参考: 中国科学院大学 2025年秋《高级操作系统教程》课件

计算机启动

启动流程：

从上电到内核的第一行代码：BIOS -> bootload

任务：

硬件初始化 (BIOS)
- 初始化 BIOS
- 检查 CPU 寄存器
- 检查 BIOS 代码的完整性
- 检查 DMA, timer, interrupt controller
- 检查系统内存
- 检查系统总线和外部设备
- 跳转到下一级 BIOS (如 VGA-BIOS ) 执行并返回
- 识别可以启动的设备(CD-ROM? USB? HDD?)
加载内核代码到内存 (bootloader)

BIOS (Basic Input/Output System，基本输入输出系统)

存放于 BIOS 芯片(ROM)中

三大任务：

初始化硬件
- 在计算机开机时对系统各组件进行检查
启动操作系统
- 加载引导程序(bootloader)或操作系统
提供硬件的软件抽象
- 向操作系统提供系统配置信息
- 向操作系统提供硬件访问接口，向操作系统隐藏硬件的变化
  - 现代操作系统会忽略 BIOS 提供的抽象层并直接访问硬件

BIOS 中的主要内容：

程序段:
1. 自诊断程序
  通过读取 CMOS RAM 中的内容，识别硬件配置，并对其进行自检和初始化
2. CMOS设置程序
  引导过程中，用特殊热键启动，进行设置后，存入 CMOS RAM 中
3. 系统自检装载程序
  在自检成功后，将磁盘 0 磁道 0 扇区上的引导程序装入内存，让其运行以装入系统
4. 主要 I/O 设备的驱动程序和中断服务
数据段: 系统基本配置

缺点：

采用汇编语言编写，维护困难
以 16 位模式的代码的形式存在，这就给运行于增强模式的操作系统访问其服务造成了困难

EFI / UEFI (Extensible Firmware Interface / Unified Extensible Firmware Interface)

EFI/UEFI 的优点：更易于实现，容错和纠错特性更强，缩短了研发时间

模块化
C语言
动态链接较
标准接口
开放统一
开源
运行于32位或64位模式
充分的向下兼容性
- EFI 系统下的驱动用 EFI Byte Code 编写而成，不是直接可运行的二进制代码
- EFI Byte Code: 专用于 EFI 驱动的虚拟机器语言，必须在 EFI 驱动运行环境下被解释运行
- 利用加载 EFI 驱动的形式，识别及操作硬件

bootloader 引导程序

存放于磁盘的 MBR 扇区

开机时，引导操作系统启动的程序
BIOS 在完成硬件检测和资源分配后，将硬盘 MBR 中的 bootloader 读到系统的 RAM 中，然后将控制权交给 bootloader

bootloader 的主要任务:

将操作系统内核从硬盘加载到 RAM 中
- 需要为操作系统提供启动参数，以实现定制化启动
跳转到内核的入口点去执行，即启动操作系统

常见的bootloader:
Grub, isolinux, uboot, openSBI，ntldr(用于启动Windows系统) ，Linuxboot

两种磁盘分区表:

+-------------+----------------------+--------------+
| boot loader | Disk Partition Table | Magic Number |
+-------------+---+---+---+---+------+--------------+
|     code    | 1 | 2 | 3 | 4 | ...  |    0x55AA    |
+-------------+---+---+---+---+------+--------------+

+------+---------------------------+---------------------+-----------+--------+
| PMBR |      Partition Table      |      Partition      |  Table    | GPT    |
|      |                           |                     |  Backup   | Backup |
+------+-----+---+---+---+---+-----+---+---+---+---+-----+-----------+--------+
|      | GPT |   |   |   |   |     |   |   |   |   |     | Partition | GPT    |
| MBR  | HDR | 1 | 2 | 3 | 4 | ... | 1 | 2 | 3 | 4 | ... | Table     | HDR    |
|      |     |   |   |   |   |     |   |   |   |   |     | Backup    | Backup |
+------+-----+---+---+---+---+-----+---+---+---+---+-----+-----------+--------+
| LBA0 | LBA1|     LBA2      |LBA3~|    LBA35 ~ LBA-35   | LBA-34~   | LBA-1  |
|      |     |               |LBA34|                     | LBA-2     |        |
+------+-----+---------------+-----+---------------------+-----------+--------+

当前在 Linux 上希望统一 bootloader 的进展： LinuxBoot

从内核的第一行代码到第一个用户态程序的第一行代码：kernel boot

任务：

配置页表并开启虚拟内存机制，允许使用虚拟地址
配置异常向量表并打开中断，允许”双循环”

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操作系统初始化