本節書摘來自異步社群《作業系統真象還原》一書中的第2章，第2.2節，作者：鄭鋼著，更多章節内容可以通路雲栖社群“異步社群”公衆号檢視
bios全稱叫base input & output system，即基本輸入輸出系統。
人們給任何事物起名字，肯定都不是亂起的，必然是根據該事物的特點，通過總結，精練出一些文字來辨別此事物，這個便是對一般事物取名的方法。通過名字，就能夠反應出該事物的特性。最符合特性的名字就是昵稱和外号了，比如抽油機是用來開采石油的一種機器，因為其工作時，就像“磕頭”一樣，是以大家給其起了更形象的名字—“磕頭機”。
回到bios上，輸入輸出我了解，命名中加上系統二字也明白，可為什麼還要用“基本”來修飾呢？不知道您是不是和我一樣喜歡咬文嚼字，我們必須得把它搞清楚。
2.2.1 實模式下的1mb記憶體布局
先來點背景知識，很久很久以前：
intel 8086有20條位址線，故其可以通路1mb的記憶體空間，即2的20次方=1048576=1mb，位址範圍若按十六進制來表示，是0x00000到0xfffff。不知道硬體工程師當時設計的初衷是什麼，總之人家有自己的理由，這1mb的記憶體空間被分成多個部分。
為了讓大家先有個印象，免得太抽象不容易了解，先把實模式下1mb記憶體給大家梳理一下，很辛苦的，各位看官要仔細看哈，是以感興趣或有強迫症的同學一定要背下來（玩笑），見表2-1。
先從低位址看，位址0～0x9ffff處是dram（dynamic random access memory），即動态随機通路記憶體，我們所裝的實體記憶體就是dram，如ddr、ddr2等。又要開始咬文嚼字了，動态是什麼意思？動态指此種存儲媒體由于本身電氣元件的性質，需要定期地重新整理。記憶體中的每一位都是由電容和半導體來組成的，您想，單條記憶體現在都到4gb，記憶體條的體積大小您也清楚，那麼小的面積得內建多少電容才能夠拼湊出4gb的記憶體容量，不包括相關電路元件，也得是4gb×8個電容了。如此小的電容，其缺點也是明顯的，漏電很快，是以漏電了就要及時把電補充上去，這樣資料才不至于丢失。這個補充電的過程就稱為重新整理。其實不僅是電容需要重新整理，就連電信号也是一樣的，不知道您注意了沒有，我們平時使用的網線，也是需要在每隔一定長度距離時接個中繼放大器，這個就是來放大電信号的，因為實體鍊路一長，信号衰減就特别嚴重，隻好通過這種“打氣”的方式來保持穩定了。終于把動态這一詞搞定了，不過我們最終要搞定的詞是bios中的“基本”，是以咱們還得接着看。
見表2-1，記憶體位址0～0x9ffff的空間範圍是640kb，這片位址對應到了dram，也就是插在主機闆上的記憶體條。有沒有人開始小聲嘀咕了：為什麼是對應到了dram，難道不是直接通路到我的實體記憶體dram嗎？難道我的記憶體條不是全部的記憶體？還可以通路到别處嗎？如果您有這樣的疑問，我除了回答是啊是啊之外，還是很欣慰的，終于有人和我之前想的一樣了。
一會再解釋這個，否則咱們離“基本”越來越遠了。表2-1，看頂部的0xf0000～0xfffff，這64kb的記憶體是rom。這裡面存的就是bios的代碼。bios的主要工作是檢測、初始化硬體，怎麼初始化的？硬體自己提供了一些初始化的功能調用，bios直接調用就好了。bios還做了一件偉大的事情，建立了中斷向量表，這樣就可以通過“int中斷号”來實作相關的硬體調用，當然bios建立的這些功能就是對硬體的io操作，也就是輸入輸出，但由于就64kb大小的空間，不可能把所有硬體的io操作實作得面面俱到，而且也沒必要實作那麼多，畢竟是在實模式之下，對硬體支援得再豐富也白搭，精彩的世界是在進入保護模式以後才開始，是以挑一些重要的、保證計算機能運作的那些硬體的基本io操作，就行了。這就是bios稱為基本輸入輸出系統的原因。
現在開始解釋另一個問題，在cpu眼裡，為什麼我們插在主機闆上的實體記憶體不是它眼裡“全部的記憶體”。
位址總線寬度決定了可以通路的記憶體空間大小，如16位機的位址總線為20位，其位址範圍是1mb，32位位址總線寬度是32位，其位址範圍是4gb。但以上的位址範圍是指位址總線可以觸及到的邊界，是指計算機在尋址上可以到達的疆域。可是人家并沒有說要尋哪裡，就拿16位機來說，并沒有說這1mb的尋址範圍必須得是實體記憶體（記憶體條），難道人家20位的位址總線就認得這一畝三分地？完全不是。
歸根結底的原因是這樣的：在計算機中，并不是隻有咱們插在主機闆上的記憶體條需要通過位址總線通路，還有一些外設同樣是需要通過位址總線來通路的，這類裝置還很多呢。若把全部的位址總線都指向實體記憶體，那其他裝置該如何通路呢？由于這個原因，隻好在位址總線上提前預留出來一些位址空間給這些外設用，這片連續的位址給顯存，這片連續的位址給硬碟控制器等。留夠了以後，位址總線上其餘的可用位址再指向dram，也就是指插在主機闆上的記憶體條、我們眼中的實體記憶體。示意如圖2-1所示。
實體記憶體多大都沒用，主要是看地線總線的寬度。還要看位址總線的設計，是不是全部用于通路dram。是以說，位址總線是決定我們通路哪裡、通路什麼，以及通路範圍的關鍵。我們平時用的機器一般是32位，上面的記憶體條并不是全部都用到了，按理說記憶體條大小超過4gb就沒意義了，超過了位址總線的勢力就是浪費。不過通過前面的介紹，即使記憶體條大小沒有超過位址總線的範圍，也不會全都能被通路到，畢竟要預留一些位址用來通路其他外設，是以最終還得看位址總線把位址指向哪塊記憶體了。這就是安裝了4gb記憶體，電腦中隻顯示3.8gb左右的原因。
總之，表示位址的那串數字是位址總線的輸入，相當于其參數，和記憶體條沒關系。cpu能夠通路一個位址，這是位址總線給做的映射，相當于給該位址配置設定了一個存儲單元，而該存儲單元要麼落在某個rom中，要麼落到了某個外設的記憶體中，要麼落到了實體記憶體條上。可以想像成，cpu給位址總線送出一個數字，在位址總線看來，這串數字就是位址。位址配置設定電路根據此位址的範圍，決定在哪個存儲媒體中配置設定一個存儲單元，最後将此位址與此存儲單元對應起來。當然事實上未必是這樣，我剛才說了，可以想像成這樣。我們學習新的知識，很多時候都是建立在原有的知識上，用原有的知識幫助學習新的知識，就像第一次聽說電動車的時候，我們潛意識裡是用車和蓄電池的概念在聯想電動車的形象。如果要學的是一種全新的知識，并且無從用舊的知識來輔助學習時，試圖靠想像力是非常有效的。對于知識的掌握，這并沒有什麼标準，每個人對知識的了解都是不同的，即使兩個人都考了滿分，其思考過程也是不同的。是以，對于一個新知識的掌握，本質上是給了一個能夠說服自己的理由，能夠自圓其說，這就夠了。
2.2.2 bios是如何蘇醒的
bios其實一直睡在某個地方，直到被喚醒……
前面熱火朝天地說了bios的功能和記憶體布局，似乎還沒說到正題上，bios是如何啟動的呢？因為bios是計算機上第一個運作的軟體，是以它不可能自己加載自己，由此可以知道，它是由硬體加載的。那這個硬體是誰呢？其實前面已經提到過了，相當于是隻讀存儲器rom，因為它一直就睡在那裡不動。
大家知道，隻讀存儲器中的内容是不可擦除的，也就是它不像動态随機通路存儲器dram那樣，掉電後，裡面的資料就會丢失。這種存儲媒體是用來存儲一成不變的資料的，當資料寫進去後，便與日月同輝，庭前坐看花開花落，不朽于天地萬物之間，哈哈，有點誇張了。
bios代碼所做的工作也是一成不變的，而且在正常情況下，其本身是不需要修改的，平時聽說的那些主機闆壞了要刷bios的情況屬于例外。于是bios順理成章地便被寫進此rom。rom也是塊記憶體，記憶體就需要被通路。此rom被映射在低端1mb記憶體的頂部，即位址0xf0000～0xfffff處，可以參考表2-1頂部的bios部分。隻要通路此處的位址便是通路了bios，這個映射是由硬體完成的。
bios本身是個程式，程式要執行，就要有個入口位址才行，此入口位址便是0xffff0。
最重要的一點來了，知道了bios在哪裡後，cpu如何去執行它，即cpu中的cs：ip值是如何組合成0xffff0的。
如果大家不了解記憶體的分段通路機制，可以參考第0章，裡面有講解cpu為什麼分段方式記憶體。說正事，cpu通路記憶體是用段位址+偏移位址來實作的，由于在實模式之下，段位址需要乘以16後才能與偏移位址相加，求出的和便是實體位址，cpu便拿此位址直接用了。這個“段基址：段内偏移位址”的組合是0xffff：0嗎？或者是0xf000：0xfff0?或者是更奇葩一點的組合：0xfeee：0x1110？或者您想出的組合比我的還奇葩，好啦，不折磨大家了，還是說正事要緊。既然作為第一個運作的程式都沒開始執行，自然就沒辦法用軟體搞定這件事了，還是得靠硬體支援才行。
在開機的一瞬間，也就是接電的一瞬間，cpu的cs：ip寄存器被強制初始化為0xf000：0xfff0。由于開機的時候處于實模式，再重複一遍加深印象，在實模式下的段基址要乘以16，也就是左移4位，于是0xf000：0xfff0的等效位址将是0xffff0。上面說過了，此位址便是bios的入口位址。
當我給出這個位址後，不知道大家意識到什麼沒有。bios是在實模式下運作的，而實模式隻能通路1mb空間（20位位址線，2的20次方是1mb）。而位址0xffff0距1mb隻有16個位元組了（見表2-1除标題外的第一行），這麼小的空間夠幹嗎？bios又要檢測硬體，做各種初始化工作，還要建立中斷向量表……16位元組的機器指令肯定幹不了這麼多事。也許有的同學會問，超過寄存器寬度會怎麼樣呢？比如0xffff0+16，這樣就溢出了，由于實模式下的寄存器寬度是16位，0xffff0+16已經超過了其最大值0xfffff。溢出的部分就會回卷到0，又會重新開始，即0xffff0+16等于0，0xffff0+17等于1。
既然此處隻有16位元組的空間了，這隻能說明bios真正的代碼不在這，那此處的代碼隻能是個跳轉指令才能解釋得通了。好，既然心裡有了推斷，那咱們就來證明這個推斷正确與否。
圖2-2是我在bochs中抓的圖，下面給大家分析一下這圖中的資訊都代表什麼。
首先得承認，這張圖有點超前了，這是在有了mbr後才能抓到的，否則會提示boot failed： not a bootable disk，而我們還沒有mbr，還沒有寫主引導記錄。先不管這張圖是怎麼來的啦，反正大家立即就能夠在自己的虛拟機裡看到這張圖了。大家先注意框框中的内容。一共有3個，最上面左邊第1個标有cs：ip的那個框，cs寄存器的值是0xf000，ip寄存器的值是0xfff0，也就是段基址0xf000，段内偏移位址0xfff0，這個組合出來的位址便是0xffff0，這是處理器下一條待執行指令的位址。這與上面所說的bios入口位址是吻合的。另外，因為cs和ip寄存器中存儲的是下一條要執行的指令，目前還沒有執行，也就是說，目前還沒有執行bios，這是機器剛開機的那一刻。這一刻還是值得慶祝的，因為即使是計算機行業的同學都很少看到這一刻，何況我們讓這一刻停了下來，成為永恒。
按理說，既然讓cpu去執行0xffff0處的内容（目前還不知道其是指令，還是資料），此内容應該是指令才行，否則這位址處的内容若是資料，而不是指令，cpu硬是把它當成指令來譯碼的話，一定會弄巧成拙鑄成大錯。現在咱們又有了新的推斷，實體位址0xffff0處應該是指令，繼續探索。
繼續看第二個框框，裡面有條指令jmp far f000：e05b，這是條跳轉指令，也就是證明了在記憶體實體位址0xffff0處的内容是一條跳轉指令，我們的判斷是正确的。那cpu的執行流是跳到哪裡了呢？段基址0xf000左移4位+0xe05b，即跳向了0xfe05b處，這是bios代碼真正開始的地方。
第三個框框cs：f000，其意義是cs寄存器的值是f000，與我們剛剛所說的加電時強制将cs置為f000是吻合的，正确。
接下來bios便馬不停蹄地檢測記憶體、顯示卡等外設資訊，當檢測通過，并初始化好硬體後，開始在記憶體中0x000～0x3ff處建立資料結構，中斷向量表ivt并填寫中斷例程。
好了，終于到了接力的時刻，這是這場接力賽的第一棒，它将交給誰呢？咱們下回再說。
2.2.3 為什麼是0x7c00
計算機執行到這份上，bios也即将完成自己的曆史使命了，完成之後，它又将睡去。想到這裡，心中不免一絲憂傷，甚至有些許挽留它的想法。可是，這就是它的命，它生來被設計成這樣，在它短暫的一生中已經為後人創造了足夠的精彩。何況，在下一次開機時，bios還會重複這段輪回，它并沒有消失。好了，讓傷感停止，讓夢想前行。
先說重點，bios最後一項工作校驗啟動盤中位于0盤0道1扇區的内容。
在此插播一段小告示：在計算機中是習慣以0作為起始索引的，因為人們已經習慣了偏移量的概念，無論是機器眼裡和程式員眼裡，用“相對”的概念，即偏移量來表示位置顯得很直覺，是以很多指令中的操作數都是用偏移量表示的。0盤0道1扇區本質上就相當于0盤0道0扇區。為什麼稱為1呢，因為硬碟扇區的表示法有兩種，我們描述0盤0道1扇區用的便是其中的一種：chs方法，即柱面cylinder 磁頭header 扇區sector（另外一種是lba方式，暫不關心），“0盤”說的是0磁頭，因為一張盤是有上下兩個盤面的，一個盤面上對應一個磁頭，是以用磁頭header來表示盤面。“0道”是指0柱面，柱面cylinder指的是所有盤面上、編号相同的磁道的集合，形象一點描述就是把很多環疊摞在一起的樣子，組合在一起之後是一個立體的管狀。“1扇區”才是我們要解釋的部分，将磁道等距劃分成一段段的小區間，由于磁道是圓形的，确切地說是圓環，這些被劃分出來的小區間便是扇形，是以稱為扇區。好了，背景交待完了，重點來了，在chs方式中扇區的編号是從1開始的，不是0，不是0，原諒我說了兩次，良苦用心你懂的，是以0盤0道1扇區其實就相當于0盤0道0扇區，它就是磁盤上最開始的那個扇區。而lba方式中，扇區編号是從0開始的。關于硬碟的知識我會在以後章節專門來講，這裡我若沒表達清楚，大家先不要着急，隻要知道mbr所在的位置是磁盤上最開始的那個扇區就行了。
繼續說，如果此扇區末尾的兩個位元組分别是魔數0x55和0xaa，bios便認為此扇區中确實存在可執行的程式（在此先劇透一下，此程式便是久聞大名的主引導記錄mbr），便加載到實體位址0x7c00，随後跳轉到此位址，繼續執行。
這裡有個小細節，bios跳轉到0x7c00是用jmp 0：0x7c00實作的，這是jmp指令的直接絕對遠轉移用法，段寄存器cs會被替換，這裡的段基址是0，即cs由之前的0xf000變成了0。
如果此扇區的最後2個不是0x55和0xaa，即使裡面有可執行代碼也無濟于事了，bios不認，它也許還認為此扇區是沒格幹淨呢。
不過，這就又抛出兩個問題。
（1）為什麼是0盤0道1扇區的内容？
（2）為什麼是實體位址0x7c00，而不是個好記或好看的其他位址？
先回答第1個，我想這個問題不用官方解釋了，因為官方确實沒什麼好說的，不過他們出于尊重客戶，還是會像我一樣說出類似下面的話。
我就個人觀點給大家一個理由，未經核實，僅是自己一面之詞，請大家提高警惕，小心謹慎^—^。
在計算機中處處充滿了協定、約定，是以，将0盤0道1扇區作為mbr的栖身之地，我完全可以了解為規定。我們反證一下，如果不存在這個“規定”，會發生什麼。當然，此扇區最初是給bios使用的，咱們設想一下bios的工作将變成怎樣。
主引導記mbr是段程式，無論位于軟碟、硬碟或者其他媒體，總該有個地方儲存它。ok，現在不告訴bios它存儲在哪個位置了。bios隻好将所有檢測到的儲存設備上的每一個存儲機關都翻一遍，挨個對比，如果發現該存儲機關最後的兩個位元組是0x55和0xaa，就認為它是mbr。這就好比查字典一樣，不用偏旁部首和拼音檢索的方法，隻能一頁一頁翻了。
幾經花開花落，找到mbr的那一刻，bios滿臉疲憊地說：“你是我找了好久好久的那個人”。mbr擡起經不起歲月等待的臉：“難得你還認得我，我等你等到花兒都謝了”。其實bios的心聲是：“看我手忙腳亂的樣子，你們這是要鬧哪樣啊。就那麼512位元組的内容，害我找遍全世界，我們是在跑接力賽啊，下一棒的選手我都不知道在哪裡……以後讓它站在固定的位置等我！”
由于0盤0道1扇區是磁盤的第一個扇區，mbr選擇了離bios最近的位置站好了，從此以後再也不擔心被bios罵了。
計算機中處處有固定寫死的東西，還用舉個例子嗎？不用了吧？因為任何一個魔數都是啊，有請下一個魔數0x7c00登場。
至于0x7c00，很久之前，比我好奇心大的人查遍了intel開發手冊都沒找到相關的說明。要想知道事情的來龍去脈，還是要從個人計算機的初始說起，同樣是很久很久以前……
1981年8月，ibm公司生産了世界上第一台個人計算機pc 5150，是以它就是現代x86個人計算機相容機的祖先。說到有關曆史的東西，不給來點真相就感覺氣場不足，圖2-3所示便是ibm pc 5150，有沒有感受到計算機文化底蘊呢？
既然intel開發手冊中沒有相關說明，那咱們就朝其他方向找答案，換句話說，既然不是cpu的硬性規定，那很可能就是代碼中寫死的。為了搞清楚0x7c00是哪裡來的，咱們先探索下“ibm pc 5150”的bios的秘密。請先深深呼吸一大口氣，“0x7c00”最早出現在ibm 公司出産的個人電腦pc5150的rom bios的 int19h中斷處理程式中，說了這麼多定語，感覺氣都喘不上來了。
通電開機之後，bios處理程式開始自檢，随後，調用bios中斷0x19h，即 call int 19h。在此中斷處理函數中，bios要檢測這台計算機有多少硬碟或軟碟，如果檢測到了任何可用的磁盤，bios就把它的第一個扇區加載到0x7c00。
現在應該搞清楚了為什麼在x86手冊裡找不到它的說明了，它是屬于bios中的規範。似乎這下好辦了，既然是bios中的規範，那肯定是ibm pc 5150 bios 開發團隊規定的這個數。
個人計算機肯定要運作作業系統，在這台計算機上，運作的作業系統是dos 1.0，不清楚此系統要求的最小記憶體是16kb，還是32kb，反正pc 5150 bios研發工程師就假定其是32kb的，是以此版本bios是按最小記憶體32kb研發的。
mbr不是随便放在哪裡都行的，首先不能覆寫已有的資料，其次，不能過早地被其他資料覆寫。不覆寫已有資料，這個好了解。說一下後面這個“其次”。通常，mbr的任務是加載某個程式（這個程式一般是核心加載器，很少有直接加載核心的）到指定位置，并将控制權交給它。所謂的交控制權就是jmp過去而已。之後mbr就沒用了，被覆寫也沒關系。我說的過早被覆寫，是指不能讓mbr破壞自己，比如被加載的程式，如核心加載器，其放置的記憶體位置若是mbr自己所在的範圍，這不就是破壞自己了嗎，這就是我所說的“過早”了，怎麼也得等mbr執行完才行。
重制一下當時的記憶體使用情況。
8086cpu要求實體位址0x0～0x3ff存放中斷向量表，是以此處不能動了，再選新的地方看看。
按dos 1.0要求的最小記憶體32kb來說，mbr希望給人家盡可能多的預留白間，這樣也是保全自己的作法，免得過早被覆寫。是以mbr隻能放在32kb的末尾。
mbr本身也是程式，是程式就要用到棧，棧也是在記憶體中的，mbr雖然本身隻有512位元組，但還要為其所用的棧配置設定點空間，是以其實際所用的記憶體空間要大于512位元組，估計1kb記憶體夠用了。
結合以上三點，選擇32kb中的最後1kb最為合适，那此位址是多少呢？32kb換算為十六進制為0x8000，減去1kb(0x400)的話，等于0x7c00。這就是倍受質疑的0x7c00的由來，這下清楚了。
可見，加載mbr的位置取決于作業系統本身所占記憶體大小和記憶體布局。
我想大家現在都心癢癢了吧，說了這麼久，cpu中運作的都是bios的代碼，連自己一句代碼都沒跑起來呢。事不宜遲，馬上寫一個mbr，先讓它跑起來再說。