操作系统的启动

操作系统的启动是个很令人好奇的话题，从按下计算机电源的那一刻，计算机从裸机开始呈现一个丰富的系统界面，这个从只有硬件逻辑到软件逻辑的过程是如何完成的？这里我们将从硬盘分区，三方协议，grub引导启动程序进行讲述，首先介绍硬盘MBR分区形式，然后介绍CPU，BIOS，系统的三方协议，讲述从CPU的硬件逻辑最终运行内核的软件逻辑的过程，最后介绍一下引导启动程序的发展，在grub这些引导启动程序中如何继续遵守三方协议。

1， MBR硬盘分区

MBR(Master Boot Record)即主引导记录分区表。它由三个部分组成：主引导记录，硬盘分区表和有效标志，共512字节，位于硬盘的0柱面、0磁头、1扇区。其中主引导记录占前446字节，硬盘分区表（DPT）占64字节，分区表里有4个表项，每个表项占16字节，最后是2字节的结束标志（固定为0x55AA）。在MBR分区中，第一个扇区的内容是十分关键的，它是主引导记录，如果操作系统需要按照MBR分区形式安装在这个硬盘中，那么需要在主引导记录里填入引导系统启动的代码。MBR分区在硬盘上的组织形式大致如下：

MBR分区示例

2， 三方协议

想要把操作系统启动起来，是需要多方按照一定的协议进行协作才能完成的，以Linux0.11，BIOS+MBR分区，Intel80x86CPU为例，首先电源加电后，主板会将BIOS从ROM里读取并放入内存RAM里，其在内存的位置是0xFE000~0xFFFF0，共计8KB，此时CPU加电后会进入16位实模式，通过硬件逻辑强行把自己的CS的值设置为0xF0000，IP的值设置为0xFFF0，这样CS:IP寻址就会指向内存的0xFFFF0，也就是BIOS的起始位置，那么BIOS程序就开始执行了，此时完成了CPU与BIOS的协同，彼此间的协议就是内存地址0xFFFF0！那么BIOS执行后，需要从硬盘或其他地方读取内核的代码，让内核执行起来，这如何做到呢？首先BIOS在开始执行时会把子机的中断向量表和BIOS数据放到内存的某个区域，中断向量表在0x00000~0x003FF，共计1KB，BIOS数据区在随后的0x00400~0x004FF，共计256B，建立好中断向量表以及其他操作后，BIOS会触发一个int0x19中断，CPU接收到这个中断后，会去内存的BIOS中断向量表里找到int0x19这个中断的中断服务程序（内存位置在0x0E6F2），这个中断服务程序的功能就是把磁盘里的第一个扇区（512B）读取到内存0x07C00（BOOTSEG）处，并开始执行它。此时内存第一次有了操作系统的代码，第一个扇区的内容其实就是linux/boot/bootsect.s的内容，其主要功能就是把第二批第三批代码加载到内存中规划好的位置。

bootsect.s的内存规划如下：

SETUPLEN = 4             ! nr of setup-sectors
BOOTSEG  = 0x07c0        ! original address of boot-sector
INITSEG  = 0x9000        ! we move boot here - out of the way
SETUPSEG = 0x9020        ! setup starts here
SYSSEG   = 0x1000        ! system loaded at 0x10000 (65536).
ENDSEG   = SYSSEG + SYSSIZE       ! where to stop loading

经过调整boosect自身在内存的位置之后，boosect开始把setup程序加载到内存中，此时使用的另一个中断向量int0x13，此中断向量可以指定扇区和内存位置，将指定扇区的内容读取的指定的内存位置。在bootsect中，读取的是从第二个扇区开始的4个扇区，加载到0x90200（SETUPSEG）处，这些内容对应linux/boot/setup.s这个文件。加载进来后，setup会再次调整内存规划，然后会使用int0x13中断向量继续加载240个扇区的内容，也就是system模块。setup还会做一些设置，例如关中断，设置中断描述符表和全局描述符表，打开A20实现32位寻址，对编程中断控制器8259A进行重编程，建立保护模式下的中断机制等等，为内核main函数的调用做准备。此时内存的视图如下：

linux0.11启动阶段内存视图

所以，我们可以知道，当BIOS运行后，会通过int0x19中断读取第一扇区的内容，BIOS并不管这个扇区里是否有内容。如果我们系统安装在硬盘上，就得保证第一扇区是我们的bootsect，这样才可以通过int0x13读取其他扇区的setup和system，从而最终完成内核的启动。所以这个第一扇区是至关重要的，是BIOS与系统的协议。

3， grub

经过多年的发展，引导程序已经由最初像Linux0.11的bootsect.s，setup.s等发展为grub，grub2之类的启动引导程序，第一扇区（主引导记录）也从bootsect.s变成了stage1，boot.img这些形式的内容，这类引导程序可以引导多个操作系统，多种操作系统的启动，拥有配置文件和简单的命令行界面，功能变得十分强大。不过grub跟最初的引导程序一样，也是遵循BIOS+MBR的规则的。gurb对系统的引导也是分为三个阶段，步骤1（stage1）的内容存放在主引导记录里，其功能主要是加载步骤1.5（stage1.5）的内容，也就是grub到内存中，步骤1.5会加载步骤2的内容，步骤2启动后，将会呈现一个选择启动的操作系统的界面。grub2是grub的升级版，在硬盘分区的内容与grub类似，只是stage1变成了boot.img，stage1.5变成core.img。

grub与gurb2在磁盘的分布