BIOS与系统自启

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汇编部分补充

数据描述符

• AX累加器：用到最多最频繁，AX，AH和AL在乘，除法等操作中有专门的用途。
• BX基址寄存器: 用于存放偏移地址
• CX为计数寄存器：在循环操作中做计数器用，用于控制循环程序的执行次数
• DX数据寄存器：在乘，除法及I/O端口操作时专门用途。

指令

操作方向标识为DF(Direction Flas)

使用此指令控制方向标志DF，决定内存地址增大还是减小。

在子串操作中使SI或DI的地址指针自动递减，字串处理由后往前。

• CLD 使DF复位，即让DF=0 向高地址增加
• STD 使DF置位，即让DF = 1 向低地址减少

CPU架构

CPU架构是CPU厂商给属于同一系列的CPU产品定的一个规范，主要目的是为了区分不同类型CPU的重要标示。

 

                                                                                                                                  CPU架构

• 复杂指令集CISC (Complex Instruction Set Computer)：增强原有指令的功能，设置更为复杂的新指令实现软件功能的硬化。

• 精简指令集RISC  (Reduced Instruction Set Computer)：较少指令种类和简化指令功能，提高指令的执行效率

                                                                                                            指令集对比

南桥北桥

在早期，芯片组分为南桥芯片组和北桥芯片组两部分，其中北桥负责CPU与内存的数据交换，图形处理，CPU与PCIE(高速串行计算机扩展总线标准)数据交换，南桥负责系统的输入输出功能。北桥芯片还叫"图形与内存控制器"，南桥叫"输入/输出控制器"。北桥芯片组因与CPU联系密切靠近CPU位置，在现代制造工艺越来越先进，集成度越来越高，内存控制器已经被集成到CPU内部，显卡收进CPU(核显)，而PCIE控制器收归南桥管理，北桥芯片组功能基本被瓜分。在Intel 芯片组中北桥被取消，而AMD只有早期主板仍保留着北桥和南桥。

PCIE:属于高速串行点对点双通道高宽带传输，所连接的设备分配独享通道带宽，不共享总线带宽，主要支持主动电源管理，错误报告，端对端的可靠性传输，热插拔以及服务质量QOS等功能。

                                                                                                                                            南桥

电脑启动过程(早期)

                                                                                                                             启动顺序

• 系统加电BIOS初始化硬件
• BI0S读取引导扇区代码 -- 加载程序
• 加载内核并跳转到内核执行 - 操作系统内核

                                                                                                                             刚启动时内存布局

 

                                                                                                             十六位实模寻址

当装入多个操作系统

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 主引导记录MBR格式

 

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　多个操作系统

工作模式

• 实模式

程序中用到的地址都是真实的物理地址。

在实模式下，内存寻址方式和8086（8086,微处理器，1MB内存地址,3微米晶体管，IBM1981年生产的第一台电脑就是使用8086简化版，标志着x86架构和IBM PC兼容电脑的产生)相同，机器段起始地址的低4位设置为0，由16位段寄存器的内容乘以16(左移4位)作为段基址(Segment Base Address)(能被16整除的主存物理地址)，加上16位段偏移地址形成20位物理地址，

                                                                  段基址

最大寻址空间1MB，最大分段64KB。可以使用32位指令，即32位的x86 CPU也可以兼容实模式，此时的实模式相当于高速8086(32位CPU的实模式可以使用32位下的资源)。在32位CPU下，系统复位或加电时都是以实模式启动，然后再切换为保护模式。在实模式下，所有的段都可以读，写和可执行的。由于实模式下没有特权级，程序可以随意修改自己的段基址，加上实模式下对地址的访问就是实际物理地址，随意修改给操作系统带来极大安全隐患

• 保护模式

标志位表示权限，当用户访问与读取的段文件权限进行对比，已达到保护的目的。

每一个指令，每一个程序本身就有一个权限，可以用CPL/RPL描述，访问的目标字符段也有一个权限为DPL。处理器会对特权集进行检查，判断当前的CPL/RPL是不是大于等于DPL。

                                                                                                                              实模式与保护模式

BIOS概念

BIOS(Basic Input Output System)全称基本输入/输出系统，固件，它是存储在主板ROM(只读存储器，生成之后只有一次写入机会，数据一旦写入则不可更改。按照内容写入方式分为: 可一次变成PROM，可擦除ROM，又分为EPROM紫外线擦除电写入和E2PROM电擦除电写入等)里的一组程序代码。

主要包括:

• 加电自检(Power On Self Test POST)程序，用于开机时对硬件的检测，BIOS包含基本输入输出程序，包括读取键盘，写入屏幕，和执行磁盘I/O等操作过程，去检测开机时系统状况，而显卡不可检测

Blos(Blos采用16位汇编语言编写)只能运行在16位实模式下，实模式下最大寻址范围时1MB

系统加电时，当CPU收到复位事件时，当它被上电或重新启动时--指令寄存器就被装入 一个预定义的内存位置，并在那里开始执行。

• 系统初始化代码，包括硬件设备的初始化，创建BIOS中断向量等
• 基本的外围I/O处理子程序代码
• CMOS设置程序：Complementary Metal-Oxide-Semiconductor: 保存了系统引导的最基本的资料(基本设置，时钟信息)。

初始化过程

• 硬件自检POST
• 检测系统中内存和显卡等关键部件的存在和工作状态
• 查找并执行显卡等接口卡BIOS，进行设备初始化
• 执行系统BIOS，进行系统检测  -- 检测和配置系统中安装的即插即用设备
• 更新CMOS中的扩展系统配置数据ESCD
• 按指定启动顺序从软盘，硬盘或光驱启动

                                                                                                    bios

启动加载程序Bootloader

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 引导启动内核的过程 

 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　引导启动内核程序

 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　linux启动代码

到setup部分，进入保护模式

运行system模块，进入操作系统

bootsect.s

工作在实模式下，起到搬运工的作用

 第一部分

 片段二

 片段三

 片段四

 片段六

 

setup.s

setup.s负责从BIOS中获取系统数据，并将这些数据放到系统内存的适当地方。此setup.s和system已经由bootsect引导块加载到内存中。

 setup

 

 片段一

 片段二

 片段四

 片段五

 总

head.s

进一步设置中断描述符和全局描述符表，设计页表--开始对系统内存进行管理

 head.s

 设置中断描述符

 mian函数工作流程

 main函数

BIOS缺点

• 开发效率低 ：大部分BIOS使用汇编开发，开发效率低，汇编开发代码与设备的耦合度太高，(软件工程讲究高内聚低耦合，目的是使程序模块的可重用性，移值性大大增强)
• 性能差：BIOS基本输入输出通过中断来完成，开销大，并且BIOS没有提供异步工作模式，大量时间消耗在等待上
• 功能扩展性差，升级缓慢：BIOS代码采用静态链接，增加硬件功能时，必须将16位代码放置在0x0C0000 ~ 0x0DFFFF区间，初始化时将其设置为约定的中断处理程序。而且BIOS没有提供动态加载设备驱动方案
• 安全性：BIOS运行过程中对可执行代码没有安全方面考虑
• 不支持从硬盘2TB以上的地址引导：受限于BIOS硬盘的寻址方式，BIOS硬盘采用32位地址，因而引导扇区的最大逻辑块地址2^32 (换算成字节地体，即2^32 X 512 = 2TB)

UEFI

 UEFI

参考资料

• 厦门大学《操作系统原理》
• 《UEFI原理与编程》
• 获得BIOS中英文对照：公众号回复：BIOS英文 即可获得
• 下载:https://foryouos.lanzoul.com/iApcp138b9be 密码:5213