中科院杨立祥老师操作系统课程思考题整理（2017版）

### 操作系统启动过程及其关键技术解析 #### 一、BIOS与操作系统的启动流程 **1. BIOS与操作系统的启动顺序** 计算机启动时为何最先执行的是BIOS代码而非操作系统自身代码？ - **背景分析**：当计算机加电启动时，操作系统尚未加载到内存中，因此CPU无法直接执行操作系统代码。此时，需要一个初始程序来加载操作系统，这个程序就是BIOS（基本输入输出系统）。 - **具体解释**：BIOS在计算机启动过程中承担着初始化硬件设备、检测硬件状态等任务。它通过设置实模式下的中断向量表和服务程序，并将操作系统的引导扇区加载至0x7C00内存地址，使得操作系统能够在此基础上继续加载和执行。因此，在启动初期执行的是BIOS代码。 **2. BIOS与Bootsect的关系** - **问题**：为什么BIOS仅加载一个扇区作为引导扇区（Bootsect），而不直接加载整个操作系统？ - **解答**：BIOS仅加载第一个扇区的原因在于操作系统与BIOS之间的分工明确，即“两头约定”和“定位识别”。BIOS通过`int 0x19`中断服务程序加载引导扇区，并将其置于0x7C00内存地址处。由于BIOS不知道操作系统具体占用多少扇区，因此只负责加载引导扇区。后续的扇区加载则由引导扇区内的bootsect代码负责。这种设计有利于简化BIOS的复杂性，同时也增加了操作系统的灵活性。 **3. BIOS将bootsect加载到0x07c00的原因** - **原因分析**：BIOS将引导扇区（bootsect）加载到0x07c00而不是0x00000的原因在于，BIOS需要占用从0x00000开始的部分内存空间来构建中断向量表和BIOS数据区。0x07c00处的位置是BIOS预先设定好的，用作引导扇区的加载位置。 - **后续处理**：引导扇区加载后，系统会将其移动到0x90000内存地址。这主要是因为操作系统开始根据自己的需求安排内存空间，同时避免覆盖BIOS预留的内存区域。 #### 二、启动过程中的程序衔接 **4. bootsect、setup与head程序之间的衔接** - **bootsect与setup**：bootsect程序执行完毕后，会通过`jmpi 0, SETUPSEG;`指令跳转到setup程序。这里，`SETUPSEG`通常是指0x90200，即setup程序所在的内存段地址。 - **setup与head**：setup程序的主要任务是将内核移动到内存的0x00000处，并设置好保护模式下的环境。完成后，通过`jmpi 0, 8`指令跳转到head程序。这里8是一个选择符，指向GDT（全局描述符表）中的第二项，用于确定代码段的基地址和限界。 **5. setup程序中jmpi 0,8的含义** - **内在含义**：`jmpi 0, 8`指令中的8不是一个简单的阿拉伯数字，而是一个段选择符。其二进制形式为1000，其中00代表内核特权级，0代表GDT表，1指示根据GDT中的第2项来确定代码段的基址和限界等信息。 - **具体作用**：通过这种方式，CPU将跳转到以GDT第2项中的base_addr为基地址、偏移量为0的位置执行代码，即head程序的起始位置。这里使用了保护模式下的段选择符。 #### 三、保护模式的关键技术 **6. 保护模式的意义及其作用** - **保护内容**：保护模式的核心功能是对进程地址空间进行保护，防止非法访问和覆盖。 - **具体表现**： - 在保护模式下，CPU寻址方式发生变化，需要依赖于GDT获取代码或数据段的基址。 - GDT提供了段限界，防止代码或数据段的访问超出其限定范围。 - 不同特权级之间的访问受到严格的控制，以确保系统的安全性和稳定性。 - 分页机制进一步增强了保护作用，每个页面有自己的权限位，可以指定读写权限或执行权限。 BIOS与操作系统的启动过程涉及多个关键环节和技术点，包括BIOS的初始化、引导扇区的加载、不同程序间的衔接以及保护模式下的安全性保障等。这些技术不仅确保了操作系统的顺利启动，也提高了系统的稳定性和安全性。