详解计算机启动步骤
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# 引言
近期比较忙碌，本系列的文章依然是在持续更新，而本文将从宏观的角度来探讨一下计算机的启动过程，希望对你有所启发。
Hi，我是 sharkChili ，是个不断在硬核技术上作死的 java coder ，是 CSDN的博客专家 ，也是开源项目 Java Guide 的维护者之一，熟悉 Java 也会一点 Go ，偶尔也会在 C源码 边缘徘徊。写过很多有意思的技术博客，也还在研究并输出技术的路上，希望我的文章对你有帮助，非常欢迎你关注我的公众号： 写代码的SharkChili 。
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# 详解计算机启动步骤
# 硬件初始化和POST自检
众所周知，CPU的基本工作流程无非是：
- 提取指令电路提取指令
- 解析指令电路进行指令解析
- 执行电路执行指令
- 回写电路负责将数据回写
计算机启动通电后，所有的电路都会重置到已知的初始状态。主板芯片组会向CPU发送重置信号，CPU将寄存器设置为预定义的初始值。随后CPU开始执行固化在BIOS/UEFI芯片中的程序，首先进行POST（Power-On Self-Test）自检过程，检测内存、CPU、显卡等关键硬件是否正常工作。期间如果存在报错就会将错误写入到EAX中，所以操作系统启动时会查看EAX是否非0
在实模式下，CPU需要从内存中加载必要的启动数据。由于此时还处于实模式（Real Mode），CPU访问内存使用的是物理地址，通过段地址+偏移地址的方式进行寻址。MMU（内存管理单元）在保护模式下才会启用，而启动初期CPU工作在实模式下。
16位寄存器的段+偏移寻址方式计算步骤如下：
- 段寄存器为16位，可以表示0-65535个段
- 偏移地址为16位，每个段内可以寻址0-65535个字节
- 8086处理器有20根地址线，物理地址通过段地址左移4位（乘以16）加上偏移地址计算得出
- 物理地址 = 段地址 × 16 + 偏移地址
- 最大寻址空间 = 0xFFFF × 16 + 0xFFFF = 0x10FFEF，但由于8086处理器只使用20根地址线，所以实际可寻址空间是2^20 = 1,048,576字节 = 1MB
而1MB的内存空间，难免显得有些局促。
# BIOS启动和CS:IP执行
完成硬件初始化后，内存中还没有操作系统数据。BIOS芯片中的程序被映射到内存的固定地址空间，CPU根据预设的CS:IP寄存器值获取第一条要执行的指令。在8086处理器中，CPU复位后CS寄存器被设置为0xFFFF，IP寄存器被设置为0x0000，因此第一条指令的物理地址为0xFFFF0，这正好指向BIOS芯片映射的地址。
CPU从这个地址开始执行BIOS程序，BIOS程序的第一条指令通常是跳转指令（jmp），跳转到BIOS程序的主要执行部分，然后：
- 继续进行硬件检测和初始化
- 初始化中断向量表IVT（Interrupt Vector Table，实模式下的中断表）
在多核系统中，通常1号CPU作为引导处理器（Bootstrap Processor, BSP）进行必要的初始化工作。BIOS程序完成硬件检测后，会根据启动顺序查找可启动设备。当找到硬盘等启动设备后，BIOS会加载硬盘的第一个扇区（主引导记录MBR）到内存的0x7C00地址处。MBR是硬盘的0磁头0柱面1扇区，大小为512字节。
为了确保MBR的有效性，BIOS会检查MBR的最后两个字节是否为0x55和0xAA（称为引导签名），这是MBR有效的标志。如果验证通过，BIOS将控制权转移给MBR中的引导代码，开始操作系统的加载过程。
# 切换到保护模式和多核启动
当引导加载程序完成操作系统内核的加载后，会切换CPU到保护模式（Protected Mode）。在保护模式下，CPU可以访问更大的内存空间，并启用内存管理单元（MMU）。
切换到保护模式的过程包括：
- 初始化全局描述符表（GDT）
- 设置控制寄存器CR0的PE位（Protection Enable）
- 初始化页目录和页表
- 启用分页机制
完成保护模式切换和MMU初始化后，CPU和内存的交互进入新的阶段。在多核系统中，引导处理器（BSP）完成初始化后，会通过特定的协议（如APIC）唤醒其他核心CPU，使它们开始并行工作。
# 小结
来简单小结一下计算机的启动过程：
- CPU通电后进行必要的检查和寄存器重置，开始执行BIOS程序
- BIOS进行POST自检和硬件初始化，然后加载MBR到内存
- MBR中的引导代码加载操作系统内核
- 操作系统内核初始化，切换到保护模式并启用MMU
- 引导处理器唤醒其他CPU核心，开始多核并行工作
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# 参考
《趣话计算机底层技术》
