OS 随记#

开机后发生了什么？#

固件 (Firmware)

固件是一段被烧录在主板 ROM 上的程序，用于初始化硬件，引导操作系统的启动．

常见的固件有 BIOS (Basic I/O System) 和 UEFI (Unified Extensible Firmware Interface，统一可扩展固件接口) 固件 (由各家主板厂商按照 UEFI 规范实现)．

电路逻辑：

1. 电源被接通．
2. 时钟发生器产生时钟脉冲．
3. 所有寄存器被复位．
4. 设置 PC 地址 (对于 x86 架构的 CPU 是 0xFFFFFFF0)，这个地址由 PCH (主板芯片组) 硬编码至主板的 ROM 上．存放的内容是计算机即将执行的第一条指令：跳转指令 (如 jmp F000:FFF0 或 jmp F000:E05B)，跳转地址是固件的起始位置．
5. 开启指令周期 (取指，解码，执行)．此时 CPU 在 16 位实模式下运行，DRAM 尚未初始化．

固件运行：

1. POST (Power On Self Test，电源自检)：检查关键硬件是否正常工作，对应主板上亮着的 Debug 灯．
2. SEC + PEI 阶段：使用 Cache 当作临时内存，初始化内存控制器，让内存可用．

3. DXE 阶段：加载驱动程序 (PCI、USB、SATA、Console)，构建 Boot Services (gBS，启动服务，负责内存管理、驱动加载、控制台输出等) 和 Runtime Services (gRT，运行时服务，负责维护系统时间、变量存储、系统重启等)．在这之后，硬盘、显卡、键盘等设备可以开始工作了．
4. BDS 阶段：寻找操作系统．UEFI 读取 NVRAM (非易失性内存) 中的 Boot Entries (硬盘的启动顺序表) ：

   1
   1. [UEFI: Samsung SSD 970 EVO Plus] -> m.2 固态硬盘 (启动盘)
   2
   2. [UEFI: Kingston SSD A400]        -> SATA 固态硬盘
   3
   3. [UEFI: USB Flash Drive]          -> U 盘
   4
   4. [Legacy: WDC HDD]                -> 机械硬盘
   5
   5. [Network: PXE]                   -> 网络启动
   

   按顺序依次查找 GPT 格式的磁盘，在 GPT 上寻找 ESP (EFI System Partition，EFI 系统分区)，并在 ESP 寻找 .efi 引导程序 (用于加载操作系统内核至内存，通常是 Boot Loader，如 Windows Boot Manager \EFI\Microsoft\Boot\bootmgfw.efi，GRUB /boot/grubx64.efi)．
5. TSL 阶段：引导程序开始执行，加载操作系统．以 GRUB 为例，先加载配置文件 /boot/grub/grub.cfg，显示菜单界面，用户选择操作系统，选择完毕后加载操作系统内核至内存．
6. RT 阶段：操作系统完全接管计算机，此时 Boot Services 不可用 (内存管理、硬件访问等功能 UEFI 不再负责，转由操作系统负责)，Runtime Services 继续正常工作．(如果是 Windows，这时屏幕中央开始显示徽标)

GPT 格式

相比 MBR (Master Boot Record, 1983, IBM PC DOS 2.0) 格式，GPT (Globally Unique Identifier Partition Table, GUID Partition Table，全局唯一标识分区) 格式有许多优势：

格式	最大分区容量	最大分区数	系统
MBR	2TB	4	Windows 7 及以下
GPT	9.4ZB	128	Windows 8 及以上

GPT 表项格式：

起始字节	内容
0	分区类型
16	分区 GUID
32	起始 LBA (小端序)
40	末尾 LBA
48	属性 (如 60 表示只读)
56	分区名 (72 字节)

GPT 格式的硬盘 (如 /dev/sda、/dev/nvme0n1) 分区类似于

分区	容量	文件系统
ESP	≈ 500 MB	FAT32
Windows	500+ GB	NTFS
Arch Linux	300+ GB	Btrfs
Swap	≈ 80 GB	-

使用相同指令集的程序，为什么不能跨平台运行？#

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