BIOS与0x7C00

2016-12-17

你知道 0x7C00,这个在 x86 汇编中的一个神秘数字吗? 0x7C00 是一个内存地址,BIOS 就是将 MBR (Master Boot Record, hdd/fdd 的第一个 sector) 读入 0x7C00 这个地址, 然后进行后续引导的。

操作系统或是 bootloader 的开发者必须假设他们的汇编代码被加载并从 0x7C00 处开始执行。 不过,为什么在 x86 中 BIOS 要将 MBR 加载到 0x7C00 呢?在回答这个问题之前,我们还有几个疑惑:

第一个疑惑:

我翻阅了所有的 Intel x86(32bit) 编程手册,都没有找到 0x7C00 这个数字。

没错!0x7C00 不是 x86 CPU 里面的定义,你当然不可能在 cpu 文档里面找得到。那么你就要问了,“那是谁定义了 0x7C00?”

第二个疑惑:

0x7C00 的值等于 32KiB - 1024B,这个数字表示什么意思?

不管是谁定义了 0x7C00,他/她为何要定义这样一个奇怪的数字?

0x7C00 第一次在哪里?

0x7C00 第一次出现是在 IBM PC 5150 的 BIOS int 19 处理程序(中断类型码为 19 的中断处理程序)中。

回顾一下 x86 IBM PC 兼容机的历史: IBM PC 5150是 x86(32位)IBM PC/AT系列的祖先,这款 PC 于1981年8月发布,使用 intel 8088(16位) 处理器和 16KiB 大小的 RAM, 其 BIOS 以及微软 BASIC 均放在 ROM 中。

上电之后,BIOS 就开始”POST”(Power On Self Test,自检) ,然后触发 int 19 中断,在处理19号中断时, BIOS 检测电脑是否具有软盘、硬盘或是其他固定磁盘,如果发现任何有效的磁盘,BIOS 就把磁盘第一个扇区(512B)的内容加载到内存的 0x7C00 地址处。

现在知道为何在 x86 文档中找不到 0x7C00 了吧,因为这个数字属于 BIOS 规范。

0x7C00 的起源

围绕IBM PC DOS,Microsoft 和 SCP的86-DOS 三者有一个故事,参见:MS-DOS简史

在1979年,Digital Research Inc 还没有为当时的 8086/8088 cpu开发 CP/M,于是在 1980年,SCP 发布了一个用于 8086/8088 cpu 的 CP/M 兼容 OS,即 SCP的“86-DOS”。 这个 “86-DOS” 成了后来 IBM PC DOS 1.0 的参照系统。

当时 SCP 出售两种 S-100 总线板,一种是 8086 CPU 板,另一种是 “CPU Monitor” ROM 板。 “CPU Monitor” 提供了引导加载程序(bootloader)和调试器(debugger), 当时,这个“CPU Monitor”引导加载程序将 MBR 加载到“0x200”,而不是“0x7C00”。

到了1981年,另一款用于8086/8088 的类 CP/M 操作系统,IBM PC DOS 发布,不过,与 86-DOS 不同的是, IBM PC DOS 选择将 MBR 加载到“0x7C00” 所以,我们说“0x7C00 第一次出现是在 IBM PC 5150 ROM BIOS”,在此之前,SCP 的 CPU Monitor 引导加载程序是加载到 0x200,而不是 0x7C00。

为什么 CPU Monitor 的 引导加载程序将 MBR 加载到 “0x200” ?

这种设计基于以下三点考虑:

  1. 8086 的中断向量表占用了 0x0 - 0x3FF
  2. 86-DOS 从 0×400 处被加载;
  3. 86-DOS 不使用 0×200-0x3FF 这段中断向量地址

这意味着 0×200-0x3FF 这段地址被保留,不论 86-DOS 还是其他应用程序,都不能使用这段地址。 因此,Tim Paterson(86-DOS开发者)选择 0×200 作为 MBR 的加载地址。

谁决定使用 0x7C00?

魔数 0x7C00 诞生于1981年,是被 IBM PC 5150 BIOS 开发团队(Dr. David Bradley)定义的, 而不是英特尔(8086/8088 供应商)或微软(操作系统供应商)决定的。后来, “IBM PC/AT 兼容机” PC/BIOS 供应商也沿用了这个值,保留了 BIOS 和操作系统的向后兼容性。

“0x7C00 = 32KiB - 1024B” 表示什么意思?

IBM PC 5150 最小内存模型只有 16KiB RAM。所以,你可能会问:

“最小内存模型(16KiB)能从磁盘加载操作系统吗?如果 BIOS 要将 MBR 加载到 32KiB - 1024B 地址,那物理内存显然不够...”

不行,这种情况不在考虑范围内。 IBM PC 5150 ROM BIOS 开发团队成员之一,David Bradley博士说:

“DOS 1.0需要至少32KiB,所以我们不关心在 16KiB 机器上的引导。

(注:我现在无法确认 DOS 1.0 的最低内存要求到底是 16KiB 还是 32KiB?但是,至少在1981年的早期 BIOS 开发中,他们认为 32KiB 是 DOS 的最低要求)

BIOS开发团队决定使用地址 0x7C00,是因为:

  1. 他们想在 32KiB 范围内,留出尽可能多的空间让操作系统加载自己。
  2. 8086/8088使用 0x0 - 0x3FF 作为中断向量,并且 BIOS 数据区在它之后。
  3. 引导扇区为512字节,引导程序的堆栈/数据区需要512字节。
  4. 因此,这 32KiB 中从 0x7C00 开始的最后 1024B 被选中了。

一旦操作系统加载和启动完毕后,直到电源复位,引导扇区都不会被使用。因此,操作系统和应用程序可以自由使用 32KiB 的这最后 1024B。

操作系统加载后,内存分布情况如下:

+--------------------- 0x0000
| Interrupts vectors
+--------------------- 0x4000
| BIOS data area
+--------------------- 0x5???
| OS load area
+--------------------- 0x7C00
| Boot sector
+--------------------- 0x7E00
| Boot data/stack
+--------------------- 0x7FFF
| (not used)
+--------------------- (...)

这就是 0x7C00 的历史渊源,这个魔数在 PC/AT 兼容 BIOS 的 INT 19h 中断处理程序中延续了了近三十年。

Why BIOS loads MBR into 0x7C00 in x86


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