按下開機鍵后的4.98秒，到底發生了什么
本講只為講明白下面一個問題：
我們按下開機鍵后究竟發生了什么？
好的，這似乎是好多人都特別想搞明白的一個問題，有時候非常納悶，為什么一個看似這么簡單的問題，就是搜不到一個直面問題的答案呢？
好問題，我也不知道為什么會這樣，但我猜是因為：
- 其一，似懂非懂的人太多，他們其實也不知道究竟發生了什么，所以只能模糊大概地說一些教科書上的話。
- 其二，知道這個答案的人一定是大牛，大牛要么不回答這個問題，要么就不會簡單地回答這個問題。而我呢，自認為剛好處于兩者之間，現在又特別想把自己知道的分享出來，所以你在這里找到了答案。
我想當你探尋這個問題的答案時，搜到的大多數是這樣的描述：
BIOS 按照“啟動順序”，把控制權轉交給排在第一位的存儲設備：硬盤。然后在硬盤里尋找主引導記錄的分區，這個分區告訴電腦操作系統在哪里，并把操作系統被加載到內存中，然后你就能看到經典的啟動界面了，這個開機過程也就完成了。
這種描述簡直太魔幻了，為什么是 BIOS 主導這一切？怎么叫按照啟動順序？這個分區咋就被加載到內存了，又咋告訴電腦操作系統在哪里了？我無法忍受這樣的魔幻描述，我非要把它說得清清楚楚。
首先學一個東西，一定要有一個前置的知識，我們把它當做已知的，我不可能從原子組成分子開始講原理。那學習計算機啟動過程的前置知識是什么呢？我要求你已知以下幾點：
- 內存是存儲數據的地方，給出一個地址信號，內存可以返回該地址所對應的數據。
- CPU 的工作方式就是不斷從內存中取出指令，并執行。
- CPU 從內存的哪個地址取出指令，是由一個寄存器中的值決定的，這個值會不斷進行 +1 操作，或者由某條跳轉指令指定其值是多少。
好了，只需要知道這三點前置知識，你就能專業地解釋計算機的啟動過程了。
一、為什么是 BIOS 主導？
都說開機后，BIOS 就開始運行自己的程序了，又硬件自檢，又加載啟動區的。我就不服了，為什么開機后是執行 BIOS 里的程序？為啥不是內存里的？為啥不是硬盤里的？
好的，不要懷疑前置知識，CPU 的工作方式，就是不斷從內存中取指令并執行，那為什么會說是執行 BIOS 里的程序呢？這就不得不說說內存映射了。
二、內存映射
CPU 地址總線的寬度決定了可訪問的內存空間的大小。比如 16 位的 CPU 地址總線寬度為 20 位，地址范圍是 1M。32 位的 CPU 地址總線寬度為 32 位，地址范圍是 4G。你可以算算我們現在的 64 位機的地址范圍。
可是，可訪問的內存空間這么大，并不等于說全都給內存使用，也就是說尋址的對象不只有內存，還有一些外設也要通過地址總線的方式去訪問，那怎么去訪問這些外設呢？就是在地址范圍中劃出一片片的區域，這塊給顯存使用，那塊給硬盤控制器使用，等等 。
這樣說，其實就不符合我們的前置知識了，所以可以有一種不太正確的理解方式，那就是內存中的這塊位置就是顯存，那塊位置就是硬盤控制器。我們在相應的位置上讀取或者寫入，就相當于在顯存等外設的相應位置上讀取或者寫入，就好像這些外設的存儲區域，被映射到了內存中的某一片區域一樣。這樣我們就不用管那些外設啦，關注點仍然是一個簡簡單單的內存。這就是所謂的內存映射。
太好了，現在又用簡單的前置知識就能解釋得通了，我們繼續往下推。
三、實模式下的內存分布
剛剛說到內存中劃分出了一片一片區域給各種外設，那么問題自然就來了，哪塊區域，分給了哪塊外設了呢？如果是規定，那應該有一張表比較好吧。嗯沒錯，還真有，它就是實模式下的內存分布，筆者給它畫了一張圖：
在這里插入圖片描述
哎喲我真是個小天使，把比例都表現出來了，網上能再找出比我這個更直觀的請給我留言。實模式之后再解釋，現在簡單理解就是計算機剛開機的時候只有 1M 的內存可用。
我們看到，內存被各種外設瓜分了，即映射在了內存中。BIOS 更狠，不但其空間被映射到了內存 0xC0000 - 0xFFFFF 位置，其里面的程序還占用了開頭的一些區域，比如把中斷向量表寫在了內存開始的位置，真所謂先到先得啊。
四、怎么就從 BIOS 里的程序開始執行了
好了，現在我們知道 BIOS 里的信息被映射到了內存 0xC0000 - 0xFFFFF 位置，其中最為關鍵的系統 BIOS 被映射到了 0xF0000 - 0xFFFFF 位置。假如我現在說，CPU 開機就是執行了這塊區域的代碼，然后巴拉巴拉一頓操作就開機了，你肯定要噴我了，為什么就執行到這了呢，那咋不從頭開始執行？
這就自然有了一種猜想，我們要用到另一個前置知識了，就是 CPU 從內存的哪個位置取出執行并執行呢？是 PC 寄存器中的地址值。BIOS 程序的入口地址也就是開始地址是 0xFFFF0（人家就那么寫的），也就是開機鍵一按下，一定有一個神奇的力量，將 pc 寄存器中的值變成 0xFFFF0，然后 CPU 就開始馬不停蹄地跑了起來。沒錯，接下來這句話，可能就是你找了很久的答案，請做好準備：
在你開機的一瞬間，CPU 的 PC 寄存器被強制初始化為 0xFFFF0。如果再說具體些，CPU 將段基址寄存器 cs 初始化為 0xF000，將偏移地址寄存器 IP 初始化為 0xFFF0，根據實模式下的最終地址計算規則，將段基址左移 4 位，加上偏移地址，得到最終的物理地址也就是抽象出來的 PC 寄存器地址為 0xFFFF0。
當我在學習這段知識時，看到這句話才讓將我心里積壓了很久的疑惑解開，多么簡單粗暴的道理啊。寫到這里我也是長舒了一口氣，因為剩下的過程，就幾乎只是流水賬一樣的正推了。
至于怎么強制初始化的，我覺得就越過了前置知識的邊界了，況且各個廠商的硬件實現也不一定相同，有很多辦法，也很簡單。討論起來意義就不大了。
五、BIOS 里到底寫了什么程序
好了，我們現在知道了 BIOS 被映射到了內存的某個位置，并且開機一瞬間 CPU 強制將自己的 pc 寄存器初始化為 BIOS 程序的入口地址，從這里開始 CPU 馬不停蹄地向前跑了起來。那接下來的問題似乎也非常自然地就問出來了，那就是 BIOS 程序里到底寫了啥？
把 BIOS 程序里的二進制信息全貼出來也不合適，我們分析一些主要的。我們首先還是來猜測，你看入口地址是 0xFFFF0，說明程序是從這執行的。實模式下內存的下邊界就是 0xFFFFF，也就是只剩下 16 個字節的空間可以寫代碼了，這夠干啥的呢？如果你有心的話應該能猜出，入口地址處可能是個跳轉指令，跳到一個更大范圍的空間去執行自己的任務。沒錯就是這樣，0xFFFF0 處存儲的機器指令，翻譯成匯編語言是：
- jmp far f000:e05b
意思是跳轉到物理地址 0xfe05b 處開始執行（回憶下前面說的實模式下的地址計算方式）。
地址 0xfe05b 處開始，便是 BIOS 真正發揮作用的代碼了，這塊代碼會檢測一些外設信息，并初始化好硬件，建立中斷向量表并填寫中斷例程。這里的部分不要展開，這只是一段寫死的程序而已，而且對理解開機啟動過程無幫助，我們看后面精彩的部分，也就是 BIOS 的最后一項工作：加載啟動區。
六、0x7c00 是啥
該較真的地方就是要較真，我絕對不會讓加載這種魔幻的詞出現在這里，我們現在就來把它拆解成人話。
其實這個詞也并不魔幻，加載在計算機領域就是指，把某設備上（比如硬盤）的程序復制到內存中的過程。那加載啟動區這個過程，翻譯過來就是，BIOS 程序把啟動區的內容復制到了內存中的某個區域。好了，問題又自然出來了，啟動區是哪里？被復制到了內存的哪個位置？然后呢？我們一個個來回答。
什么是啟動區呢？即使你不知道，你也應該能夠猜到，一定是符合某種特征的一塊區域，于是人們把它就叫做啟動區了，那要符合什么特征呢？先不急，不知道你有沒有過設置 BIOS 啟動順序的經歷，通常有 U 盤啟動、硬盤啟動、軟盤啟動、光盤啟動等等，BIOS 會按照順序，讀取這些啟動盤中位于 0 盤 0 道 1 扇區的內容。
至于磁盤格式的劃分，本篇就不做講解了，總之對于內存，我們給出一個數字地址就能獲取到該地址的數據，而對于磁盤，我們需要給出磁頭、柱面、扇區這三個信息才能定位某個位置的數據，都是描述位置的一種方式而已。
接著說， 這 0 盤 0 道 1 扇區的內容一共有 512 個字節，如果末尾的兩個字節分別是 0x55 和 0xaa，那么 BIOS 就會認為它是個啟動區。如果不是，那么按順序繼續向下個設備中尋找位于 0 盤 0 道 1 扇區的內容。如果最后發現都沒找到符合條件的，那直接報出一個無啟動區的錯誤。
BIOS 找到了這個啟動區之后干嘛呢？哦，前面說過了是加載，就是把這 512 個字節的內容，一個比特都不少的全部復制到內存的 0x7c00 這個位置。怎么復制的？當然是指令啦。哪些指令呢？這里我只能簡單說指令集中是有 in 和 out 的，用來將外設中的數據復制到內存，或者將內存中的數據復制到外設，用這兩個指令，以及外設給我們提供的讀取方式，就能做到這一點啦。
啟動區內容此時已經被 BIOS 程序復制到了內存的 0x7c00 這個位置，然后呢？這個其實也不難猜測，啟動區的內容就是我們自己寫的代碼了，復制到這里之后，就開始執行唄，之后我們的程序就接管了接下來的流程，BIOS 的使命也就結束啦。所以復制完之后，接下來應該是一個跳轉指令吧！沒錯，正是這樣，PC 寄存器的值變為 0x7c00，指令開始從這里執行。
咦？不知道你有沒有發現，我們似乎不知不覺又把之前的一句魔法語言翻譯成人話了，開頭我們說：
BIOS 把控制權轉交給排在第一位的存儲設備。
所以這句話是什么意思呢？就是 BIOS 把啟動區的 512 字節復制到內存的 0x7c00 位置，并且用一條跳轉指令將 pc 寄存器的值指向 0x7c00。你看，這不是也沒多幾個字嘛，就把這個問題說得明明白白，簡簡單單。
哦，對了，現在似乎就剩下一個問題了，為什么非要是 0x7c00 呢？好問題，當然答案也很簡單，那就是人家 BIOS 開發團隊就是這樣定的，之后也不好改了，不然不兼容。為什么不好改？我們看一個簡單的啟動區 512 字節的代碼。（代碼摘抄自《30 天自制操作系統》）
- ; hello-os
- ; TAB=4
- ORG 0x7c00 ;程序加載到內存的 0x7c00 這個位置
- ;程序主體
- entry:
- MOV AX,0 ;初始化寄存器
- MOV SS,AX
- MOV SP,0x7c00
- MOV DS,AX ;段寄存器初始化為 0
- MOV ES,AX
- MOV SI,msg
- putloop:
- MOV AL,[SI]
- ADD SI,1
- CMP AL,0 ;如果遇到 0 結尾的，就跳出循環不再打印新字符
- JE fin
- MOV AH,0x0e ;指定文字
- MOV BX,15 ;指定顏色
- INT 0x10 ;調用 BIOS 顯示字符函數
- JMP putloop
- fin:
- HLT
- JMP fin
- msg:
- DB 0x0a,0x0a ;換行、換行
- DB "hello-os"
- DB 0x0a ;換行
- DB 0 ;0 結尾
- RESB 0x7dfe-$ ;填充0到512字節
- DB 0x55, 0xaa ;可啟動設備標識
我們看第一行：
- ORG 0x7c00
這個數字就是剛剛說的啟動區加載位置，這行匯編代碼簡單說就表示把下面的地址統統加上 0x7c00。正因為 BIOS 將啟動區的代碼加載到了這里，因此有了一個偏移量，所以所有寫啟動區代碼的人就需要在開頭寫死一個這樣的代碼，不然全都串位了。
然后正因為所有寫操作系統的，啟動區的第一行匯編代碼都寫死了這個數字，那 BIOS 開發者最初定的這個數字就不好改了，否則它得挨個聯系各個操作系統的開發廠商，說唉我這個地址改一下哈，你們跟著改改。在公司推動另一個團隊改個代碼都得大費周折，想想看這樣的推動得耗費多大人力。況且即使改了，之前的代碼也都不兼容了，這不得被人們罵死啊。
再看最后一行：
- DB 0x55, 0xaa
這也驗證了我們之前說的這 512 字節的最后兩個字節得是 0x55 0xaa，BIOS 才會認為它是一個啟動區，才會去加載它，僅此而已。
回過頭來說 0x7c00 這個值，它其實就是一個規定死的值，但還是會有人問，那必然有它的合理性吧。其實，我的解釋也只能說是人家規定了這個值，后人們替他們解釋這個合理性，并不是說當初人家就一定是這樣想的，就好比我們做語文的閱讀理解題一樣。
第一個 BIOS 開發團隊是 IBM PC 5150 BIOS，當時被認為的第一個操作系統是 DOS 1.0 操作系統，BIOS 團隊就假設是為它服務的。但操作系統還沒出，BIOS 團隊假設其操作系統需要的最小內存為 32 KB。BIOS 希望自己所加載的啟動區代碼盡量靠后，這樣比較“安全”，不至于過早的被其他程序覆蓋掉。可是如果僅僅留 512 字節又感覺太懸了，還有一些?？臻g需要預留，那擴大到 1 KB 吧。這樣 32 KB 的末尾是 0x8000，減去 1KB(0x400) ，剛好等于 0x7c00。哇塞，太精準了，這可以是一種解釋方式。
七、啟動區里的代碼寫了啥
其實寫到這，我這篇文章就應該戛然而止了，因為最初的那個問題已經解決了，CPU 已經開始馬不停蹄地從我們預期的位置跑起來了，萬事開頭難，剩下的內容，就是操作系統想怎么玩就怎么玩了。
但我覺得還不夠味，似乎還有些問題縈繞在你腦海里。比如說這個問題：
啟動區里的代碼寫了啥？就 512 字節就是全部操作系統內容了？
這是一個好問題，512 個字節確實干不了啥，現在的操作系統怎么也得按 M 為單位算吧，512 個字節遠遠不夠呢，那是怎么回事呢？
其實我們可以按照之前的思路猜測，BIOS 用很少的代碼就把 512 字節的啟動區內容加載到了內存，并跳轉過去開始執行。那按照這個套路，這 512 字節的啟動區代碼，是不是也可以把更多磁盤中存儲的操作系統程序，加載到內存的某個位置，然后跳轉過去呢？
沒錯，就是這個套路。所以 BIOS 負責加載了啟動區，而啟動區又負責加載真正的操作系統內核，這配合默契吧？
由于用于啟動盤的磁盤是人家寫操作系統的廠商制作的，俗稱制作啟動盤，所以他也肯定知道操作系統的核心代碼存儲在磁盤的哪個扇區，因此啟動區就把這個扇區，以及之后的好多好多扇區（具體取決于操作系統有多大）都讀到內存中，然后跳轉到開始的程序開始的位置。跳轉到哪里呢？這個就不像 0x7c00 這個數那么經典了，不同的操作系統肯定也不一樣，也不用事先規定好，反正寫操作系統的人給自己定一個就好了，別覆蓋其他關鍵設備用到的區域就好。
八、操作系統內核寫了啥
好了現在經過好幾輪跳跳跳，終于跳到內核代碼啦，我們來一起回顧一下：
- 按下開機鍵，CPU 將 PC 寄存器的值強制初始化為 0xffff0，這個位置是 BIOS 程序的入口地址（一跳）
- 該入口地址處是一個跳轉指令，跳轉到 0xfe05b 位置，開始執行（二跳）
- 執行了一些硬件檢測工作后，最后一步將啟動區內容加載到內存 0x7c00，并跳轉到這里（三跳）
- 啟動區代碼主要是加載操作系統內核，并跳轉到加載處（四跳）
經過這連續的四次跳躍，終于來到了操作系統的世界了，剩下的內容，可以說是整個操作系統課程所講述的原理，分段、分頁、建立中斷、設備驅動、內存管理、進程管理、文件系統、用戶態接口等等。
這些名詞在操作系統的課程中你可能都或多或少聽過，如果你好好學了的話也一定知道大概的原理，不過像筆者這樣從頭到尾研讀過 linux 內核源碼的硬核狗來說，這些概念不只是書本上枯燥無味的概念，而是活靈活現在操作系統的每一行代碼上，有的展現了作者無比的智慧，有的讓我看到了作者由于硬件設定不得已做出的屈服。
如果這篇文章提起了你對操作系統的好奇心，建議你也找時間讀一讀，和我一起入坑，你會發現一個新世界的大門向你打開了
九、參考資料
好了，這回我真的要結束了，相信如果你真的看完了全文，計算機的啟動過程，可以說有了比較具象的了解。如果你想深入細節，也就是了解整個過程的每一點，那可要下功夫了。
