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07 | 从BIOS到bootloader：创业伊始，有活儿老板自己上

07 | 从BIOS到bootloader：创业伊始，有活儿老板自己上-极客时间

07 | 从BIOS到bootloader：创业伊始，有活儿老板自己上

2019-04-10 刘超 来自北京
《趣谈Linux操作系统》
课程介绍

讲述：刘超

时长12:58大小11.84M

有了开放的营商环境，咱们外包公司的创业之旅就要开始了。
上一节我们说，x86 作为一个开放的营商环境，有两种模式，一种模式是实模式，只能寻址 1M，每个段最多 64K。这个太小了，相当于咱们创业的个体户模式。有了项目只能老板自己上，本小利微，万事开头难。另一种是保护模式，对于 32 位系统，能够寻址 4G。这就是大买卖了，老板要雇佣很多人接项目。
几乎所有成功的公司，都是从个体户模式发展壮大的，因此，这一节咱们就从系统刚刚启动的个体户模式开始说起。

BIOS 时期

当你轻轻按下计算机的启动按钮时，你的主板就加上电了。
按照我们之前说的，这时候你的 CPU 应该开始执行指令了。你作为老板，同时也作为员工，要开始干活了。可是你发现，这个时候还没有项目执行计划书，所以你没啥可干的。
也就是说，这个时候没有操作系统，内存也是空的，一穷二白。CPU 该怎么办呢？
你作为这个创业公司的老板，由于原来没开过公司，对于公司的运营当然是一脸懵的。但是我们有一个良好的营商环境，其中的创业指导中心早就考虑到这种情况了。于是，创业指导中心就给了你一套创业公司启动指导手册。你只要按着指导手册来干就行了。
计算机系统也早有计划。在主板上，有一个东西叫 ROM（Read Only Memory，只读存储器）。这和咱们平常说的内存 RAM（Random Access Memory，随机存取存储器）不同。
咱们平时买的内存条是可读可写的，这样才能保存计算结果。而 ROM 是只读的，上面早就固化了一些初始化的程序，也就是 BIOS（Basic Input and Output System，基本输入输出系统）。
如果你自己安装过操作系统，刚启动的时候，按某个组合键，显示器会弹出一个蓝色的界面。能够调整启动顺序的系统，就是我说的 BIOS，然后我们就可以先执行它。
创业初期，你的办公室肯定很小。假如现在你有 1M 的内存地址空间。这个空间非常有限，你需要好好利用才行。
在 x86 系统中，将 1M 空间最上面的 0xF0000 到 0xFFFFF 这 64K 映射给 ROM，也就是说，到这部分地址访问的时候，会访问 ROM。
当电脑刚加电的时候，会做一些重置的工作，将 CS 设置为 0xFFFF，将 IP 设置为 0x0000，所以第一条指令就会指向 0xFFFF0，正是在 ROM 的范围内。在这里，有一个 JMP 命令会跳到 ROM 中做初始化工作的代码，于是，BIOS 开始进行初始化的工作。
创业指导手册第一条，BIOS 要检查一下系统的硬件是不是都好着呢。
创业指导手册第二条，要有个办事大厅，只不过自己就是办事员。这个时期你能提供的服务很简单，但也会有零星的客户来提要求。
这个时候，要建立一个中断向量表和中断服务程序，因为现在你还要用键盘和鼠标，这些都要通过中断进行的。
这个时期也要给客户输出一些结果，因为需要你自己来，所以你还要充当客户对接人。你做了什么工作，做到了什么程度，都要主动显示给客户，也就是在内存空间映射显存的空间，在显示器上显示一些字符。
最后，政府领进门，创业靠个人。接下来就是你发挥聪明才智的时候了。

bootloader 时期

政府给的创业指导手册只能保证你把公司成立起来，但是公司如何做大做强，需要你自己有一套经营方法。你可以试着从档案库里面翻翻，看哪里能够找到《企业经营宝典》。通过这个宝典，可以帮你建立一套完整的档案库管理体系，使得任何项目的档案查询都十分方便。
现在，什么线索都没有的 BIOS，做完自己的事情，只能从档案库门卫开始，慢慢打听操作系统的下落。
操作系统在哪儿呢？一般都会在安装在硬盘上，在 BIOS 的界面上。你会看到一个启动盘的选项。启动盘有什么特点呢？它一般在第一个扇区，占 512 字节，而且以 0xAA55 结束。这是一个约定，当满足这个条件的时候，就说明这是一个启动盘，在 512 字节以内会启动相关的代码。
这些代码是谁放在这里的呢？在 Linux 里面有一个工具，叫 Grub2，全称 Grand Unified Bootloader Version 2。顾名思义，就是搞系统启动的。
你可以通过 grub2-mkconfig -o /boot/grub2/grub.cfg 来配置系统启动的选项。你可以看到里面有类似这样的配置。
menuentry 'CentOS Linux (3.10.0-862.el7.x86_64) 7 (Core)' --class centos --class gnu-linux --class gnu --class os --unrestricted $menuentry_id_option 'gnulinux-3.10.0-862.el7.x86_64-advanced-b1aceb95-6b9e-464a-a589-bed66220ebee' {
load_video
set gfxpayload=keep
insmod gzio
insmod part_msdos
insmod ext2
set root='hd0,msdos1'
if [ x$feature_platform_search_hint = xy ]; then
search --no-floppy --fs-uuid --set=root --hint='hd0,msdos1' b1aceb95-6b9e-464a-a589-bed66220ebee
else
search --no-floppy --fs-uuid --set=root b1aceb95-6b9e-464a-a589-bed66220ebee
fi
linux16 /boot/vmlinuz-3.10.0-862.el7.x86_64 root=UUID=b1aceb95-6b9e-464a-a589-bed66220ebee ro console=tty0 console=ttyS0,115200 crashkernel=auto net.ifnames=0 biosdevname=0 rhgb quiet
initrd16 /boot/initramfs-3.10.0-862.el7.x86_64.img
}
这里面的选项会在系统启动的时候，成为一个列表，让你选择从哪个系统启动。最终显示出来的结果就是下面这张图。至于上面选项的具体意思，我们后面再说。
使用 grub2-install /dev/sda，可以将启动程序安装到相应的位置。
grub2 第一个要安装的就是 boot.img。它由 boot.S 编译而成，一共 512 字节，正式安装到启动盘的第一个扇区。这个扇区通常称为 MBR（Master Boot Record，主引导记录 / 扇区）。
BIOS 完成任务后，会将 boot.img 从硬盘加载到内存中的 0x7c00 来运行。
由于 512 个字节实在有限，boot.img 做不了太多的事情。它能做的最重要的一个事情就是加载 grub2 的另一个镜像 core.img。
引导扇区就是你找到的门卫，虽然他看着档案库的大门，但是知道的事情很少。他不知道你的宝典在哪里，但是，他知道应该问谁。门卫说，档案库入口处有个管理处，然后把你领到门口。
core.img 就是管理处，它们知道的和能做的事情就多了一些。core.img 由 lzma_decompress.img、diskboot.img、kernel.img 和一系列的模块组成，功能比较丰富，能做很多事情。
boot.img 先加载的是 core.img 的第一个扇区。如果从硬盘启动的话，这个扇区里面是 diskboot.img，对应的代码是 diskboot.S。
boot.img 将控制权交给 diskboot.img 后，diskboot.img 的任务就是将 core.img 的其他部分加载进来，先是解压缩程序 lzma_decompress.img，再往下是 kernel.img，最后是各个模块 module 对应的映像。这里需要注意，它不是 Linux 的内核，而是 grub 的内核。
lzma_decompress.img 对应的代码是 startup_raw.S，本来 kernel.img 是压缩过的，现在执行的时候，需要解压缩。
在这之前，我们所有遇到过的程序都非常非常小，完全可以在实模式下运行，但是随着我们加载的东西越来越大，实模式这 1M 的地址空间实在放不下了，所以在真正的解压缩之前，lzma_decompress.img 做了一个重要的决定，就是调用 real_to_prot，切换到保护模式，这样就能在更大的寻址空间里面，加载更多的东西。

从实模式切换到保护模式

好了，管理处听说你要找宝典，知道你将来是要做老板的人。既然是老板，早晚都要雇人干活的。这不是个体户小打小闹，所以，你需要切换到老板角色，进入保护模式了，把哪些是你的权限，哪些是你可以授权给别人的，都分得清清楚楚。
切换到保护模式要干很多工作，大部分工作都与内存的访问方式有关。
第一项是启用分段，就是在内存里面建立段描述符表，将寄存器里面的段寄存器变成段选择子，指向某个段描述符，这样就能实现不同进程的切换了。第二项是启动分页。能够管理的内存变大了，就需要将内存分成相等大小的块，这些我们放到内存那一节详细再讲。
切换到了老板角色，也是为了招聘很多人，同时接多个项目，这时候就需要划清界限，懂得集权与授权。
当了老板，眼界要宽多了，同理保护模式需要做一项工作，那就是打开 Gate A20，也就是第 21 根地址线的控制线。在实模式 8086 下面，一共就 20 个地址线，可访问 1M 的地址空间。如果超过了这个限度怎么办呢？当然是绕回来了。在保护模式下，第 21 根要起作用了，于是我们就需要打开 Gate A20。
切换保护模式的函数 DATA32 call real_to_prot 会打开 Gate A20，也就是第 21 根地址线的控制线。
现在好了，有的是空间了。接下来我们要对压缩过的 kernel.img 进行解压缩，然后跳转到 kernel.img 开始运行。
切换到了老板角色，你可以正大光明地进入档案馆，寻找你的那本宝典。
kernel.img 对应的代码是 startup.S 以及一堆 c 文件，在 startup.S 中会调用 grub_main，这是 grub kernel 的主函数。
在这个函数里面，grub_load_config() 开始解析，我们上面写的那个 grub.conf 文件里的配置信息。
如果是正常启动，grub_main 最后会调用 grub_command_execute (“normal”, 0, 0)，最终会调用 grub_normal_execute() 函数。在这个函数里面，grub_show_menu() 会显示出让你选择的那个操作系统的列表。
同理，作为老板，你发现这类的宝典不止一本，经营企业的方式也有很多种，到底是人性化的，还是强纪律的，这个时候你要做一个选择。
一旦，你选定了某个宝典，启动某个操作系统，就要开始调用 grub_menu_execute_entry() ，开始解析并执行你选择的那一项。接下来你的经营企业之路就此打开了。
例如里面的 linux16 命令，表示装载指定的内核文件，并传递内核启动参数。于是 grub_cmd_linux() 函数会被调用，它会首先读取 Linux 内核镜像头部的一些数据结构，放到内存中的数据结构来，进行检查。如果检查通过，则会读取整个 Linux 内核镜像到内存。
如果配置文件里面还有 initrd 命令，用于为即将启动的内核传递 init ramdisk 路径。于是 grub_cmd_initrd() 函数会被调用，将 initramfs 加载到内存中来。
当这些事情做完之后，grub_command_execute (“boot”, 0, 0) 才开始真正地启动内核。

总结时刻

启动的过程比较复杂，我这里画一个图，让你比较形象地理解这个过程。你可以根据我讲的，自己来梳理一遍这个过程，做到不管是从流程还是细节上，都能心中有数。

课堂练习

grub2 是一个非常牛的 Linux 启动管理器，请你研究一下 grub2 的命令和配置，并试试通过它启动 Ubuntu 和 centOS 两个操作系统。
欢迎留言和我分享你的疑惑和见解，也欢迎你收藏本节内容，反复研读。你也可以把今天的内容分享给你的朋友，和他一起学习、进步。
分享给需要的人，Ta购买本课程，你将得20元
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 写留言

精选留言(138)

  • why
    2019-04-10
    - 实模式只有 1MB 内存寻址空间(X86) - 加电, 重置 CS 为 0xFFFF , IP 为 0x0000, 对应 BIOS 程序 - 0xF0000-0xFFFFF 映射到 BIOS 程序(存储在ROM中), BIOS 做以下三件事: - 检查硬件 - 提供基本输入(中断)输出(显存映射)服务 - 加载 MBR 到内存(0x7c00) - MRB: 启动盘第一个扇区(512B, 由 Grub2 写入 boot.img 镜像) - boot.img 加载 Grub2 的 core.img 镜像 - core.img 包括 diskroot.img, lzma_decompress.img, kernel.img 以及其他模块 - boot.img 先加载运行 diskroot.img, 再由 diskroot.img 加载 core.img 的其他内容 - diskroot.img 解压运行 lzma_compress.img, 由lzma_compress.img 切换到保护模式 ----------- - 切换到保护模式需要做以下三件事: - 启用分段, 辅助进程管理 - 启动分页, 辅助内存管理 - 打开其他地址线 - lzma_compress.img 解压运行 grub 内核 kernel.img, kernel.img 做以下四件事: - 解析 grub.conf 文件 - 选择操作系统 - 例如选择 linux16, 会先读取内核头部数据进行检查, 检查通过后加载完整系统内核 - 启动系统内核
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    共 11 条评论
    314
  • eason2017
    2020-03-02
    而且我就觉得您的这个企业的例子就是个干扰项，实在是干扰学习知识，来回的切换思路！
    共 28 条评论
    179
  • Luke
    2019-04-11
    这部分的实验，大家可以去github看我的工程哈，icecoobe/oslab，已经进入保护模式了，还有很远的路，一起加油！

    作者回复: 牛

    62
  • Luke
    2019-04-11
    看到很多人留言需要资料，我来推荐一本新书《一个64位操作系统的设计与实现》，如果你有汇编基础，很感兴趣底层的细节，可以看李忠的那本《从实模式到保护模式》

    作者回复: 赞，看来我得收集一下书名，统一推荐给大家

    共 3 条评论
    58
  • zhangbing
    2019-04-10
    看来从这篇开始我要看三遍四遍五遍的节奏了

    作者回复: 三遍就够，加油

    共 4 条评论
    54
  • Socrakit
    2019-04-16
    查了一些资料，关于 Gate A20 我的理解是： - 8086 地址线20根 -> 可用内存 0 ~ FFFFF 寄存器却是16位，寻址模式为 segment(16位):offset(16位)， 最大范围变成 0FFFF0(左移了4位) + 0FFFF = 10FFEF 后果是多出来了 100000 ~ 10FFEF （访问这些地址时会回绕到 0 ~ FFEF） - 80286 开始地址线变多，寻址范围大大增大，但是又必须兼容旧程序，8086在访问 100000 ~ 10FFEF时会回绕，但是 80286 不会 ，因为有第21根线的存在，会访问到实际的 100000 ~ 10FFEF 地址的内存。 于是 Gate A20 开关就诞生了，它的作用是： - 实模式下 （存在的唯一理由是为了兼容8086）： - 打开 -> 寻址100000 ~ 10FFEF会真正访问 - 关闭-> 回绕到 0 ~ FFEF - 保护模式下： - 打开 -> 可连续访问内存 - 关闭 -> 只能访问到奇数的1M段，即 00000-FFFFF, 200000-2FFFFF,300000-3FFFFF…
    展开

    作者回复: 赞

    共 5 条评论
    52
  • Li Shunduo
    2019-04-10
    老板选择了《狼性文化》😂😂
    47
  • Memoria
    2019-05-20
    大家有兴趣实践的话可以参考清华大学的操作系统实验课，里面第一个实验讲的就是启动的过程，可以让人理解的更加透彻。https://github.com/chyyuu/ucore_os_lab

    作者回复: 赞

    共 2 条评论
    27
  • 天王
    2019-04-11
    总结:ROM只读存储器，ROm固化了一些程序就是BIOS，用来初始化系统，一开始的内存空间比较小，只有1M，最上面的64k映射为BIOS，指针指向这64k，开始进行初始化，有2个事情，一个是检查硬件环境，另一个是建立中断程序和中断向量表，同时把结果显示在显示器上，BIOS只是做初始化工作，真正安装系统了，首先要找系统，grub2是搞系统启动的，他把系统代码放在硬盘上，一般在第一个扇区，以0xAA55结束，512个字节，满足这个条件，就是系统启动的代码，grub2要首先安装的是第一个扇区MBR主引导扇区，他在BIOS初始化完成之后进行，会讲boot.img加载到内存，他能做的另一个事是加载core.img镜像，boot.img先加载core.img 的第一个扇区，diskboot.img，将core.img的其他程序加载进来，然后diskboot.img解压lzma_decompress.img， 再解压kernel.img，再然后是各个模块对应的映像。lzma_decompress在解压之前，调用real_to_prot，切换到保护模式。切换到保护模式，做的事情，启用分段，在内存里建立段描述表，将段寄存器里的段寄存器变成段选择子，指向某个段描述符，就能完成进程的切换，启动分页，管理的内存大了，将内存分成大小相等的块，打开Gate20，第21根地址线的控制线，有空间了，对kernel.img解压缩，开始运行，是一堆.c文件，里面有主函数，显示出操作系统的列表，选择了一个操作系统，开始调用grub_menu_execute_entry()，开始执行选择的那一项，里面的linux16命令，表示装载指定的内核文件，并传递内核启动参数，于是grub_cmd_linux()函数被调用，首先会读取linux内核头部的数据结构，加载到内存中来，检查通过，会加载整个linux内核镜像到内存，当都做完，调用grub_command_execute("boot",0,0)，开始真正的启动内核。
    展开
    共 1 条评论
    25
  • 影影影
    2019-04-10
    补充阅读 https://opensource.com/article/17/2/linux-boot-and-startup https://opensource.com/article/17/3/introduction-grub2-configuration-linux
    共 1 条评论
    23
  • wahaha
    2019-04-12
    grub2 是一个非常牛的 Linux 启动管理器 这句应该去掉Linux，因为GRUB2也能启动其它操作系统

    作者回复: 对的

    共 2 条评论
    15
  • 赵又新
    2019-04-11
    之前课上说的，如果没有理解错的话： 32位，分为16位寻址空间和16位偏移量。但通过左移4位的方式，将寻址空间扩充为20位。所以，0xFFFF的位置实际指的是0xFFFF0。

    作者回复: 是的

    15
  • 随风
    2019-04-10
    当电脑刚加电的时候，会做一些重置的工作，将 CS 设置为 0xFFFF,将 IP 设置为 0x0000,所以第一条指令就会指向 0xFFFF0。这个所以怎么得到的结果？为什么上面都是五位0xFFFFF, cs/ip都是四位0xFFFF? 小白越看越不明白了。

    作者回复: 左移4位+偏移量

    共 5 条评论
    10
  • leon
    2019-04-14
    32位处理器不是有32根地址线嘛？为啥只打开第21根地址线的控制线？这里可以再稍微解释一下吗？控制线是另外一种线嘛？

    作者回复: 实模式下，只开20以下的，32才开20以上的

    共 2 条评论
    9
  • 多襄丸
    2019-04-10
    1.BIOS时期约定了启动扇区的位置与大小 2.BootLoader时期主要是通过grub2来启动系统 3.启动过程中有实模式到保护模式的切换。
    9
  • 尔冬橙
    2020-01-31
    说实话，现在计算机硕士没有几个懂这些的。
    共 3 条评论
    8
  • 马上想好
    2019-04-10
    当电脑刚加电的时候，会做一些重置的工作，将 CS 设置为 0xFFFF，将 IP 设置为 0x0000，所以第一条指令就会指向 0xFFFF0，正是在 ROM 的范围内。 为什么第一条指令会指向0xFFFF0呢

    作者回复: 左移四位

    7
  • 许山山
    2019-04-12
    老师可不可以建个 GitHub 仓库，这样大家就可以在 issue 讨论交流了
    6
  • 天使也有爱
    2019-04-10
    老师 我现在看这些内容有点晕 太细了 我是要用那本书做配套看 还是直接用内核源码结合着看呢

    作者回复: 我推荐了书籍，对着源码看挺好的

    共 2 条评论
    6
  • aingwm
    2020-01-08
    “将 CS 设置为 0xFFFF，将 IP 设置为 0x0000”是以往的做法，Intel没有再延续，新的做法是“将 CS 设置为 0xF000，将 IP 设置为 0xFFF0”，当然，CS:IP的指向仍然是 0xFFFF0 ，这一点倒是没有变。

    作者回复: 赞

    5