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BIOS启动过程分析

简介: 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。
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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

术语或缩写

描述

BIOS

基本输入/输出系统

CMOS

保存系统当前的硬件配置情况和用户的设定参数

POST

Power on self test 加电自检

 

 

 

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    AMIAWARDPHONIX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:

1POST

加电自检,检测CPU各寄存器、计时芯片、中断芯片、DMA控制器等

2Initial

枚举设备,初始化寄存器,分配中断、IO端口、DMA资源等

3Setup

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 10hINT 13hINT 15h等,提供给操作系统或应用程序调用。

5)启动自举程序

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 10hINT 13hINT 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 13hBIOS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:

1INT 13HAH=00H 软、硬盘控制器复位;

2INT 13HAH=02H 读扇区说明;

3INT 13HAH=03H 写扇区;

4INT 13HAH=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001扇区的内容到0:200

mov ax,0                     /* 初始化ax寄存器为0 */

mov es,ax                    /* es置为0 */

mov bx,200h        /* 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A1:软驱B;硬盘从80h开始,

80h:硬盘C81h:硬盘D

esbx指向接收从扇区读入数据的内存区

返回参数:

操作成功:ah=0al=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
文本
  01H       40×25    16
文本
  02H       80×25    16
文本
  04H       320×200   4

  05H       320×200   4

  06H       640×200   2

  07H       80×25     2
文本
  08H       160×200  16

  09H       320×200  16

  0AH       640×200   4

  0BH      
保留
  0CH      
保留
  0DH       320×200  16

  0EH       640×200  16

  0FH       640×350   2
色(单色)
  10H       640×350   4

  11H       640×480   2

  12H       640×480  16

  13H       320×200 256

 

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

ZF=0

AL=字符码

AH=扫描码

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  AH0         ; 读字符功能
INT
  16H          ; 键盘BIOS调用

 

5.4    debug工具获取中断例程的内存地址

DOS模式下,进入DEBUG,输入

a100

int 10

t=100

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_Tb1BIOS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。

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AWARDBootrom.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:

              xor  dx,dx

              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

[U1] 

              xor  ax,ax

              int    13h                             ; reset disk

[U2] 

              mov ax,0201h              ; read boot record

              int    13h                             ; read disk

              jc    short Boot_fail

[U3] 

              call  Check_Boot_Record  ; check boot sector valid ?

              jc    short Boot_fail             ; invalid boot sector.

              jmp far ptr Boot               ; go to boot code

[U4] Boot_Fail:

              lea   ax,Bad_Disk_Msg       ; boot failed

              mov cx,Bad_Disk_Msg_Len

              call  Disk_Fail_Routine

[U5]         xor  ax,ax                           ; g_ram

              jmp short new_dsk

[U6] 

 

 

Disk_Fail_Routine:

 

              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

[U7] 

       ;wait for "Enter" key to continue

endless:

              xor  ah,ah                           ;wait ENTER key

              int    16h

              cmp ah,1ch

              jne   short endless

 

              ret

[U8] 

流程图如下:

 

7       参考资料

1AMIAWARDBIOS源码

2grub-0.97.tar.gz源码

3AMI BIOS98 User Guide

4AMI 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

Google

 [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。

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就职于阿里云数据库团队,花名云智,高级技术专家。此前从事过8年左右的信息安全产品的研发,涉及运维安全、网络安全和数据库安全等方向。对开源软件和技术,分布式系统、数据库和安全领域感兴趣。当前致力于构建高可用、高可靠、安全、稳定、大规模的云数据库系统,为用户提供开箱即用的数据库服务。
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