常用的计算机中开机键是什么,按下电脑开机键,电脑内部都做了哪些事
观看哈工大操作系统视频课程,李志军老师讲解配套使用。
参考博客:
https://blog.csdn.net/tang_love_yuan/article/details/79127043
https://www.cnblogs.com/ybf-yyj/p/9038412.html
学习操作系统,不能停留在系统API的调用,需要能更好更高效的调用API,知道API的局限性与缺点,就必须打开操作系统的盖子,探究操作系统API下的底层原理。
从我们按下电源键使得计算机通电,计算机的各个部件是怎么运行起来的呢。我们现在使用的计算都遵循冯诺依曼结构,我们探讨计算机的启动前,先弄明白我们的计算机的结构。
1. 冯诺依曼结构计算机的工作原理
计算机的核心工作部件是CPU,CPU内部从上电开始反复执行着两个动作:1、取址;2、执行
计算机根据一系列的操作指令来执行不同的动作,这些指令就是计算机程序。
计算机运行的程序是以二进制的方式存在内存中,程序中的数据与指令不加区别的都存储在内存中。
2. 计算机的启动过程
图1:从系统加电起所执行的程序
X86 PC开机时,CPU处于实模式,这时候内存的计算方式是:段基址<<4 + 段内偏移
CPU的第一条指令是通过CS:IP来取得,而此时CS=0xFFFF,IP=0x0000。这是硬件设定好的。
所以最开始执行的指令地址就是0xFFFF0,这个内存地址映射在主板的BIOS ROM(只读存储器)中。
ROM中的程序会检测RAM、键盘、显示器、软硬磁盘是否正确工作。同时会从地址0开始设置BIOS的中断向量表。
ROM中的程序继续执行,将启动设备磁盘0磁道0扇区,一个512字节的扇区读到内存0x07c00处。0x07c00是一个历史遗留的问题,后续把system模块拷贝到地址开始处,预留的空间将不够,所以bootsect需要把0x07c00这一块操作系统引导与设置模块拷贝走。这算是一个历史包袱。
设置cs=0x07c00,ip=0x0000.
ROM中的程序执行结束,转到0x07c00处开始执行。
启动设备是可以通过BIOS程序来设置的,信息写在CMOS(一种芯片)中。CMOS(64B-128B)中存的还有实时时钟,硬件配置信息等。(开始时按住Del键可以进入启动设置的配置界面,可以设置光盘启动或U盘启动等)
图2:内核在磁盘上的分布情况
3. Bootsect.s做了哪些事
把0x07c00开始的512个字节,拷贝到0x90000处。(0x90000-0x90020)
设置栈ss=0x9000,sp=0xff00,这里把sp设置的够大,防止栈的区域把下面的操作系统代码覆盖了。
调用BIOS ox13中断,将第2-5个扇区拷贝到0x90020开始的内存处。如果出错,就反复读取。
获取磁盘的参数:磁道数等
打印字符串信息:system is loading
读入system部分(几百个扇区),读入到内存为0x10000处。在(0x90000的下面)
转到地址为0x90020的地址处执行,也就是开始执行setup部分的代码了。
4. Setup模块做了什么事
主要工作是完成操作系统启动前的设置工作。
读取光标的位置信息放在09000的头2个字节处。因为这时候bootsect模块的代码已经没有用了,可以覆盖了。
读出扩展内存的大小,放在接着的2个字节处。
获取显卡参数,硬盘参数等等。
将system模块的内容从0x10000处开始移到0x00000处,即内存的起始位置。之所以Load进来的时候为什么不一次性放在0x00000处,是因为0x00000处开始放的是bios中断。现在bios中断已经不需要了,所以可以覆盖了。
这时候开始,BIOS的中断向量表已经被覆盖了,后面就不再需要BIOS的中断了
设置中断向量表与全局描述符表的一部分内容。
把cr0的最后一位设置为1,也就是说从实模式进入保护模式。
jmpi 0,8。cs=8,取到的段基址其实是0x0000,那么这句话就是跳转到地址为0x00000的地方开始执行,也就是system模块的开始部分。
保护模式下地址翻译与中断处理的改变:
cs:ip的翻译过程是:从cs的前12位取出GDT的偏移量(这里是1),从gdt的对应表项中取得基地址,再和ip合并为一个完整的地址。
int n:n指明了IDT表中的序号。从IDT表中获取中断处理函数的入口地址。
5. system-head
System的第一部分就是head.s部分的代码,这部分代码实际上处于绝对地址0处开始的地方。这部分的代码是在保护模式下执行的,所使用的是AT&T格式的汇编指令与之前使用的as86汇编指令不同。这部分的代码主要完成了下面几件事情。
初步始中断描述符中的256项门描述符。
检查A20地址线是否打开。关于A20地址线的解释
测试系统是否含有数据协处理器,并设置寄存器CR0对应的位。
初始化内存页目录表,为内存分页管理做好准备工作。页目录表放在了绝对物理地址为0开始处,也就是head.s程序物理内存位置,程序会被覆盖掉。80286当时24根地址线,寻址16M,所以页表要能寻址16MB。如果内存页大小为4k,那页表就有4k个表项,一个表项按4个字节算,那页表就需要16K个字节(4页)。这里只用到了1级页表,在后续的发展中出现了二级页表,三级页表。
最后跳转到system模块中的初始化程序init/main.c中继续执行。
head.s程序执行结束后,已经正式完成了内存页目录页表的设置,并重新设置了内核实际使用的中断描述符表idt和全局描述符表gtd。另外还为软盘驱动开辟了1kb的缓冲区。此时system模块在内存中的详细映像如下图所示:
图3:system内存中的映像示意图
6. 总体执行线路
整体上可以分为6个阶段,头2个阶段为bootset,中间3个阶段为setup,最后一个阶段为system的head模块。
图4:启动引导的整个过程中,内核在内存中的位置以及移动后的位置情况
7. 参考资料
[1] 《30天自制操作系统》川合秀实
[2]《Linux内核完全剖析基于0.12内核》赵炯
[3]《操作系统原理、实现与实践》李志军
标签:操作系统,电脑,按下,system,地址,内存,设置,开机,页表
来源: https://www.cnblogs.com/ponxiaoming/p/12093441.html
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