BIOS启动原理

Intel的IBMPC上i386芯片是遵循Intel与IBM共同制定的Boot协议的

1. PC机的复位线和系统中的所有部件相连，包括CPU的RESET引脚
2. 系统上电开机时，主板电源系统发送低电平的"Power Good"信号，该信号送到复位接口电路的#RES端，产生时钟同步的复位正脉冲信号RESET，该脉冲发送到上面提及的复位线上，经由CPU的RESET引脚被CPU采集到，当正脉冲从1返回0时(下降沿)，CPU启动内部初始化程序，初始化完成后进入实地址模式，其中CS：IP寄存器的状态是CS=F000H，IP=0000FFF0H；显然，CPU自初始化完毕后，系统的真正启动才开始，那么，也决定了第一条指令的地址为CS：IP=F000：FFF0H=FFFF0H单元。

3. 与此同时，IBM开机协议规定，RESET时，BIOS ROM被加载到F0000H~FFFFFH，几乎所有BIOS在FFFF0H的指令为JMP BINI，这个BINI就是BIOS启动程序的首地址了

4. 结合2，3两点，PC机开机后的第一个程序就是BIOS启动程序了，这个启动程序的执行流程分为二步：
I. POST(Power On Self Test)
II. 按BIOS设置好的顺序逐一尝试加载启动媒体（硬盘，光驱，软驱，USB盘）的启动程序。对于我们常用的硬盘，则把0面，0道，1扇区的内容（512字节），也就是我们说的MBR加载到0000：7C00H单元开始的区域


结论：
在PC机上的重启（其实重启也是正常启动的一种形式而已），POST一定发生在加载MBR之前，这是由久而来的IBM开机协议所定的。只要你是使用PC机，你无法仅从操作系统的角度来改变这个事实，更何况，从逻辑上而言，这些发生在操作系统运作之前的舞台。或许你的BIOS提供这种设置，使BIOS启动程序中跳过POST这一步（但也同样作用于正常启动，不能仅作用于重启），又或许你使用其他硬件架构如PPC或者ARM嵌入式系统！

之所以产生这种设想，估计是误解了我们计算机教学一直以来的初级概念，软重启和硬重启。注意，前者的RESET信号由键盘发出，后者的RESET信号由物理按键动作发出！但无论是哪种重启，都必须遵循开机协议，POST一定发生在加载MBR之前

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BIOS、MBR、PBR等基础知识，兼谈U盘、移动硬盘以及操作系统的安装与启动基本原理

一、基本概念
    1、BIOS的概念
　　BIOS（Basic Input/Output System，基本输入输出系统）全称是ROM－BIOS，是只读存储器基本输入／输出系统的简写，它实际是一组被固化到电脑中，为电脑提供最低级最直接的硬件控制的程序，它是连通软件程序和硬件设备之间的枢纽，通俗地说，BIOS是硬件与软件程序之间的一个“转换器”或者说是接口（虽然它本身也只是一个程序），负责解决硬件的即时要求，并按软件对硬件的操作要求具体执行。
    BIOS，它在计算机系统中起着非常重要的作用。一块主板性能优越与否，很大程度上取决于主板上的BIOS管理功能是否先进。
    BIOS芯片，在主板上表现为一块长方型或正方型芯片，BIOS中主要存放：
    1、自诊断程序：通过读取CMOS RAM中的内容识别硬件配置，并对其进行自检和初始化；
    2、CMOS设置程序：引导过程中，用特殊热键启动，进行设置后，存入CMOS RAM中；
    3、系统自举装载程序：在自检成功后将磁盘相对0道0扇区上的引导程序装入内存，让其运行以装入DOS系统；
主要I／O设备的驱动程序和中断服务；
   由于BIOS直接和系统硬件资源打交道，因此总是针对某一类型的硬件系统，而各种硬件系统又各有不同，所以存在各种不同种类的BIOS，随着硬件技术的发展，同一种BIOS也先后出现了不同的版本，新版本的BIOS比起老版本来说，功能更强。

　　2、MBR的概念
    主引导扇区位于硬盘的0磁道0柱面1扇区，共512bytes，由三大部分组成：
    硬盘主引导记录MBR（Master Boot Record）占446bytes
    分区表DPT（Disk Partition Table）占64bytes
    硬盘有效标志（Magic Number）占2bytes。AA和55被称为幻数(Magic Number),BOIS读取MBR的时候总是检查最后是不是有这两个幻数,如果没有就被认为是一个没有被分区的硬盘
    主引导扇区包含的MBR、DPT、MN，这3个区域是操作系统无关的，在每块硬盘上都存在；MBR是一段可执行程序，由各个操作系统写入不同的代码。MBR的存储空间限制为446字节，MBR所做的唯一的事情就是装载第二引导装载程序。Windows产生的MBR装载运行PBR；GRUB产生的MBR装载运行grldr。
    3、操作系统引导过程
    主引导记录（MasterBootRecord，MBR）：512字节，位于硬盘的第一个扇区；可存放一小段程序及主分区表。MBR的boot code占用其中的前446个字节，随后的64个字节为DPT（Disk Partition Table，硬盘分区表）。
    XP系统引导过程是，BIOS自检后,DPT把系统控制权交给硬盘第一个分区的PBR（Partition Boot Record），XP的PBR会去找这个分区的ntldr，之后是boot.ini,选择启动的系统后load注册表,交控制权给ntoskrnl,然后加载驱动,系统配置等等。
    Vista的PBR不再找ntldr,而是找bootmgr,这个文件也是保存在硬盘第一个分区的根目录下.之后,bootmgr去找同路径下的\boot\BCD. BCD这个文件实际是一个注册表文件,里面的数据保存了系统的引导信息,如果是多系统引导,会提供引导的界面内容. 如果是单Vista系统,控制权会交给winload.exe,之后再去找ntoskrnl.exe.
　　扩展引导记录（ExtendedBootRecord，EBR）：512字节，位于扩展分区的第一个扇区，存放逻辑分区信息。
　　分区引导区（PartitionBootRecord，PBR）：512字节，位于每个非扩展主分区及每个逻辑分区的第一个扇区；可存放小段程序。
　　活动分区（ActivePartition）：可将所有主分区和逻辑分区中的一个标识为Active，表示系统启动时即加载运行其PBR程序的分区。
    DBR ： DOS引导记录（DOS Boot Record）应称为OBR（OS Boot Record），意思是活动分区的PBR，即操作系统引导记录。

   二、分区概念
    一个硬盘的分区有Primary（主分区）、Extended（扩展分区）、Logical（逻辑分区）三种。
    1、主分区
    如果你只有一个硬盘，那么这个硬盘肯定应该有一个主分区，以前DOS必须在主分区才能启动。建立主分区的最大用途便是安装操作系统，另外如果你有多个主分区，那么只有一个可以设置为活动分区（Active），操作系统就是从这个分区启动的，当然了，只允许有一个活动分区，所谓的“激活分区”就是将某个主分区设置为活动分区。
    2、扩展分区
    因为主分区有先天的限制（最多只能有4个），扩展分区就是为了解决这种限制应运而生的，但是需要记住的是：它可是不能直接用来保存资料的，扩展分区的主要功能就是让你在其中建立逻辑分区，而且事实上只能建立20多个。
    3、逻辑分区（逻辑驱动器）
   从上面的介绍你可以了解到，逻辑分区并不是独立的分区，它是建立在扩展分区中的二级分区，而且在DOS/WINDOWS下，这样的一个逻辑分区对应于一个逻辑驱动器（Logical Driver），我们平时说的D: E:........一般指的就是这种逻辑驱动器。
   4、分区的限制
   一个硬盘最多只能划分为4个主分区，或者是3个主分区加上一个扩展分区，这是因为在硬盘的开头，也就是主引导扇区总共512字节存放着MBR占446bytes，DPT分区表占64bytes以及硬盘有效标志占2bytes，由于记录空间只有那么大，所以也只能记录这4个分区的信息。

　　三、一般单操作系统启动过程
　　1.BIOS加载并启动保存在硬盘MBR中的引导程序，该引导程序一般在操作系统安装时写入
　　2.MBR引导程序扫描所有分区表，找出活动分区（WindowsMBR程序只会在MBR中的分区表中查找活动分区，即Windows只能安装在主分区；Linux无此限制）
　　3.MBR引导程序加载并启动保存在活动分区PBR中的引导程序
　　4.活动分区PBR中的引导程序加载并启动安装在其上的操作系统（例如对Win98，定位并执行io.sys；对WinXP，定位并执行ntoskrnl.exe；对于Linux，定位并执行vmlinuz-xxx内核映像）。显然PBR引导程序与操作系统密切相关，一般在操作系统安装时写入。
　　总结为：BIOS–>MBR—>PBR–>OS files

　四、修改标准过程实现按需启动指定操作系统
　　使用BootLoader等软件置换MBR中的引导程序或PBR中的引导程序，如Windows的NTBoot Loader，Linux下的Lilo、Grub等。Windows NTBoot Loader一般用于在一台机器上安装多个Windows系统；Lilo或Grub用于在一台机器上安装多个Linux系统或同时安装Linux和Windows系统。

　　五、MBR损坏及修复
    mbr的损坏不会危及数据，复也很简单，重写mbr就是，dos下面的fdisk/mbr即可修改DOS引导，像DISKGEN等工具修改MBR更是随手拈来。

    六、从U盘或移动硬盘启动操作系统的步骤：
    1、U盘格式化后（FAT32或NTFS都可以），把U盘激活成活动分区（可使用DiskGenius硬盘分区软件）
    2、写入U盘活动分区的PBR，以达到PBR读取bootmgr文件的目的（可使用Vista或windows7自带的 bootsect.exe 进行操作）
    3、复制相应启动文件到U盘根目录
    4、修改bios启动顺序从U盘启动即可

    移动硬盘：开机识别成 USB-HDD
    在XP中格式化成FAT32、NTFS格式的U盘：开机出现在BIOS的Removable Device中，识别成USB-ZIP，默认为主分区非活动分区。可以用DiskGenius激活为活动分区，再开机识别为USB-HDD。
    量产成HDD的U盘：开机出现在BIOS的Hard Disk中，识别成USB-HDD，默认自动设置为活动分区。

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CPU被加电时，最初的1M内存空间的每一个字节都由BIOS安排好了：

0x00000-0x003ff : 中断向量表 
0x00400-0x004ff : BIOS数据区 
0x00500-0x07bff : 自由内存区 
0x07c00-0x07dff : 引导程序加载区 
0x07e00-0x9ffff  : 自由内存区 
0xa0000-0xbffff  : 显示内存区 
0xc0000-0xfffff   : BIOS中断处理程序区  

instead of adding [ORG 7C00h] to the top of your file, you can add:

mov ax, 0x7C0
mov ds, ax
mov es, ax
mov fs, ax
mov gs, ax

And that will set-up the segment registers so they point to the start of
your bootsector..

 

 

系统启动过程主要由一下几步组成(以硬盘启动为例): 

　　1. 开机 :-) 
　　2. BIOS 加电自检 ( Power On Self Test -- POST ) 
　　　 内存地址为 0ffff:0000 
　　3. 将硬盘第一个扇区 (0头0道1扇区, 也就是Boot Sector) 
　　　 读入内存地址 0000:7c00 处. 
　　4. 检查 (WORD) 0000:7dfe 是否等于 0xaa55, 若不等于 
　　　 则转去尝试其他启动介质, 如果没有其他启动介质则显示 
　　　 "No ROM BASIC" 然后死机. 
　　5. 跳转到 0000:7c00 处执行 MBR 中的程序. 
　　6. MBR 首先将自己复制到 0000:0600 处, 然后继续执行. 
　　7. 在主分区表中搜索标志为活动的分区. 如果发现没有活动 
　　　 分区或有不止一个活动分区, 则转停止. 
　　8. 将活动分区的第一个扇区读入内存地址 0000:7c00 处. 
　　9. 检查 (WORD) 0000:7dfe 是否等于 0xaa55, 若不等于则 
　　　 显示 "Missing Operating System" 然后停止, 或尝试 
　　　 软盘启动. 
　　10. 跳转到 0000:7c00 处继续执行特定系统的启动程序. 
　　11. 启动系统 ...

 

 

　　以上步骤中 2,3,4,5 步是由 BIOS 的引导程序完成. 6,7,8,9,10 
步由MBR中的引导程序完成.