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OS操作系统初始化过程

前面两篇文章已经分别讲了OS的实验环境配置x86汇编的指令,本文则着重于讲解操作系统的初始化。

BIOS

8086可以访问1MB的内存空间,地址从0x000000xFFFFF,顶端一部分用于访问ROM和外围板卡,其他大部分则用来访问内存DRAM。

  • ROM-BIOS占据着整个内存空间顶端的64KB,物理地址范围是0xF0000-0xFFFFF,里面固化了开机时要执行的指令
  • 内存条DRAM占据着较低端的640KB,地址范围是0x00000-0x9FFFF
  • 中间还有一部分,地址范围是0xA0000-0xEFFFF(320KB),则分给了其他外围设备,如显卡
    March 11, 2019 - OS初始化

因为8086加电或者复位时,CS=0xFFFFIP=0x0000,所以,它取的第一条指令位于物理地址0xFFFF0(也即FFFF:0000),正好位于 ROM中,那里固化了开机时需要执行的指令。

这块ROM芯片中的内容包括很多部分,主要是进行硬件的诊断、检测和初始化。
所谓初始化,就是让硬件处于一个正常的、默认的工作状态。
最后,它还负责提供一套软件例程,让人们在不必了解硬件细节的情况下从外围设备(比如键盘)获取输入数据,或者向外围设备(比如显示器)输出数据。
设备当然是很多的,所以这块 ROM 芯片只针对那些最基本的、对于使用计算机而言最重要的设备,而它所提供的软件例程,也只包含最基本、最常规的功能。
正因为如此,这块芯片又叫基本输入输出系统(Base Input & Output System, BIOS) ROM

ROM-BIOS的容量是有限的,当它完成自己的使命后,最后所要做的,就是从辅助存储设备读取指令数据,然后转到那里开始执行。
绝大多数时候,对于 ROM-BIOS 来说,硬盘都是首选的外存储设备。
硬盘的第一个扇区是0面0道1扇区,或者说是0头0柱1扇区(512B),这个扇区称为主引导扇区bootsector

整个加载操作系统的过程如下

  • 搜索可用的存储媒介,如软盘(floppy disk)、硬盘、CD等
  • 检查每个引导盘的有效性:最后一个字必须为0x55aa才为有效的引导盘
    (注意这里在汇编程序中体现为org 7c00h。非常重要!否则无法正确读取代码段/数据段!)
  • 如果有效,则第一个扇区,即主引导程序(master boot record, MBR),将会被加载入RAM地址为0000:7C00的地方(也就是物理地址 0x07C00,自举bootstrap),BIOS跳转到7C00继续执行
  • OS应该被加载入RAM,或者是另外一个引导程序

注:C中直接访问绝对地址

int *var = (int*)0x40001000;
*var = 4;

显存

概述

显存,即显示存储器(Video RAM, VRAM)。
要显示的内容都需要先写入显存,显存同样是按字节访问的存储期间。

两种基本工作模式

  • 图形模式:每个像素用01控制
  • 文本模式:直接用ASCII码控制显示字符的形状

由于历史的原因,所有在个人计算机上使用的显卡,在加电自检之后都会把自己初始化到80*25 的文本模式。在这种模式下,屏幕上可以显示25行,每行80个字符,每屏总共2000个字符。

所以,0xB8000-0xBFFFF这段物理地址空间,是留给显卡的,由显卡来提供,用来显示文本。
除非显卡出了毛病,否则这段空间总是可以访问的。
如果显卡出了毛病,计算机一定不会通过加电自检过程,这就是传说中的严重错误,计算机是无法启动的,更不要说加载并执行主引导扇区的内容了。

因此要访问显存,段寄存器要先指向0xB800,然后设置好偏移量,将对应的字符和显示属性放入该内存地址中。

80*25文本模式颜色表

屏幕上的每个字符都对应着显存中连续两个字节,前一字节是字符的ASCII码,后一字节是字符的显示属性。

字符的显示属性分为两部分,低4位定义的是前景色,高4位定义的是背景色。K=0时不闪烁,K=1时闪烁。

R G B 背景色 前景色(I=0) 前景色(I=1)
0 0 0
0 0 1 浅蓝
0 1 0 绿 绿 浅绿
0 1 1 浅青
1 0 0 浅红
1 0 1 品红 品红 浅品红
1 1 0
1 1 1 亮白

即连续两个字节为(ASCII)(KRGB)(IRGB),如0000 0000 0000 0101代表黑底(背景)品红字(前景)ASCII码为0x00的字符。

软盘

通常一个扇区尺寸是512B,可以看成是一个数据块(block)。
1440KB=1474560B,1B=8b等同于两个hex位。
1.44M的软盘一共包含2880个扇区。

采用磁头、磁道和扇区这种模式来访问硬盘的方法称为CHS模式,但不是很方便。
后来引入了逻辑块地址(Logical Block Address, LBA)的概念。
现在市场上销售的硬盘,无论是哪个厂家生产的,都支持LBA模式

LBA模式是由硬盘控制器在硬件一级上提供支持,所以效率很高,兼容性很好。
LBA模式不考虑扇区的物理位置(磁头号、磁道号),而是把它们全部组织起来统一编号
在这种编址方式下,原先的物理扇区被组织成逻辑扇区,且都有唯一的逻辑扇区号。

软盘有2个磁头(head)/面(side),有80个柱面(cylinder),每一个道(track)18个扇区(sector)。
柱面和磁头从0开始计数,扇区从1开始计数。

#define FLOPPY_144_SECTORS_PER_TRACK 18

void lba_2_chs(uint32_t lba, uint16_t* cyl, uint16_t* head, uint16_t* sector)
{
*cyl    = lba / (2 * FLOPPY_144_SECTORS_PER_TRACK);
*head   = ((lba % (2 * FLOPPY_144_SECTORS_PER_TRACK)) / FLOPPY_144_SECTORS_PER_TRACK);
*sector = ((lba % (2 * FLOPPY_144_SECTORS_PER_TRACK)) % FLOPPY_144_SECTORS_PER_TRACK + 1);
}

DOS

磁盘操作系统(Disk Operating System, DOS)主要有五部分组成

  • 引导程序(BOOT):由格式化程序直接写入磁盘初始扇区
  • 基本输入/输出管理程序(PC-DOS为IBMBIO.COM、MS-DOS为IO.SYS)
  • 文件管理和系统功能调用程序(PC-DOS为IBMDOS.COM、MS-DOS为MSDOS.SYS)
  • 命令处理程序(COMMAND.COM)
  • 各种外部命令:完成各种辅助功能的可执行文件

参考资料

完整开发

内核启动

链接

工具

表单

其他

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