揭開鋼琴的蓋子：作業系統好比一個架美麗的鋼琴，我們可以用上面的琴鍵彈出優美的旋律。但是我們不能滿足於只會彈奏，如果我們要更深入理解鋼琴，必須開啟鋼琴的蓋子，一探究竟。所以學習作業系統，不能停留上系統API的呼叫，需要能更好更高效的呼叫API，知道API的侷限性與缺點，就必須開啟作業系統的蓋子，探究作業系統API下的底層原理。

從我們按下電源鍵使得計算機通電，計算機的各個部件是怎麼執行起來的呢。我們現在使用的計算都遵循馮諾依曼結構，在我們探討計算機的啟動前，先弄明白我們的計算機的結構。

1. 馮諾依曼結構計算機的工作原理

• 計算機的核心工作部件是CPU，CPU內部從上電開始反覆執行著兩個動作：1）取址；2）執行
• 計算機根據一系列的操作指令來執行不同的動作，這些指令就是計算機程式。
• 計算機執行的程式是以二進位制的方式存在記憶體中，程式中的資料與指令不加區別的都儲存在記憶體上。

2. 計算機的啟動過程：

1. X86 PC歲開機時，CPU處於真實模式，這時候記憶體的計算方式是 段基址 << 4 + 段內偏移
2. CPU的第一條指令是通過CS：IP來取得，而此時CS=0xFFFF，IP=0x0000。這是硬體設定好的。
3. 所以最開始執行的指令地址就是0xFFFF0，這個記憶體地址對映在主機板的BIOS ROM（只讀儲存區）中。
4. ROM中的程式會檢測RAM、鍵盤、顯示器、軟硬磁碟是否正確工作。同時會從地址0開始設定BIOS的中斷向量表。
5. ROM中的程式繼續執行，將啟動裝置磁碟0磁軌0扇區，一個512位元組的扇區讀到記憶體0x07c00處。0x07c00應試是一個歷史遺留的問題，後續把system模組拷貝到地址開始處時，預留的空間將不夠，所以bootset需要把0x07c00這一塊作業系統引導與設定模組拷貝走。這算是一個歷史包袱。
6. 設定cs=0x07c0，ip=0x0000。
7. ROM中的程式執行結束，轉到0x07c00處開始執行。

啟動裝置是可以通過BIOS程式來設定的，資訊寫在CMOS中。CMOS（64B-128B）中存的還有實時鐘，硬體配置資訊等。(開始時按住Del鍵可以進入啟動設定的配置介面，可以設定光碟啟動或U盤啟動等)。

3. Bootsect.s做了哪些事

1. 把0x7c00開始的512個位元組，拷貝到0x90000處。（0x90000 - 0x90020）
2. 設定棧ss = 0x9000，sp = 0xff00，這裡把sp設定的夠大，防止棧的區域把下面的作業系統程式碼覆蓋了。
3. 呼叫BIOS ox13中斷，將第2-5個扇區拷貝到0x90020開始的記憶體處。如果出錯，就反覆讀取。
4. 獲取磁碟的引數：磁軌數等
5. 列印字串資訊：system is loading
6. 讀入system部分（幾百個扇區），讀入到記憶體為0x10000處。（在0x90000的下面）
7. 轉到地址為0x90020的地址處執行，也就是開始執行setup部分的程式碼了。

4. Steup模組做了什麼事

主要工作是完成作業系統啟動前的設定工作。

1. 讀取游標的位置資訊放在09000的頭2個位元組處。因為這時候bootsect模組的程式碼已經沒有用了，可以覆蓋了。
2. 讀出擴充套件記憶體的大小，放在接著的2個位元組處。
3. 獲取顯示卡引數，硬碟引數等等。
4. 將system模組的內容從0x10000處開始移到0x00000處，即記憶體的起始位置。之所以Load進來的時候為什麼不一次性放在0x00000處，是因為0x00000處開始放的bios中斷。現在bios中斷已經不需要了，所以可以覆蓋了。
5. 這時候開始，BIOS的中斷向量表已經被覆蓋了，後面就不再需要BIOS的中斷了。
6. 設定中斷向量表與全域性描述符表的一部分內容。
7. 把cr0的最後一位設定為1，也就是說從實模型進入保護模式。
8. jmpi 0, 8。 cs = 8，取到的段基址其實是0x0000，那麼這句話就是跳轉到地址為0x00000的地方開始執行，也就是system模組的開始部分。

保護模式下地址翻譯與中斷處理的改變：

cp:ip的翻譯過程是：從cs的前12位取出GDT的偏移量（這裡是1），從gtd的對應表項中取得基地址，再和ip合併為一個完整的地址。
int n: n指明瞭IDT表中的序號。從IDT表中獲取中斷處理函式的入口地址。

5. system-head

System的第一部分就是head.s部分的程式碼，這部分程式碼實際處於絕對地址0處開始的地方。該部分的程式碼是在保護模式下執行的，所使用的是AT&T格式的彙編指令與之前使用的as86彙編指令不同。這部分的程式碼主要完成了下面幾件事情。

1. 初步始中斷描述符中的256項門描述符。
2. 測試系統是否含有資料協處理器，並設定暫存器CR0對應的位。
3. 初始化記憶體頁目錄表，為記憶體分頁管理作好準備工作。頁目錄表放在了絕對實體地址為0開始處，也就是head.s程式實體記憶體位置，程式會被覆蓋掉。80286當時24根地址線，定址16M，所以頁表要能定址16MB。如果記憶體頁大小為4k，那頁表就有4K個表項，一個表項按4個位元組算，那頁表就需要16K個位元組（4頁）。這裡只用到了1級頁表，在後續的發展中出現了二級頁表，3級頁表。
4. 最後跳轉到system模組中的初始化程式init/main.c中繼續執行。

head.s程式執行結束後，已經正式完成了記憶體頁目錄頁表的設定，並重新設定了核心實際使用的中斷描述符表idt和全域性描述符表gtd。另外還為軟盤驅動開闢了1kb的緩衝區。此時system模組在記憶體中的詳細映像如下圖所示：

6. 總體執行線路

整體上可以分類6個階段，頭2個階段為boostset，中間3個階段為setup，最後一個階段為system的head模組。

7. 參考資料

[1] 《Linux核心完全剖析基於0.12核心》 趙炯著。
[2] 網易雲課堂，哈爾濱工業大學《作業系統之應用》 李治軍。