本节书摘来自异步社区《操作系统真象还原》一书中的第2章，第2.2节，作者：郑钢著，更多章节内容可以访问云栖社区“异步社区”公众号查看
2.2 软件接力第一棒，BIOS
BIOS全称叫Base Input & Output System，即基本输入输出系统。
人们给任何事物起名字，肯定都不是乱起的，必然是根据该事物的特点，通过总结，精练出一些文字来标识此事物，这个便是对一般事物取名的方法。通过名字，就能够反应出该事物的特性。最符合特性的名字就是昵称和外号了，比如抽油机是用来开采石油的一种机器，因为其工作时，就像“磕头”一样，所以大家给其起了更形象的名字—“磕头机”。
回到BIOS上，输入输出我理解，命名中加上系统二字也明白，可为什么还要用“基本”来修饰呢？不知道您是不是和我一样喜欢咬文嚼字，我们必须得把它搞清楚。
2.2.1 实模式下的1MB内存布局
先来点背景知识，很久很久以前：
Intel 8086有20条地址线，故其可以访问1MB的内存空间，即2的20次方=1048576=1MB，地址范围若按十六进制来表示，是0x00000到0xFFFFF。不知道硬件工程师当时设计的初衷是什么，总之人家有自己的理由，这1MB的内存空间被分成多个部分。
为了让大家先有个印象，免得太抽象不容易理解，先把实模式下1MB内存给大家梳理一下，很辛苦的，各位看官要仔细看哈，所以感兴趣或有强迫症的同学一定要背下来（玩笑），见表2-1。
先从低地址看，地址0～0x9FFFF处是DRAM（Dynamic Random Access Memory），即动态随机访问内存，我们所装的物理内存就是DRAM，如DDR、DDR2等。又要开始咬文嚼字了，动态是什么意思？动态指此种存储介质由于本身电气元件的性质，需要定期地刷新。内存中的每一位都是由电容和晶体管来组成的，您想，单条内存现在都到4GB，内存条的体积大小您也清楚，那么小的面积得集成多少电容才能够拼凑出4GB的内存容量，不包括相关电路元件，也得是4GB×8个电容了。如此小的电容，其缺点也是明显的，漏电很快，所以漏电了就要及时把电补充上去，这样数据才不至于丢失。这个补充电的过程就称为刷新。其实不仅是电容需要刷新，就连电信号也是一样的，不知道您注意了没有，我们平时使用的网线，也是需要在每隔一定长度距离时接个中继放大器，这个就是来放大电信号的，因为物理链路一长，信号衰减就特别严重，只好通过这种“打气”的方式来保持稳定了。终于把动态这一词搞定了，不过我们最终要搞定的词是BIOS中的“基本”，所以咱们还得接着看。
见表2-1，内存地址0～0x9FFFF的空间范围是640KB，这片地址对应到了DRAM，也就是插在主板上的内存条。有没有人开始小声嘀咕了：为什么是对应到了DRAM，难道不是直接访问到我的物理内存DRAM吗？难道我的内存条不是全部的内存？还可以访问到别处吗？如果您有这样的疑问，我除了回答是啊是啊之外，还是很欣慰的，终于有人和我之前想的一样了。
一会再解释这个，否则咱们离“基本”越来越远了。表2-1，看顶部的0xF0000～0xFFFFF，这64KB的内存是ROM。这里面存的就是BIOS的代码。BIOS的主要工作是检测、初始化硬件，怎么初始化的？硬件自己提供了一些初始化的功能调用，BIOS直接调用就好了。BIOS还做了一件伟大的事情，建立了中断向量表，这样就可以通过“int中断号”来实现相关的硬件调用，当然BIOS建立的这些功能就是对硬件的IO操作，也就是输入输出，但由于就64KB大小的空间，不可能把所有硬件的IO操作实现得面面俱到，而且也没必要实现那么多，毕竟是在实模式之下，对硬件支持得再丰富也白搭，精彩的世界是在进入保护模式以后才开始，所以挑一些重要的、保证计算机能运行的那些硬件的基本IO操作，就行了。这就是BIOS称为基本输入输出系统的原因。
现在开始解释另一个问题，在CPU眼里，为什么我们插在主板上的物理内存不是它眼里“全部的内存”。
地址总线宽度决定了可以访问的内存空间大小，如16位机的地址总线为20位，其地址范围是1MB，32位地址总线宽度是32位，其地址范围是4GB。但以上的地址范围是指地址总线可以触及到的边界，是指计算机在寻址上可以到达的疆域。可是人家并没有说要寻哪里，就拿16位机来说，并没有说这1MB的寻址范围必须得是物理内存（内存条），难道人家20位的地址总线就认得这一亩三分地？完全不是。
归根结底的原因是这样的：在计算机中，并不是只有咱们插在主板上的内存条需要通过地址总线访问，还有一些外设同样是需要通过地址总线来访问的，这类设备还很多呢。若把全部的地址总线都指向物理内存，那其他设备该如何访问呢？由于这个原因，只好在地址总线上提前预留出来一些地址空间给这些外设用，这片连续的地址给显存，这片连续的地址给硬盘控制器等。留够了以后，地址总线上其余的可用地址再指向DRAM，也就是指插在主板上的内存条、我们眼中的物理内存。示意如图2-1所示。
物理内存多大都没用，主要是看地线总线的宽度。还要看地址总线的设计，是不是全部用于访问DRAM。所以说，地址总线是决定我们访问哪里、访问什么，以及访问范围的关键。我们平时用的机器一般是32位，上面的内存条并不是全部都用到了，按理说内存条大小超过4GB就没意义了，超过了地址总线的势力就是浪费。不过通过前面的介绍，即使内存条大小没有超过地址总线的范围，也不会全都能被访问到，毕竟要预留一些地址用来访问其他外设，所以最终还得看地址总线把地址指向哪块内存了。这就是安装了4GB内存，电脑中只显示3.8GB左右的原因。
总之，表示地址的那串数字是地址总线的输入，相当于其参数，和内存条没关系。CPU能够访问一个地址，这是地址总线给做的映射，相当于给该地址分配了一个存储单元，而该存储单元要么落在某个rom中，要么落到了某个外设的内存中，要么落到了物理内存条上。可以想像成，CPU给地址总线提交一个数字，在地址总线看来，这串数字就是地址。地址分配电路根据此地址的范围，决定在哪个存储介质中分配一个存储单元，最后将此地址与此存储单元对应起来。当然事实上未必是这样，我刚才说了，可以想像成这样。我们学习新的知识，很多时候都是建立在原有的知识上，用原有的知识帮助学习新的知识，就像第一次听说电动车的时候，我们潜意识里是用车和蓄电池的概念在联想电动车的形象。如果要学的是一种全新的知识，并且无从用旧的知识来辅助学习时，试图靠想像力是非常有效的。对于知识的掌握，这并没有什么标准，每个人对知识的理解都是不同的，即使两个人都考了满分，其思考过程也是不同的。所以，对于一个新知识的掌握，本质上是给了一个能够说服自己的理由，能够自圆其说，这就够了。
2.2.2 BIOS是如何苏醒的
BIOS其实一直睡在某个地方，直到被唤醒……
前面热火朝天地说了BIOS的功能和内存布局，似乎还没说到正题上，BIOS是如何启动的呢？因为BIOS是计算机上第一个运行的软件，所以它不可能自己加载自己，由此可以知道，它是由硬件加载的。那这个硬件是谁呢？其实前面已经提到过了，相当于是只读存储器ROM，因为它一直就睡在那里不动。
大家知道，只读存储器中的内容是不可擦除的，也就是它不像动态随机访问存储器DRAM那样，掉电后，里面的数据就会丢失。这种存储介质是用来存储一成不变的数据的，当数据写进去后，便与日月同辉，庭前坐看花开花落，不朽于天地万物之间，哈哈，有点夸张了。
BIOS代码所做的工作也是一成不变的，而且在正常情况下，其本身是不需要修改的，平时听说的那些主板坏了要刷BIOS的情况属于例外。于是BIOS顺理成章地便被写进此ROM。ROM也是块内存，内存就需要被访问。此ROM被映射在低端1MB内存的顶部，即地址0xF0000～0xFFFFF处，可以参考表2-1顶部的BIOS部分。只要访问此处的地址便是访问了BIOS，这个映射是由硬件完成的。
BIOS本身是个程序，程序要执行，就要有个入口地址才行，此入口地址便是0xFFFF0。
最重要的一点来了，知道了BIOS在哪里后，CPU如何去执行它，即CPU中的cs：ip值是如何组合成0xFFFF0的。
如果大家不了解内存的分段访问机制，可以参考第0章，里面有讲解CPU为什么分段方式内存。说正事，CPU访问内存是用段地址+偏移地址来实现的，由于在实模式之下，段地址需要乘以16后才能与偏移地址相加，求出的和便是物理地址，CPU便拿此地址直接用了。这个“段基址：段内偏移地址”的组合是0xffff：0吗？或者是0xF000：0xFFF0?或者是更奇葩一点的组合：0xFEEE：0x1110？或者您想出的组合比我的还奇葩，好啦，不折磨大家了，还是说正事要紧。既然作为第一个运行的程序都没开始执行，自然就没办法用软件搞定这件事了，还是得靠硬件支持才行。
在开机的一瞬间，也就是接电的一瞬间，CPU的cs：ip寄存器被强制初始化为0xF000：0xFFF0。由于开机的时候处于实模式，再重复一遍加深印象，在实模式下的段基址要乘以16，也就是左移4位，于是0xF000：0xFFF0的等效地址将是0xFFFF0。上面说过了，此地址便是BIOS的入口地址。
当我给出这个地址后，不知道大家意识到什么没有。BIOS是在实模式下运行的，而实模式只能访问1MB空间（20位地址线，2的20次方是1MB）。而地址0xFFFF0距1MB只有16个字节了（见表2-1除标题外的第一行），这么小的空间够干吗？BIOS又要检测硬件，做各种初始化工作，还要建立中断向量表……16字节的机器指令肯定干不了这么多事。也许有的同学会问，超过寄存器宽度会怎么样呢？比如0xFFFF0+16，这样就溢出了，由于实模式下的寄存器宽度是16位，0xFFFF0+16已经超过了其最大值0xFFFFF。溢出的部分就会回卷到0，又会重新开始，即0xFFFF0+16等于0，0xFFFF0+17等于1。
既然此处只有16字节的空间了，这只能说明BIOS真正的代码不在这，那此处的代码只能是个跳转指令才能解释得通了。好，既然心里有了推断，那咱们就来证明这个推断正确与否。
图2-2是我在bochs中抓的图，下面给大家分析一下这图中的信息都代表什么。
首先得承认，这张图有点超前了，这是在有了MBR后才能抓到的，否则会提示boot failed： not a bootable disk，而我们还没有MBR，还没有写主引导记录。先不管这张图是怎么来的啦，反正大家立即就能够在自己的虚拟机里看到这张图了。大家先注意框框中的内容。一共有3个，最上面左边第1个标有cs：ip的那个框，cs寄存器的值是0xf000，ip寄存器的值是0xfff0，也就是段基址0xf000，段内偏移地址0xfff0，这个组合出来的地址便是0xffff0，这是处理器下一条待执行指令的地址。这与上面所说的BIOS入口地址是吻合的。另外，因为cs和ip寄存器中存储的是下一条要执行的指令，目前还没有执行，也就是说，当前还没有执行BIOS，这是机器刚开机的那一刻。这一刻还是值得庆祝的，因为即使是计算机行业的同学都很少看到这一刻，何况我们让这一刻停了下来，成为永恒。
按理说，既然让CPU去执行0xFFFF0处的内容（目前还不知道其是指令，还是数据），此内容应该是指令才行，否则这地址处的内容若是数据，而不是指令，CPU硬是把它当成指令来译码的话，一定会弄巧成拙铸成大错。现在咱们又有了新的推断，物理地址0xFFFF0处应该是指令，继续探索。
继续看第二个框框，里面有条指令jmp far f000：e05b，这是条跳转指令，也就是证明了在内存物理地址0xFFFF0处的内容是一条跳转指令，我们的判断是正确的。那CPU的执行流是跳到哪里了呢？段基址0xf000左移4位+0xe05b，即跳向了0xfe05b处，这是BIOS代码真正开始的地方。
第三个框框cs：f000，其意义是cs寄存器的值是f000，与我们刚刚所说的加电时强制将cs置为f000是吻合的，正确。
接下来BIOS便马不停蹄地检测内存、显卡等外设信息，当检测通过，并初始化好硬件后，开始在内存中0x000～0x3FF处建立数据结构，中断向量表IVT并填写中断例程。
好了，终于到了接力的时刻，这是这场接力赛的第一棒，它将交给谁呢？咱们下回再说。
2.2.3 为什么是0x7c00
计算机执行到这份上，BIOS也即将完成自己的历史使命了，完成之后，它又将睡去。想到这里，心中不免一丝忧伤，甚至有些许挽留它的想法。可是，这就是它的命，它生来被设计成这样，在它短暂的一生中已经为后人创造了足够的精彩。何况，在下一次开机时，BIOS还会重复这段轮回，它并没有消失。好了，让伤感停止，让梦想前行。
先说重点，BIOS最后一项工作校验启动盘中位于0盘0道1扇区的内容。
在此插播一段小告示：在计算机中是习惯以0作为起始索引的，因为人们已经习惯了偏移量的概念，无论是机器眼里和程序员眼里，用“相对”的概念，即偏移量来表示位置显得很直观，所以很多指令中的操作数都是用偏移量表示的。0盘0道1扇区本质上就相当于0盘0道0扇区。为什么称为1呢，因为硬盘扇区的表示法有两种，我们描述0盘0道1扇区用的便是其中的一种：CHS方法，即柱面Cylinder 磁头Header 扇区Sector（另外一种是LBA方式，暂不关心），“0盘”说的是0磁头，因为一张盘是有上下两个盘面的，一个盘面上对应一个磁头，所以用磁头Header来表示盘面。“0道”是指0柱面，柱面Cylinder指的是所有盘面上、编号相同的磁道的集合，形象一点描述就是把很多环叠摞在一起的样子，组合在一起之后是一个立体的管状。“1扇区”才是我们要解释的部分，将磁道等距划分成一段段的小区间，由于磁道是圆形的，确切地说是圆环，这些被划分出来的小区间便是扇形，所以称为扇区。好了，背景交待完了，重点来了，在CHS方式中扇区的编号是从1开始的，不是0，不是0，原谅我说了两次，良苦用心你懂的，所以0盘0道1扇区其实就相当于0盘0道0扇区，它就是磁盘上最开始的那个扇区。而LBA方式中，扇区编号是从0开始的。关于硬盘的知识我会在以后章节专门来讲，这里我若没表达清楚，大家先不要着急，只要知道MBR所在的位置是磁盘上最开始的那个扇区就行了。
继续说，如果此扇区末尾的两个字节分别是魔数0x55和0xaa，BIOS便认为此扇区中确实存在可执行的程序（在此先剧透一下，此程序便是久闻大名的主引导记录MBR），便加载到物理地址0x7c00，随后跳转到此地址，继续执行。
这里有个小细节，BIOS跳转到0x7c00是用jmp 0：0x7c00实现的，这是jmp指令的直接绝对远转移用法，段寄存器cs会被替换，这里的段基址是0，即cs由之前的0xf000变成了0。
如果此扇区的最后2个不是0x55和0xaa，即使里面有可执行代码也无济于事了，BIOS不认，它也许还认为此扇区是没格干净呢。
不过，这就又抛出两个问题。
（1）为什么是0盘0道1扇区的内容？
（2）为什么是物理地址0x7c00，而不是个好记或好看的其他地址？
先回答第1个，我想这个问题不用官方解释了，因为官方确实没什么好说的，不过他们出于尊重客户，还是会像我一样说出类似下面的话。
我就个人观点给大家一个理由，未经核实，仅是自己一面之词，请大家提高警惕，小心谨慎^—^。
在计算机中处处充满了协议、约定，所以，将0盘0道1扇区作为mbr的栖身之地，我完全可以理解为规定。我们反证一下，如果不存在这个“规定”，会发生什么。当然，此扇区最初是给BIOS使用的，咱们设想一下BIOS的工作将变成怎样。
主引导记mbr是段程序，无论位于软盘、硬盘或者其他介质，总该有个地方保存它。Ok，现在不告诉BIOS它存储在哪个位置了。BIOS只好将所有检测到的存储设备上的每一个存储单位都翻一遍，挨个对比，如果发现该存储单位最后的两个字节是0x55和0xaa，就认为它是mbr。这就好比查字典一样，不用偏旁部首和拼音检索的方法，只能一页一页翻了。
几经花开花落，找到mbr的那一刻，BIOS满脸疲惫地说：“你是我找了好久好久的那个人”。mbr抬起经不起岁月等待的脸：“难得你还认得我，我等你等到花儿都谢了”。其实BIOS的心声是：“看我手忙脚乱的样子，你们这是要闹哪样啊。就那么512字节的内容，害我找遍全世界，我们是在跑接力赛啊，下一棒的选手我都不知道在哪里……以后让它站在固定的位置等我！”
由于0盘0道1扇区是磁盘的第一个扇区，mbr选择了离BIOS最近的位置站好了，从此以后再也不担心被BIOS骂了。
计算机中处处有固定写死的东西，还用举个例子吗？不用了吧？因为任何一个魔数都是啊，有请下一个魔数0x7c00登场。
至于0x7c00，很久之前，比我好奇心大的人查遍了Intel开发手册都没找到相关的说明。要想知道事情的来龙去脉，还是要从个人计算机的初始说起，同样是很久很久以前……
1981年8月，IBM公司生产了世界上第一台个人计算机PC 5150，所以它就是现代x86个人计算机兼容机的祖先。说到有关历史的东西，不给来点真相就感觉气场不足，图2-3所示便是IBM PC 5150，有没有感受到计算机文化底蕴呢？
既然Intel开发手册中没有相关说明，那咱们就朝其他方向找答案，换句话说，既然不是CPU的硬性规定，那很可能就是代码中写死的。为了搞清楚0x7c00是哪里来的，咱们先探索下“IBM PC 5150”的BIOS的秘密。请先深深呼吸一大口气，“0x7C00”最早出现在IBM 公司出产的个人电脑PC5150的ROM BIOS的 INT19H中断处理程序中，说了这么多定语，感觉气都喘不上来了。
通电开机之后，BIOS处理程序开始自检，随后，调用BIOS中断0x19h，即 call int 19h。在此中断处理函数中，BIOS要检测这台计算机有多少硬盘或软盘，如果检测到了任何可用的磁盘，BIOS就把它的第一个扇区加载到0x7c00。
现在应该搞清楚了为什么在x86手册里找不到它的说明了，它是属于BIOS中的规范。似乎这下好办了，既然是BIOS中的规范，那肯定是IBM PC 5150 BIOS 开发团队规定的这个数。
个人计算机肯定要运行操作系统，在这台计算机上，运行的操作系统是DOS 1.0，不清楚此系统要求的最小内存是16KB，还是32KB，反正PC 5150 BIOS研发工程师就假定其是32KB的，所以此版本BIOS是按最小内存32KB研发的。
MBR不是随便放在哪里都行的，首先不能覆盖已有的数据，其次，不能过早地被其他数据覆盖。不覆盖已有数据，这个好理解。说一下后面这个“其次”。通常，MBR的任务是加载某个程序（这个程序一般是内核加载器，很少有直接加载内核的）到指定位置，并将控制权交给它。所谓的交控制权就是jmp过去而已。之后MBR就没用了，被覆盖也没关系。我说的过早被覆盖，是指不能让mbr破坏自己，比如被加载的程序，如内核加载器，其放置的内存位置若是MBR自己所在的范围，这不就是破坏自己了吗，这就是我所说的“过早”了，怎么也得等MBR执行完才行。
重现一下当时的内存使用情况。
8086CPU要求物理地址0x0～0x3FF存放中断向量表，所以此处不能动了，再选新的地方看看。
按DOS 1.0要求的最小内存32KB来说，MBR希望给人家尽可能多的预留空间，这样也是保全自己的作法，免得过早被覆盖。所以MBR只能放在32KB的末尾。
MBR本身也是程序，是程序就要用到栈，栈也是在内存中的，MBR虽然本身只有512字节，但还要为其所用的栈分配点空间，所以其实际所用的内存空间要大于512字节，估计1KB内存够用了。
结合以上三点，选择32KB中的最后1KB最为合适，那此地址是多少呢？32KB换算为十六进制为0x8000，减去1KB(0x400)的话，等于0x7c00。这就是倍受质疑的0x7c00的由来，这下清楚了。
可见，加载MBR的位置取决于操作系统本身所占内存大小和内存布局。
我想大家现在都心痒痒了吧，说了这么久，CPU中运行的都是BIOS的代码，连自己一句代码都没跑起来呢。事不宜迟，马上写一个MBR，先让它跑起来再说。
