操作系统引导探究(谢煜波)

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1、操作系统引导探究(Version0.02)哈尔滨工业大学计算机体系结构实验室谢煜波(xieyubo@126.com)Version0.02修改记录:对与GDT有关的段描述符方面的描述进行了修订，更正了上一个版本中出现的一些错误，增加了一些描述，使其更完善。与上个版本中不同的地方均用红色标记。前言本篇文章并不旨在完整的讨论一个多引导系统程序怎样去引导不同的操作系统，而只打算从编写操作系统的角度出发，谈谈计算机怎样从加电开始，从无到有，将操作系统运行起来，在其中将尽量详尽的描述从实模式到保护模式的过渡，目的只在于

2、能将所学与广大爱好者共享，为希望开发操作系统的朋友留下一点资料，也为自己留下一点心得。本篇文章将以开发中的pyos系统引导程序为例，pyos是一个正在开发中的实验型操作系统，它并不打算以目前任何一种运行中的操作系统为模式，而只想通过自己编写一个从头到尾的操作系统来学习知识，积累技术，如果你有兴趣，非常欢迎你的加入！本篇纯属学习过程中的一点心得体会，如果你发现其中有错误或不当之处，非常希望你来信指教。一、计算机从加电开始都做了什么？当机算机的电源键被按下时，同这个键相联的电信号线就会送出一个电信号给主板，主板将

3、此电信号传给供电系统，供电系统开始工作，为整个系统供电，并送出一个电信号给BIOS，通知BIOS供电系统已经准备完毕。随后BIOS启动一个程序，进行主机自检，主机自检的主要工作是确保系统的每一个部分都得到了电源支持，内存储器、主板上的其它芯片、键盘、鼠标、磁盘控制器及一些I/O端口正常可用，此后，自检程序将控制权还给BIOS。接下来BIOS读取BIOS中的相关设置，得到引导驱动器的顺序，然后依次检查，直到找到可以用来引导的驱动器（或说可以用来引导的磁盘，包括软盘、硬盘、光盘等），然后调用这个驱动器上磁盘的引导

4、扇区进行引导。BIOS是怎么知道或说分辨哪一个磁盘可以用来引导的呢？二、认识引导程序BIOS将磁盘的第一个扇区（磁盘最开始的512字节）载入内存，放在0x0000:0x7c00处（见图三），如果这个扇区的最后两个字节是“55AA”，那么这就是一个引导扇区，这个磁盘也就是一块可引导盘。通常这个大小为512B的程序就称为引导程序（boot）。如果最后两个字节不是“55AA”，那么BIOS就检查下一个磁盘驱动器。通过上面的表述我们可以总结出如下三点引导程序所具有的特点：1．它的大小是512B，不能多一字节也不能少一

5、字节，因为BIOS只读512B到内存中去。2．它的结尾两字节必须是“55AA”，这是引导扇区的标志。3．它总是放在磁盘的第一个扇区上（0磁头，0磁道，1扇区），因为BIOS只读第一个扇区。（图一）因此，在我们编写引导程序的时候，我们也必须注意上面的三点原则，符合上面三点原则的程序都可以看作是引导程序，至少BIOS是这样认为的，虽然它也许可能是你随意写的一段并没有什么实际意义的代码。因为BIOS一次只读一个扇区也即512字节的数据到内存中，这显然是不够的，现在操作系统都比较庞大，因此我们必须在引导扇区里，将存在

6、磁盘上的操作系统的核心部分读进内存，然后再跳转到操作系统的核心部分去执行。三、通过BIOS读磁盘扇区从上面的描述我们可以知道，引导程序需要将存在于磁盘上的操作系统读入内存，因此这里我们不得不再讲一讲，怎样不通过操作系统（因为现在还没有操作系统）去读取磁盘上的内容。一般说来这有两种方法可以实现，一种是直接读写磁盘的I/O端口，一种是通过BIOS中断实现。前一种方法是最低层的方法（后一种方法也是在它的基础上实现的），具有极高的灵活性，可以将磁盘上的内容读到内存中的任意地方，但编程复杂。第二种方法是前一种方法稍微高

7、层一点的实现，牺牲了一点灵活性，比如，它不能把磁盘上的内容读到0x0000:0x0000~0x0000:0x03FF处。为什么不能读到此处呢？这里我们将不得不描述一下CPU在加电后的中断处理机制。3.1BIOS的中断处理中断是什么？相信学过计算机的人都不会陌生，如果你对中断一点都不了解建议你翻看一下《计算机组成原理》（高等教育出版社唐朔飞），上面有非常详尽的描述，而一般的汇编教材也多有谈及，因此这里只打算讲讲BIOS对中断的处理。0x0000jmp……0x0001jmp……向0x0002jmp……量地0x00

8、03jmp……址中断地址形成部件0x03ffjmp……中断信号（图二）由上图（图二）我们可以清楚的看到，当中断信号产生时，中断信号通过“中断地址形成部件”产生一个中断向量地址，此向量地址其实就是指向一个实际内存地址的指针，而这个实际内存地址中往往安排一条跳转指令（jmp）跳转到实际处理此中断的中断服务程序中去执行。这一块专门用于处理中断跳转的内存就被称为中断向量表。在内存中，这块中断向量表被放在什么