从BIOS启动到Kernel加载

大家天天使用电脑，有没有想过整个系统是如何启动的？从你按下电源键，到显示登录界面，中间究竟经历了什么?

本文主要讲述加载计算机内核系统的全过程，主要参考了MIT 6.828lab1实验以及其他参考资料。某些地址、行为在不同计算机上可能不同，这里仅用JOS系统做例子，重要的是理解整个过程。

-----------------------------------内存示意--------------------------------------
    
+------------------+  <- 0x00100000 (1MB)
|     BIOS ROM     |  <- 0x000FFFF0 (BIOS起始地址)
+------------------+  <- 0x000F0000 (960KB)
|  16-bit devices, |
|  expansion ROMs  |
+------------------+  <- 0x000C0000 (768KB)
|   VGA Display    |
+------------------+  <- 0x000A0000 (640KB)
|                  |
|    Low Memory    |  <- 0x00007C00 (Boot Loader将要载入的地址)
|                  |
+------------------+  <- 0x00000000

第一步 从BIOS开始

首先，我们必须知道，程序只有加载到内存中后，才能被使用。由于某些历史原因，计算机在开机时运行于实模式下，实模式采用16位寻址模式，最大寻址空间为1MB，即在实模式下，CPU仅能访问到1MB的内存地址，而BIOS就被固化在这1MB中（实际会更复杂一些，BIOS存储在可读写ROM中，通过硬接线到物理地址0x000f0000-0x000fffff）。

CPU硬件逻辑设计为在加电瞬间强行将CS值置为0XF000，IP为0XFFF0。该CS:IP地址正是BIOS程序的入口地址。所以，一旦接通电源，计算机将从BIOS指令开始执行。

1. BIOS首先对机器进行加电自检（POST），目的是检查电脑各部件是否良好，包括加载显卡、检查内存总量等操作。
2. 而后，BIOS将开始初始化工作，主要是设置中断向量表、对外部设备进行一些初始化和检查工作。
3. 完成一系列初始化工作后，BIOS将磁盘中的第一个扇区载入到内存中（放在 0x7c00-0x7dff 处），该扇区为引导扇区，存储着Boot Loader程序（引导程序）。之后，BIOS使用跳转指令到0x7c00（Boot Loader程序入口）处，将计算机的控制权交给Boot Loader程序，由其继续进行Kernel的引导。

第二步 Boot Loader加载Kernel

在JOS中，Boot Loader包括boot.S汇编程序和main.c两个部分

BIOS使用跳转指令后，来到0x7c00,即boot.S的入口。

boot.S主要是将处理器从实模式转换到 32 位的保护模式，让CPU可以访问到1MB以上的内存区域

1. 首先，初始化常用寄存器
2. 而后，打开A20地址线，让程序可以访问1MB以上的内存地址。
3. 加载全局描述符表，打开保护模式
4. 跳转到main.c程序地址，执行bootmain函数

bootmain函数负责从硬盘中将kernel读入到内存之中。如何读取的呢？首先，bootmain从第一个扇区开始读入4K数据（引导扇区一般称为第0个扇区），该数据为ELF头和程序头表，保存着整个Kernel的地址、格式信息，获得了一系列信息后，按表中数据将内核读入到内存0x00100000中。至此内核已经被转载至内存中。最后，bootmain函数跳转到Kernel的入口处，将计算机控制权交给内核。