0. 概述

从我们按下电脑的电源开始，到我们进入到系统是一个非常复杂的过程，我根据我自己对一些文档的理解，尝试从自己的角度出发来记录一下我的收获。

1. 从按下电源开始

从刚接触到电脑开始，就听过一个名词叫做 BIOS，但是，仅仅是耳熟，具体干什么的一直都不清楚。即使是后来上大学学了专业课之后，知道了全程是 Basic Input/Output System 之后，到现在也没记住它具体是干什么的。

这里就自己再复习一遍，所谓的 BIOS 就是存放在 ROM（现在可能是 DPROM）中的一段代码（基本上是汇编写的，现代的似乎参杂了少量的 C），用于初始化硬件设备，并且引导启动程序。OK，这里有一些细节的东西很重要，我想来探讨一下：

2. 第一条指令

给机器加上电之后，内存控制器还没有初始化，这个时候内存是不可用的。而 CPU上电后第一条指令是通过 CS:IP 寄存器来指定的，CPU 厂家会给其初始值，对于 386 处理器来说，CPU 第一条指令地址是 0xFFFFFFF0。此时对 CPU 的指令解码的对象不是北桥，CPU 发出的地址被传递到南桥并由 FHW (Firmware Hub) 解码到 BIOS ROM 芯片上。

这样，CPU 就开始了从 ROM 加载指令并且执行，直到系统初始化阶段，BIOS 会解压 BIOS Image 到 RAM 中。具体操作为编程北桥控制器对 0xE0000~0xFFFFF（128K） 置为 write only，这样对该区域的写被传递到 DRAM 里，然后把解压的 BIOS 拷贝到 E 段和 F 段，最后重新编程北桥控制器对 0xE0000~0xFFFFF 置为 read only。对于 PCI ROM BIOS，BIOS 会把每个卡上的 ROM 拷贝到 0xC0000~0xDFFFF 然后执行他们的初时化代码。

BIOS ROM 可以很大，但不都是可执行的，如含有 ACPI Table 等，开始解压到 0xE0000~0xFFFFF 只是其中一部分，在启动过程中还需要从 BIOS ROM 解压代码到 RAM 中，并覆盖其中不需要的代码。这个就好像 BIOS ROM 是硬盘（不过可用直接访问），真正执行的代码在 RAM 中一样。硬盘可以很大但 RAM 小，这也就是程序的局部性原理。

3. BIOS 操作

当 BIOS 运行起来之后，就要检查硬件是否符合要求，这个部分叫 “硬件自检(Power-On Self-Test/ POST)”，这就是 BIOS 里面的逻辑了，可以跳过。

有时在自己重装系统的时候，开机会听到一些滴滴声，并且电脑启不起来，然后会将内存啥的拔出来擦一擦，再插回去就好了，这其实就是硬件自检的部分，而不同的 “滴滴” 声代表不同的含义，在现在的一些主板其实都直接有错误码可以看了，让定位硬件问题方便了许多。

4. 加载引导程序

硬件自检完成后，BIOS 就要加载启动程序了，也就是我们安装了多系统的时候，可以选择要启动哪个系统的界面。但是，在到这一步之前，我们平时在装机的时候还有一个场景就是，假设我们有硬盘，还有一个 CDRom，CDRom 里面放的是我们要安装的系统镜像，那么 BIOS 是如何知道是否可以从硬盘 / CDRom 开始启动的呢？

这里有一个我们是确定的，那就是先从 CDRom 还是先从硬盘尝试，因为在装机的时候我们经常要操作这个，可以自己选择或者直接在 BIOS 中修改。

图 1：选择启动设备

BIOS 会尝试读取这个设备的第一个扇区（512 Byte），看最后两个字节是否是 “0x55 0xAA”，如果是，那么这就是所谓的 MBR（主引导分区），表示可以启动；如果不是，继续回到 BIOS，尝试下一个设备：

图 2：Boot Order
图片来自于： 第一课 操作系统的简介及上电引导过程

5. 加载操作系统

当 BIOS 成功引导到了操作系统之后，那么就会将操作系统的引导程序加载到内存中，然后置寄存器到对应的内存地址，从而开始将系统的操作逻辑交给操作系统。

需要注意的是，在这一个系列中，CPU 都是处于实模式下，也就是说，没有虚拟内存的存在，所有 CPU 访问的地址都是实际的地址，直到 OS 的引导程序初始化完之后进入到保护模式。

至此，就进入到了操作系统的情况，关于开机的启动引导就告一段落了，后续我会接续了解一下 GRUB 以及 Linux 系统的真正启动流程，先留一坑。

6. Ref