大家好，我是呼噜噜，最近在看linux早期内核
0.12
的源码，突然想到一个困扰自己好久的问题：当我们按下电源键，计算机发生了什么？神秘地址0x7C00究竟是什么？操作系统又是如何被加载到硬件中的？带着这些问题，继续往下阅读本文。

x86计算机启动过程，主要分为这几个阶段：BIOS自检，引导设备的选择，主引导记录，加载操作系统

BIOS自检

当电源自检通过后，主板会通电，开始读取
ROM里面的BIOS程序
，进行
BIOS自检
。
BIOS
（Basic Input Output System，基本输入输出系统），它负责
管理和控制计算机硬件设备
，本质上是一组"程序代码"。

BIOS作为计算机开机之后，CPU要进行处理的第一个“可执行程序”，也就是第一个“开机启动项”。其程序代码事先被刷入集成在主板的
ROM
芯片中，主要保存着系统设置程序、基本输入输出程序、开机上电自检程序和系统启动自举程序等

ROM:
只读存储器，不需要供电也可保持数据不丢失
。这点特性和内存有着鲜明的对比

现在一般用
Flash闪存
来代替ROM，由于ROM写入后就不能修改，改用Flash闪存后，既方便又能用专用程序即可修改其中代码

当BIOS启动后，会开始BIOS自检，会依次执行以下操作：

  1. 主要是对计算机的硬件设备进行检测，然后初始化，包括处理器、内存、硬盘、显卡、声卡等
  2. 对计算机内存进行检测，检查硬盘和其他存储设备是否正常
  3. BIOS还会检查计算机的其他设备，包括键盘、鼠标、显示器、声卡等
  4. 显示系统信息：BIOS会在屏幕上显示系统信息，包括计算机型号、处理器型号、内存大小、硬盘容量等

作者：小牛呼噜噜 ，首发于公众号「
小牛呼噜噜
」

期间如果检测到设备或者硬件运行不正常，主板会发出不同的蜂鸣声(具体查看
bios手册
区分)来作为警告，同时启动会中止。同时我们不用担心检测时间过长，往往我们还没感觉的时候，计算机的BIOS自检就已经完成了。

引导设备选择

当BIOS完成硬件自检后，需要进行引导设备的选择，主要是
确定计算机从哪个设备启动
，通常是硬盘或可移动设备。这一步也是我们常说的
BIOS下的启动顺序
，计算机需要知道下一个阶段要启动的程序具体放在了哪一个设备上。

用户可以自行去选择从哪个设备启动计算机，比如光盘或USB驱动器，进而调节启动设备的优先级。

BIOS操作界面，有一项就是"设定启动顺序"，我们一般使用U盘装系统就得在这一步设置为U盘启动。

主引导记录

当BIOS按照我们设定好的启动顺序，BIOS则根据这个顺序
将计算机的控制权交给排在第一位的存储设备
。主要目的是
将硬盘中操作系统的核心代码加载到计算机的内存中并执行它
。通俗点讲，主引导程序它个头比较小，操作系统个头大，它的任务就是去加载一个个头大的程序，也就是操作系统。

那怎样将操作系统的核心代码加载到计算机的内存中并执行？我们只需将从
第一位设备
中读取设备的
MBR
，并且将程序放在
0x7c000
的内存地址位中即可

MBR是什么？

MBR是存储设备中的
第一个扇区
，也就是磁盘最前面的512字节(Byte)，称为“
主引导记录
”（Master boot record，简称为MBR）

我们这就不得不提机械硬盘的构造了，常见的机械硬盘的组成部分：


我们就不一一介绍了，我们直接讲其存储数据的原理。机械硬盘存储数据的时候，是将数据存储在其内部的
盘面
上。一块硬盘中一般会有多个盘片。

盘片的表面涂有
磁性物质
，这些磁性物质用来
记录二进制数据
。因为正反两面都可涂上磁性物质，故一个盘片可能会有两个盘面。

每个盘面都会有对应的磁头，所有磁头"共进共退"，因为会有一个磁臂固定它们。

每个盘面划分成了一圈一圈的
磁道
，最外圈是0磁盘。然后每个磁盘又划分为了一个个小块，小块叫做
扇区
。
扇区大小固定，是512个字节
。

扇区大小为啥固定512字节？这是1956年由industry trade organization, International Disk Drive Equipment和Materials Association三家机构确定的行业标准, 大家都默认会遵守的标准，久而久之，如果改变的话，兼容各种情况的代价非常大。

我们现在更常用的固态硬盘的原理是和机械硬盘是截然不同的，大家感兴趣地可以自行去了解。上面科普了许多磁盘的知识，下面让我们回到MBR上。

由于BIOS很小，功能有限，为了完成加载操作系统的功能，就诞生了MBR

MBR在** 0 盘 0 道0扇区
上(最外层磁盘的最外围磁道的第一个扇区)，也就是该储存设备的第一个扇区(大小512个字节)
。
它
存放了用于启动操作系统的引导程序代码
，其实这串代码就是
告诉计算机去哪一个地址去找操作系统**。

主引导记录由三个部分组成：

  1. 占446个字节：**
    主引导程序（也叫
    Boot Loader
    ），如果启动管理器grub是直接写进mbr硬盘的主引导记录中的，计算机BIOS 在启动时，按照预定的方式，
    将MBR内的代码加载至内存指定位置**， 然后跳转至那里，mbr的代码就开始运行了。
  2. 占64个字节：记录分区表，由于硬盘可以分区，每个区可以安装不同的操作系统，所以主引导记录必须知道将控制权转交给哪个区。
  3. 占2个字节：主引导记录的签名（0x55和0xAA）,如果这512字节的最后两个字节是0x55和0xAA，表明这个设备可以用于启动；如果不是，表明设备不能用于启动，控制权于是被转交给"启动顺序"中的下一个设备。如果到最后还是没找到符合条件的，直接报出一个无启动区的error。

额外补充一下，分区表的概念：
分区表
的长度只有64个字节，里面又分成四项，每项16个字节。所以，一个硬盘最多只能分四个一级分区，又叫做"主分区"。

每个主分区的16个字节，由6个部分组成：

  • 第1个字节：如果为0x80，就表示该主分区是激活分区，控制权要转交给这个分区。四个主分区里面只能有一个是激活的。
  • 第2-4个字节：主分区第一个扇区的物理位置（柱面、磁头、扇区号等等）。
  • 第5个字节：主分区类型。
  • 第6-8个字节：主分区最后一个扇区的物理位置。
  • 第9-12字节：该主分区第一个扇区的逻辑地址。
  • 第13-16字节：主分区的扇区总数，决定了这个主分区的长度，一个主分区的扇区总数最多不超过2的32次方。。

当主引导程序将硬盘的第一个扇区中读取到的
操作系统引导程序代码
(512 个字节的内容)，加载(原封不动地复制)到计算机内存
0x7c00
这个位置。这个过程需要依靠硬盘控制器和指令集来完成。

那看到这里大家一定有一个疑惑？计算机为啥要把操作系统代码加载到内存地址
0x7c00处
，其他地址不行吗？

0x7c000是什么神秘的地址？

0x7C00这个地址，它不属于Intel x86平台规范的，你翻遍Intel x86的手册，也找不到它的定义。它其实是历史遗留原因，第一次出现于IBM PC 5150电脑，IBM PC 5150是x86（32位）IBM PC/AT系列的老祖宗，其使用了intel 8088芯片，后人一直沿用这个地址以保持兼容。

那这个地址是怎么得出来的呢？IBM PC 5150电脑的操作系统是
86-DOS
，它最少需要32KB的内存，要知道那个时候内存是非常宝贵的，能省就省，勤俭持家嘛。

32KB=32 * 1024 B = 32768 B = 0x8000 B
, 由于内存地址是从0x0000开始的，32位末地址是
0x8000 -1=0x7FFF
所以32KB的内存地址是
0x0000～0x7FFF

现在又知主引导记录需要512字节，其本身引导程序的堆栈/数据区域也至少需要512 字节

0x7FFF -512 -512 + 1=0x7C00
，这样就得出
0x7C00
这个地址了。

计算机启动会后，内存布局如下：

+——————— 0×0
| Interrupts vectors（中断向量表）
+——————— 0×400
| BIOS data area（BIOS的数据区域）
+——————— 0×5??
| OS load area（操作系统加载区域）
+——————— 0x7C00
| Boot sector（引导区域）
+——————— 0x7E00
| Boot data/stack（引导数据/堆栈）
+——————— 0x7FFF
| (not used) 
+——————— (…)

当操作系统启动后，主引导记录也就完成使命了，其所在的内存地址
0x7C00
之后的所有内存，皆可被操作系统重新利用，突出一个节约内存的理念。

加载操作系统

操作系统的加载是计算机启动过程中的最后一步，控制权将被转交给操作系统，主要工作是操作系统的所有模块加载到内存中，完成操作系统的初始化，最终实现**

我们这里以Linux为例，首先会去加载boot目录下的内核启动文件，成功加载内核后，然后去启动init进程(pid进程号为1)，最后去加载操作系统的各个模块，比如网络、IO设备、窗口等，使得操作系统能够正常运行。

这块就不细讲了，如果去深扒linux的源代码，远远不是一篇文章能讲完的。后面笔者会尝试去更新linux0.12的相关文章，敬请期待

直到计算机中出现我们所熟悉，输入用户名密码登录的界面

参考资料：
《Linux内核完全注释5.0》
https://www.minitool.com/lib/power-on-self-test.html
https://www.ruanyifeng.com/blog/2015/09/0x7c00.html
https://www.glamenv-septzen.net/en/view/6

作者：小牛呼噜噜 ，首发于公众号「
小牛呼噜噜
」

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