Bootloader:加載OS。操作系統(tǒng)一開始是放在DISK（硬盤）中，并不是放在內存中。

BIOS：基本I/O處理系統(tǒng)。存放在ROMRead-Only Memory）只讀存儲中

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BIOS（Basic Input/Output System）基本輸入輸出系統(tǒng)。

首先我們需要知道，計算機加電之后，是從什么地方讀取的第一條指令，從磁盤的什么地方讀取的我的操作系統(tǒng)的內容，也就是計算機啟動的過程是怎樣的。

計算機加電后，首先是CPU的初始化過程，將各寄存器初始化，此時系統(tǒng)處于實模式下。我們要知道計算機內存分為兩種，RAM（Random Access Memory）隨機訪問存儲和ROM（Read-Only Memory）只讀存儲。其中RAM掉電內容會丟失（也就是我平時所理解的內存條內的內容比如），ROM掉電不會丟失內容。因此系統(tǒng)初始化代碼就存儲在ROM中。由于CPU初始化完成后處于實模式，尋址空間為20位也就是1M，因此系統(tǒng)初始化代碼也就是BIOS啟動固件是存儲在1M之下，如下圖。還需要知道的是，CPU初始化完后CS代碼段寄存器與IP指令指針寄存器決定了第一條要執(zhí)行的代碼在ROM中的位置，而BIOS能提供的功能也列在下圖之中：

基本輸入輸出的程序（從磁盤讀數(shù)據(jù)、從鍵盤讀輸入、顯示器上顯示輸出等）；

系統(tǒng)設置信息（從硬盤啟動還是從網絡啟動還是從U盤啟動等）；

開機后自檢程序（檢查內存顯卡是否正常）；

系統(tǒng)自啟動程序（啟動操作系統(tǒng)）等。

BIOS會根據(jù)設置執(zhí)行啟動程序，從磁盤把加載程序和操作系統(tǒng)內容加載到系統(tǒng)。首先BIOS將磁盤讀引導扇區(qū)加載進指定位置0x7c00，引導扇區(qū)大小限制為512byte。此時跳轉到CS:IP = 0000:7c00執(zhí)行引導扇區(qū)的程序段，通過引導扇區(qū)的程序段跳轉到讀取操作系統(tǒng)的加載程序。加載程序主要有兩個功能：

將操作系統(tǒng)的代碼和數(shù)據(jù)從硬盤加載到內容中；

將控制權轉移給操作系統(tǒng)，也就是CS:IP跳轉到操作系統(tǒng)代碼段，執(zhí)行操作系統(tǒng)的功能。

那么問題來了，既然能讀磁盤內容，為什么不直接將操作系統(tǒng)內核映像讀取到內存空間而要先讀取引導扇區(qū)的加載程序呢？這是因為不同的操作系統(tǒng)有不同的文件系統(tǒng)，也就需要不同的啟動方式。而加載程序限制為512字節(jié)，無法覆蓋所有類型的系統(tǒng)，因此首先將磁盤引導扇區(qū)內的程序加載進來，引導扇區(qū)內的程序可以識別并加載不同類型的系統(tǒng)內核到內存中（亦或是不同的系統(tǒng)有著不同的引導扇區(qū)，加載進來之后就知道是什么類型的系統(tǒng)了，至少學到現(xiàn)在還不知道，后續(xù)可能會有詳細介紹吧）。此時控制權轉移給操作系統(tǒng)內核。

除此之外BIOS還可以使用一些簡單地系統(tǒng)調用，比如說：1. INT 10h：字符顯示；2. INT 13h：磁盤扇區(qū)讀寫；3. INT 15h：檢測內存大小；4. INT 16h：鍵盤輸入。這些系統(tǒng)調用都只是最簡單的系統(tǒng)調用，并且只能在實模式下訪問。當進入操作系統(tǒng)并且操作系統(tǒng)是保護模式，那么這些功能就不能用了。

系統(tǒng)啟動流程

上一節(jié)講解系統(tǒng)調用的過程中粗略的講了一下系統(tǒng)啟動的流程，然而實際上系統(tǒng)地啟動流程遠沒有那么簡單，本節(jié)就稍微詳細地講解一下。但是實際上即使是這一節(jié)也無法十分詳細講解，只是讓我們對系統(tǒng)啟動的過程有一個整體的認識而已。

首先是BIOS讀取加載程序的過程：系統(tǒng)加電后，CPU初始化，然后BIOS初始化硬件，然后查詢主引導記錄讀取主引導扇區(qū)代碼，這是由于現(xiàn)代計算機內通常不止有一個分區(qū)，不同分區(qū)內可能有不同的操作系統(tǒng)，而我們需要知道我們要啟動的操作系統(tǒng)在哪個分區(qū)內（稱為活動分區(qū)），這就是通過讀取主引導記錄實現(xiàn)的。知道活動分區(qū)之后將活動分區(qū)引導扇區(qū)內的代碼讀取到內存并執(zhí)行，引導扇區(qū)內的代碼讀取文件系統(tǒng)的加載程序。這才是較為完整的讀取加載程序的過程。

那么再詳細一點講，計算機上電后，首先是CPU初始化：CPU上電后，通過CS、IP兩個寄存器知道從0XFFFF0地址讀取第一條指令，這條指令是跳轉指令，跳轉到BIOS程序段。為什么是0XFFFF0呢，這是因為CPU上電后會初始化CS:IP = 0xf000:fff0。并且CPU初始化后處于實模式，也就是16位系統(tǒng)，20位尋址空間，是通過將CS左移4位與IP相加得到最終的地址因此指令指針PC = 16*CS+IP。20位尋址空間自然意味著最大尋址空間為2^20byte，即1M。

接下來是BIOS初始化：硬件自檢（ROM等）；檢測內存（RAM）、顯卡等關鍵部件是否存在，存在的話工作狀態(tài)是否正常；查找并執(zhí)行顯卡等接口卡的BIOS（顯卡等擁有自己的BIOS固件），對設備進行初始化；之后執(zhí)行系統(tǒng)BIOS進行系統(tǒng)檢測，主要是為了檢測計算機有哪些即插即用設備，比如硬盤、光驅或者U盤；檢查完之后更新CMOS中的擴展系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)（ESCD）告知有哪些即插即用設備；之后就可以按照指定的啟動順序從軟盤、硬盤或者光驅啟動操作系統(tǒng)。

BIOS初始化完了，自然是要讀取主引導記錄。主引導記錄（MBR）的格式如下圖：啟動代碼限制為446字節(jié)以內，用于檢查分區(qū)表的正確性、尋找活動分區(qū)并將活動分區(qū)引導程序加載到內存；還有64字節(jié)用于存儲硬盤分區(qū)表，描述分區(qū)狀態(tài)和位置，最多表示4個分區(qū)，每個分區(qū)16字節(jié)；還有一個MBR結束標志字（0x55AA），占2字節(jié)，只有有這個結束字才認為這條MBR是合法的MBR并執(zhí)行啟動代碼。

當主引導記錄讀完并正確執(zhí)行啟動代碼后，活動分區(qū)引導扇區(qū)的內容就被讀入內存，分區(qū)引導扇區(qū)格式如下圖：首先是跳轉指令，這條跳轉指令是與平臺相關的，CPU不同則跳轉指令不同，跳轉至啟動代碼處；文件卷頭結構則記錄文件系統(tǒng)描述信息；結束標志也是0X55AA；啟動代碼則負責跳轉到加載程序，加載程序不存儲在引導扇區(qū)，而是存儲在磁盤中，只要在啟動代碼中記錄加載程序的位置即可。

活動分區(qū)引導扇區(qū)將加載程序讀入內存之后，加載程序的執(zhí)行狀態(tài)如下圖：加載程序并不是直接讀取操作系統(tǒng)內核，而是從文件系統(tǒng)中讀取啟動配置信息；依據(jù)配置信息（不同的內核有不同的配置信息），確定啟動的內核或啟動參數(shù)（比如是安全模式啟動還是正常模式啟動）；最后根據(jù)配置加載指定內核并轉到內核執(zhí)行，此時將控制權轉移給了操作系統(tǒng)內核。

值的一提的是，以上所說為較早版本的系統(tǒng)啟動流程，隨著技術的發(fā)展，出現(xiàn)了UEFI（Unified Extensible Firmware Interface）統(tǒng)一可擴展固件接口，這是BIOS的接任者。里面有一些新的標準，比如MBR只能存儲4個分區(qū)的方式逐漸被淘汰，現(xiàn)在出現(xiàn)了GPT（Globally Unique Identifier Partition Table）進行替代；UEFI可以選擇啟用哪些固件等。

中斷、異常與系統(tǒng)調用

這一節(jié)講解中斷、異常與系統(tǒng)調用，這三者也可以總稱為中斷處理機制。首先我們需要知道這三個機制的背景：1. 計算機運行過程中，內核是被完全信任的第三方；2. 只有內核可以執(zhí)行特權指令；3. 內核需要方便地為應用程序提供服務。

那么我們?yōu)槭裁葱枰@三個機制呢？也就是說這三個機制實現(xiàn)了什么功能呢？

中斷是為了處理外設IO的，比如當我有一個新的鍵盤和鼠標接入了計算機，或者我們在鍵盤上敲了鍵盤，此時即使計算機正在進行其他任務也需要對此作出快速響應，這就是中斷要做的事情；

當我程序運行中出現(xiàn)了異常，比如某個在分母上的變量運行過程中變?yōu)榱?，也就是出現(xiàn)了除以0這種操作，這是不合法的，又比如說程序訪問一塊內存區(qū)，而這個內存區(qū)是不允許這個程序訪問的，在運行到這一行程序之前我們無法預測這一異常，因此我們需要對這種異常有一種處理機制；

系統(tǒng)調用則是為上層的應用程序提供了各種接口，方便應用程序使用系統(tǒng)提供的服務，而又規(guī)避安全風險問題，即應用程序只使用提供給他的服務，而不會胡亂修改內核。

中斷、異常與系統(tǒng)調用的結構圖如下圖：當有外部設備接入或者有輸入，則告知內核（插入中斷向量表），內核通過設備驅動與外部設備交互；當應用程序執(zhí)行過程中出現(xiàn)異常，也插入中斷向量表，內核要么將異常解決掉，要么終止程序，并將程序占用的資源返還；應用程序可以直接或者通過函數(shù)庫間接地使用系統(tǒng)調用接口，插入中斷向量表，中斷向量表通過查詢系統(tǒng)調用表提供系統(tǒng)調用實現(xiàn)，并將結果返還。因此可以說內核與外界打交道的接口主要就是中斷、異常與系統(tǒng)調用。

從上圖也可以看到中斷、異常與系統(tǒng)調用的區(qū)別如下圖：系統(tǒng)調用是應用程序主動向操作系統(tǒng)發(fā)出的服務請求；異常是非法指令或其他原因導致當前指令執(zhí)行失敗（如內存出錯）后的處理請求；中斷則是來自硬件設備的處理請求。

下圖是三者比較：

這三者也即中斷處理機制具體實現(xiàn)過程是怎樣的呢？實現(xiàn)過程可以分為硬件和軟件兩部分。首先是硬件部分：在CPU初始化過程中會設置中斷使能標志，即在CPU做好準備工作之后才會開始接受中斷請求，在此之前是不會有反應的；此外需要根據(jù)內部或外部事件設置中斷標志，記錄出現(xiàn)了一次中斷；依據(jù)中斷向量表中的內容知道中斷源是什么，并調用相應中斷服務例程。以上為硬件部分工作內容，接下來的內容是軟件部分：1. 現(xiàn)場保存（編譯器）；2. 中斷服務處理（服務例程）；3. 清除中斷標記（服務例程）；4. 現(xiàn)場恢復（編譯器）。

那么如果一個中斷出現(xiàn)的時候又出現(xiàn)新的中斷會怎樣呢（此處中斷指中斷處理機制即包含中斷、異常、系統(tǒng)調用三者）？其中，硬件終端服務例程可以被打斷，比如不同硬件中斷源同時出現(xiàn)，此時可以按照優(yōu)先級依次處理，而出現(xiàn)了非常重要的中斷比如電源出現(xiàn)問題時，則可以臨時禁止接收中斷請求，而被接收了的中斷請求會保持到CPU對中斷做出響應。異常服務例程也是可以被打斷的，比如異常執(zhí)行中可能出現(xiàn)硬件中斷，例如處理異常時進行磁盤IO，此時磁盤出現(xiàn)了硬件中斷，則會打盹異常服務例程去進行硬件中斷處理。異常服務例程也是可以嵌套的，比如處理異常時又出現(xiàn)了缺頁異常，此時則會產生嵌套。

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的《操作系统》OS学习（二）：启动、中断、异常的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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