好的，這似乎是好多人都特別想搞明白的一個問題，有時候非常納悶，為什麼一個看似這麼簡單的問題，就是搜不到一個直面問題的答案呢？
其一，似懂非懂的人太多，他們其實也不知道究竟發生了什麼，所以只能模糊大概地說一些教科書上的話。
其二，知道這個答案的人一定是大牛，大牛要麼不回答這個問題，要麼就不會簡單地回答這個問題。而我呢，自認為剛好處於兩者之間，現在又特別想把自己知道的分享出來，所以你在這裡找到了答案。我想當你探尋這個問題的答案時，搜到的大多數是這樣的描述：BIOS 按照「啟動順序」，把控制權轉交給排在第一位的存儲設備：硬碟。然後在硬碟裡尋找主引導記錄的分區，這個分區告訴電腦作業系統在哪裡，並把作業系統被加載到內存中，然後你就能看到經典的啟動界面了，這個開機過程也就完成了。這種描述簡直太魔幻了，為什麼是
BIOS 主導這一切？怎麼叫按照
啟動順序？這個分區咋就被
加載到內存了，又咋
告訴電腦作業系統在哪裡了？我無法忍受這樣的魔幻描述，我非要把它說得清清楚楚。首先學一個東西，一定要有一個
前置的知識，我們把它當做已知的，我不可能從原子組成分子開始講原理。那學習計算機啟動過程的前置知識是什麼呢？我要求你已知以下幾點：內存是存儲數據的地方，給出一個地址信號，內存可以返回該地址所對應的數據。CPU 的工作方式就是不斷從內存中取出指令，並執行。CPU 從內存的哪個地址取出指令，是由一個寄存器中的值決定的，這個值會不斷進行 +1 操作，或者由某條跳轉指令指定其值是多少。好了，只需要知道這三點
前置知識，你就能專業地解釋計算機的啟動過程了。一、為什麼是 BIOS 主導？都說開機後，BIOS 就開始運行自己的程序了，又硬體自檢，又加載啟動區的。我就不服了，為什麼開機後是執行 BIOS 裡的程序？為啥不是內存裡的？為啥不是硬碟裡的？好的，不要懷疑前置知識，CPU 的工作方式，就是不斷從內存中取指令並執行，那為什麼會說是執行 BIOS 裡的程序呢？這就不得不說說
內存映射了。二、內存映射
CPU 地址總線的寬度決定了可訪問的內存空間的大小。比如 16 位的 CPU 地址總線寬度為 20 位，地址範圍是 1M。32 位的 CPU 地址總線寬度為 32 位，地址範圍是 4G。你可以算算我們現在的 64 位機的地址範圍。可是，可訪問的內存空間這麼大，並不等於說全都給內存使用，也就是說尋址的對象不只有內存，還有一些外設也要通過地址總線的方式去訪問，那怎麼去訪問這些外設呢？就是在地址範圍中劃出一片片的區域，這塊給顯存使用，那塊給硬碟控制器使用，等等 。這樣說，其實就不符合我們的前置知識了，所以可以有一種不太正確的理解方式，那就是內存中的這塊位置就是顯存，那塊位置就是硬碟控制器。我們在相應的位置上讀取或者寫入，就相當於在顯存等外設的相應位置上讀取或者寫入，就好像這些外設的存儲區域，被
映射到了內存中的某一片區域一樣。這樣我們就不用管那些外設啦，關注點仍然是一個簡簡單單的內存。這就是所謂的
內存映射。太好了，現在又用簡單的前置知識就能解釋得通了，我們繼續往下推。三、實模式下的內存分布剛剛說到內存中劃分出了一片一片區域給各種外設，那麼問題自然就來了，哪塊區域，分給了哪塊外設了呢？如果是規定，那應該有一張表比較好吧。嗯沒錯，還真有，它就是實模式下的內存分布，筆者給它畫了一張圖：在這裡插入圖片描述哎喲我真是個小天使，把比例都表現出來了，網上能再找出比我這個更直觀的請給我留言。實模式之後再解釋，現在簡單理解就是計算機剛開機的時候只有 1M 的內存可用。我們看到，內存被各種外設瓜分了，即映射在了內存中。BIOS 更狠，不但其空間被映射到了內存 0xC0000 - 0xFFFFF 位置，其裡面的程序還佔用了開頭的一些區域，比如把中斷向量表寫在了內存開始的位置，真所謂先到先得啊。四、怎麼就從 BIOS 裡的程序開始執行了好了，現在我們知道 BIOS 裡的信息被映射到了內存 0xC0000 - 0xFFFFF 位置，其中最為關鍵的系統 BIOS 被映射到了 0xF0000 - 0xFFFFF 位置。假如我現在說，CPU 開機就是執行了這塊區域的代碼，然後巴拉巴拉一頓操作就開機了，你肯定要噴我了，為什麼就執行到這了呢，那咋不從頭開始執行？這就自然有了一種猜想，我們要用到另一個前置知識了，就是 CPU 從內存的哪個位置取出執行並執行呢？
是 PC 寄存器中的地址值。BIOS 程序的入口地址也就是開始地址是 0xFFFF0（人家就那麼寫的），也就是開機鍵一按下，一定有一個神奇的力量，將 pc 寄存器中的值變成 0xFFFF0，然後 CPU 就開始馬不停蹄地跑了起來。沒錯，接下來這句話，可能就是你找了很久的答案，請做好準備：
在你開機的一瞬間，CPU 的 PC 寄存器被強制初始化為 0xFFFF0。如果再說具體些，CPU 將段基址寄存器 cs 初始化為 0xF000，將偏移地址寄存器 IP 初始化為 0xFFF0，根據實模式下的最終地址計算規則，將段基址左移 4 位，加上偏移地址，得到最終的物理地址也就是抽象出來的 PC 寄存器地址為 0xFFFF0。當我在學習這段知識時，看到這句話才讓將我心裡積壓了很久的疑惑解開，多麼簡單粗暴的道理啊。寫到這裡我也是長舒了一口氣，因為剩下的過程，就幾乎只是流水帳一樣的正推了。至於怎麼強制初始化的，我覺得就越過了前置知識的邊界了，況且各個廠商的硬體實現也不一定相同，有很多辦法，也很簡單。討論起來意義就不大了。五、BIOS 裡到底寫了什麼程序好了，我們現在知道了 BIOS 被映射到了內存的某個位置，並且開機一瞬間 CPU 強制將自己的 pc 寄存器初始化為 BIOS 程序的入口地址，從這裡開始 CPU 馬不停蹄地向前跑了起來。那接下來的問題似乎也非常自然地就問出來了，那就是 BIOS 程序裡到底寫了啥？把 BIOS 程序裡的二進位信息全貼出來也不合適，我們分析一些主要的。我們首先還是來猜測，你看入口地址是 0xFFFF0，說明程序是從這執行的。實模式下內存的下邊界就是 0xFFFFF，也就是只剩下 16 個字節的空間可以寫代碼了，這夠幹啥的呢？如果你有心的話應該能猜出，入口地址處可能是個跳轉指令，跳到一個更大範圍的空間去執行自己的任務。沒錯就是這樣，0xFFFF0 處存儲的機器指令，翻譯成彙編語言是：
意思是跳轉到物理地址 0xfe05b 處開始執行（回憶下前面說的實模式下的地址計算方式）。地址 0xfe05b 處開始，便是 BIOS 真正發揮作用的代碼了，這塊代碼會檢測一些外設信息，並初始化好硬體，建立中斷向量表並填寫中斷例程。這裡的部分不要展開，這只是一段寫死的程序而已，而且對理解開機啟動過程無幫助，我們看後面精彩的部分，也就是 BIOS 的最後一項工作：加載啟動區。六、0x7c00 是啥該較真的地方就是要較真，我絕對不會讓加載這種魔幻的詞出現在這裡，我們現在就來把它拆解成人話。其實這個詞也並不魔幻，加載在計算機領域就是指，把某設備上（比如硬碟）的程序複製到內存中的過程。那加載啟動區這個過程，翻譯過來就是，BIOS 程序把啟動區的內容複製到了內存中的某個區域。好了，問題又自然出來了，啟動區是哪裡？被複製到了內存的哪個位置？然後呢？我們一個個來回答。什麼是啟動區呢？即使你不知道，你也應該能夠猜到，一定是符合某種特徵的一塊區域，於是人們把它就叫做啟動區了，那要符合什麼特徵呢？先不急，不知道你有沒有過設置 BIOS 啟動順序的經歷，通常有 U 盤啟動、硬碟啟動、軟盤啟動、光碟啟動等等，BIOS 會按照順序，讀取這些啟動盤中位於 0 盤 0 道 1 扇區的內容。至於磁碟格式的劃分，本篇就不做講解了，總之對於內存，我們給出一個數字地址就能獲取到該地址的數據，而對於磁碟，我們需要給出磁頭、柱面、扇區這三個信息才能定位某個位置的數據，都是描述位置的一種方式而已。接著說， 這 0 盤 0 道 1 扇區的內容一共有 512 個字節，如果末尾的兩個字節分別是 0x55 和 0xaa，那麼 BIOS 就會認為它是個啟動區。如果不是，那麼按順序繼續向下個設備中尋找位於 0 盤 0 道 1 扇區的內容。如果最後發現都沒找到符合條件的，那直接報出一個無啟動區的錯誤。BIOS 找到了這個啟動區之後幹嘛呢？哦，前面說過了是加載，就是把這 512 個字節的內容，一個比特都不少的全部複製到內存的 0x7c00 這個位置。怎麼複製的？當然是指令啦。哪些指令呢？這裡我只能簡單說指令集中是有 in 和 out 的，用來將外設中的數據複製到內存，或者將內存中的數據複製到外設，用這兩個指令，以及外設給我們提供的讀取方式，就能做到這一點啦。啟動區內容此時已經被 BIOS 程序複製到了內存的 0x7c00 這個位置，然後呢？這個其實也不難猜測，啟動區的內容就是我們自己寫的代碼了，複製到這裡之後，就開始執行唄，之後我們的程序就接管了接下來的流程，BIOS 的使命也就結束啦。所以複製完之後，接下來應該是一個跳轉指令吧！沒錯，正是這樣，PC 寄存器的值變為 0x7c00，指令開始從這裡執行。咦？不知道你有沒有發現，我們似乎不知不覺又把之前的一句魔法語言翻譯成人話了，開頭我們說：所以這句話是什麼意思呢？就是 BIOS 把啟動區的 512 字節複製到內存的 0x7c00 位置，並且用一條跳轉指令將 pc 寄存器的值指向 0x7c00。你看，這不是也沒多幾個字嘛，就把這個問題說得明明白白，簡簡單單。哦，對了，現在似乎就剩下一個問題了，為什麼非要是 0x7c00 呢？好問題，當然答案也很簡單，那就是人家 BIOS 開發團隊就是這樣定的，之後也不好改了，不然不兼容。為什麼不好改？我們看一個簡單的啟動區 512 字節的代碼。（代碼摘抄自《30 天自製作業系統》）; hello-os
; TAB=4
ORG 0x7c00 ;程序加載到內存的 0x7c00 這個位置
;程序主體
entry:
MOV AX,0 ;初始化寄存器
MOV SS,AX
MOV SP,0x7c00
MOV DS,AX ;段寄存器初始化為 0
MOV ES,AX
MOV SI,msg
putloop:
MOV AL,[SI]
ADD SI,1
CMP AL,0 ;如果遇到 0 結尾的，就跳出循環不再列印新字符
JE fin
MOV AH,0x0e ;指定文字
MOV BX,15 ;指定顏色
INT 0x10 ;調用 BIOS 顯示字符函數
JMP putloop
fin:
HLT
JMP fin
msg:
DB 0x0a,0x0a ;換行、換行
DB "hello-os"
DB 0x0a ;換行
DB 0 ;0 結尾
RESB 0x7dfe-$ ;填充0到512位元組
DB 0x55, 0xaa ;可啟動設備標識
這個數字就是剛剛說的啟動區加載位置，這行彙編代碼簡單說就表示把下面的地址統統加上 0x7c00。正因為 BIOS 將啟動區的代碼加載到了這裡，因此有了一個偏移量，所以所有寫啟動區代碼的人就需要在開頭寫死一個這樣的代碼，不然全都串位了。然後正因為所有寫作業系統的，啟動區的第一行彙編代碼都寫死了這個數字，那 BIOS 開發者最初定的這個數字就不好改了，否則它得挨個聯繫各個作業系統的開發廠商，說唉我這個地址改一下哈，你們跟著改改。在公司推動另一個團隊改個代碼都得大費周折，想想看這樣的推動得耗費多大人力。況且即使改了，之前的代碼也都不兼容了，這不得被人們罵死啊。這也驗證了我們之前說的這 512 字節的最後兩個字節得是 0x55 0xaa，BIOS 才會認為它是一個啟動區，才會去加載它，僅此而已。回過頭來說 0x7c00 這個值，它其實就是一個規定死的值，但還是會有人問，那必然有它的合理性吧。其實，我的解釋也只能說是人家規定了這個值，後人們替他們解釋這個合理性，並不是說當初人家就一定是這樣想的，就好比我們做語文的閱讀理解題一樣。第一個 BIOS 開發團隊是 IBM PC 5150 BIOS，當時被認為的第一個作業系統是 DOS 1.0 作業系統，BIOS 團隊就假設是為它服務的。但作業系統還沒出，BIOS 團隊假設其作業系統需要的最小內存為 32 KB。BIOS 希望自己所加載的啟動區代碼儘量靠後，這樣比較「安全」，不至於過早的被其他程序覆蓋掉。可是如果僅僅留 512 字節又感覺太懸了，還有一些棧空間需要預留，那擴大到 1 KB 吧。這樣 32 KB 的末尾是 0x8000，減去 1KB(0x400) ，剛好等於 0x7c00。哇塞，太精準了，這可以是一種解釋方式。七、啟動區裡的代碼寫了啥其實寫到這，我這篇文章就應該戛然而止了，因為最初的那個問題已經解決了，CPU 已經開始馬不停蹄地從我們預期的位置跑起來了，萬事開頭難，剩下的內容，就是作業系統想怎麼玩就怎麼玩了。但我覺得還不夠味，似乎還有些問題縈繞在你腦海裡。比如說這個問題：啟動區裡的代碼寫了啥？就 512 字節就是全部作業系統內容了？這是一個好問題，512 個字節確實幹不了啥，現在的作業系統怎麼也得按 M 為單位算吧，512 個字節遠遠不夠呢，那是怎麼回事呢？其實我們可以按照之前的思路猜測，BIOS 用很少的代碼就把 512 字節的啟動區內容加載到了內存，並跳轉過去開始執行。那按照這個套路，這 512 字節的啟動區代碼，是不是也可以把更多磁碟中存儲的作業系統程序，加載到內存的某個位置，然後跳轉過去呢？沒錯，就是這個套路。所以 BIOS 負責加載了啟動區，而啟動區又負責加載真正的作業系統內核，這配合默契吧？由於用於啟動盤的磁碟是人家寫作業系統的廠商製作的，俗稱製作啟動盤，所以他也肯定知道作業系統的核心代碼存儲在磁碟的哪個扇區，因此啟動區就把這個扇區，以及之後的好多好多扇區（具體取決於作業系統有多大）都讀到內存中，然後跳轉到開始的程序開始的位置。跳轉到哪裡呢？這個就不像 0x7c00 這個數那麼經典了，不同的作業系統肯定也不一樣，也不用事先規定好，反正寫作業系統的人給自己定一個就好了，別覆蓋其他關鍵設備用到的區域就好。八、作業系統內核寫了啥好了現在經過好幾輪跳跳跳，終於跳到內核代碼啦，我們來一起回顧一下：按下開機鍵，CPU 將 PC 寄存器的值強制初始化為 0xffff0，這個位置是 BIOS 程序的入口地址（一跳）該入口地址處是一個跳轉指令，跳轉到 0xfe05b 位置，開始執行（二跳）執行了一些硬體檢測工作後，最後一步將啟動區內容加載到內存 0x7c00，並跳轉到這裡（三跳）啟動區代碼主要是加載作業系統內核，並跳轉到加載處（四跳）經過這連續的四次跳躍，終於來到了作業系統的世界了，剩下的內容，可以說是整個作業系統課程所講述的原理，分段、分頁、建立中斷、設備驅動、內存管理、進程管理、文件系統、用戶態接口等等。這些名詞在作業系統的課程中你可能都或多或少聽過，如果你好好學了的話也一定知道大概的原理，不過像筆者這樣從頭到尾研讀過 linux 內核源碼的硬核狗來說，這些概念不只是書本上枯燥無味的概念，而是活靈活現在作業系統的每一行代碼上，有的展現了作者無比的智慧，有的讓我看到了作者由於硬體設定不得已做出的屈服。如果這篇文章提起了你對作業系統的好奇心，建議你也找時間讀一讀，和我一起入坑，你會發現一個新世界的大門向你打開了九、參考資料好了，這回我真的要結束了，相信如果你真的看完了全文，計算機的啟動過程，可以說有了比較具象的了解。如果你想深入細節，也就是了解整個過程的每一點，那可要下功夫了。