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系统BIOS是机器被加电之后首先被运行的程序。我们下面看一看一个典型的Boot Sequence所包含的步骤,当然,由于硬件BIOS厂商的不同,这些序列会有一些不同,但下面所列的,是你的主机被加电之后,通常都会发生的序列。
当机器被打开时,等电源稳定之后,电源会发送一个“加电成功信号”给芯片,以启动时钟生成器(8284);
然后,CPU重新自设定为初试状态,开始准备运行。
当CPU最初被启动的时候,系统RAM中是空的,没有任何内容可供执行。当然CPU设计者也知道这一点,所以他们对CPU进行了预先编程,以让CPU在这个阶段总是去查找系统BIOS ROM中的一个固定的位置,以启动BIOS Boot Program,这个位置为FFFF0h,这个位置是UMA临近结尾的位置。
之所以选择这个位置是因为,这样就不会引起由于ROM的大小改变而造成的兼容性问题。既然FFFF0h到UMA结束的位置之后16个字节,所以这里只放置着一个Jump指令,以进一步跳转到真正的BIOS startup program的位置。(不同的BIOS厂商可以将其放在不同的位置,只需要通过Jump指定就可以了)。
然后BIOS开始实施Power-On Self Test(POST),在这个过程中,如果遇到任何错误,Booting处理就会结束,机器会被挂起。
然后BIOS开始查找显示卡。精确的说,是查找被内建在BIOS内部的显示卡程序,并执行它,它通常被放在C0000h的内存位置,它的作用是初始化显示卡。绝大多数的现代显示卡都能够在显示器上显示它的相关信息。这就是为什么当我们开机的时候,首先会在显示器的顶端会出现关于显示卡的信息。
然后BIOS会查看其它设备的ROM,看一看这些设备之中哪些存在着BIOS,通常能够在C8000h的位置找到IDE/ATA硬盘的BIOS,并执行它们。如果找到任何其它设备的BIOSes,它们也会被执行。
然后BIOS显示它的启动屏幕。
然后BIOS开始做进一步的检测,包括我们可以看到的内存容量检测。在这个阶段,如果BIOS遇到任何错误,BIOS将会在屏幕上显示它的错误信息。
然后BIOS会根据自己的"系统资源列表“,来对系统资源进行进一步的检测以确定究竟那些系统资源(设备)被安装在机器上。有些计算机会逐步显示这些被检测到的设备。
如果BIOS支持Plug&Play标准,它将会检测和配置Plug&Play设备,并显示这些它找到的设备。
等着一些检测结束之后,BIOS会在系统屏幕上列出一个检测总结。
然后BIOS开始寻找一个启动设备,你可以通过配置BIOS来决定其搜索的顺序,这些设备包括Floppy Disk(A:),或者Hard Disk(C:),甚至还可以包括CD-ROM Driver或者其它设备。
当找到响应的启动设备之后,BIOS将会查找Boot信息以开始OS的启动过程。如果它找到了一个Hard Disk,它将会查找一个位于Cylinder 0, Head 0, Sector 1的Master Boot Record(硬盘的第一个扇区),如果它找到的是Floppy Disk,它也会读区软盘的第一个扇区。
如果找不到任何启动设备,系统将会显示一条错误信息,然后冻结系统。如果找到了响应的启动设备,BIOS会将读到的扇区放在内存7C00h的位置,并跳转到那里执行它。从此以后,就有硬件启动阶段进入了OS启动阶段。
总之,这个阶段有大量的事情要做,比如自检,初始化各种芯片,控制器,与端口;包括显示器,内存,键盘,软驱,串口等等;在这个过程中BIOS将检测到的数据放置于1K到2K的RAM,这个区域因此也被称为BIOS Data Area;同时还将中断向量以及BIOS程序运行所需要的Stack设置置于0到1K的RAM。
最终,POST执行INT 19h中断,找到可以启动的磁盘,并将boot程序装入内存7C00h,并将控制权交给OS的boot程序。
当BIOS INT 19h被执行以后,系统进入OS Booting阶段。
几个术语:
Master Booter: 放置于Hard disk的第一个扇区(即MBR),用于装载boot block的程序,466字节。
Boot Sector:放置与Floppy的第一个扇区,或者Hard disk的某一分区的第一个扇区的用于装载Secondary boot,或其它程序的可运行程序,512字节。
Secondary Boot:放置于非Floppy/Hard disk的第一个扇区,以及Hard disk的任意分区的第一个扇区之外的任意其它位置,用于装载OS,或其它程序的可运行程序。 无大小**。
boot顺序:
当用硬盘启动OS的时候,以上调用顺序为 MB -> BS -> SB -> OS;
当用软盘启动OS的时候,以上调用顺序为 BS -> SB -> OS。
硬盘启动
硬盘的第一个扇区(sector)被称作MBR(Master Boot Record)。由于硬盘可以有多个分区,所以在MBR上,不仅放置着用于启动的可执行代码master boot,还放着磁盘分区表(DPT),占用66个字节,所以MBR中的可执行代码必须在512 - 66 = 446个字节以内。
MBR结构:
偏移 内容 大小(字节)
0h 主引导程序 最大466
01BEh 硬盘分区表(DPT) 64
01FEh 启动标志(0x55 0xAA) 2
硬盘分区表(DPT)结构:
偏移 内容 大小(字节)
01BEh 分区1的分区数据表 16
01CEh 分区2的分区数据表 16
01DEh 分区3的分区数据表 16
01FEh 分区4的分区数据表 16
分区数据表(Partition Data Table)结构:
偏移 内容 大小(字节)
00h 引导ID标记(Boot indicator) 1
01h 起始扇区头号 1
02h 起始扇区 (柱面号的最高2位) 1
03h 起始柱面号# (柱面号的低位) 1
04h 系统属性ID 标记 1
05h 结束扇区头号 1
06h 结束扇区(柱面号的最高2位) 1
07h 结束柱面号# (柱面号的低位) 1
08h 此分区前的扇区总数目 4
0Bh 此分区的扇区总数目 4
引导ID标记(Boot indicator):
00h:不可启动分区
80h:可启动分区(只能有一个分区为此ID)
系统属性ID 标记(System Indicator ):
00h:未知操作系统
01h:DOS FAT12(16位扇区数)
02h:XENIX
04h:DOS FAT16(16位扇区数)
05h:DOS 扩展分区(DOS 3.3+)
06h:DOS 4.0 (Compaq 3.31), 32位扇区数
51h:Ontrack扩展分区
64h:Novell
75h:PCIX
DBh:CP/M
FFh:BBT
注意:
十六进制标记55 AA,标志着一个有效的引导记录(boot sector)的结尾。每一个分区的引导记录中都必须有这个标记。
INT 19H是怎么处理启动的?
INT 19会将MBR的512字节装载到内存0x7c00中,然后JUMP到0x7c00处,开始执行MBR的可执行程序(master booter),Master booter最起码需要做这些事情:
检测MAGIC(Signature)是否为合法值(十六进制55 AA);
将自己移动到其它位置(一般是0x0600),将0x7C00到0x7c00+512K的空间让出来,以备其后将boot sector程序装入这个位置,这样才能和直接从软盘直接装入boot sector程序相一致;具体移动到什么位置,则根据设计而定,理论上,可以移动到任何非冲突位置(即没有被预留为其它程序所用的位置);但一般情况下,都是在0X000800至0X0A0000之间寻找一端空间存放。
查看分区表,将被设为活动的分区的第一个Sector装入0X7C00的位置,正常的情况下,此Sector放置的就是boot sector程序;
最终,master booter跳转到0X7C00的位置,开始执行boot sector。

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