内容概述

  • 系统启动过程
    • BIOS 的原理
    • BIOS 的一些具体工作
    • 系统启动规范
  • 中断，异常和系统调用
    • 中断
    • 系统调用

      系统启动过程

BIOS 的基本功能

计算机刚刚启动时的内存布局如图：

地址 用途
(4GB - 64KB) ~ 4GB 实际BIOS ROM
1MB ~ (4GB - 64KB) 空闲空间
640KB ~ 1MB 视频内存，BIOS启动固件（映射）
0 ~ 640KB 空闲空间

（这是一个非常简略的示意图，具体请见Memory Map (x86))）

这一复杂的映射机制是为了保证向后兼容而设计的。在8086时代，内存只有1MB大小，此时，BIOS的代码固化在EPROM中，且EPROM被编址在1MB内存地址空间的最高64KB中。PC加电后，CS寄存器初始化为0xF000，IP寄存器初始化为0xFFF0，所以CPU要执行的第一条指令的地址为CS:IP=0xF000:0XFFF0（ Segment:Offset表示） =0xFFFF0（ Linear表示） 。这个地址位于被固化的EPROM中，该地址存储了一条指令，它是一个长跳转指令JMP F000:E05B。这样就开启了BIOS的执行过程。

到了32位的80386 CPU时代，内存空间扩大到了4G，多了段机制和页机制。如果仍然把BIOS启动固件编址在0xF0000起始的64KB内存地址空间内，就会把整个物理内存地址空间隔离成不连续的两段，一段是0xF0000以前的地址，一段是1MB以后的地址，这很不协调。为此，intel采用了一个折中的方案：默认将执行BIOS ROM编址在32位内存地址空间的最高端，即位于4GB地址的最后一个64KB内。在PC系统开机复位时，CPU进入实模式，并将CS寄存器设置成0xF000，将它的shadow register的Base值初始化设置为0xFFFF0000，EIP寄存器初始化设置为0x0000FFF0。所以机器执行的第一条指令的物理地址是0xFFFFFFF0。80386的BIOS代码也要和以前8086的BIOS代码兼容，故地址0xFFFFFFF0处的指令还是一条长跳转指令jmp F000:E05B。注意，这个长跳转指令会更新CS寄存器和它的shadowregister，即执行jmp F000:E05B后，CS将被更新成0xF000。表面上看CS其实没有变化，但CS的shadow register被更新为另外一个值了，它的Base域被更新成0x000F0000，此时形成的物理地址为Base+EIP=0x000FE05B，这就是CPU执行的第二条指令的地址。此时这条指令的地址已经是1M以内了，且此地址不再位于BIOS ROM中，而是位于RAM空间中。由于Intel设计了一种映射机制，将内存高端的BIOS ROM映射到1MB以内的RAM空间里，并且可以使这一段被映射的RAM空间具有与ROM类似的只读属性。所以PC机启动时将开启这种映射机制，让4GB地址空间的最高一个64KB的内容等同于1MB地址空间的最高一个64K的内容，从而使得执行了长跳转指令后，其实是回到了早期的8086 CPU初始化控制流，保证了向下兼容。

上述说明指出，在 CPU 启动之后，它一直处于实模式之下，执行的第一条指令是 jmp F000:E05B ，跳转到 BIOS 程序中。此时，PC = 16 * CS + IP，系统地址空间只有 20 位（1MB）。

  • 20 位地址空间：1MB

这之后 BIOS 会进入以下工作：

  • 在实模式下提供基本输入输出方法
    • 通过中断调用实现
    • 只能在实模式下使用，操作系统无法使用
  • 运行自检程序
  • 用户选择引导设备（从什么介质启动）
  • 将 BootLoader 从磁盘的引导扇区加载到内存中 0x7c00 开始的位置
  • 跳转到 BootLoader的位置：CS:IP=0000:7C00
    • 系统设置信息
    • 开机后自检程序
    • 系统自启动程序等

这之后，控制权就交给 BootLoader：

  • 切换到保护模式
  • 将操作系统的代码和数据从硬盘加载到内存中（因为 BIOS 无法处理硬件的文件系统）
  • 跳转到操作系统的起始地址

加载之后的内存布局如下表：

地址 用途
(4GB - 64KB) ~ 4GB 实际BIOS ROM
? ~ (4GB - 64KB) 空闲空间
1MB ~ ? 操作系统
640KB ~ 1MB 视频内存，BIOS启动固件（映射）
? ~ 640KB 空闲空间
0x7c00 ~ ? bootloader
0 ~ 0x7c00 BIOS数据

最后，bootloader把控制权转交给操作系统。

BIOS 的一些具体工作

BISO 本身的初始化内容

  • 硬件自检 POST
  • 检测系统中内存和显卡等关键部件的存在和工作状态
  • 查找并执行显卡等接口卡 BIOS，进行设备初始化
  • 执行系统 BIOS，进行系统检测：检测和配置系统中安装的即插即用设备
  • 更新 CMOS 中的扩展系统配置数据 ESCD
  • 按指定启动顺序从硬盘、软盘等设备启动

BIOS 如何读取 BootLoader

Wiki上是这么说的：

  • 系统开机或者重启。
    • BIOS加电（台湾用语：开机）自检（Power On Self Test – POST）。BIOS执行内存地址为FFFF:0000H处的跳转指令，跳转到固化在ROM中的自检程序处，对系统硬件（包括内存）进行检查。
    • 读取主引导记录（MBR）。当BIOS检查到硬件正常并与CMOS中的设置相符后，按照CMOS中对启动设备的设置顺序检测可用的启动设备。BIOS将相应启动设备的第一个扇区（也就是MBR扇区）读入内存地址为0000:7C00H处。
    • 检查0000:7DFEH-0000:7DFFH（MBR的结束标志位）是否等于55AAH，若不等于则转去尝试其他启动设备，如果没有启动设备满足要求则显示”NO ROM BASIC”然后死机。
    • 当检测到有启动设备满足要求后，BIOS将控制权交给相应启动设备。启动设备的MBR将自己复制到0000:0600H处，然后继续执行。
      根据MBR中的引导代码启动引导程序。
  • 事实上，BIOS不仅检查0000:7DFEH-0000:7DFFH（MBR的结束标志位）是否等于55AAH，往往还对磁盘是否有写保护、主引导扇区中是否存在活动分区等进行检查。如果发现磁盘有写保护，则显示磁盘写保护出错信息；如果发现磁盘中不存在活动分区，则显示类似如下的信息“Remove disk or other media Press any key to restart”。

标准MBR的结构如下：

地址（十进制） 描述 长度（字节）
0 代码区 440（最大446）
440 选用磁盘标志 4
444 一般为空值; 0x0000 2
446 标准MBR分区表规划（四个16 byte的主分区表入口） 64
510 MBR有效标志：0x55AA 2

系统启动规范

课程中还讲到了BIOS-MBR、BIOS-GPT、PXE和UEFI等系统启动规范，其中UEFI似乎还更重要一点。这似乎是通用的现代BIOS标准。

中断、异常和系统调用

定义：

  • 系统调用（System Call)：应用程序主动向操作系统发出的服务请求
  • 异常（Exception)：非法指令或其他原因导致当前指令执行失败（如：内存出错）后的处理请求
  • 中单（Hardware Interrupt）：来自硬件设备的处理请求

它们的相同之处是，采用的处理方式大致相同。无论发生异常、中断、还是系统调用，都需要由硬件保存现场和中断号，转到内核态，进入中断向量表，查找对应的设备驱动程序地址（异常）、异常服务例程地址（异常），或找到系统调用表，并在其中查找对应的系统调用实现的起始地址。处理完毕之后，在进行现场切换，会到用户态继续执行程序（如果可能继续的话）。

它们的区别如下表：

源头 响应方式 处理机制
中断 外设 异步 持续，对用户应用程序是透明的
异常 应用程序或内核意想不到的行为 同步 杀死或重新执行意想不到的应用程序指令
系统调用 应用程序请求操作提供服务 异步或同步 等待和持续

这三者的处理有时可以嵌套，有时不可以。

相比于用户态的函数调用，中断和异常的开销是比较大的，因为他们需要进行：

  • 特权级的切换
  • 建立内核堆栈
  • 验证参数的合法性（防止对内核的恶意攻击）
  • 内核态需要映射到用户态的地址空间（因为需要访问用户程序的一些内容），因此㤇更新页面映射权限
  • 内核态也拥有独立的地址空间，因此 TLB 会失效

中断的具体处理机制

中断处理的过程需要软件和硬件的配合（虽然系统调用和异常也是。。。）

硬件处理内容包括：

  • 在 CPU 初始化时设置中断使能表示
  • 依据内部或者外部事件设置中断标志
  • 依据中断向量调用对应的中断服务例程

软件处理内容包括：

  • 现场保存（编译器）
  • 终端服务处理（服务例程）
  • 清楚中断标记（服务例程）（系统调用只占用一个中断向量，另有系统调用表）
  • 现场恢复（编译器）

系统调用

特点

  • 系统调用时操作系统服务的编程接口
  • 通常由高级语言编写（ C 或 C ++）
  • 程序访问系统调用通常是高层次的 API 接口（比如封装到标准 C 库一）而不是直接进行系统调用
  • 3中最常用的应用程序编程接口（API):
    • Win32 API：Windows
    • POSIX API：UNIX、LINUX、Mac OS X
    • Java API：用于JAVA虚拟机（JVM），是对实际系统调用的进一步抽象

系统调用的实现

  • 每个系统调用对应一个系统调用号
    • 系统调用接口根据系统调用号来维护表的索引
  • 系统调用接口调用内核态中的系统调用功能实现，并返回系统调用的状态和结果
  • 用户不需要系统调用的实现
    • 需要设置调用参数和获取返回结果
    • 操作系统接口的细节大部分都隐藏在应用编程接口后
  • 通过运行程序支持的库来管理

注意，系统调用时，堆栈需要切换（内核和用户程序使用的是不同的堆栈），特权级需要进行切换

习题

简答题

BIOS从磁盘读入的第一个扇区是是什么内容？为什么没有直接读入操作系统内核映像？

BIOS完成硬件初始化和自检后，会根据CMOS中设置的启动顺序启动相应的设备，这里假定按顺序系统要启动硬盘。但此时，文件系统并没有建立，BIOS也不知道硬盘里存放的是什么，所以BIOS是无法直接启动操作系统。另外一个硬盘可以有多个分区，每个分区都有可能包括一个不同的操作系统，BIOS也无从判断应该从哪个分区启动，所以对待硬盘，所有的BIOS都是读取硬盘的0磁头、0柱面、1扇区的内容，然后把控制权交给这里面的MBR (Main Boot Record）。

我认为上述答案并不十分确切。比如，在uCore中，虽然BIOS没有建立文件系统，bootloader也没有建立文件系统啊。但是，加载操作系统是个很复杂的过程：就比如uCore，我们需要完成对ELF文件格式的解析和文件本身的读入。BIOS工作在实模式，本身访存范围只有1MB（能使用的数据只有0 ~ 0x7c00的范围），而且代码长度被限制在64KB。为了将OS读入到高地址的内存中，需要BIOS进行模式的切换。但是，如果BIOS进行了实模式到保护模式的切换，就不能实现向后兼容了。而且不同的OS的文件格式和处理方法也有差异，这会导致BIOS十分复杂。因此，让OS提供自己的启动程序是最好的选择。

比较UEFI和BIOS的区别。

统一可扩展固件接口 (Unified Extensible Firmware Interface, UEFI) 是一种个人电脑系统规格，用来定义操作系统与系统固件之间的软件界面，作为BIOS的替代方案。

UEFI启动对比BIOS启动的优势有三点：

  • 安全性更强：UEFI启动需要一个独立的分区，它将系统启动文件和操作系统本身隔离，可以更好的保护系统的启动；
  • 启动配置更灵活：EFI启动和GRUB启动类似，在启动的时候可以调用EFIShell，在此可以加载指定硬件驱动，选择启动文件。比如默认启动失败，在EFIShell加载U盘上的启动文件继续启动系统；
  • 支持容量更大：传统的BIOS启动由于MBR的限制，默认是无法引导超过2TB以上的硬盘的。随着硬盘价格的不断走低，2TB以上的硬盘会逐渐普及，因此UEFI启动也是今后主流的启动方式。

分区引导扇区的结束标志是什么？

0X55AA。当然，上面也说到了，BIOS除此之外还会检查别的内容。

在UEFI中的可信启动有什么作用？

通过启动前的数字签名检查来保证启动介质的安全性。

什么是中断、异常和系统调用？

  • 中断：外部意外的响应；
  • 异常：指令执行意外的响应；
  • 系统调用：系统调用指令的响应。

这个回答真是十分简洁明了。

中断、异常和系统调用的处理流程有什么异同？

  • 相同点：都会进入异常服务例程，切换为内核态。
  • 不同点：
    • 源头不同，中断源是外部设备，异常和系统调用源是应用程序；
    • 响应方式不同，中断是异步的，异常是同步的，系统调用异步和同步都可以。
    • 处理机制不同，中断对用户程序是透明的，异常会重新执行用户指令或杀死用户进程，系统调用一般是用户程序调用的

系统调用与函数调用的区别是什么？

  • 汇编指令的区别
    • 系统调用：使用INT和IRET指令
    • 函数调用：使用CALL和RET指令
  • 安全性的区别
    • 系统调用有堆栈和特权级的转换过程，函数调用没有这样的过程，系统调用相对更为安全
  • 性能的区别
    • 时间角度：系统调用比函数调用要做更多和特权级切换的工作，所以需要更多的时间开销
    • 空间角度：在一些情况下，如果函数调用采用静态编译，往往需要大量的空间开销，此时系统调用更具有优势