1-操作系统启动前的工作

Posted 2022-05-30 PacosonSWJTU

【README】

1.本文总结自B站《操作系统（哈工大李治军老师）》的视频讲解，非常棒，墙裂推荐；

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【1】计算机上电  

1）    问题： 这神秘的黑色背后发生了什么 ？计算机是怎么工作的？

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【2】从白纸到图灵机

计算3+2的加法：

• 控制器从纸带上读取已经写好的3 2 +；读取后，执行加法逻辑得到5，并把5再次送入到纸带上；但问题是，这个控制器只会做加法，不能做其他，这就是问题所在了；

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【3】从图灵机到通用图灵机

如果一个控制器，像一个只会做饼的厨师那样，就显得很低级，不灵活，没法扩展了；
我们需要的是能够看懂菜谱的厨师一样的控制器；能够灵活与扩展，不仅仅只会做加法，还会做其他算术或逻辑运算；

厨师读到菜谱1，可以做菜品1； 厨师读到菜谱2，可以做菜品2；

控制器也一样：

先预先设置控制器动作逻辑； 然后读取数据对象，根据预设动作进行相应的计算；

 通用图灵机：能够设置控制器动作逻辑的控制机；其中控制器动作逻辑就是应用程序；

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【4】从通用图灵机到计算机

冯诺依曼存储程序思想，在1946年提出 ：
4.1）存储程序的主要思想：将程序和数据存放到计算机内部的存储器中，计算机在程序的控制下一步步处理；

把程序或指令存储到内存（主存）里，然后用一条指令指针（IP或PC）指向某条指令；把该指令载入到控制器（取指），从而形成控制逻辑，即指令描述了控制器如何工作，接着控制器根据指令进行相应操作（执行）；

 小结：计算机怎么工作的呢？ 取指+执行；  

4.2）冯诺依曼计算机由5大部件组成：

• 输入设备；
• 输出设备；
• 存储器；
• 运算器；
• 控制器；

那windows系统启动的黑色背景如何产生的？

• 经过刚刚的分析，控制器是在指令下工作的，指令是由PC或IP的指向得到的；那计算机启动时，PC或IP指向的第一条指令是什么？

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【5】打开电源，计算机执行的第一句指令是什么？

 【问题】打开电源，计算机执行的第一句指令是什么？

1）Bios：Basic Input Output System， 基本输入输出系统；（开机时，唯一有程序的地方）
开机执行步骤：

• 步骤1：开机后，CS=0xFFFF， IP=0x0000 ；CS-Code Segment-代码段寄存器；IP=Instruction Point=指令指针寄存器；
• 步骤2：读取CS和IP的值，并把CS的地址左移4位与IP寄存器的地址相加，得到BIOS程序所在地址 0xFFFF0 ；
• 步骤3：从只读存储器ROM中 CS:IP地址上读取BIOS程序到控制器，控制器根据BIOS程序进行相应操作；
• 步骤4：BIOS程序首先检查 ram，主板，键盘，显示器，软硬磁盘；
• 步骤5：接着BIOS程序把磁盘的0磁道0扇区（即第1个扇区512字节）的数据读取到以0x7c00为首地址的内存单元中；其中0磁盘0扇区即第1个扇区就是操作系统的引导程序所在扇区（又称引导扇区），1个扇区512k；
• 步骤6：设置cs=0x07c0，ip=0x0000；所以可以得到内存地址0x7c00；

接下来，控制器就会执行内存地址0x7c00保存的程序，即操作系统引导扇区的程序；

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【5.1】0x7c00存放的代码是什么 ？

 

1）引导扇区代码示例 ：

Bootsect.s 中的 .s 指的是 汇编代码assembly；其中bootsect指的是引导扇区，boot sector；
所以引导扇区代码，是一段汇编代码；

2）为什么要用汇编代码？ 而不用C呢？

• C语言无法控制某个变量在内存中的哪个位置上存储；
• 而因为汇编的每一条指令都转为了机器指令，汇编可以控制变量存储的内存地址；
• 又引导扇区需要对程序进行完整控制，包括变量存储的内存地址；

3）Bootsect.s 引导扇区的代码要做什么事情呢？

引导扇区程序（0x7c00处存放的代码）的汇编指令执行步骤：

表1 引导扇区汇编程序bootsect执行步骤

步骤	指令	描述
1	mov ax,#BOOTSEG	#BOOTSEG=0x07c0;
2	mov ds,ax	把 0x07c0送入ds寄存器；
3	Mov ax,#INITSEG	#INITSEG=0x9000;
4	Mov es,ax	把 0x9000送入es寄存器
5	Mov cs,#256	把256赋值给cs寄存器；
6	Sub si si	把0x0000送入si寄存器；
7	Sub di di	把0x0000送入di寄存器；
8	Rep movw	重复移动256个字=512字节； 源地址：ds:si=0x07c0:0x0000；即0x7c00； 目标地址：es:di=0x9000:0x0000；即0x90000； 即把0x7c00的代码拷贝到0x90000内存地址
9	jmpi go, INITSEG	jump intersegment-段间跳转： 目标地址=cs:ip=INITSEG:go=0x9000:go； 即下面进入到go为标号（锚点）的汇编指令执行；

 补充，寄存器列表：

• 1.    AX――累加器（Accumulator），使用频度最高
• 2.    BX――基址寄存器（Base Register），常存放存储器地址
• 3.    CX――计数器（Count Register），常作为计数器
• 4.    DX――数据寄存器（Data Register），存放数据
• 5.    SI――源变址寄存器（Source Index），常保存存储单元地址
• 6.    DI――目的变址寄存器（Destination Index），常保存存储单元地址
• 7.    BP――基址指针寄存器（Base Pointer），表示堆栈区域中的基地址
• 8.    SP――堆栈指针寄存器（Stack Pointer），指示堆栈区域的栈顶地址
• 9.    IP――指令指针寄存器（Instruction Pointer），指示要执行指令所在存储单元的地址。IP寄存器是一个专用寄存器。

4）为什么要把0x7c00的引导扇区程序拷贝到0x90000呢？
为了腾出空间，腾出空间干什么呢 ？

5）jmpi go, INITSEG 是什么作用（引导扇区代码最后一条指令）？

jump intersegment-段间跳转： 目标地址=cs:ip=INITSEG:go；

图 1 启动盘结构图

表1中的步骤9 执行了 jmpi go, INITSEG；意思是跳转到目标地址=cs:ip=INITSEG:go=0x9000:go 去执行；所以接着执行上图的 go标号的汇编指令，步骤如下：

步骤	指令	描述
go标号
1	Mov ax,cs	把cs=0x9000赋值给ax
2	Mov ds,ax	把值0x9000赋值给ds
3	Mov es,ax	把值0x9000赋值给es
4	Mov ss,ax	把值0x9000赋值给ss
5	Mov sp,#0xff00	把值0xff00赋值给sp
load_setup标号		载入setup模块
7	Mov dx,#0x0000
8	Mov cx,#0x0002	ch=0x00 cl=0x02
9	Mov bx,#0x0200	把0x0200赋值给bx
10	Mov ax,#0x0200+SETUPLEN	//SETUPLEN=4; 把0x0204赋值给ax; ah=0x02 al=0x04
11	Int 0x13	//BIOS中断，读取磁盘数据
12	Jnc ok_load_setup	//跳转到 ok_load_setup标号（锚点）
13	Mov dx,#0x0000
14	Mov ax,#0x0000	// 复位
15	Int 0x13
16	J load_setup	// 重读

 最重要的指令是 int 0x13，这是一个BIOS中断；这个中断从磁盘读取数据，磁盘寻址如下：
从ch:cl（柱面号:开始扇区=0x00:0x02）开始读取磁盘数据，共计读取ah:al（0x02:0x04读磁盘:扇区数量）个扇区到内存地址es:bx（0x9000:0x0200）；
即从第2个扇区读取4个扇区的数据（setup数据）到内存0x90200，因为第1个扇区存储了引导扇区程序；

6）接着，读入setup模块后，执行 ok_load_setup 锚点：

Int 0x10 表示 一种BIOS中断，用于显示字符；显示的字符为 #msg1 即bp寄存器；
ok_load_setup标号的程序执行步骤如下：
      表3 ok_load_setup汇编程序执行过程

步骤	指令	描述
ok_load_setup标号		// 载入setup模块
1	Mov dl,#0x00	把0x00赋值给dl
2	Mov ax,#0x0800	把0x0800赋值给ax，即ah:al=08:00
3	Int ox13	//BIOS中断，读取磁盘数据
4	Mov ch,#0x00	把0x00赋值给ch
5	Mov sectors,cx	把cx赋值给sectors
	Mov ah,#0x03	把0x03赋值给ah
7	Xor bh,bh	异或运算，把0x00赋值给bh
8	Int 0x10	//BIOS中断，读光标
9	Mov cx,#24	把24赋值给cx，表示要输出24个字符；
10	Mov bx,#0x0007	把0x0007赋值给bx；其中0007是显示属性；
11	Mov bp,#msg1	把msg1赋值给bp；bp存储要显示的字符； msg1是偏移；就是把 Loading system字符串打到屏幕上的光标位置； 其中byte13,10 分别是换行和回车ascii码
12	Mov ax,#1301	把1301赋值给ax
13	int 0x10	//BIOS中断，显示字符
14	Mov ax,#SYSSEG	//SYSSEG=0x1000
15	Mov es,ax	把ax赋值给es；
16	Call read_it	//读取system模块 read_it 仍然是13号中断，把操作系统后面的代码读入到内存；读完之后，bootsect汇编文件执行完成；
	Jmpi 0,SETUPSEG	// SETUPSEG=0x9020 jump intersegment-段间跳转： 目标地址=cs:ip=SETUPSEG:0=SETUPSEG:0； 即下面跳转到SETUPSEG为标号（锚点）的汇编指令执行；

 如果我们要把 Loading System字符串修改为 diyos is loading字符串（长度15）在屏幕上显示的话，还需要把第9条汇编指令修改为 mov cx,#15；

小结：

• bootsect.s 文件中的汇编代码干的事情就是，把操作系统读入到内存，打出一个logo或字符串（diyos is loading）；

Bootsect.s 汇编程序执行完成后，就需要把控制权交给下一个程序执行，即setup程序；
如何跳转到setup程序呢？

• 执行 jmpi 0, SETUPSEG 即可；根据图1，我们知道SETUPSEG 的汇编程序在启动盘的第2~5个扇区；

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【总结】计算机启动过程