操作系統(tǒng)之起源（一）

        從今天開始，我們來進(jìn)行一個(gè)微型的操作系統(tǒng)（基于 x86 架構(gòu)）的編寫。當(dāng)然了，也是跟著別人學(xué)習(xí)，只是為了做個(gè)總結(jié)。將之記錄下來，和大家一起學(xué)習(xí)，也方便日后進(jìn)行復(fù)習(xí)。

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        那么什么是操作系統(tǒng)呢？我們常見的操作系統(tǒng)有：Windows、Unix、Linux、Mac OS、Android 以及 iOS 等。簡單來說，操作系統(tǒng)是直接運(yùn)行于硬件之上的計(jì)算機(jī)程序。它的一個(gè)作用是用于管理和控制計(jì)算機(jī)的硬件與軟件資源；另一個(gè)重要的作用是為用戶軟件的開發(fā)提供必要的服務(wù)和接口。下來我們來看看現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的架構(gòu)，如下圖所示

        我們看到在最上層是應(yīng)用層，也就是我們平時(shí)所說的軟件開發(fā)層。而軟件開發(fā)又分為兩種：用戶軟件開發(fā)和編譯軟件的開發(fā)。接下來便是操作系統(tǒng)了，操作系統(tǒng)提供了軟件運(yùn)行的環(huán)境和各種服務(wù)與接口。再往下便是 BIOS，對于這個(gè)詞，我們裝過電腦系統(tǒng)的人都知道，后面會(huì)進(jìn)行詳細(xì)的分析。最底下便是硬件層了，它為操作系統(tǒng)提供所必需的硬件環(huán)境。

        我們下來來看看 BIOS，它的全名為 "Basic Input & Output System"。BIOS 的本質(zhì)也是一段程序，它是計(jì)算機(jī)上電后第一個(gè)運(yùn)行的程序。它所做的工作主要分為以下幾個(gè)：a> 首先檢測硬件狀態(tài)，檢測通過后立即進(jìn)行硬件初始化；b> 它會(huì)在內(nèi)存中建立中斷向量表，其作用是提供硬件訪問的方法；c> 最后便是將控制權(quán)交由主引導(dǎo)程序執(zhí)行，進(jìn)入操作系統(tǒng)。注意：BIOS 不是軟件（Software），而是固件（firmware）！那么什么是固件呢？固件是固化于硬件中的程序，在硬件出廠前已經(jīng)燒寫固定。

        下來我們來看看 x86 架構(gòu)的系統(tǒng)啟動(dòng)流程，如下圖所示

        我們看到先是系統(tǒng)硬件上電，接著運(yùn)行 BIOS，初始化硬件；緊接著建立中斷向量表，加載運(yùn)行主引導(dǎo)程序；軟件初始化，加載運(yùn)行操作系統(tǒng)內(nèi)核，最后是系統(tǒng)初始化。那么 BIOS 是如何被運(yùn)行起來的呢？下來我們來看看 BIOS 的運(yùn)行機(jī)制。BIOS 存儲(chǔ)于 ROM 中，地址映射為 0xF0000 - 0xFFFFF（物理地址），它的入口地址為 0xFFFF0。那么在硬件電路的特殊設(shè)計(jì)下，會(huì)使得系統(tǒng)在開機(jī)后，CPU 從 0xFFFF0處開始執(zhí)行。BIOS 會(huì)按照用戶設(shè)置來掃描各個(gè)存儲(chǔ)介質(zhì)（光驅(qū)、軟驅(qū)、U 盤等），在發(fā)現(xiàn)主引導(dǎo)區(qū)后，將主引導(dǎo)區(qū)中的主因到程序載入內(nèi)存；主因到程序在內(nèi)存中的入口地址為 0x7c00，最后將控制權(quán)交由主引導(dǎo)程序執(zhí)行。怎么交給呢？其實(shí)也就是一句指令：jmp0x7c00。

        那么 BIOS 如何在存儲(chǔ)介質(zhì)中尋找主引導(dǎo)區(qū)呢？進(jìn)而如何判斷引導(dǎo)區(qū)中有沒有主引導(dǎo)程序呢？下來我們先來介紹下主引導(dǎo)區(qū)，它的簡寫為：MBR，即 Master Boot Record。MBR 位于存儲(chǔ)介質(zhì)的最開始位置處，大小為 512 字節(jié)；它的特點(diǎn)是前 512 字節(jié)的最后 2 個(gè)有效字節(jié)為 0x55aa；它的數(shù)據(jù)是 0x55aa 之前的數(shù)據(jù)都被視為主引導(dǎo)程序。那么前 512 字節(jié)是否一定為 MBR 呢？不一定哦！如果判斷是主引導(dǎo)區(qū)，進(jìn)而將主引導(dǎo)程序加載到內(nèi)存中，當(dāng)運(yùn)行完之后，有可能會(huì)發(fā)現(xiàn)它是不合法的，進(jìn)而執(zhí)行出錯(cuò)。所以說，主引導(dǎo)區(qū)存儲(chǔ)的程序不見得就是一個(gè)合法可用的程序。那么怎么進(jìn)行判斷是否是合法可用的程序呢？我們將在下節(jié)博客中進(jìn)行介紹。

        下來我們來看看更加詳細(xì)的系統(tǒng)啟動(dòng)流程，如下圖所示

        在運(yùn)行 BIOS 后，先進(jìn)行存儲(chǔ)介質(zhì)的掃描，如果在存儲(chǔ)介質(zhì)中存在 MBR，那么便開始加載主引導(dǎo)程序，地址為 0x7c00；接著將控制權(quán)交由主引導(dǎo)程序執(zhí)行，進(jìn)行軟件的初始化，最后加載運(yùn)行操作系統(tǒng)內(nèi)核，進(jìn)行系統(tǒng)的初始化。那么通過今天對操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)，總結(jié)如下：1、BIOS 是計(jì)算機(jī)上電后第一個(gè)運(yùn)行的程序；2、BIOS 進(jìn)行必要的初始化，并加載運(yùn)行主引導(dǎo)程序；3、主引導(dǎo)程序位于存儲(chǔ)介質(zhì)的最開始的 512 字節(jié)處；4、主引導(dǎo)程序負(fù)責(zé)后續(xù)的初始化，并加載運(yùn)行操作系統(tǒng)內(nèi)核。

當(dāng)前名稱：操作系統(tǒng)之起源（一）
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