0.引言

我们的实验在QEMU上模拟操作系统。QEMU是纯软件实现的虚拟化模拟器，几乎可以模拟任何硬件设备。我们最熟悉的就是能够模拟一台能够独立运行操作系统的虚拟机。虚拟机认为自己和硬件打交道，但其实是和 Qemu 模拟出来的硬件打交道，Qemu 将这些指令转译给真正的硬件。简而言之，就是QEMU帮我们模拟了一个虚拟的计算机硬件，而我们要实现的操作系统就在QEMU模拟的硬件上运行。

1-1 计算机的物理地址空间

第一代PC基于16位Intel 808处理器，只能寻址1MB的物理内存。所以早期PC的物理地址空间将从0x00000000开始，到0x000FFFFF结束，而不是0xFFFFFFFF（32位）。标记为Low Memory的640KB空间是早期PC能够使用的唯一随机访问内存（RAM）。

从0x000A0000到0x000FFFFF的384KB区域（也就是640KB到1MB之间的区域）由硬件预留，用于特殊用途，如视频显示缓冲区（显存）和一些系统固件。这个保留区域中最重要的部分是Basic Input/Output System (BIOS)（硬件厂商在硬件上自带的一段启动的代码），它占用了从0x000F0000到0x000FFFFF的64KB区域。

在早期的PC中，BIOS保存在真正的只读存储器（ROM）中，但现在的PC将BIOS存储在可更新的闪存中。 BIOS主要负责对系统进行基本的初始化操作，如激活显卡、检查内存安装量等。 执行这个初始化之后，BIOS从一些适当的位置（比如硬盘）加载操作系统，并将机器的控制权传递给操作系统。

随着技术的发展，Intel最终使用80286和80386处理器突破了1MB的寻址，它们分别支持16MB和4GB的物理地址空间，但PC架构师仍然保留了原始的1MB物理地址空间布局，以确保与现有软件的向后兼容性。因此，现代pc在物理内存中有一个从0x000A0000到0x00100000的一个洞，将RAM划分为 “low memory” 或 “conventional memory” （前640KB）和 “extended memory” （其他的部分）。

无论技术如何发展，BIOS的设置被保留了下来。（当然2010年之后的计算机大部分升级成了UEFI启动，UEFI可以看作BIOS的优化升级版。我们的实验还是会从BIOS入手，这足够我们了解计算机启动的过程了，而且现在考研还是考BIOS的知识点。如果你对UEFI和BIOS的区别感兴趣，可以参考这篇知乎专栏。）当计算机的开机键被按下，一切都是从运行BIOS开始的。

1-2 计算机的启动过程

所以说，不管是i386(采用intel 80386架构)还是之前的芯片，在加电后的第一条指令都是跳转到BIOS固件进行开机自检，然后将磁盘的主引导扇区中的内容加载到内存0x7c00的位置，然后跳转到这里。

1-2-1 主引导扇区

主引导扇区，Master Boot Record，简称MBR，是磁盘里的第0个扇区。MBR占一个扇区，共512字节。

MBR里面的内容一般是一段可执行的指令，我们常常叫做Bootloader，大概翻译过来就叫启动加载器。从名字就可以看出，它的主要用途是把真正的操作系统加载到内存中，然后把控制权交给OS。

（注意在后面的讲义中为了方便，在表述上不再区分MBR和bootloader）

MBR的最后两字节是魔数0x55和0xaa，作用是告诉BIOS：这里是MBR，你找对了。把我加载上去就可以启动操作系统了。

有了这个魔数，BIOS就可以很容易找到可启动设备了：BIOS依次将设备的首扇区加载到内存0x7c00的位置，然后检查末尾两个字节是否为 0x55和0xaa如果成功找到了魔数，BIOS将会跳到 0x7c00 的内存位置，执行刚刚加载的启动代码，这时BIOS已经完成了它的使命，剩下的启动任务就交给 MBR了；如果没有检查到魔数，BIOS将会尝试下一个设备；如果所有的设备都不是可启动的， BIOS就会抱怨：找不到启动设备。

有关于这一点，可以用 sudo head -c 512 /dev/sda | hd 看一看自己Linux的MBR长什么样。 （不过我在WSL跑这个没用，虚拟机可以跑，原因在于虚拟机开机硬件的工作是由主机通过软件模拟的） 至于为什么是0x7c00这个地址，可以参考这个地址。

1-2-2 QEMU小实验

我们准备了一个简单的MBR，可以用下面这两条指令下载并解压：

$ wget  wget https://git.nju.edu.cn/nju-se-oslab/oslab2025autumn/-/wikis/assets/mbr.zip
$ unzip mbr.zip -d mbr

注意：这个小实验和框架代码是完全无关的，建议把它放在和框架代码不同的文件夹。

解压并进入文件夹之后，首先用make指令把它编译出来，然后make qemu用QEMU打开它，可以看到在终端打印出了Hello, World!

但是我们要研究的是QEMU里的启动过程，所以我们先按Ctrl+C把之前那个关掉，然后用make qemu-gdb打开。

看Makefile可以发现相比之前加了-S和-s两个参数，前者是要求QEMU在启动时停住便于我们调试，后者是开了个端口让GDB可以连接，可以通过man qemu-system-i386来看QEMU手册来了解这些内容。

接下来是再打开一个终端（别把之前的那个关了），用make gdb打开GDB并连接到QEMU，可以看到[f000:fff0] 0xffff0: ljmp $0xf000,$0xe05b，这就是QEMU开机的第一条指令，最前面的f000是现在CS段寄存器的值，fff0就是IP寄存器的值。但是，IP应该是EIP的低16位，而0xf000似乎这个CS地址太大了…