操作系统之起源（一）

        从今天开始，我们来进行一个微型的操作系统（基于 x86 架构）的编写。当然了，也是跟着别人学习，只是为了做个总结。将之记录下来，和大家一起学习，也方便日后进行复习。

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        那么什么是操作系统呢？我们常见的操作系统有：Windows、Unix、Linux、Mac OS、Android 以及 iOS 等。简单来说，操作系统是直接运行于硬件之上的计算机程序。它的一个作用是用于管理和控制计算机的硬件与软件资源；另一个重要的作用是为用户软件的开发提供必要的服务和接口。下来我们来看看现代计算机系统的架构，如下图所示

        我们看到在最上层是应用层，也就是我们平时所说的软件开发层。而软件开发又分为两种：用户软件开发和编译软件的开发。接下来便是操作系统了，操作系统提供了软件运行的环境和各种服务与接口。再往下便是 BIOS，对于这个词，我们装过电脑系统的人都知道，后面会进行详细的分析。最底下便是硬件层了，它为操作系统提供所必需的硬件环境。

        我们下来来看看 BIOS，它的全名为 "Basic Input & Output System"。BIOS 的本质也是一段程序，它是计算机上电后第一个运行的程序。它所做的工作主要分为以下几个：a> 首先检测硬件状态，检测通过后立即进行硬件初始化；b> 它会在内存中建立中断向量表，其作用是提供硬件访问的方法；c> 最后便是将控制权交由主引导程序执行，进入操作系统。注意：BIOS 不是软件（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，在硬件出厂前已经烧写固定。

        下来我们来看看 x86 架构的系统启动流程，如下图所示

        我们看到先是系统硬件上电，接着运行 BIOS，初始化硬件；紧接着建立中断向量表，加载运行主引导程序；软件初始化，加载运行操作系统内核，最后是系统初始化。那么 BIOS 是如何被运行起来的呢？下来我们来看看 BIOS 的运行机制。BIOS 存储于 ROM 中，地址映射为 0xF0000 - 0xFFFFF（物理地址），它的入口地址为 0xFFFF0。那么在硬件电路的特殊设计下，会使得系统在开机后，CPU 从 0xFFFF0处开始执行。BIOS 会按照用户设置来扫描各个存储介质（光驱、软驱、U 盘等），在发现主引导区后，将主引导区中的主因到程序载入内存；主因到程序在内存中的入口地址为 0x7c00，最后将控制权交由主引导程序执行。怎么交给呢？其实也就是一句指令：jmp0x7c00。

        那么 BIOS 如何在存储介质中寻找主引导区呢？进而如何判断引导区中有没有主引导程序呢？下来我们先来介绍下主引导区，它的简写为：MBR，即 Master Boot Record。MBR 位于存储介质的最开始位置处，大小为 512 字节；它的特点是前 512 字节的最后 2 个有效字节为 0x55aa；它的数据是 0x55aa 之前的数据都被视为主引导程序。那么前 512 字节是否一定为 MBR 呢？不一定哦！如果判断是主引导区，进而将主引导程序加载到内存中，当运行完之后，有可能会发现它是不合法的，进而执行出错。所以说，主引导区存储的程序不见得就是一个合法可用的程序。那么怎么进行判断是否是合法可用的程序呢？我们将在下节博客中进行介绍。

        下来我们来看看更加详细的系统启动流程，如下图所示

        在运行 BIOS 后，先进行存储介质的扫描，如果在存储介质中存在 MBR，那么便开始加载主引导程序，地址为 0x7c00；接着将控制权交由主引导程序执行，进行软件的初始化，最后加载运行操作系统内核，进行系统的初始化。那么通过今天对操作系统的基础知识的学习，总结如下：1、BIOS 是计算机上电后第一个运行的程序；2、BIOS 进行必要的初始化，并加载运行主引导程序；3、主引导程序位于存储介质的最开始的 512 字节处；4、主引导程序负责后续的初始化，并加载运行操作系统内核。