操作系统是计算机系统的核心组成部分,它负责管理系统的硬件资源和软件资源,为用户提供友好的接口和服务。在计算机启动过程中,操作系统加载的过程是一个复杂而关键的环节。以下是对题目中提到的知识点的详细解释:
1. BIOS(基本输入输出系统)在启动时首先执行,是因为在计算机加电后,BIOS是固件中最先被执行的一段代码,它存储在主板的ROM中,负责初始化硬件设备,包括CPU、内存、硬盘等,并将控制权交给操作系统。由于在启动时操作系统还未加载到内存,因此需要BIOS来完成这一任务。
2. BIOS仅加载第一个扇区(主引导记录,MBR)的代码,这是由于历史原因和效率考虑。MBR通常包含一个引导加载器(bootloader),如bootsect,它的职责是加载其余的操作系统扇区。BIOS不加载所有扇区是因为它只需要加载足够的代码来继续加载过程,这样做可以减少启动时间,同时允许操作系统自身决定如何加载剩余部分,提高了灵活性。
3. BIOS将bootsect加载到0x07c00而不是0x00000是因为0x00000-0x003FF这段内存已经被保留给中断向量表(Interrupt Vector Table, IVT)。0x07c00是一个约定的位置,之后移动到0x90000是为了避免操作系统初始化过程覆盖启动扇区的数据,并为后续的系统加载提供更大的内存空间。
4. bootsect、setup和head是操作系统加载过程中的三个关键步骤。bootsect加载setup和系统模块,然后跳转到setup执行。setup会将操作系统核移动到0x00000,并进入保护模式。之后,通过GDT(全局描述符表)的设置,跳转到head执行。这些步骤确保了从实模式到保护模式的平滑过渡,并加载了必要的数据和控制结构。
5. 在setup程序中使用CLI(Clear Interrupt Flag)指令是为了关闭中断处理,因为在从实模式切换到保护模式的过程中,中断描述符表(IDT)的更新尚未完成,为了避免在此期间出现中断引发的错误,关闭中断是必要的。
6. 在jmpi 0,8指令中,8是段选择符,而非简单的数字8。在保护模式下,段选择符包含了段索引、特权级和描述符类型等信息,它指定了代码段的地址和权限,而不是直接的内存地址。
7. A20门(A20 Gate)的开启与保护模式的启用密切相关,但它们是两个不同的概念。A20门是CPU寻址的关键,打开A20允许访问超过1MB的内存,而打开PE(Protection Enable)则是启用保护模式,允许使用32位地址和内存保护机制。在32位操作系统中,尽管理论上可以访问4GB内存,但如果不开启A20,仍受限于1MB+64KB的寻址范围。因此,开启A20对于32位操作系统是必要的,即使它已经打开了PE。
这些知识点揭示了计算机从开机到操作系统接管控制的复杂流程,涉及到硬件初始化、内存管理、模式转换等多个方面,是理解操作系统工作原理的基础。