OS 启动的第一步是 BIOS ，BIOS（Basic Input/Output System，基本输入输出系统）是计算机系统中的一个非常关键的组件，其主要职责可以概括为系统的启动和基础硬件管理。

BIOS 的工作流程和功能

BIOS 的工作流程和功能可以分为以下几个主要方面：

  1. 开机自检：电脑开机时，BIOS 首先检查电脑的基本硬件是否正常工作，比如内存、键盘等。

  2. 准备硬件：BIOS 设置并准备好电脑的主要硬件，比如 CPU 和硬盘，为启动操作系统做好准备。

  3. 引导过程：BIOS 确定从哪个设备（硬盘、U 盘等）启动电脑，并开始加载操作系统。

  4. 系统设置：BIOS 提供一个界面，让用户可以设置或更改电脑的硬件配置。

总的来说，BIOS 就像是电脑启动时的指挥官，负责检查硬件、准备系统，并引导操作系统的启动。

第一条指令

IBM PC 的启动过程是一个经典的计算机启动流程，我们可以通过它来理解计算机如何从零开始加载操作系统。

首先，我们要了解的是 IBM PC 的内存布局。在 IBM PC 中，当电脑开机时，CPU 开始从一个固定的物理地址执行代码，这个地址就是0x000ffff0。这个地址位于 ROM BIOS 的最顶端，占据了 64KB 的内存空间。ROM BIOS 是只读存储器中的基本输入输出系统，负责在计算机启动时进行硬件检测、初始化，并加载操作系统。

+------------------+  <- 0x00100000 (1MB)
|     BIOS ROM     |
+------------------+  <- 0x000F0000 (960KB)
|  16-bit devices, |
|  expansion ROMs  |
+------------------+  <- 0x000C0000 (768KB)
|   VGA Display    |
+------------------+  <- 0x000A0000 (640KB)
|                  |
|    Low Memory    |
|                  |
+------------------+  <- 0x00000000

接下来解释地址 0x000ffff0 由 CS = 0xf000和IP = 0xfff0组成。在这里，CS（Code Segment，代码段寄存器）和 IP（Instruction Pointer，指令指针寄存器）是 x86 架构中用于指定指令地址的寄存器。在 IBM PC 开机时，CS 的值被设置为0xf000，而 IP 的值被设置为0xfff0。这意味着 CPU 从物理地址0x000ffff0（等于0xf000 * 16 + 0xfff0）开始执行指令。

最后，我们来看看第一条指令是什么。在0x000ffff0这个地址上，存放的是一个跳转（jmp）指令。这条指令告诉 CPU 跳转到一个新的地址，开始执行那里的代码。在这个例子中，跳转的目标地址是 CS = 0xf000，IP = 0xe05b。这意味着跳转后的物理地址是0xfe05b（等于0xf000 * 16 + 0xe05b）。跳转到这个地址后，CPU 开始执行 BIOS 中的代码，进行进一步的初始化和启动过程。

结合以上细节，我们可以理解 IBM PC 是如何从一个固定的物理地址开始，通过设置特定的寄存器和执行跳转指令，进而开始整个的启动过程的。

设置中断描述符表（Interrupt Descriptor Table, IDT）

IDT 是一个数据结构，它告诉 CPU 当特定的中断发生时应该执行哪些代码。例如，假设你的电脑有一个键盘。当你按下键盘上的一个键时，键盘会向 CPU 发送一个信号，这个信号被称为“中断”。BIOS 在 IDT 中为这种类型的中断配置了一个特定的入口（或“描述符”）。这个入口定义了当按键中断发生时应该执行的函数的地址。

当中断发生时（比如你按下了键盘上的一个键），CPU 会暂停当前正在执行的任务，并根据 IDT 中的信息跳转到相应的中断处理函数。这个中断处理函数将执行必要的操作来响应中断。在按键的例子中，中断处理程序可能会读取按下的键的信息，并将其传递给操作系统。一旦中断处理函数完成其任务，它会通知 CPU 中断处理已经完成，CPU 随后会恢复之前被中断的任务。

中断描述符表（IDT）是一个关键的计算机结构，它用于管理中断处理程序的地址。为了更直观地理解 IDT，我们可以将其想象成一个表格，每一行代表一个中断向量，其中包含了处理该中断所需的信息。下面是一个简化的图形化表示：

+------------------+------------------+------------------+------------------+
| 中断向量号（Index） | 偏移地址（Offset） | 段选择器（Selector） | 属性（Attributes）  |
+------------------+------------------+------------------+------------------+
|        0        |  0x0000FFFF      |     0x08        |   0x8E          |
|        1        |  0x0000FFEF      |     0x08        |   0x8E          |
|        2        |  0x0000FFDF      |     0x08        |   0x8E          |
|       ...       |      ...         |     ...         |    ...          |
|        N        |  0x0000FXXX      |     0x08        |   0x8E          |
+------------------+------------------+------------------+------------------+

  • 中断向量号（Index）：这是中断的唯一标识符。例如，键盘中断、时钟中断等都有唯一的向量号。

  • 偏移地址（Offset）：这是处理该中断的函数在内存中的地址。当中断发生时，CPU 会跳转到这个地址执行相应的处理程序。

  • 段选择器（Selector）：这是一个指向处理程序所在段的指针。在大多数现代操作系统中，这通常指向一个代码段。

  • 属性（Attributes）：这定义了中断门的类型和权限，例如，它可能指明这是一个 32 位的中断门，以及是否允许用户模式下的程序触发这个中断。

请注意，这只是一个简化的表示。实际的 IDT 在现代操作系统中可能更复杂，包含更多的细节。但是，上面的表格给出了一个基本的视图，展示了 IDT 如何为每个中断提供必要的信息。

初始化各种设备

BIOS 接着会初始化连接到计算机的各种硬件设备。例如，VGA 显示器（一种标准的图形显示系统），用于显示启动过程中的信息。

BIOS 然后会初始化 PCI 总线。PCI（外围组件互连标准）是一种连接主板和外围设备的总线标准。它还会初始化它所知道的所有重要设备，比如网络卡、声卡等。

寻找可启动设备

BIOS 完成基本的硬件设置后，接下来的任务是寻找一个可启动的设备。它会按照一定的顺序（通常可以在 BIOS 设置中调整）检查软盘、硬盘、CD-ROM 等设备。当 BIOS 找到一个可启动设备（例如，一个有启动扇区的硬盘）时，它会读取这个设备的引导扇区。引导扇区是存储在存储设备上的一个特殊区域，包含了启动计算机所需的代码。

BIOS 从找到的引导设备中读取引导加载程序（boot loader），并将计算机的控制权转交给它。引导加载程序接下来的任务是加载操作系统。例如，它可能会从硬盘上加载 Windows 或 Linux，并将控制权转交给操作系统。

在这个例子中，BIOS 的角色就像是一个中介，它启动计算机，检查和准备硬件，然后找到并启动引导加载程序，引导加载程序再接着加载整个操作系统。这个过程在每次计算机启动时都会发生，无论是在真实的硬件上，还是在像 QEMU 这样的模拟器中。