boot：计算机如何“自我启动”

计算机的启动过程看似简单，实则复杂精妙，涉及从硬件到软件的一系列控制权移交

✅ 基本释义

💡 小知识：为什么“boot”也表示启动？

boot 是 bootstrap 的缩写，源于一句英语谚语：

“pull oneself up by one’s bootstraps”

（拽着鞋带把自己拉起来 —— 显然不可能）

这句话最早被工程师用来形容启动计算机的“悖论”： 没有程序无法启动计算机，但计算机不启动又无法加载程序

于是，人们将最初的那段“用来启动计算机的程序”称作 boot（拉鞋带），逐渐演变为计算机术语：

boot：通过最小的代码使计算机自我启动

虽然 boot 本义是“靴子”，但在 IT 语境中，boot = 启动，已是广泛接受的词义扩展

✅ boot vs. start：你用对了吗？

✍️ 用法示例

• ✅ I boot the computer.
• ✅ The system boots from USB.
• ✅ GRUB is a bootloader.
• ❌ I boot the browser.
• ✅ I start the browser.

建议：操作系统开发者应明确区分 boot（底层引导）与 start（高层服务启动）

x86 启动体系结构

BIOS 启动与MBR

BIOS 是主板上的固件程序，“硬件到软件的桥梁”，CPU 加电后从 0xFFFF0 开始执行，逐步完成硬件初始化与引导加载

x86 BIOS 启动大致流程如下：

1. CPU 加电复位，IP = 0xFFF0
2. 从 BIOS ROM 执行 JMP 指令进入主逻辑
3. 执行 POST → 初始化内存与外设
4. 调用 INT 19h 加载启动设备的 MBR 到 0x7C00
5. 跳转执行 MBR（bootloader）

MBR

MBR (Master Boot Record) 是存储在硬盘第一个扇区(512字节)中的特殊数据结构，它包含以下组成部分：

1. 引导代码 (Bootstrap Code)

• 占用前440字节
• 包含可执行代码，用于启动操作系统
• BIOS 在完成硬件检测后会加载并执行这段代码

2. 磁盘签名 (Disk Signature)

• 4字节(偏移量440-443)
• 唯一标识磁盘的标识符

3. 保留区域 (Nulls)

• 2字节(偏移量444-445)
• 通常为0x0000

4. 分区表 (Partition Table)

• 64字节(偏移量446-509)
• 最多可描述4个主分区(每个分区项16字节)
• 每个分区项包含：
  • 引导标志(1字节)：指示是否为活动分区
  • 起始CHS地址(3字节)
  • 分区类型(1字节)：标识文件系统类型
  • 结束CHS地址(3字节)
  • 起始LBA地址(4字节)
  • 分区大小(4字节)：以扇区为单位

5. 引导签名 (Boot Signature)

• 2字节(0x55AA，偏移量510-511)
• 标识有效的MBR

MBR引导代码的执行

1. 扫描分区表：查找活动分区(引导标志为0x80的分区)
2. 验证活动分区：检查分区类型和有效性
3. 加载VBR：将活动分区的第一个扇区(Volume Boot Record)加载到内存
4. 转移控制权：跳转到VBR代码执行

限制与特点

• 磁盘大小限制：由于使用32位LBA，最大支持2TB磁盘
• 分区数量限制：最多4个主分区(可通过扩展分区解决)
• 兼容性：与旧系统和硬件高度兼容
• 安全性：缺乏现代安全功能如数字签名验证

MBR与BIOS引导的交互

1. BIOS以实模式运行，只能访问1MB内存空间
2. MBR代码也运行在实模式下，使用BIOS中断服务
3. 磁盘访问方式：
   • CHS模式(柱面-磁头-扇区)
   • LBA模式(逻辑块地址)，通过BIOS扩展功能实现

GPT 与 UEFI 启动

UEFI 是 BIOS 的继任者，支持图形界面、网络启动、安全验证等现代功能

BIOS vs. UEFI 对比表

UEFI 使用 GOP（Graphics Output Protocol） 提供帧缓冲图形输出，类似 VESA BIOS，但不依赖操作系统

实模式

一、实模式概览：简单直接但受限

x86 处理器加电启动时，CPU 默认工作在实模式（Real Mode）。这种模式源于 8086 架构，其特点如下：

二、典型内存布局

三、段寄存器用途一览

支持段前缀，例如：

mov ax, es:[di]     ; 使用 ES 段访问内存
mov ax, ss:[bp]     ; 使用 SS 段访问栈数据

四、启动流程（BIOS 初始化）

BIOS ROM 映射而非复制进内存

使用芯片组（如 northbridge）把 ROM 的一部分 映射到 CPU 的内存空间 0xF0000–0xFFFFF 上

该地址的内容一般为：

0xFFFF0: EA 5B E0 00 F0   ; JMP FAR F000:00E0

📌 即跳转到 BIOS 主代码入口 0xF00E0 开始 POST 和硬件初始化

中断机制与 INT 服务

一、中断机制

现代计算机体系结构中 软硬件协作机制，允许处理器暂时中断当前任务，转而处理更紧急或更重要的任务（如键盘输入、定时器超时、系统调用等），然后在中断处理完毕后恢复原任务

中断是一种由内部或外部事件触发的控制转移/事件驱动机制，打断当前 CPU 的执行流程，跳转执行中断服务程序（ISR）

◉ 中断来源

◉ 中断向量表（IVT）

实模式下：位于实地址 0x0000:0000（物理地址 0x00000），总长 1KB，共 256 项，每项 4 字节（段:偏移地址）

格式：[低地址字节：偏移 | 高地址字节：段]，共 4 字节一组

◉ 中断处理流程（实模式）

flowchart TD
    A[发生中断] -->B[CPU保存现场]
    B --> C[获取中断向量]
    C --> D[查找中断向量表]
    D --> E[跳转到ISR]
    E --> F[执行中断服务程序]
    F --> G[中断返回指令]
    G --> H[恢复现场]
    H --> I[继续原程序]
    
    subgraph CPU自动完成
    B
    C
    D
    G
    H
    I
    end
    
    subgraph 程序员实现
    E
    F
    end

1. 发生中断（外设/软件/异常触发）

2. CPU：

• 保存当前标志寄存器 FLAGS
• 清除 IF（中断标志位，屏蔽后续中断）
• 将当前 CS:IP 压栈

3. 查找中断向量表中的第 n 项（即 INT n）对应的 CS:IP

4. 跳转到中断服务程序执行

5. 中断服务程序结尾执行 IRET（中断返回）：

• 恢复栈中的 IP、CS 和 FLAGS
• 继续原程序执行

◉ 中断类型

1. 软件中断

mov ah, 0x0E
mov al, 'A'
int 0x10      ; 通过软件触发 BIOS 的显示字符中断

特点：

• 手动触发
• 常用于调用 BIOS、DOS 或操作系统服务（Linux 的 int 0x80）

2. 硬件中断

硬件中断由外设向中断控制器（如 PIC、APIC）发送中断请求信号（IRQ）触发，CPU 并不会执行 INT 指令

流程大致如下：

1. 外设（如键盘）发出 IRQ
2. PIC/APIC 接收并发信号给 CPU
3. CPU 暂停当前任务，自动跳转到中断服务程序（ISR）
4. 通常会通过中断向量（和 IDT/IVT）找到入口地址

示意：

键盘 → IRQ1 → PIC → CPU → ISR → 返回原程序

举例：定时器（IRQ0）、键盘（IRQ1）、硬盘（IRQ14）等中断处理程序

3. 异常中断

异常是 CPU 执行过程中自动触发的中断：

• 同步触发：和当前指令直接相关
• 不能屏蔽：如除零异常、无效指令、段错误等

举例：

mov ax, 0
div ax       ; 除以 0，会自动触发 INT 0（除零异常）

常见异常：

总结对比

◉ 中断服务

BIOS 中断是实模式下 x86 CPU 提供的一组低级硬件访问接口，通过 INT 指令调用

每个中断号对应不同的功能类别，而 AH 寄存器通常用于指定该类别下的具体功能

◉ 中断控制器（PIC）

PIC（Programmable Interrupt Controller） 是一种专用芯片，用于：

• 管理来自多个外设的中断请求（IRQ）
• 向 CPU 发出统一的中断信号
• 控制中断优先级和屏蔽不必要的中断
• 将中断请求映射到中断向量

🪪 IRQ 通道分配（传统 PC）

工作原理

flowchart TD
    A[外设触发 IRQ 信号] --> B{PIC 判断是否屏蔽?}
    B -- 未屏蔽 --> C[PIC向CPU发送INTR信号]
    B -- 已屏蔽 --> Z[忽略该中断]
    C --> D[CPU响应INTA（中断确认）]
    D --> E[PIC发送中断向量号]
    E --> F[CPU根据向量号查中断向量表]
    F --> G[跳转执行ISR（中断服务程序）]
    G --> H[ISR处理完成，发送EOI指令]
    H --> I[PIC清除中断标记，允许新中断]
    I --> J[CPU继续执行原程序]

    subgraph CPU 行为
    D
    F
    G
    J
    end

    subgraph PIC 行为
    B
    C
    E
    I
    end

    subgraph 外设行为
    A
    end

关键步骤说明

1. 外设触发 IRQ
   • 硬件设备（如键盘、定时器）通过 IRQ 线 向 PIC 发送中断请求
2. PIC 判断是否屏蔽
   • PIC 检查该 IRQ 是否被屏蔽（通过 IMR 中断屏蔽寄存器）
   • 若屏蔽，则忽略；否则进入下一步
3. PIC 通知 CPU
   • PIC 通过 INTR 引脚 向 CPU 发送中断请求
4. CPU 响应中断
   • CPU 完成当前指令后，发送 INTA（Interrupt Acknowledge） 信号确认中断
5. PIC 发送中断向量号
   • PIC 收到 INTA 后，将 中断向量号（如 0x08~0x0F 对应 IRQ0~7） 发送给 CPU
6. CPU 处理中断
   • CPU 根据向量号查找 中断向量表（实模式下位于 0x0000），跳转到对应的 ISR（中断服务程序）
7. ISR 发送 EOI（End of Interrupt）
   • ISR 处理完成后，向 PIC 发送 EOI 命令（写入 0x20 到 PIC 的 命令端口）
8. PIC 允许新中断
   • PIC 收到 EOI 后，清除该中断的 正在服务（In-Service, ISR） 标志，允许新的中断请求
9. CPU 恢复执行
   • CPU 执行 IRET 指令，恢复现场，继续执行原程序

补充说明

• 级联 PIC（主从 PIC）

  在 x86 系统中，通常有 两个 8259A PIC（主 PIC IRQ0~7，从 PIC IRQ8~15），主 PIC 的 IRQ2 连接从 PIC 的 INT 线

• EOI 的重要性

  如果不发送 EOI，PIC 会认为该中断仍在处理，导致 后续中断被阻塞（中断“卡死”）

控制端口 I/O 映射（标准 IBM PC）

⛓️ 初始化 PIC（重新映射中断向量）

8259 默认将 IRQ0~IRQ7 映射为 INT 0x08~0x0F，与 x86 异常冲突。因此，操作系统或 bootloader 需 重映射中断向量

💡 示例：将主 PIC 映射到 INT 0x20~0x27，从 PIC 到 0x28~0x2F

mov al, 0x11        ; ICW1: 初始化命令字，级联模式
out 0x20, al        ; 主 PIC 命令端口
out 0xA0, al        ; 从 PIC 命令端口

mov al, 0x20        ; ICW2: 主 PIC 起始中断号 0x20
out 0x21, al
mov al, 0x28        ; ICW2: 从 PIC 起始中断号 0x28
out 0xA1, al

mov al, 0x04        ; ICW3: 主 PIC 使用 IRQ2 连接从 PIC
out 0x21, al
mov al, 0x02        ; ICW3: 从 PIC 连接到主 PIC 的 IRQ2
out 0xA1, al

mov al, 0x01        ; ICW4: 普通 8086 模式
out 0x21, al
out 0xA1, al

🚫 中断屏蔽（IMR）

• PIC 有一个中断屏蔽寄存器（IMR），写入 1 表示屏蔽该中断

• 操作方式：

  in al, 0x21       ; 读主 PIC 的 IMR
  or al, 0x01       ; 屏蔽 IRQ0（定时器）
  out 0x21, al

🔁 中断结束信号（EOI）

中断服务完成后，必须告诉 PIC 当前中断已处理完：

mov al, 0x20      ; 发送非特定 EOI 命令
out 0x20, al      ; 对主 PIC
; 如果是来自从 PIC 的中断，还需给从 PIC 也发 EOI：
out 0xA0, al

PIC 的局限性

PIC 被广泛使用于 实模式和早期操作系统（如 MS-DOS、早期 Linux），但存在明显限制：

• 只能处理 15 个中断（IRQ2 被占用为桥接）
• 优先级固定（IRQ0 > IRQ1 > …）
• 配置复杂（I/O 操作，ICW、OCW）
• 所有中断共享单个线（INTR），易阻塞

演进

◉ 保护模式与中断门

在 32 位保护模式下：

• 使用 IDT（中断描述符表）替代实模式的中断向量表
• 每个 IDT 项是 8 字节，指向中断门（Interrupt Gate）或陷阱门（Trap Gate）
• 支持权限检查（如用户态只能触发系统调用号）

◉ 总结

中断机制是操作系统、硬件抽象层和驱动程序的基础。它使得：

• CPU 不必轮询外设（高效）
• 实现优先级调度与异步响应
• 系统调用成为可能（通过软中断）

总结流程图：从加电到引导扇区

flowchart TD
    PWR[加电]
    FFFF0[CPU:0xFFFF0
CS=F000, IP=FFF0]
    BIOS[BIOS 执行POST / 初始化]
    INIT[设置 IVT、BDA 等内存区域]
    INT19[调用INT 19h
读取MBR到0x7C00]
    BOOTLOADER[跳转执行 Bootloader
启动 OS]

    PWR --> FFFF0 --> BIOS --> INIT --> INT19 --> BOOTLOADER