIOS最后的波纹 -- 寻找引导文件

至此，BIOS的使命也算是完成了，它将永远的睡去（下次开机又会回来的，别怕），它是计算机这荒芜世界的开创者，是启明灯，一说到这里我就想到很久很久以前.....（不扯远了）

但实际上 BIOS还有着他的最后一项任务，就是校验启动盘中 0盘0道1扇区的内容，最后两个字节是不是魔数 0x55,0xaa，如果是的话，那就任务次扇区确实是可执行文件 MBR，便将其加载到0x7c00,然后 jmp 0:0x7c00继续执行

问题：
1,什么是盘，道，扇？
2,为什么不是0盘0道0扇区开始？（实际上是一样的）
这里在磁盘那里会细细说明。

3,为什么MBR是在0盘0到1扇区？
我认为是规定好的，不然BIOS还要跑一整圈磁盘找你那启动的512字节，还有那两个魔数，累不累呀。
4,为什么是0x7c00？
这下子真要在很久很久以前了，感兴趣的可以看看故事

四，终于要写MBR了

几经波折，终于来到了写代码的部分，准备冻手！！

首先要注意几点

MBR是512字节，最后两个字节是0x55,0xaa，且采用的是小端字节序，最后两个字节内容0xaa55
$和$$是NASM的关键字，$是代表本行代码前的标号的地址，$$代表是本section的地址
section是程序员进行的分段，比如代码段，数据段

bios如何加载系统 bios程序如何被加载到内存_加载_08

编写MBR文件(以下提供两种写法)

mbr.S(书上的写法)

SECTION MBR vstart=0x7c00    ;告诉编译器我的起始编译地址是 0x7c00
	
;利用cs(因为jmp 0:0x7c00，所以一开始是0) 来初始化ax,ds,es,ss,fs,gs,这类sreg寄存器是无法直接存储立即数的即直接赋值,所以需要通过cs来转移
	mov ax,cs				
	mov ds,ax
	mov es,ax
	mov ss,ax
	mov fs,ax
	mov sp,0x7c00 ;初始化栈指针，mbr是程序，程序就要用到栈

;利用0x06功能号进行清屏 INT 0x10  ah = 0x06 BIOS在运行过程中会有一些输出，这样子是为了更好看到我们的字符
	mov ax,0x600     ;ah = 0x06 al = 0代表全部
	mov bx,0x700	 ;BH = 上卷行属性
	mov cx,0		 ;(CL,CH) = 窗口左上角 (x,y)
	mov	dx,0x184f    ;(DL,DH) = 窗口右下角 (x,y) (0x18=24,0x4f=79) VGA文本一行只容纳 80个字符，25行
	int 0x10

;获取光标位置，在光标处打印字符
	mov ah,3         ; 3号功能即获取光标位置
	mov bh,0		 ; 存储带获取光标页号,第0页
	int 0x10		 

;打印字符串
	mov ax,message
	mov bp,ax		; es:bp 为串首地址，es此时同cs一致

	mov cx,6		; cx 为串长度，不包括结束符0的字符个数
	mov ax,0x1301	;子功能号 13 显示字符及属性，要存入 ah 寄存器，
					; al 设置写字符方式 ah=0 ：显示字符串，光标跟随移动
	mov bx,0x2		; bh 存储要显示的页号，此处是第
					; bl 中是字符属性，属性黑底绿字（bl = 02h) 
	int 0x10		; 执行 BIOS Ox10 号中
	
	

	jmp $
	message db "Geniux"
	times 510-($-$$) db 0  ;510 - 当前行号 - setcion行号得到剩余位置并填0
	db 0x55,0xaa

mbr.asm

org             07c00h          ;告诉编译器程序加载到7c00处
        mov             ax, cs
        mov             ds, ax
        mov             es, ax
        call    show                ;调用显示字符串例程
        jmp             $               ;无限循环
show:
        mov             ax, Message
        mov             bp, ax          ;ES:BP = 串地址
        mov             cx, 16          ;CX = 串长度
        mov             ax, 01301h      ;AH = 13h， AL = 01h
        mov             bx, 000ch        ;页号为0（BH= 0）黑底红字（BL = 0Ch，高亮）

        mov             dl, 0
        int             10h             ;10h号中断
        ret
Message:            db              "Hello, Genius OS"
times   510-($-$$)      db              0       ;填充剩下的空间
dw              0xaa55                          ;结束标志

使用nasm编译 mbr.bin

nasm -o mbr.bin mbr.S

有了代码我们需要写入软盘中，使用dd命令来将bin文件写入geniux.img的第0块

sudo dd if=/usr/geniux/mbr.bin of=/usr/geniux/img/geniux.img bs=512 count=1 conv=notrunc

出现下图即成功

bios如何加载系统 bios程序如何被加载到内存_linux_09

然后调用

bochs -f 你的配置文件
#注：
1，如果文件没有写权限，请使用sudo操作

如果出现无法read img的情况，请去掉配置文件中 ata0-master，并采用软盘启动

megs: 32 

romimage: file=/usr/share/bochs/BIOS-bochs-latest
vgaromimage : file=/usr/share/bochs/VGABIOS-lgpl-latest

floppya: 1_44="/usr/geniux/img/geniusos.img", status=inserted
#boot: disk
 
boot:floppy

log: bochs.out 

mouse: enabled=0 
keyboard:keymap=/usr/share/bochs/keymaps/x11-pc-us.map
ata0: enabled=1, ioaddr1=0x1f0, ioaddr2=0x3f0, irq=14
#display_library: sdl
#gdbstub: enabled=1, port=1234, text_base=0, data_base=0, bss_base=0