Linux 硬件環(huán)境和 BIOS

我們大家知道，計(jì)算機(jī)其實(shí)就是硬件和軟件的集合體，硬件和軟件相互依存缺一不可。硬件是計(jì)算機(jī)實(shí)實(shí)在在看得見摸得著的實(shí)體部分，而軟件是存在于硬件之上，是控制硬件的一系列指令流。

操作系統(tǒng)是一種軟件，雖然是軟件，但是操作系統(tǒng)卻是和硬件關(guān)系非常密切的一類。其他軟件都可以理解是運(yùn)行在操作系統(tǒng)之上的一類軟件。如果想要徹底理解操作系統(tǒng)運(yùn)行的全過程，就需要了解它的硬件結(jié)構(gòu)和硬件基礎(chǔ)。

這篇文章會(huì)和大家聊聊以 Linux 0.11 為背景下的硬件基礎(chǔ)，我們主要說明基于 Intel 80x86 的 IBM PC 微型計(jì)算機(jī)極其兼容機(jī)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

一般我們說的 PC/AT 指的就是 80386 或以上 CPU 的 IBM PC 極其兼容機(jī)，而 PC 用來(lái)泛指所有微機(jī)，包括IBM PC/XT 極其兼容微機(jī)。

硬件構(gòu)成

一個(gè)傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)硬件組成結(jié)構(gòu)如下圖所示：

從概念上來(lái)看，一臺(tái)簡(jiǎn)單的個(gè)人電腦可以被抽象為上面這種相似的模型，CPU、內(nèi)存、I/O 設(shè)備都和總線串聯(lián)起來(lái)并通過總線與其他設(shè)備進(jìn)行通信。圖中上部控制器和存儲(chǔ)器接口都被集成在計(jì)算機(jī)主板上，這些控制器分別是以一塊大規(guī)模集成電路芯片為主組成的電路。當(dāng)然現(xiàn)代操作系統(tǒng)有著更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，會(huì)設(shè)計(jì)很多條總線，我們稍后會(huì)看到。暫時(shí)來(lái)講，這個(gè)模型能夠滿足我們的討論。

CPU

CPU 是計(jì)算機(jī)的大腦，它也是整個(gè)計(jì)算機(jī)的核心，CPU 的內(nèi)部包含有寄存器，而寄存器是用于存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù)的，匯編語(yǔ)言的本質(zhì)也就是 CPU 內(nèi)部操作數(shù)所執(zhí)行的一系列計(jì)算。

存儲(chǔ)器（內(nèi)存）

沒有存儲(chǔ)器，計(jì)算機(jī)就像是一個(gè)沒有記憶的人類，只會(huì)永無(wú)休止的重復(fù)性勞動(dòng)。CPU 所需的指令和數(shù)據(jù)都由存儲(chǔ)器 - 內(nèi)存來(lái)提供，CPU 指令經(jīng)由內(nèi)存提供，經(jīng)過一系列計(jì)算后再輸出到內(nèi)存。

磁盤

磁盤也是一種存儲(chǔ)設(shè)備，它和內(nèi)存的最大區(qū)別在于永久存儲(chǔ)，程序需要在內(nèi)存裝載后才能運(yùn)行，而提供給內(nèi)存的程序都是由磁盤存儲(chǔ)的。

控制器

控制器就是一些控制設(shè)備的統(tǒng)稱，比如中斷控制器、DMA 控制器、鍵盤鼠標(biāo)控制器等。

總線

一般來(lái)說，內(nèi)存內(nèi)部會(huì)劃分多個(gè)存儲(chǔ)單元，存儲(chǔ)單元用來(lái)存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù)，就像是房子一樣，存儲(chǔ)單元就是房子的門牌號(hào)。而 CPU 與存儲(chǔ)器、控制器之間的交互是通過地址總線來(lái)進(jìn)行的，總線從邏輯上分為三種：地址線、數(shù)據(jù)線和控制線。

總線會(huì)插在總線插槽中，而這些總線插槽（也叫總線接口）有各種各樣的標(biāo)準(zhǔn)：通常有工業(yè)接口標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu) ISA（Industry Standard Architecture）總線、擴(kuò)展工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)總線 EISA（Extend ISA）、外圍組件互連 PCI（Peripheral Component interconnect）總線、加速圖形端口 AGP（Accelerated Graphics Port）、視頻總線 等。這些總線接口的主要區(qū)別在于數(shù)據(jù)傳輸速率和控制靈活性方面。

不過隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，傳輸速率更高，控制更靈活的總線接口在不斷推出，比如使用串行接口總線的 PCIE（PCI Express）總線。

這其實(shí)是三代計(jì)算機(jī)總線的發(fā)展歷史，一代是 ISA EISA，二代總線是 PCI ，三代是 PCIE。

另外，在最早的計(jì)算機(jī)中，是有控制卡這個(gè)硬件的，比如顯示器控制卡、打印機(jī)控制卡、軟驅(qū)控制卡，不過隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，這些單獨(dú)的控制卡都被集成在了計(jì)算機(jī)主板上的幾個(gè)超大規(guī)模集成電路芯片中。為了讓系統(tǒng)的不同部分都能達(dá)到最高的傳輸效率，總線結(jié)構(gòu)也發(fā)生了很大改變。現(xiàn)代 PC 機(jī)的組成結(jié)構(gòu)大致如下。

現(xiàn)代 PC 機(jī)的主板主要使用兩個(gè)超大規(guī)模芯片構(gòu)成的芯片組和芯片集，分為北橋（Northbridge）和南橋（Southbridge）芯片。北橋芯片主要用于 AGP 接口、與 CPU 交互和內(nèi)存接口。除此之外還用于控制內(nèi)存，因此 Intel 將其標(biāo)注為 MCH（Memory Controller Hub），北橋芯片因此傳輸速率比較高。

相對(duì)的，南橋芯片傳輸速率比較低，南橋芯片用于管理中低速的組件，比如 PCI 總線、硬盤接口、USB 端口等。Intel 將其稱為 ICH（IO Controller Hub）。

IO 端口尋址和訪問

大伙可以想象一個(gè)場(chǎng)景，把你自身縮小化無(wú)數(shù)倍然后置身于機(jī)箱內(nèi)，你會(huì)看到無(wú)數(shù)個(gè)總線互聯(lián)，無(wú)數(shù)個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi) CPU 和各種存儲(chǔ)器外設(shè)的交互，那么 CPU 是如何和這些組件進(jìn)行交互的呢？

我們要出門前通常會(huì)思考兩件事情：去哪里以及如何去。CPU 為了實(shí)現(xiàn)和組件進(jìn)行通信也是這樣，CPU 通過總線把這些組件連接起來(lái)，所以傳輸媒介就是總線，CPU 還需要知道去哪里，這就需要知道這些組件的地址。地址分為兩類，一種是存儲(chǔ)器的地址，比如內(nèi)存地址。一種是外設(shè)的地址，稱為 IO 端口地址或者簡(jiǎn)稱端口。

IO 端口地址的編制方法一般有兩種方式：統(tǒng)一編址和獨(dú)立編址。

端口統(tǒng)一編址的方式就是將 IO 控制器中的端口地址歸納入存儲(chǔ)器尋址地址空間范圍內(nèi)，這種方式也稱為存儲(chǔ)器映像編址，說白了就是把端口的地址歸為內(nèi)存的一部分，CPU 通過對(duì)內(nèi)存進(jìn)行讀寫來(lái)達(dá)到對(duì)端口讀寫的目的。比如說外設(shè) 0x1000 ~ 0x1fff 這段內(nèi)存空間是輸入外設(shè)映射過來(lái)的，那么你對(duì)這段內(nèi)存空間寫入數(shù)據(jù)，經(jīng)過總線傳輸后給外設(shè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)外設(shè)的讀寫。這段地址空間就稱作是 IO 地址空間。業(yè)界也叫這種映射方式為內(nèi)存映射。

IBM PC 機(jī)及其兼容微機(jī)主要使用的是獨(dú)立編址的方式，采用了一個(gè)獨(dú)立的 IO 地址空間對(duì)設(shè)備中的寄存器進(jìn)行尋址和訪問。使用 ISA 總線結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng) PC 機(jī)其 IO 地址空間范圍是 0x000 ~ 0x3FF，一般有 1024 個(gè)端口地址可以使用。關(guān)于這些端口和外設(shè)的映射表如下：

CPU通過設(shè)立專門的 I/O 指令，比如 x86 中的 in 就是寫入，out 就是讀出，這種方式來(lái)訪問這一空間中的地址單元（也即 I/O端口）。這種方式有個(gè)缺點(diǎn)，就是需要專門的匯編語(yǔ)言才能處理。

IO 數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜N方式

一般 IO 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸有三種方式：循環(huán)查詢方式、中斷處理方式和 DMA 傳輸方式。

循環(huán)查詢方式（Programmed IO）?：是指 CPU 通過在程序中循環(huán)查詢指定設(shè)備控制器的狀態(tài)來(lái)判斷是否能夠與其進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。這種方式不需要通過硬件的支持，使用和編程比較簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是比較耗費(fèi) CPU 資源。因此除非在多任務(wù)操作系統(tǒng)中需要等待極短的時(shí)間，否則不應(yīng)該使用此方式。很像 Java 關(guān)鍵字 synchronized 的自旋鎖。

中斷處理方式（Interrupt IO）：由于上述的方式會(huì)讓 CPU 處于不必要的繁忙之中，所以出現(xiàn)了中斷驅(qū)動(dòng)的方法，通過中斷功能和特殊命令來(lái)通知接口，只要 I/O 設(shè)備有了需要的數(shù)據(jù)，便會(huì)發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)給 CPU，CPU 才會(huì)給當(dāng)前任務(wù)進(jìn)行快照后執(zhí)行 IO 操作，CPU 通過通過使用中斷向量表來(lái)尋址中斷服務(wù)程序的入口地址。因此采用中斷處理方式的話，首先要設(shè)置好中斷向量表 IDT 表，并編寫好相應(yīng)的中斷處理程序。Linux 操作系統(tǒng)中大多數(shù)設(shè)備 IO 采用的都是這種方式。

DMA 傳輸方式（Direct Memory Access）：前面兩種方式都需要 CPU 的直接參與，而 DMA 不需要 CPU 的參與，DMA 顧名思義就是直接內(nèi)存?zhèn)鬏?，也就是?nèi)存能夠直接和 IO 進(jìn)行傳輸，當(dāng)然需要專用的 DMA 控制器來(lái)完成，這中間無(wú)需 CPU 干預(yù)。使用 DMA 方式效率比較高，在 Linux 操作系統(tǒng)中，軟盤驅(qū)動(dòng)程序使用中斷和 DMA 的方式來(lái)配合實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸工作。

存儲(chǔ)器和 BIOS

主存

在很早的時(shí)候，也就是 DOS 操作系統(tǒng)流行的那個(gè)年代，640K 或者 1MB 的內(nèi)存容量基本上就能夠滿足普通應(yīng)用程序的運(yùn)行。隨著計(jì)算機(jī)的不斷發(fā)展，內(nèi)存容量也在急劇擴(kuò)大，現(xiàn)在 16G 內(nèi)存空間都有些無(wú)法滿足。不過在 Linux 的那個(gè)時(shí)候，PC/AT 計(jì)算機(jī)通常使用 512 M 的內(nèi)存和 Intel 32 位 CPU，CPU 的尋址能力達(dá)到了 4GB。為了保證能夠向下兼容，系統(tǒng) 1MB 以下物理內(nèi)存使用分配上仍然與原來(lái)的 PC 保持一致。

當(dāng)計(jì)算機(jī)開機(jī)上電時(shí)，物理內(nèi)存被設(shè)置為從 0 開始連續(xù)的區(qū)域。除了地址從 0xA0000 到 0xFFFFF（640K 到 1M 共 384 K）和 0xFFFFE000 到 0xFFFFFFFF（4G 處最后一 64K）范圍以外的所有內(nèi)存都可用做系統(tǒng)內(nèi)存。

這兩個(gè)特定的部分用于 IO 設(shè)備和 BIOS 程序。

給大家舉個(gè)例子，假如計(jì)算機(jī)有 2G 的內(nèi)存，下面是內(nèi)存空間分配情況：

0 - 640K 用于存放內(nèi)核代碼和數(shù)據(jù)，從 0xA0000 開始的 128 K 用于顯示內(nèi)存緩沖區(qū)，隨后的其他部分用于控制卡的 ROM BIOS 或其映射區(qū)域，而 0xF0000 -> 1M（0xFFFFF） 的范圍用于高端系統(tǒng)的 ROM BIOS 映射區(qū)，從 1M 到 2G 用作可分配的主存區(qū)。

BIOS

BIOS 的全稱是 Basic Input/Output System，基本的輸入輸出系統(tǒng)，它是計(jì)算機(jī)加電是首先要執(zhí)行的自檢系統(tǒng)。

BIOS 啟動(dòng)時(shí)會(huì)進(jìn)行下面這些檢查：

自檢（POST）：BIOS 會(huì)進(jìn)行自檢以確保主板、內(nèi)存、顯卡、硬盤等硬件是否能夠正常工作。

啟動(dòng)設(shè)備檢測(cè)：BIOS 會(huì)檢測(cè)可用的啟動(dòng)設(shè)備，例如硬盤、光驅(qū)、USB 設(shè)備等，并按照預(yù)設(shè)的啟動(dòng)順序來(lái)尋找可啟動(dòng)的操作系統(tǒng)。

CMOS 檢查：BIOS 會(huì)讀取 CMOS 芯片中保存的配置信息，包括系統(tǒng)時(shí)間、硬件設(shè)置等，并根據(jù)這些信息進(jìn)行相應(yīng)的配置。

引導(dǎo)加載程序檢查：BIOS 會(huì)加載引導(dǎo)加載程序（Bootloader），該程序負(fù)責(zé)引導(dǎo)操作系統(tǒng)的加載和啟動(dòng)。

硬件設(shè)備初始化：BIOS 會(huì)初始化各個(gè)硬件設(shè)備，包括設(shè)置硬盤參數(shù)、檢測(cè)和初始化外部設(shè)備等。

什么是 CMOS 存儲(chǔ)器：在 PC/AT 機(jī)中，除了需要使用內(nèi)存等存儲(chǔ)器保存計(jì)算機(jī)常用信息之外，往往還需要一塊很小的容量（往往是 64 或 128 字節(jié)）來(lái)存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘信息和系統(tǒng)硬件配置信息，這塊很小的容量就是 CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）。這部分內(nèi)存通常和實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片集成在一塊。它也是一塊集成電路。

準(zhǔn)備工作做完后，BIOS 的工作基本上就完結(jié)了，Linux 操作系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)并不會(huì)使用 BIOS 中的功能，總的來(lái)說，BIOS 主要負(fù)責(zé)硬件設(shè)備的檢測(cè)和初始化，以及啟動(dòng)操作系統(tǒng)的準(zhǔn)備工作。

計(jì)算機(jī)啟動(dòng)過程

當(dāng)我們按下電源鍵的開關(guān)時(shí)，電源會(huì)馬上給主板上的硬件設(shè)備開始供電，此時(shí)電壓還不算穩(wěn)，所以主板上的控制芯片組會(huì)給 CPU 發(fā)出一個(gè) RESET（重置）信號(hào)，讓 CPU 內(nèi)部自動(dòng)恢復(fù)到初始狀態(tài)下，當(dāng)控制芯片組檢測(cè)到電源處于平穩(wěn)狀態(tài)下后（從不穩(wěn)定到穩(wěn)定狀態(tài)只需一個(gè)瞬間），芯片組開始撤回 RESET 信號(hào)。

CPU 首先會(huì)把代碼段寄存器 CS 設(shè)置為 0xF000，其段基地址被設(shè)置為 0xFFFF0000，段長(zhǎng)度設(shè)置為 64KB。故 IP 被設(shè)置為 0xFFF0（注意這里還不能使用 CS:IP 來(lái)尋址，因?yàn)榇藭r(shí)還沒有完全進(jìn)入實(shí)模式），此時(shí) CPU 指針指向 0xFFFFFFF0 處，這是 4G 空間的最后一個(gè) 16KB 處，也就是 ROM BIOS 所存放的位置。

BIOS 啟動(dòng)后，首先會(huì)進(jìn)行 Power-On-Self-Test ，也就是開機(jī)自檢（見上面 BIOS 流程檢查操作）。ROM BIOS 這里會(huì)有一條 JMP 指令，所以當(dāng) CPU 執(zhí)行到這里的時(shí)候，會(huì)執(zhí)行 JMP 指令進(jìn)行跳轉(zhuǎn)，這里是 JMP 到 BIOS 代碼 64 KB 范圍內(nèi)某一條指令開始執(zhí)行。

由于目前 PC/AT 微機(jī)中 BIOS 容量為 1MB - 2MB ，并存儲(chǔ)在閃存（Flash Memory）ROM 中，因此為了能夠執(zhí)行或者訪問 BIOS 中超過 64 KB 范圍并且又遠(yuǎn)遠(yuǎn)不在 0 - 1MB 地址空間中其他 BIOS 代碼和數(shù)據(jù)，BIOS 會(huì)使用一種 32 位大模式，這樣就能夠在 0 - 4 GB 內(nèi)訪問數(shù)據(jù)。

在 BIOS 執(zhí)行完一系列的自檢之后，就會(huì)把與原來(lái) PC 機(jī)兼容的 64 KB BIOS 代碼和數(shù)據(jù)復(fù)制到內(nèi)存低端 1M 末端的 64 KB 處，然后跳轉(zhuǎn)到這里并讓 CPU 真正進(jìn)入實(shí)模式開始工作。

硬件自檢結(jié)束后，BIOS 會(huì)將控制轉(zhuǎn)移權(quán)交給下一階段的啟動(dòng)程序，這個(gè)時(shí)候 BIOS 需要知道下一階段啟動(dòng)程序在哪，這也就是我們常說的 BIOS 啟動(dòng)順序，排在第一位就是優(yōu)先需要移交的程序，啟動(dòng)順序可以修改。

BIOS 按照設(shè)定好的啟動(dòng)順序?qū)⒖刂茩?quán)交給第一位的存儲(chǔ)設(shè)備，然后從該設(shè)備中讀出 MBR ，并將程序放在 0x7c00 處的內(nèi)存地址中。

0x7c00 這個(gè)地址是 IBM 機(jī)器的歷史遺留問題，它是指 32 KB內(nèi)存的最后 1024 字節(jié)處。

MBR ：Master Boot Record，主引導(dǎo)記錄，位于存儲(chǔ)設(shè)備中的 0 磁道 1 扇區(qū)，磁盤最前面的 512 字節(jié)。

如果這 512 個(gè)字節(jié)的最后兩個(gè)字節(jié)是 0x55 和 0xAA，表明這個(gè)設(shè)備可以用于啟動(dòng)；如果不是，表明設(shè)備不能用于啟動(dòng)，BIOS 會(huì)繼續(xù)去找下一個(gè)設(shè)備，并將控制權(quán)轉(zhuǎn)交給啟動(dòng)順序中的下一個(gè)設(shè)備。

MBR 很小，只有512字節(jié)，它的主要作用是：告訴計(jì)算機(jī)在哪一個(gè)位置去找操作系統(tǒng)。

MBR 記錄中會(huì)有分區(qū)表的記錄，分區(qū)會(huì)有三種管理方式，這里就不再多說了，大家知道這會(huì)告訴計(jì)算機(jī)從哪個(gè)分區(qū)來(lái)啟動(dòng)操作系統(tǒng)就可以了。然后就會(huì)把控制權(quán)交給操作系統(tǒng)，進(jìn)行操作系統(tǒng)的 boot ，關(guān)于操作系統(tǒng)的 boot 后面會(huì)細(xì)說。

總結(jié)

這篇文章主要介紹了 Linux 0.11 的硬件和 BIOS 相關(guān)內(nèi)容。硬件是操作系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)平臺(tái)，而 BIOS 則為了操作系統(tǒng)運(yùn)行提供了環(huán)境支持和自檢，這兩者都是 Linux 操作系統(tǒng)運(yùn)行非常重要的組成部分。