作者： 阮一峰

日期： 2015年9月28日

 

《计算机原理》课本说，启动时，主引导记录会存入内存地址0x7C00。

这个奇怪的地址，是怎么来的，课本就不解释了。我一直有疑问，为什么不存入内存的头部、尾部、或者其他位置，而偏偏存入这个比 32KB 小1024字节的地方？

昨天，我读到一篇文章，终于解开了这个谜。

 

首先，如果你不知道，主引导记录（Master boot record，缩写为MBR）是什么，可以先读《计算机是如何启动的？》。

 

BIOS按照"启动顺序"，把控制权转交给排在第一位的储存设备。

这时，计算机读取该设备的第一个扇区，也就是读取最前面的512个字节。如果这512个字节的最后两个字节是0x55和0xAA，表明这个设备可以用于启动；如果不是，表明设备不能用于启动，控制权于是被转交给"启动顺序"中的下一个设备。

这最前面的512个字节，就叫做"主引导记录"（Master boot record，缩写为MBR）。

 

主引导记录的结构

"主引导记录"只有512个字节，放不了太多东西。它的主要作用是，告诉计算机到硬盘的哪一个位置去找操作系统。

主引导记录由三个部分组成：

　　（1） 第1-446字节：调用操作系统的机器码。

　　（2） 第447-510字节：分区表（Partition table）。

　　（3） 第511-512字节：主引导记录签名（0x55和0xAA）。

其中，第二部分"分区表"的作用，是将硬盘分成若干个区。

 

分区表

硬盘分区有很多好处。考虑到每个区可以安装不同的操作系统，"主引导记录"因此必须知道将控制权转交给哪个区。

分区表的长度只有64个字节，里面又分成四项，每项16个字节。所以，一个硬盘最多只能分四个一级分区，又叫做"主分区"。

每个主分区的16个字节，由6个部分组成：

　　（1） 第1个字节：如果为0x80，就表示该主分区是激活分区，控制权要转交给这个分区。四个主分区里面只能有一个是激活的。

　　（2） 第2-4个字节：主分区第一个扇区的物理位置（柱面、磁头、扇区号等等）。

　　（3） 第5个字节：主分区类型。

　　（4） 第6-8个字节：主分区最后一个扇区的物理位置。

　　（5） 第9-12字节：该主分区第一个扇区的逻辑地址。

　　（6） 第13-16字节：主分区的扇区总数。

最后的四个字节（"主分区的扇区总数"），决定了这个主分区的长度。也就是说，一个主分区的扇区总数最多不超过2的32次方。

如果每个扇区为512个字节，就意味着单个分区最大不超过2TB。再考虑到扇区的逻辑地址也是32位，所以单个硬盘可利用的空间最大也不超过2TB。如果想使用更大的硬盘，只有2个方法：一是提高每个扇区的字节数，二是增加扇区总数。

 

硬盘启动

这时，计算机的控制权就要转交给硬盘的某个分区了，这里又分成三种情况。

情况A：卷引导记录

上一节提到，四个主分区里面，只有一个是激活的。计算机会读取激活分区的第一个扇区，叫做"卷引导记录"（Volume boot record，缩写为VBR）。

"卷引导记录"的主要作用是，告诉计算机，操作系统在这个分区里的位置。然后，计算机就会加载操作系统了。

情况B：扩展分区和逻辑分区

随着硬盘越来越大，四个主分区已经不够了，需要更多的分区。但是，分区表只有四项，因此规定有且仅有一个区可以被定义成"扩展分区"（Extended partition）。

所谓"扩展分区"，就是指这个区里面又分成多个区。这种分区里面的分区，就叫做"逻辑分区"（logical partition）。

计算机先读取扩展分区的第一个扇区，叫做"扩展引导记录"（Extended boot record，缩写为EBR）。它里面也包含一张64字节的分区表，但是最多只有两项（也就是两个逻辑分区）。

计算机接着读取第二个逻辑分区的第一个扇区，再从里面的分区表中找到第三个逻辑分区的位置，以此类推，直到某个逻辑分区的分区表只包含它自身为止（即只有一个分区项）。因此，扩展分区可以包含无数个逻辑分区。

但是，似乎很少通过这种方式启动操作系统。如果操作系统确实安装在扩展分区，一般采用下一种方式启动。

 

简单说，计算机启动是这样一个过程。

1. 通电
2. 读取ROM里面的BIOS，用来检查硬件
3. 硬件检查通过
4. BIOS根据指定的顺序，检查引导设备的第一个扇区（即主引导记录），加载在内存地址 0x7C00
5. 主引导记录把操作权交给操作系统

所以，主引导记录就是引导"操作系统"进入内存的一段小程序，大小不超过1个扇区（512字节）。

 

 

0x7C00这个地址来自Intel的第一代个人电脑芯片8088，以后的CPU为了保持兼容，一直使用这个地址。

 

 

1981年8月，IBM公司最早的个人电脑IBM PC 5150上市，就用了这个芯片。

 

 

当时，搭配的操作系统是86-DOS。这个操作系统需要的内存最少是32KB。我们知道，内存地址从0x0000开始编号，32KB的内存就是0x0000～0x7FFF。

8088芯片本身需要占用0x0000～0x03FF，用来保存各种中断处理程序的储存位置。（主引导记录本身就是中断信号INT 19h的处理程序。）所以，内存只剩下0x0400～0x7FFF可以使用。

为了把尽量多的连续内存留给操作系统，主引导记录就被放到了内存地址的尾部。由于一个扇区是512字节，主引导记录本身也会产生数据，需要另外留出512字节保存。所以，它的预留位置就变成了：

  0x7FFF - 512 - 512 + 1 = 0x7C00 

0x7C00就是这样来的。

计算机启动后，32KB内存的使用情况如下。

+--------------------- 0x0
| Interrupts vectors
+--------------------- 0x400
| BIOS data area
+--------------------- 0x5??
| OS load area
+--------------------- 0x7C00
| Boot sector
+--------------------- 0x7E00
| Boot data/stack
+--------------------- 0x7FFF
| (not used)
+--------------------- (...)