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
2 基本概念2.1 BIOSBIOS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 CMOSCMOS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 显示模式 显示模式属性
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:
调用方法: MOV AH,0 ; 读字符功能
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。
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. |
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