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作 者：道哥，10+年的嵌入式开发老兵。
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[TOC]
在第一篇文章中，我们就提到，现代操作系统是从最古老的
8086
系统一步一步发展而来的。
处理器厂商为了向后兼容，很多底层相关的原理都是一样的(如果不兼容，就会丢弃市场份额)。
特别是从系统上电之后，一直到操作系统中第一个进程(Linux 下就是 init 进程)运行起来，这其中经历了 BIOS、引导程序、操作系统这三元大将的接力跑。
今天，我们从几个特殊的地址的角度，来从宏观节点上看一下系统的启动过程。
0xFFFF:0x0000
这个地址，是处理器上电之后的第一个重要的物理地址。
从地址的书写形式上，就可以看出这是
8086
系统中实模式下的段寻址方式：段地址 * 16 + 偏移量。
段地址：0xFFFF
偏移地址：0x0000
计算得到物理地址：0xFFFF0
当处理器的
reset
引脚被触发后，处理器首先进行硬件初始化，也就是把处理器内部的每个寄存器都设置为一个初始的默认状态：
把段寄存器 cs 设置为 0xFFFF，指令寄存器 ip 设置为 0x0000;
把其它的所有寄存器设置为 0x0000;
当所有的初始化完成之后，CPU 就开始执行第一条指令。
之前说过，CPU 是很傻、很单纯的，它只知道去 cs:ip 所指向的地址处，取出一条指令，执行完之后，再取出下一条指令继续执行。。。
每一条指令的第一个字节都是操作码，CPU 根据操作码，能够知道当前指令的字节长度，并把 ip 寄存器指向下一条指令。
既然硬件初始化时，已经把
cs
初始化为
0xFFFF
，把
ip
初始化为
0x0000
，经过段寻址的公式计算之后，就得到了物理地址：
0xFFFF0
，也就是说，CPU 执行的第一条指令位于物理地址
0xFFFF0
这个地方。
那么，这个物理地址中，存放着什么指令呢？
首先来复习一下地址范围的相关知识：
8086 处理器有 20 根地址线，寻址范围是：0x00000 ~ 0xFFFFF，最大就是 1 MB。
但是 8086 的处理器是 16 位的，寄存器最大表示的范围是 0xFFFF，也就是 64 KB。
采用【段基址:偏移量】来表示一个段时，这个段的最大偏移范围就是 64 KB。
我们再回到系统的启动流程。
在上电之后，硬件会把一个
ROM
芯片，映射到内存地址空间的最高地址空间，也即是
1 MB
的位置，如图：
ROM
芯片中存放的就是
BIOS
代码，称作：基本输入输出系统(Basic Input/Output System)。
此时，
cs:ip
计算得到的物理地址为
0xFFFF0
，正好落在映射到
ROM
的这块内存空间。
因此，从这个地址中获取到指令，其实就是从 ROM 中读取的。
所谓的映射：就是访问某个地址空间中的内容时，就会自动定位到被映射的目标物理设备中进行访问，这是由硬件来保证的。
CPU
在执行指令的时候，
ip
寄存器是递增的，也就是说会从低地址到高地址，依次执行每一条指令。
但是此时第一条指令的地址就是
0xFFFF0
，已经快接近
1 MB
地址空间的顶端了，只有
16
个字节的地址空间。
如果执行到顶端，溢出之后，就会回绕到最低地址
0x00000
。
因此，在这个第一条指令的位置处，是一条跳转指令：
跳转目标是
0xF000:0xE05B
，计算得到物理地址
0xFE05B
，可以看到同样是落在映射到 ROM 的地址空间中(好像是废话：此时只能执行 BIOS 中的代码)。
0xF000:0xE05B
这个地址处的代码，才是
BIOS
真正开始执行的地方。
BIOS
所做的事情包括：
侦测硬件设备：系统中有哪些硬件设备，工作状态是什么;
对硬件设备进行初始化：比如最初始的中断向量表;
侦测操作系统启动设备：选择好一个系统盘之后，把系统盘中主引导扇区中的引导程序读取到内存中;
在
BIOS
的最后一个步骤中，它把引导程序读取到内存中
0x0000:0x7C00
地址处，计算得到物理地址就是：
0x07C00
。
这个地址的内存空间，被硬件映射到 RAM 芯片中。
具体的说就是，硬件把内存空间
0x00000 ~ 0x9FFFF
映射到随机存储器中，一共是
640 KB
的空间。
注意：虽然地址空间有
640 KB
这么大，但是实际的 RAM 大小可能只有可怜的
32 KB
，因此实际可用的空间取决于物理芯片。
中间空着的那块地址空间，映射到一些外设。
0x0000:0x7C00
这个地址，就是操作系统的引导代码被读取到内存中的地方。
在内存地址的刚开始位置(0x00000～0x003FF)，存放着中断向量表。
可以看到：操作系统引导代码并没有从中断向量表之后的
0x00400
开始存放，而是被放在了
0x07C00
这个地方：
至于为什么要这么放置，有很多的说法，比较靠谱的解释是这样的：
假如实际的
RAM
芯片只有
32 KB
(不要用现代的眼光来看，在 N久 之前，
RAM
还是非常的珍贵)，那么内存布局就是这样：
在此也鄙视一下现在很多的应用软件，动不动就占用那么多的内存，都以为整个电脑只为它一家软件服务的？！
可以看到，引导代码几乎位于
RAM
的顶端了，这样的话，从中断向量开始的
0x00400
，一直到引导代码的
0x07C00
，这块地址空间就是连续的一整块，可以被操作系统更方便的操作。
另外，把引导代码放在
RAM
的高地址处，还有一个好处:
当引导代码最终把接力棒交给操作系统之后，引导代码就没有任何用处了。
因此，操作系统就可以直接把引导代码所在的地址空间中内容，全部抹掉，为自己所用！
—— End ——
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