操作系統之起源（一）

        從今天開始，我們來進行一個微型的操作系統（基于 x86 架構）的編寫。當然了，也是跟著別人學習，只是為了做個總結。將之記錄下來，和大家一起學習，也方便日后進行復習。

        那么什么是操作系統呢？我們常見的操作系統有：Windows、Unix、Linux、Mac OS、Android 以及 iOS 等。簡單來說，操作系統是直接運行于硬件之上的計算機程序。它的一個作用是用于管理和控制計算機的硬件與軟件資源；另一個重要的作用是為用戶軟件的開發提供必要的服務和接口。下來我們來看看現代計算機系統的架構，如下圖所示

        我們看到在最上層是應用層，也就是我們平時所說的軟件開發層。而軟件開發又分為兩種：用戶軟件開發和編譯軟件的開發。接下來便是操作系統了，操作系統提供了軟件運行的環境和各種服務與接口。再往下便是 BIOS，對于這個詞，我們裝過電腦系統的人都知道，后面會進行詳細的分析。最底下便是硬件層了，它為操作系統提供所必需的硬件環境。

        我們下來來看看 BIOS，它的全名為 "Basic Input & Output System"。BIOS 的本質也是一段程序，它是計算機上電后第一個運行的程序。它所做的工作主要分為以下幾個：a> 首先檢測硬件狀態，檢測通過后立即進行硬件初始化；b> 它會在內存中建立中斷向量表，其作用是提供硬件訪問的方法；c> 最后便是將控制權交由主引導程序執行，進入操作系統。注意：BIOS 不是軟件（Software），而是固件（firmware）！那么什么是固件呢？固件是固化于硬件中的程序，在硬件出廠前已經燒寫固定。

        下來我們來看看 x86 架構的系統啟動流程，如下圖所示

        我們看到先是系統硬件上電，接著運行 BIOS，初始化硬件；緊接著建立中斷向量表，加載運行主引導程序；軟件初始化，加載運行操作系統內核，最后是系統初始化。那么 BIOS 是如何被運行起來的呢？下來我們來看看 BIOS 的運行機制。BIOS 存儲于 ROM 中，地址映射為 0xF0000 - 0xFFFFF（物理地址），它的入口地址為 0xFFFF0。那么在硬件電路的特殊設計下，會使得系統在開機后，CPU 從 0xFFFF0 處開始執行。BIOS 會按照用戶設置來掃描各個存儲介質（光驅、軟驅、U 盤等），在發現主引導區后，將主引導區中的主因到程序載入內存；主因到程序在內存中的入口地址為 0x7c00，最后將控制權交由主引導程序執行。怎么交給呢？其實也就是一句指令：jmp 0x7c00。

        那么 BIOS 如何在存儲介質中尋找主引導區呢？進而如何判斷引導區中有沒有主引導程序呢？下來我們先來介紹下主引導區，它的簡寫為：MBR，即 Master Boot Record。MBR 位于存儲介質的最開始位置處，大小為 512 字節；它的特點是前 512 字節的最后 2 個有效字節為 0x55aa；它的數據是 0x55aa 之前的數據都被視為主引導程序。那么前 512 字節是否一定為 MBR 呢？不一定哦！如果判斷是主引導區，進而將主引導程序加載到內存中，當運行完之后，有可能會發現它是不合法的，進而執行出錯。所以說，主引導區存儲的程序不見得就是一個合法可用的程序。那么怎么進行判斷是否是合法可用的程序呢？我們將在下節博客中進行介紹。

        下來我們來看看更加詳細的系統啟動流程，如下圖所示

        在運行 BIOS 后，先進行存儲介質的掃描，如果在存儲介質中存在 MBR，那么便開始加載主引導程序，地址為 0x7c00；接著將控制權交由主引導程序執行，進行軟件的初始化，最后加載運行操作系統內核，進行系統的初始化。那么通過今天對操作系統的基礎知識的學習，總結如下：1、BIOS 是計算機上電后第一個運行的程序；2、BIOS 進行必要的初始化，并加載運行主引導程序；3、主引導程序位于存儲介質的最開始的 512 字節處；4、主引導程序負責后續的初始化，并加載運行操作系統內核。