PC操作系统启动过程

1、PC 32位操作系统启动过程朱韬朱韬2015-01-202015-01-20课程内容lPCPC系统启动模式历史系统启动模式历史lPCPC主机硬件结构主机硬件结构lBIOSBIOS主要功能主要功能l相关概念相关概念lPCPC系统物理地址空间（系统物理地址空间（X86 32X86 32位）位）lPCPC保护模式内存地址转换保护模式内存地址转换lMBRMBRlDOSDOS启动启动l操作系统启动操作系统启动l操作系统启动最终结果操作系统启动最终结果l好书推荐好书推荐PC系统启动模式历史lDOSDOS时代（时代（它不能算是真正的操作系统它不能算是真正的操作系统）uMAC和磁带（都以为是乔布斯最先实现的）

2、uPC和软盘 （IBM实现，这时还没微软什么事）uPC、BIOS、MBR和硬盘（也没微软什么事）lPCPC操作系统时代操作系统时代uPC、BIOS、MBR、硬盘和单个kerneluPC、BIOS、MBR、硬盘、bootloader和多个kernellPCPC、EFI EFI / / UEFIUEFI、GUIDGUID、storagestorage、bootloaderbootloader和多个操作和多个操作系统环境系统环境PC主机硬件结构90后00后BIOS主要功能l自诊自诊断程断程序：通过读取序：通过读取CMOS RAMCMOS RAM中的内容识别硬件配置，并对中的内容识别硬件配置，并对其其

3、进行自检和初始化进行自检和初始化lCMOSCMOS设置设置程序：引导过程中，用特殊热键启动，进行设置后，程序：引导过程中，用特殊热键启动，进行设置后，存存入入CMOS RAMCMOS RAM中中l系统系统自举自举装载程序：在自检成功后将磁盘相对装载程序：在自检成功后将磁盘相对0 0道道0 0扇区上扇区上MBRMBR的的引导程序装入内存，让其运行以装入操作系统（引导程序装入内存，让其运行以装入操作系统（历史原因很复历史原因很复杂杂）l主要主要I/OI/O设备的驱动程序和中断服务：由于设备的驱动程序和中断服务：由于BIOSBIOS直接和系统硬件直接和系统硬件资源打交道，因此总是针对某一类型的硬件系

4、统，而各种硬件资源打交道，因此总是针对某一类型的硬件系统，而各种硬件系系统又各有不同，所以存在各种不同种类的统又各有不同，所以存在各种不同种类的BIOSBIOS，随着硬件技术，随着硬件技术的的发展，同一种发展，同一种BIOSBIOS也先后出现了不同的版本，也先后出现了不同的版本，新版本的新版本的BIOSBIOS比比起起老版本来说，功能更强（经典废话）老版本来说，功能更强（经典废话）最烦人的概念l实模式和保护模式实模式和保护模式 （兼容是个政治问题兼容是个政治问题）l物理存储器物理存储器 （内存条内存条）l物理地址物理地址 （操作系统看不见操作系统看不见）l虚拟存储器虚拟存储器 （内存通货膨胀后

5、的解决方法内存通货膨胀后的解决方法）l虚拟地址虚拟地址 / / 线性地址线性地址 （一眼看不清一眼看不清）l逻辑地址（哥只是个传说）逻辑地址（哥只是个传说）实模式lIntel 8086Intel 8086u16位寄存器，寻址能力 64K（可以支持文本图形）u20位地址线，寻址能力 1M（当时可不得了）u地址线和寄存器有矛盾，因此产生了段（64K）u16位基地址左移4位+16位偏移 = 20位地址uDOS和Windows2.0 3.1lIntel 80286Intel 80286u地址总线由原来的20根发展为24根，寻址能力16M（可以支持真正的图形界面）uCPU通过A20 GATE来控制A20

6、地址线u为了向下兼容，依然只是用20根地址线，多出来的4位地址造成了后来许多运行时BUG，因此286是个失败的产品保护模式lIntel 80386+ Intel 80386+ （LinuxLinux诞生与此诞生与此）u32位寄存器，4G寻址（顺理成章的事）u32位地址线，4G寻址（当时被认为足够用了）u为了向下兼容，A20地址被用作实模式和保护模式的开关u没有实际的内存段（段长可变，最大4G）u全局描述符表(GDT) 和局部描述符表(LDT)重要概念点（绕口令）l线性地址空间：指线性地址空间：指linuxlinux系统中的虚拟地址空间，但虚拟地址系统中的虚拟地址空间，但虚拟地址不是线性地址！不

7、是线性地址！（没有更好的表述了）（没有更好的表述了）lcpucpu寻址使用的是物理地址。所以在使用寻址使用的是物理地址。所以在使用cpucpu寻址前要把地址转寻址前要把地址转换好。换好。（基本没有让你使用（基本没有让你使用cpucpu寻址的可能）寻址的可能）l物理内存中的高端内存是物理内存中的高端内存是DDRDDR减去减去896M896M后多出来的那一段。后多出来的那一段。虚虚拟地址里面的高端内存是指用于映射物理高端内存的虚拟地址拟地址里面的高端内存是指用于映射物理高端内存的虚拟地址空间空间。不过高端内存被映射到用户空间，那就是另外一回事了。不过高端内存被映射到用户空间，那就是另外一回事了（进

8、程间通信时使用进程间通信时使用）。）。l内核空间是可以访问用户空间的，不过不是通过虚拟地址直接内核空间是可以访问用户空间的，不过不是通过虚拟地址直接访问的（访问的（用户空间是内核空间映射出来的用户空间是内核空间映射出来的，我花了一年时间才，我花了一年时间才理解）。理解）。l内存映射，在不同的情境中意义也不相同。内存映射，在不同的情境中意义也不相同。（看不明白的时候（看不明白的时候大多就是出现内存映射了）大多就是出现内存映射了）PC系统物理地址空间（X86 32位）PC虚拟地址与物理地址转换MBR功能 硬盘的0柱面、0磁头、1扇区称为主引导扇区（也叫主引导记录MBR）。它由三个部分组成，主引导代

9、码、硬盘分区表DPT（Disk Partition table）和分区有效标志（55AA）。 在总共512字节的主引导扇区里主引导程序（boot loader）占446个字节，第二部分是Partition table区（分区表），即DPT，占64个字节，硬盘中分区有多少以及每一分区的大小都记在其中。第三部分是magic number，占2个字节，固定为55AA。MBR结构DOS硬盘分区早期PC系统启动过程l DOSDOS系统启动系统启动成熟的PC系统启动过程（Win95+、Linux）l 无无bootloaderbootloader的系统启动（裸奔）的系统启动（裸奔）l 有有bootloade

10、rbootloader的单内核单操作系统的启动的单内核单操作系统的启动l 有有bootloaderbootloader的多内核单操作系统的启动的多内核单操作系统的启动l 有有bootloaderbootloader的多内核多操作系统的启动的多内核多操作系统的启动l 高级高级bootloaderbootloader启动多种操作系统启动多种操作系统l UEFIUEFI模式下的模式下的bootloaderbootloader启动多种操作系统启动多种操作系统无bootloader的系统启动（kernel 0.11）bootsect.sbootsect.s：内核引导：内核引导程序保存在程序保存在MBRM

11、BR中中setup.ssetup.s：操作系统加载：操作系统加载程序，通常在程序，通常在bootloaderbootloader中中head.shead.s：是：是systemsystem模块模块的最开始部分，使系统的最开始部分，使系统进入保护模式下运行进入保护模式下运行系统启动过程中的控制权变化主机加电BIOS加载入内存实模式运行设备自检BIOS运行搜寻启动设备运行引导代码将启程引导序加载进内存从MBR加载启动引导代码启动引导程序接管主机控制权运行并开启保护模式加载系统内核系统内核接管主机控制权运行内核操作系统启动完成运行init进程操作系统初始化有bootloader的系统启动bootlo

12、ader和MBR以及各分区间的关系Linux kernel 2.2+ 启动过程MBR系统启动后物理地址与虚拟地址的映射关系 物理地址有物理地址有896M896M直接映射直接映射到虚拟地址的内存空间，这是到虚拟地址的内存空间，这是一一对应的映射，只有起始地一一对应的映射，只有起始地址不一样，偏移是一样的。址不一样，偏移是一样的。 用户区的代码也是放在这用户区的代码也是放在这段物理地址里面的，就是说物段物理地址里面的，就是说物理地址可以进行二次映射。理地址可以进行二次映射。 多出来的叫做高端内存，多出来的叫做高端内存，如果你使用如果你使用vmallocvmalloc申请空间，申请空间，就会在高端内存中分配，如果就会在高端内存中分配，如果你使用你使用kmallockmalloc申请空间，就会申请空间，就会在小于在小于896896的内存中分配