1 引言
1.1 文档目的
对于电脑用户来说，打开电源启动电脑几乎是每天必做的事情，但计算机在显示这些启动画面的时候在做什么呢？大多数用户都未必清楚了。下面就向大家介绍一下从打开电源到出现Linux的登录窗口，计算机到底干了些什么工作，BIOS在其中起到什么作用。
电脑的启动过程中有一个非常完善的硬件自检机制。对于采用Award BIOS的电脑来说，它在上电自检那短暂的几秒钟里，就可以完成100多个检测步骤。
1.2 术语和缩写
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术语或缩写 |
描述 |
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BIOS |
基本输入/输出系统 |
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CMOS |
保存系统当前的硬件配置情况和用户的设定参数 |
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POST |
Power on self test， 加电自检 |
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2 基本概念
2.1 BIOS
BIOS即基本输入/输出系统，它是被固化在计算机ROM芯片上的一组程序。它是微机系统软、硬件之间的一个可编程接口，通过跳线开关和系统配带的驱动程序盘，可以对ROM进行重写，方便地实现BIOS升级。
2.2 CMOS
CMOS是一块可读写的RAM芯片，保存系统当前的硬件配置情况和用户的设定参数；BIOS中装有一个程序称为“系统设置程序”，设置CMOS中的参数；CMOS由电池供电，断电后数据会丢失；前16字节用于存储时间
2.3 AMI、AWARD和PHONIX三大主流厂商
开发BIOS是一件技术含量很高的工作，从业人员也少；一流主板厂商的BIOS研发人员，年薪往往是以七位数字来计算的！
3 BIOS主要功能
BIOS的主要功能概括来说包括如下几部分：
1）POST
加电自检，检测CPU各寄存器、计时芯片、中断芯片、DMA控制器等
2）Initial
枚举设备，初始化寄存器，分配中断、IO端口、DMA资源等
3）Setup
进行系统设置，存于CMOS中。一般开机时按Del或者F2进入到BIOS的设置界面。
4）常驻程序
INT 10h、INT 13h、INT 15h等，提供给操作系统或应用程序调用。
5）启动自举程序
在POST过程结束后，将调用INT 19h，启动自举程序，自举程序将读取引导记录，装载操作系统。
4 BIOS源代码结构分析
4.1 AMI BIOS代码结构分析
AMI BIOS的代码主要分成三大部分：核心代码、芯片代码和OEM代码。
核心代码目录结构如下：
4.2 AWARD BIOS代码结构分析
AWARD BIOS的源代码为进行目录分类，所有的源码、编译链接工具、生成的中间文件都在同一个目录中。没有AMI代码结构组织得好。
5 BIOS常驻程序介绍
开机自检程序运行完后，将撤出内存。BIOS提供了一组常驻程序，主要包括INT 10h，INT 13h，INT 15h等等中断服务例程，提供给操作系统或应用程序调用，下面介绍几个常用的中断服务例程。X86提供了256个中断，中断向量表在内存的起始地址1024byte上，每个中断向量地址占用4个字节。
5.1 INT 13h中断例程
INT 13h为BIOS提供的对磁盘进行操作的中断例程，包括如下几种调用方式：
1）INT 13H，AH=00H 软、硬盘控制器复位；
2）INT 13H，AH=02H 读扇区说明；
3）INT 13H，AH=03H 写扇区；
4）INT 13H，AH=04H 检测扇区；
以上调用方法详细的说明请参考相关技术文档。
举例：读取软驱0面0道1扇区的内容到0:200
mov ax,0 /* 初始化ax寄存器为0 */
mov es,ax /* 将es置为0 */
mov bx,200h /* 将bx设置为200h ，此时es:dx = 0:200，为内存地址*/
mov al,1 /* al保存扇区数 */
mov ch,0 /* ch保存磁道号 */
mov cl,1 /* cl保存扇区号 */
mov dl,0 /* dl保存驱动器，0表示软驱A */
mov dh,0 /* dh保存磁头号 */
mov ah,2 /* ah保存int13要调用的功能号，2表示读 */
int 13h /* 调用int13中断 */
入口参数：
ah=int 13h的功能号
al=读取的扇区数
ch=磁道号
cl=扇区号
dh=磁头号（对于软盘即面号，因为一个面用一个磁头来读写）
dl=驱动器号 软驱从0开始，0：软驱A，1：软驱B；硬盘从80h开始，
80h：硬盘C，81h：硬盘D。
es：bx指向接收从扇区读入数据的内存区
返回参数：
操作成功：ah=0，al=读入的扇区数
操作失败：ah=出错代码
5.2 INT 10h中断例程
屏幕I/O接口，切换各文字/图形模式，提供显示/绘图卷页服务。详细的调用方法可以参考相关的文档。例如00号功能：
功能号：00H
功能：设置显示模式
入口参数：AH=00H
AL=显示模式
显示模式列表:
显示模式 显示模式属性
00H 40×25 16色 文本
01H 40×25 16色 文本
02H 80×25 16色 文本
04H 320×200 4色
05H 320×200 4色
06H 640×200 2色
07H 80×25 2色 文本
08H 160×200 16色
09H 320×200 16色
0AH 640×200 4色
0BH 保留
0CH 保留
0DH 320×200 16色
0EH 640×200 16色
0FH 640×350 2色（单色）
10H 640×350 4色
11H 640×480 2色
12H 640×480 16色
13H 320×200 256色
5.3 INT 16h中断例程
BIOS提供的键盘读取中断服务，功能如下表：
|
AH |
功能 |
返回参数 |
|
0 |
从键盘读一字符 |
AL=字符码 AH=扫描码 |
|
1 |
读键盘缓冲区的字符 |
如ZF=0 AL=字符码 AH=扫描码 如ZF=1，缓冲区空 |
|
2 |
取键盘状态字节 |
AL=键盘状态字节 |
调用方法：
MOV AH，0 ; 读字符功能
INT 16H ; 键盘BIOS调用
5.4 用debug工具获取中断例程的内存地址
在DOS模式下，进入DEBUG，输入
a100
int 10
t=100
得 0210:08A9
int 10h的中断服务程序入口地址存放在中断向量表中的物理地址是0000:0040H~0043H，指向CS:IP(0210:08A9)，如下图执行结果：
6 启动过程分析
6.1 Linux系统开机启动的总体流程
6.2 BIOS启动过程概述
BIOS启动的过程主要包括POST过程和自举过程，其流程和执行指令地址的变化如下：
6.3 POST过程分析
POST过程在AWARD BIOS的源码中在BOOTROM.ASM文件中BootBlock_POST函数过程中实现，主要步骤如下：
1）初始化各种主板芯片组
2）初始化键盘控制器8042
3）初始化中断向量 ，中断服务例程.
4）初始化 VGA BIOS 控制器
5）显示BIOS的版本和公司名称
6）扫描软驱和各种介质容量
7）读取CMOS的启动顺序配置，并检测启动装置是否正常
8）调用INT 19h启动自举程序
以上每个过程都有大量的代码，在这不一一做仔细分析，请参考源代码。下面对第三步源码做一些分析。
6.4 中断向量表初始化过程源码分析
中断向量表存储在内存的第一个1k空间里，本节主要分析AWARD BIOS中中断向量服务例程的初始化过程。
;[]==============================================================[]
;
; Initialize int. vectors (0-77h) to the spurious interrupt
; handler. Then initialize 00h-1fh to their proper places.
;
;[]==============================================================[]
POST_CODE 12
mov ax,cs
mov ds,ax
;
; Initialize vectors 00-77h to SPURIOUS_INT_HDLR
; 。。。。。。
。。。。。。
。。。。。。
;
; Initialize vectors 00-1fh to the real handlers
;
lea si,DGROUP:Int_Tbl
p10_21:
lodsb ;load next offset
cmp al,0ffh ;over?
je short Init_Vect_Over ;Yes,skip
movzx di,al ;get vector number
shl di,2 ;set to coresspond offset
movsw ;load offset from DS:[SI]
mov ax,cs ;get segment
stosw ;load segment
jmp short p10_21 ;next cycle
Init_Vect_Over:
mov al,10111100b ;Enable IRQ 0,1,6
out a8259+1,al
sti
看以上蓝色部分代码，为初始化中断服务例程，红色部分Int_Tb1为BIOS定义的中断服务例程列表，用于替换相应的中断服务。Int_Tb1的定义如下：
INT_TBL: db 2 ; INT02
DW OFFSET DGROUP:NMI_VECT ; INT02 offset
db 6 ; INT06
DW OFFSET DGROUP:LOADALL ; INVALID OP-CODE
db 8 ; INT08
DW OFFSET DGROUP:TIMER_VECT ; INT08 offset
db 9 ; INT09
DW OFFSET DGROUP:KBDINT_VECT ; INT09 offset
db 0eh ; INT0E
DW OFFSET DGROUP:DSKINT_VECT ; INT0E offset
db 11h ; INT11
DW OFFSET DGROUP:EQ_VECT ; INT11 offset
db 12h ; INT12
DW OFFSET DGROUP:MEM_SZ_VECT ; INT12 offset
db 13h ; INT13
DW OFFSET DGROUP:DSK_VECT ; INT13 offset
db 15h ; INT15
DW OFFSET DGROUP:Multi_Service ; INT15 offset
db 16h ; INT16
DW OFFSET DGROUP:KBD_VECT ; INT16 offset
db 19h ; INT19
DW OFFSET DGROUP:INT19_VECT ; INT19 offset
db 1Ah ; INT1A
DW OFFSET DGROUP:INT1A_VECT ; INT1A offset
db 1Eh ; INT1E
DW OFFSET DGROUP:FD_BIOS_PARMS ; INT1E offset
db 0ffh ; over
中断服务例程对应的函数也在Bootrom.asm文件中有实现。替换的中断服务例程总结如下。
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中断号 |
BIOS中断例程 |
属性 |
备注 |
|
INT02 |
NMI_VECT |
硬中断 |
None Maskable Interrupt，不可屏蔽中断 |
|
INT06 |
LOADALL |
错误中断 |
非法，不支持的指令 |
|
INT08 |
TIMER_VECT |
硬中断 |
IRQ0，系统定时器中断 |
|
INT09 |
KBDINT_VECT |
硬中断 |
IRQ1，键盘中断 |
|
INT0E |
DSKINT_VECT |
硬中断 |
IRQ6，软盘驱动器读写中断 |
|
INT11 |
EQ_VECT |
软中断 |
PC外围设备检查 |
|
INT12 |
MEM_SZ_VECT |
软中断 |
PC主存储器大小检查 |
|
INT13 |
DSK_VECT |
软中断 |
磁盘I/O接口（读写、复位等） |
|
INT15 |
Multi_Service |
软中断 |
卡带接口服务程序，AT扩展中断服务调用，程序多任务 |
|
INT16 |
KBD_VECT |
软中断 |
键盘读取服务程序 |
|
INT19 |
INT19_VECT |
软中断 |
激活操作系统的入口点 |
|
INT1A |
INT1A_VECT |
软中断 |
BIOS时间接口 |
|
INT1E |
FD_BIOS_PARMS |
软中断 |
软盘驱动器参数地址表 |
AWARD的其他中断服务调用未在BIOS中指定服务例程。
6.5 自举过程源码分析
自举过程即为执行中断INT19的中断服务例程INT19_VECT的过程，该过程在AWARD的Bootrom.asm文件中实现，其主要功能为读取操作系统启动块，将其读入到内存0000:7C00h，并跳转至此处执行。下面分析一下操作系统启动块MBR是如何从磁盘中读取到内存0000:7C00h处的。
new_dsk:
mov es,dx ; set to load at 0:offset Boot
mov bx,offset Boot ; location to load boot sector
mov cx,1 ; set to read one sector
int 13h ; reset disk
mov ax,0201h ; read boot record
int 13h ; read disk
jc short Boot_fail
call Check_Boot_Record ; check boot sector valid ?
jc short Boot_fail ; invalid boot sector.
jmp far ptr Boot ; go to boot code
lea ax,Bad_Disk_Msg ; boot failed
mov cx,Bad_Disk_Msg_Len
call Disk_Fail_Routine
jmp short new_dsk
mov dx,0ff01h
call Display_Str
;Beep out if no bootable media
mov bl,2 ; beep on override
mov cx,1700h
call SND_SPKR_TONE
xor cx,cx
loop short $
mov bl,5 ; beep on override
mov cx,3000h
call SND_SPKR_TONE
;wait for "Enter" key to continue
endless:
xor ah,ah ;wait ENTER key
int 16h
cmp ah,1ch
jne short endless
ret
流程图如下：
7 参考资料
1）AMI和AWARD的BIOS源码
2）grub-0.97.tar.gz源码
3）AMI BIOS98 User Guide
4）AMI BIOS98 Technical Reference
5）《BIOS研发技术剖析》
6）网站搜索内容：
BIOS之家：www.bios.net.cn
[U1]初始化es:dx = 0000:7C00
[U2]复位磁盘
[U3]读取引导记录，失败则跳转至Boot_Fail
[U4]检查启动扇区内容是否有效，无效则跳转至Boot_Fail，有效则直接跳转至启动代码
[U5]Boot_Fail过程，初始化启动失败信息，并调用磁盘失败例程
[U6]跳转至new_dsk，重新引导
[U7]磁盘失败例程，显示启动失败信息，并发出两次报警
[U8]等待用户输入”Enter”键，并返回至调用处，即批注U6处。