PC操作系統(tǒng)啟動(dòng)過程

1、PC 32位操作系統(tǒng)啟動(dòng)過程朱韜朱韜2015-01-202015-01-20課程內(nèi)容lPCPC系統(tǒng)啟動(dòng)模式歷史系統(tǒng)啟動(dòng)模式歷史lPCPC主機(jī)硬件結(jié)構(gòu)主機(jī)硬件結(jié)構(gòu)lBIOSBIOS主要功能主要功能l相關(guān)概念相關(guān)概念lPCPC系統(tǒng)物理地址空間（系統(tǒng)物理地址空間（X86 32X86 32位）位）lPCPC保護(hù)模式內(nèi)存地址轉(zhuǎn)換保護(hù)模式內(nèi)存地址轉(zhuǎn)換lMBRMBRlDOSDOS啟動(dòng)啟動(dòng)l操作系統(tǒng)啟動(dòng)操作系統(tǒng)啟動(dòng)l操作系統(tǒng)啟動(dòng)最終結(jié)果操作系統(tǒng)啟動(dòng)最終結(jié)果l好書推薦好書推薦PC系統(tǒng)啟動(dòng)模式歷史lDOSDOS時(shí)代（時(shí)代（它不能算是真正的操作系統(tǒng)它不能算是真正的操作系統(tǒng)）uMAC和磁帶（都以為是喬布斯最先實(shí)現(xiàn)的）

2、uPC和軟盤 （IBM實(shí)現(xiàn)，這時(shí)還沒微軟什么事）uPC、BIOS、MBR和硬盤（也沒微軟什么事）lPCPC操作系統(tǒng)時(shí)代操作系統(tǒng)時(shí)代uPC、BIOS、MBR、硬盤和單個(gè)kerneluPC、BIOS、MBR、硬盤、bootloader和多個(gè)kernellPCPC、EFI EFI / / UEFIUEFI、GUIDGUID、storagestorage、bootloaderbootloader和多個(gè)操作和多個(gè)操作系統(tǒng)環(huán)境系統(tǒng)環(huán)境PC主機(jī)硬件結(jié)構(gòu)90后00后BIOS主要功能l自診自診斷程斷程序：通過讀取序：通過讀取CMOS RAMCMOS RAM中的內(nèi)容識(shí)別硬件配置，并對(duì)中的內(nèi)容識(shí)別硬件配置，并對(duì)其其

3、進(jìn)行自檢和初始化進(jìn)行自檢和初始化lCMOSCMOS設(shè)置設(shè)置程序：引導(dǎo)過程中，用特殊熱鍵啟動(dòng)，進(jìn)行設(shè)置后，程序：引導(dǎo)過程中，用特殊熱鍵啟動(dòng)，進(jìn)行設(shè)置后，存存入入CMOS RAMCMOS RAM中中l(wèi)系統(tǒng)系統(tǒng)自舉自舉裝載程序：在自檢成功后將磁盤相對(duì)裝載程序：在自檢成功后將磁盤相對(duì)0 0道道0 0扇區(qū)上扇區(qū)上MBRMBR的的引導(dǎo)程序裝入內(nèi)存，讓其運(yùn)行以裝入操作系統(tǒng)（引導(dǎo)程序裝入內(nèi)存，讓其運(yùn)行以裝入操作系統(tǒng)（歷史原因很復(fù)歷史原因很復(fù)雜雜）l主要主要I/OI/O設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序和中斷服務(wù)：由于設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序和中斷服務(wù)：由于BIOSBIOS直接和系統(tǒng)硬件直接和系統(tǒng)硬件資源打交道，因此總是針對(duì)某一類型的硬件系

4、統(tǒng)，而各種硬件資源打交道，因此總是針對(duì)某一類型的硬件系統(tǒng)，而各種硬件系系統(tǒng)又各有不同，所以存在各種不同種類的統(tǒng)又各有不同，所以存在各種不同種類的BIOSBIOS，隨著硬件技術(shù)，隨著硬件技術(shù)的的發(fā)展，同一種發(fā)展，同一種BIOSBIOS也先后出現(xiàn)了不同的版本，也先后出現(xiàn)了不同的版本，新版本的新版本的BIOSBIOS比比起起老版本來說，功能更強(qiáng)（經(jīng)典廢話）老版本來說，功能更強(qiáng)（經(jīng)典廢話）最煩人的概念l實(shí)模式和保護(hù)模式實(shí)模式和保護(hù)模式 （兼容是個(gè)政治問題兼容是個(gè)政治問題）l物理存儲(chǔ)器物理存儲(chǔ)器 （內(nèi)存條內(nèi)存條）l物理地址物理地址 （操作系統(tǒng)看不見操作系統(tǒng)看不見）l虛擬存儲(chǔ)器虛擬存儲(chǔ)器 （內(nèi)存通貨膨脹后

5、的解決方法內(nèi)存通貨膨脹后的解決方法）l虛擬地址虛擬地址 / / 線性地址線性地址 （一眼看不清一眼看不清）l邏輯地址（哥只是個(gè)傳說）邏輯地址（哥只是個(gè)傳說）實(shí)模式lIntel 8086Intel 8086u16位寄存器，尋址能力 64K（可以支持文本圖形）u20位地址線，尋址能力 1M（當(dāng)時(shí)可不得了）u地址線和寄存器有矛盾，因此產(chǎn)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地址總線由原來的20根發(fā)展為24根，尋址能力16M（可以支持真正的圖形界面）uCPU通過A20 GATE來控制A20

6、地址線u為了向下兼容，依然只是用20根地址線，多出來的4位地址造成了后來許多運(yùn)行時(shí)BUG，因此286是個(gè)失敗的產(chǎn)品保護(hù)模式lIntel 80386+ Intel 80386+ （LinuxLinux誕生與此誕生與此）u32位寄存器，4G尋址（順理成章的事）u32位地址線，4G尋址（當(dāng)時(shí)被認(rèn)為足夠用了）u為了向下兼容，A20地址被用作實(shí)模式和保護(hù)模式的開關(guān)u沒有實(shí)際的內(nèi)存段（段長(zhǎng)可變，最大4G）u全局描述符表(GDT) 和局部描述符表(LDT)重要概念點(diǎn)（繞口令）l線性地址空間：指線性地址空間：指linuxlinux系統(tǒng)中的虛擬地址空間，但虛擬地址系統(tǒng)中的虛擬地址空間，但虛擬地址不是線性地址！不

7、是線性地址?。]有更好的表述了）（沒有更好的表述了）lcpucpu尋址使用的是物理地址。所以在使用尋址使用的是物理地址。所以在使用cpucpu尋址前要把地址轉(zhuǎn)尋址前要把地址轉(zhuǎn)換好。換好。（基本沒有讓你使用（基本沒有讓你使用cpucpu尋址的可能）尋址的可能）l物理內(nèi)存中的高端內(nèi)存是物理內(nèi)存中的高端內(nèi)存是DDRDDR減去減去896M896M后多出來的那一段。后多出來的那一段。虛虛擬地址里面的高端內(nèi)存是指用于映射物理高端內(nèi)存的虛擬地址擬地址里面的高端內(nèi)存是指用于映射物理高端內(nèi)存的虛擬地址空間空間。不過高端內(nèi)存被映射到用戶空間，那就是另外一回事了。不過高端內(nèi)存被映射到用戶空間，那就是另外一回事了（進(jìn)

8、程間通信時(shí)使用進(jìn)程間通信時(shí)使用）。）。l內(nèi)核空間是可以訪問用戶空間的，不過不是通過虛擬地址直接內(nèi)核空間是可以訪問用戶空間的，不過不是通過虛擬地址直接訪問的（訪問的（用戶空間是內(nèi)核空間映射出來的用戶空間是內(nèi)核空間映射出來的，我花了一年時(shí)間才，我花了一年時(shí)間才理解）。理解）。l內(nèi)存映射，在不同的情境中意義也不相同。內(nèi)存映射，在不同的情境中意義也不相同。（看不明白的時(shí)候（看不明白的時(shí)候大多就是出現(xiàn)內(nèi)存映射了）大多就是出現(xiàn)內(nèi)存映射了）PC系統(tǒng)物理地址空間（X86 32位）PC虛擬地址與物理地址轉(zhuǎn)換MBR功能 硬盤的0柱面、0磁頭、1扇區(qū)稱為主引導(dǎo)扇區(qū)（也叫主引導(dǎo)記錄MBR）。它由三個(gè)部分組成，主引導(dǎo)代

9、碼、硬盤分區(qū)表DPT（Disk Partition table）和分區(qū)有效標(biāo)志（55AA）。 在總共512字節(jié)的主引導(dǎo)扇區(qū)里主引導(dǎo)程序（boot loader）占446個(gè)字節(jié)，第二部分是Partition table區(qū)（分區(qū)表），即DPT，占64個(gè)字節(jié)，硬盤中分區(qū)有多少以及每一分區(qū)的大小都記在其中。第三部分是magic number，占2個(gè)字節(jié)，固定為55AA。MBR結(jié)構(gòu)DOS硬盤分區(qū)早期PC系統(tǒng)啟動(dòng)過程l DOSDOS系統(tǒng)啟動(dòng)系統(tǒng)啟動(dòng)成熟的PC系統(tǒng)啟動(dòng)過程（Win95+、Linux）l 無無bootloaderbootloader的系統(tǒng)啟動(dòng)（裸奔）的系統(tǒng)啟動(dòng)（裸奔）l 有有bootloade

10、rbootloader的單內(nèi)核單操作系統(tǒng)的啟動(dòng)的單內(nèi)核單操作系統(tǒng)的啟動(dòng)l 有有bootloaderbootloader的多內(nèi)核單操作系統(tǒng)的啟動(dòng)的多內(nèi)核單操作系統(tǒng)的啟動(dòng)l 有有bootloaderbootloader的多內(nèi)核多操作系統(tǒng)的啟動(dòng)的多內(nèi)核多操作系統(tǒng)的啟動(dòng)l 高級(jí)高級(jí)bootloaderbootloader啟動(dòng)多種操作系統(tǒng)啟動(dòng)多種操作系統(tǒng)l UEFIUEFI模式下的模式下的bootloaderbootloader啟動(dòng)多種操作系統(tǒng)啟動(dòng)多種操作系統(tǒng)無bootloader的系統(tǒng)啟動(dòng)（kernel 0.11）bootsect.sbootsect.s：內(nèi)核引導(dǎo)：內(nèi)核引導(dǎo)程序保存在程序保存在MBRM

11、BR中中setup.ssetup.s：操作系統(tǒng)加載：操作系統(tǒng)加載程序，通常在程序，通常在bootloaderbootloader中中head.shead.s：是：是systemsystem模塊模塊的最開始部分，使系統(tǒng)的最開始部分，使系統(tǒng)進(jìn)入保護(hù)模式下運(yùn)行進(jìn)入保護(hù)模式下運(yùn)行系統(tǒng)啟動(dòng)過程中的控制權(quán)變化主機(jī)加電BIOS加載入內(nèi)存實(shí)模式運(yùn)行設(shè)備自檢BIOS運(yùn)行搜尋啟動(dòng)設(shè)備運(yùn)行引導(dǎo)代碼將啟程引導(dǎo)序加載進(jìn)內(nèi)存從MBR加載啟動(dòng)引導(dǎo)代碼啟動(dòng)引導(dǎo)程序接管主機(jī)控制權(quán)運(yùn)行并開啟保護(hù)模式加載系統(tǒng)內(nèi)核系統(tǒng)內(nèi)核接管主機(jī)控制權(quán)運(yùn)行內(nèi)核操作系統(tǒng)啟動(dòng)完成運(yùn)行init進(jìn)程操作系統(tǒng)初始化有bootloader的系統(tǒng)啟動(dòng)bootlo

12、ader和MBR以及各分區(qū)間的關(guān)系Linux kernel 2.2+ 啟動(dòng)過程MBR系統(tǒng)啟動(dòng)后物理地址與虛擬地址的映射關(guān)系 物理地址有物理地址有896M896M直接映射直接映射到虛擬地址的內(nèi)存空間，這是到虛擬地址的內(nèi)存空間，這是一一對(duì)應(yīng)的映射，只有起始地一一對(duì)應(yīng)的映射，只有起始地址不一樣，偏移是一樣的。址不一樣，偏移是一樣的。 用戶區(qū)的代碼也是放在這用戶區(qū)的代碼也是放在這段物理地址里面的，就是說物段物理地址里面的，就是說物理地址可以進(jìn)行二次映射。理地址可以進(jìn)行二次映射。 多出來的叫做高端內(nèi)存，多出來的叫做高端內(nèi)存，如果你使用如果你使用vmallocvmalloc申請(qǐng)空間，申請(qǐng)空間，就會(huì)在高端內(nèi)存中分配，如果就會(huì)在高端內(nèi)存中分配，如果你使用你使用kmallockmalloc申請(qǐng)空間，就會(huì)申請(qǐng)空間，就會(huì)在小于在小于896896的內(nèi)存中分配