intelx86为何从0xFFFF0处执行

Posted 2021-02-12 wsw-seu

第一条指令的地址

　　在用户按下计算机电源开关之后，CPU会自动的将其CS寄存器设定为0xFFFF，将其IP寄存器设定为0x0000。由于CS:IP指出了下一条指令的地址^[1]，因此CPU会跳到0xFFFF:0x0000处进行执行。为什么是这个地址而不是其它地址呢？这其实是一个很巧妙的设计。

　　我们知道，从80386开始，到后面80486、奔腾，它们都是32位的CPU，但是它们都与Intel先前开发的8086兼容。也就是说，在默认情况下，80386、80486等，只不过是一台运行得更快一些的8086罢了。因此，这里我们只讨论8086^[2]。

　　8086是16位的CPU，但是却有20根地址线^[3]。也就是说它可以寻址 2²⁰ = 1M 内存空间。这段内存空间由RAM、ROM组成。ROM是随机只读存储器，里面的程序是在计算机出厂的时候直接烧录在里面的，完成一些主机自检等操作，并提 供一些访问磁盘等基本输入输出服务，因而这段程序常被称为Bios（Basic Input/Ouput Service）。由于不同的计算机厂商生产的计算机所带的外设不一样，因此，这段程序大小也限机型的不同而不一样，有可能A厂出产的计算机所带的这段程 序的大小为1K，而B厂出产的这段程序的大小为2K。如果将这段程序放在0x0000处，那么用户写的程序就可能从0x0400处开始也可能从 0x0800处开始，非常不统一。故而，将此段程序放在1M内存的顶部，那么用户写的程序就都可以从0x0000处开始了。

　　但将BIOS这段程序放在1M内存的顶部，如果这段程序大小为1K，那么应当从0xFFC00开始放。如果这段程序的大小为2K，那 么应当从0xFF800开始放，对于CPU而言，到底是应当从0xFFC00开始执行还是应当从0xFF800开始执行呢？为了解决这个问题，8086规 定，CPU均从0xFFFF0处开始执行，而在0xFFFF0处，放一条无条件转移指令JMP。如果A厂的BIOS是从0xFFC00开始放的，那么这条 转移指令就跳转到0xFFC00处开始执行。如果B厂的BIOS是从0xFF800开始放的，那么这条转移指令就跳转到0xFF800处开始执行，各个厂 家可以跟据自己所生产的BIOS程序的大小，来决定此转移指令具体跳转到的位置。

　　这里有一点需要清楚的是，通常认为，内存编址是连续的，不会出现空洞，其实完全不是这样。比如，假设BIOS的编址是从 0xF0000开始，而RAM，即通常讲的内存编址是从0x00000开始，那么，如果用户只安装了32K内存，那么内存的编址范围就是 0x00000~0x07FFF，那么从0x08000至0xEFFFF处就没有安装内存，这就是一个内存空洞。

　　好了，当CPU执行了放在0xFFFF0处的第一条指令后，就跳转到BIOS程序内部去执行了，下面就来看看BIOS都做了些什么。

BIOS的工作

　　BIOS的工作相当简单，主要的工作就是执行主机自检（POST），然后查找操作系统存在在哪个磁盘上，将操作系统载入。BIOS在查找各磁盘 的操作系统时，主要是查找磁盘上的第一个扇区（0面0磁道1扇区），每个扇区是512字节，如果这是一个引导扇区，那么就将它载入0x7C00的内存地址上，然后跳转到此地址上执行。如果此不是一个引导扇区，就继续查找下一个磁盘，看其上面是否存在引导扇区。如果所有的磁盘上都不存在引导扇区，则在屏幕上 打印出一条出错信息。

 

引导扇区的工作

　　引导扇区只有一扇区即512字节大，因此它的主要目的是把操作系统的内核读进内存，然后跳转到操作系统内核处开始执行。从编写操作系统角度来 说，前面的CPU上电及BIOS的工作都不是操作系统能控制的，而从引导扇区开始，就完完全全可由操作系统来控制了，因此，编写引导扇区也是编写操作系统 必要的工作之一。从BIOS跳入引导扇区后，计算机系统引导工作就算完成，怎样把操作系统内核读进内存，然后再安排一条跳转指令跳到内核处执行就是操作系 统开发人员的工作了。