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  • 开机后的第一条指令

    千次阅读 2016-01-26 13:45:57
    关于电脑加电后的第一条指令,有很多人在网络上问过,但解答并不是那么的清晰,csdn论坛上也有很多这类的讨论帖, 例如:CPU在RSET后的第一条执行指令的地址问题、请教x86的启动过程,cpu如何自举第一条指令? 、...

    关于电脑加电后的第一条指令,有很多人在网络上问过,但解答并不是那么的清晰,csdn论坛上也有很多这类的讨论帖,

    例如:CPU在RSET后的第一条执行指令的地址问题请教x86的启动过程,cpu如何自举第一条指令? 、开机第一条指令是如何取到和执行的?

    存在问题的地方大概是这么几点:

    1.第一条指令的地址是什么

    2.第一条指令的地址为什么是0xFFFFFFF0

    3.第一条指令存储在什么地方

    4.BIOS代码块映射在什么位置

    5.第一条指令的内容是什么


    然后挨个解答。。。。。。。

    ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

    一、第一条指令的地址是什么

    这个问题网上有两种解答,0xFFFFFFF0,0xFFFF0。当然第一种是对的,这个在intel手册第三卷第9章有详细说明,第一条指令的地址为0xFFFFFFF0

    这个地址自从intel发布80386后就延续下来


    第二种地址在早年间也是对的,在intel还在使用16位cpu的时候,8086,8088,地址空间为1M,第一条指令的地址就是0xFFFF0了,回答这种地址的应该看的是早年的书,现在pc机已经不再使用了这是加电后寄存器的初始值

    又或者是拿16位实模式说事,PC刚开机时确是16位实模式,这种模式的地址计算方式是使用CS和EIP寄存器中的值(Selector*16+EIP),这么算下来确实是0xFFFF0。但是刚开机时并不是使用这种计算方式,虽然还在16位模式。但intel规定的是当CS中的初始值被改变后才使用这种一般的地址计算方式。未改变之前用Base+EIP来生成地址,所以还是0xFFFFFFF0

    原文:



    ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

    二、第一条指令的地址为什么是0xFFFFFFF0

    这个也没为什么,当初就这么设定了,人为规定


    ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

    三、第一条指令存储在什么地方

    也有很多人问这个问题,指令肯定是在EPROM中了,刚开机时内存中什么都没。


    ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

    四、BIOS代码块映射在什么位置

    BIOS代码肯定是储存在EPROM中的,这时cpu如何访问?靠地址映射,硬件会把EPROM映

    射在两个地方,一个是从0xFFFFFFFF(4GB)处向下扩展,一个是从0xFFFFF(1MB)处向下扩


    第一个映射是因为第一条指令在0xFFFFFFF0,所以EPROM必须在那个位置。第二个映射是为了兼容,在16位时代就有了。

    另外地址映射是占据地址空间,所以纵使你的pc机只有2G内存也没事,因为并没用内存,

    使用的只是地址空间,只是把那块地址分配给了EPROM。这也就是为什么32位系统只

    能使用4G内存,因为32位下只有4G的地址空间,内存再大就没地址分配了,所以读

    取不到了。

    另外好多人会碰到这个占用过大,这也是地址空间的问题。网上好多人发帖用

    什么系统32位换64位,一会又设置msconfig,只能说Go play with your balls。。。如果系统本来

    就是64位呢,还要换128位么敲打。这就是硬件厂家把显卡或是别的什么rom,ram区给映射到了常用的地址

    空间,地址空间一占,内存就没得用了,所以就保留了,至于占用过大还是换电脑把。


    ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

    五、第一条指令的内容是什么

    这个也是比较容易混乱的地方,大多数人说第一条指令是个长跳转(long jmp),跳转到0~0xFFFFF(0~1MB)这一段,然后再执行BIOS剩余的指令。然而又有一部分人看到intel手册第3卷的9.1.4节有这么一段话


    这里又说不让有长跳转。其实两种都对,intel手册上说的是让BIOS在高地址空间运行,期间一直不修改CS寄存器,也就一直使用Base+EIP的方式生成地址,这种新式做法应该是UEFI的

    那种刚开始就长跳转的属于老式做法,

    在qemu中导出的第一条汇编指令是这个样子0xfffffff0:  ljmp   $0xf000,$0xe05b

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  • 一条指令执行的步骤

    千次阅读 2020-02-23 18:45:57
    指令分为部分:“操作码”“地址码”,现在假设你写好一个程序,在程序开始执行前,必须将它的起始地址,即程序的一条指令所在的内存单元地址送入PC,因此程序计数器(PC)的内容即是从内存提取的第一条指令的...

    这里是关于C++程序设计的实验课程第三个实验:一条指令执行的步骤分析图解

    为了强化大家的理论知识巩固,在讲解词语时候也会有问题提出来巩固。

    在这里插入图片描述

    指令分为两个部分:“操作码”“地址码”,现在假设你写好一个程序,在程序开始执行前,必须将它的起始地址,即程序的一条指令所在的内存单元地址送入PC,因此程序计数器(PC)的内容即是从内存提取的第一条指令的地址。
    程序计数器(PC):为了保证程序(在操作系统中理解为进程)能够连续地执行下去,CPU必须具有某些手段来确定下一条指令的地址。而程序计数器正是起到这种作用,所以通常又称为指令计数器。
    在程序开始执行前,必须将它的起始地址,即程序的一条指令所在的内存单元地址送入PC,因此程序计数器(PC)的内容即是从内存提取的第一条指令的地址。在这里插入图片描述

    总结:先是PC存储第一条指令,即从内存提取的第一条指令。

    • 在程序中存放指令地址的寄存器叫( )

    A通用寄存器
    B 程序计数器
    C变址寄存器
    D指令寄存器
    答案为:D
    解析:程序计数器存放的是下一条指令所在单元的地址,指令寄存器存放正在执行的指令。(除了执行第一次指令以外,都是存放下一条指令所在单元的地址)

    程序一开始会根据PC存储的指令的内存地址(简称:指令地址),根据地址取出后放在指令寄存器中,图中指令寄存器是0001 110100 110110=加法指令的代码,因为实验在浏览器表现不太好,把两部分数字倒过来了,实际上应该是在这里插入图片描述在这里插入图片描述这样子的
    然后上下图比较后我们可以看到PC多加了一个1,这是为什么?
    答案是因为当执行指令时,CPU将自动修改PC的内容,即每执行一条指令PC增加一个量,这个量等于指令所含的字节数,以便使其保持的总是将要执行的下一条指令的地址。由于大多数指令都是按顺序来执行的,所以修改的过程通常只是简单的对PC加1。 当程序转移时,转移指令执行的最终结果就是要改变PC的值,此PC值就是转去的地址,以此实现转移。有些机器中也称PC为指令指针IP(Instruction Pointer)
    但在这里我要强调一句,这里PC加1不是单纯加1,它是根据先前的指针地址继续加上指令的字节数,因为这里的地址是按字节排序,即0x000A+1=0x000B…从而继续执行下一条指令。如果说一个指令占据两个字节,你可以这样想:执行完一条指令后,下一条指令的地址是多少???是刚刚被执行完的指令地址加上2,也正是因为这个可以继续执行指令。

    AR=0X000A=10=1010 因为0X是十六进制的标记,后面数字全当做十六进制处理,然后转化成二进制

    在这里插入图片描述这里是要把操作码放在CU以此来判断要干啥?(加减乘除之类的)判断后它就能知道后面的执行操作决定用什么工具。

    • 控制器(CU)的功能是______。

    A) 指挥计算机各部件自动、协调一致地工作
    B) 对数据进行算术运算或逻辑运算
    C) 控制对指令的读取和译码
    D) 控制数据的输入和输出
    答案:A
    解析:控制器的主要功能是指挥全机各个部件自动、协调的工作。
    在这里插入图片描述这一段是因为IR里面的值0001 110100 110110的其中110100是0X0034的值,也是我们输入的值的地址(这里我要说的是0X0034这个地址对应的是我输入的值的内存单元),同理,110110也是0X0036的值,对应着我输入的第二个值,然后存在数据缓冲寄存器(DR)中
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    经过累加器ALU的加法计算,得出结果并存储在第一个值存储的位置——数据缓冲寄存器(DR)

    • 在CPU中 数据寄存器DR是指?

    A.可存放指令的寄存器
    B.可存放程序状态字的寄存器
    C.本身具有技术逻辑于移位逻辑的寄存器
    D.可编程指定多种功能的寄存器
    答案:C
    解析:A是指令寄存器IR B是程序状态寄存器PSW D是通用寄存器
    在这里插入图片描述以上,就是我对一条指令执行的步骤总过程实验的书面描写心得。

    如果这段描述有帮到你,请记得点赞并关注哟!
    在这里插入图片描述

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  • 计算机开机第一条指令地址

    千次阅读 2016-12-08 11:12:55
    前提本文针对x86架构的处理器。在正式开始之前,首先需要明确一些基本概念。...reset vector:就是CPU执行的第一条指令的位置地址构成其实随着x86的发展,第一条指令的地址并不是一成不变的 8086:C

    前提

    本文针对x86架构的处理器。在正式开始之前,首先需要明确一些基本概念。
    cs寄存器:代码段寄存器,这个寄存器其实是告诉CPU在这个位置是代码还是数据的。在实模式下,CPU的寻址方式是代码段寄存器左移4位然后加上ip寄存器,作为地址去取内容,写作cs:ip。
    reset vector:就是CPU执行的第一条指令的位置

    地址构成

    其实随着x86的发展,第一条指令的地址并不是一成不变的
    8086:CPU reset之后cs寄存器的值是0xFFFF,ip寄存器的值是0x0,所以形成的物理地址是0xFFFF0,这个地址就是1M往下16字节的位置
    80286:CPU reset之后cs寄存器的值是0xF000,ip寄存器的值是0xFFF0,所以形成的物理地址也是0xFFFF0
    80386:到了386时代一切都变了,此时在CPU reset之后cs寄存器的值仍然是0xF000,但是cs除了段选择子之外还有一个隐藏的基址寄存器,这个寄存器的值是0xFFFF0000,ip寄存器的值仍然是0xFFF0。此时的地址不在是0xF000左移4位加上0xFFF0了,而是0xFFFF0000 + 0xFFF0 = 0xFFFFFFF0。所以第一条指令是在一个很高的地址,是4G往下16字节的位置。

    地址布局与映射

    经过地址构成这一说,可能大家会有一些疑问。CPU怎么能一上来就去0xFFFFFFF0取指呢?因为此时内存都还没初始化呢,那里什么都没有啊。而且第一条指令毫无疑问是在BIOS里啊,现在用来烧写BIOS的flash芯片有256KB的,1MB的,4MB的,怎么也没有0xFFFFFFF0这个地方吧。
    这里就要说一下x86的地址编码方式了。我们平时说的内存,主存都是指的RAM,但这里就有一些问题了,因为RAM是从0开始的一个地址范围,而ROM也是从0开始的一个地址范文,当我们访问一个地址,比如0x100,此时到底是去RAM里找还是ROM里找呢?
    x86解决这个问题的方法时统一编码,也可以叫地址映射。也就是说在CPU眼里,它只看到一块大空间,从0开始,32位的话就是4G结束,64位的最大范围就很大了。而这块地址的不同的位置是有不同的作用的,大部分是用来给程序运行的时候当内存的,但还有的其实是映射给了ROM,IO,或者某些设备,这也就是平时我们看到的reserved address了。
    现在明白了吧,CPU去0xFFFFFFF0取第一条指令,其实就是去BIOS里取了第一条指令。那么BIOS的地址又是怎么映射到那一整块的地址空间中去的呢?这里我认为不同的CPU其硬件实现是有不同的,仅就我知道的一些情况展开讨论。
    在一块1M的flash芯片中,第一条指令一般是在0xFFFF0这个位置,所以我们很简单的想到,其实是把这1M映射到了4G地址中最高的1M。

    1M以下地址空间

    前文说到BIOS也就是ROM的地址空间被映射到了高地址的1M,但我们平时看到的都是低1M以下空间和BIOS相关。因为在高地址的时候,CPU实际上是在访问ROM,在一段时间以后,CPU会将ROM中的内容复制到RAM中,这个位置就是低1M地址空间。所以当CPU访问低1M地址空间的时候就是真正在访问RAM了,而不是ROM。这样带来两个好处,第一是RAM比ROM更快。第二是这样重新满足了实模式下寻址范围是1M这一特点。CPU会执行一条长跳转,从高地址跳到1M以下地址空间,这会引起cs的改变,然后CPU寻址方式重新回归到cs左移4位 + ip的模式。
    但这里有一些疑问:我们一般认为第一条指令就是一条长跳转,那么CPU怎么完成内存初始化并将BIOS相关数据复制到1M以下地址空间呢?这里有几种可能(猜测),第一是第一条指令并不是长跳转,而是先进行了一些基本的初始化,然后才跳转。第二是ROM到地址空间的映射并不是简单得映射到了高地址的1M,而是有更复杂的映射方式,使得长跳转以后实际上CPU还是在访问ROM。第三就是CPU一旦上电就由相关硬件将BIOS内容复制到了对应的RAM中。这里就是我认为不同CPU有不同实现的地方了,只能说具体情况具体分析

    小结

    本文分析了计算机第一条指令的地址形成,分别介绍了CPU访问的物理地址,以及这第一条指令在1M flash中的位置,介绍了ROM到RAM的地址映射,当然这只是一种可能情况。并介绍了CPU如何从第一条指令开始进行后续的行为。

    参考链接

    https://en.wikipedia.org/wiki/Reset_vector
    http://blog.csdn.net/xuefeng0707/article/details/8526306

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  • PC机启动后如何执行第一条指令

    千次阅读 2019-11-23 15:12:57
    在过去的三个月内,本人根据《linux内核设计的艺术》和《linux0.11内核完全注释》细读了linux-0.11源码中的大部分... 当我们按下开机按钮时,电脑是怎么开始执行第一条指令的? ①梦回40年前,当时的intel公司生产...

           在过去的三个月内,本人根据《linux内核设计的艺术》和《linux0.11内核完全注释》细读了linux-0.11源码中的大部分内容,最近开始研究清华大学的操作系统实验课中的ucore源代码,因此希望将自己的所思所想分享给大家,也欢迎大家一起来交流探讨。

           当我们按下开机按钮时,电脑是怎么开始执行第一条指令的?

           ①梦回40年前,当时的intel公司生产了一个16位的微处理器芯片8086,它是x86体系架构的鼻祖。但是,8086设计时为了满足当时的寻址要求1MB(个人认为可能当时的内存条最大为1MB),它的地址总线为20位,最大可寻址1MB空间,而数据总线为16位,寄存器也只能存16位的数据,为了填补这4位的差距,intel工程师想出了一个好的方法。一个寄存器存不下,那我用两个寄存器不就行了吗?当时他们的想法是将地址空间分段,因此段寄存器(CS、SS、DS、ES)应运而生,这些寄存器存的是段的基址,我们都知道CPU执行指令是通过CS:IP来执行的,但在当时CS和IP都是16位的,所以intel规定CS:IP=CS<<4+IP,来满足20位寻址。

           背景大概就是这么多了,当时intel公司规定在开机启动后,CPU运行在实模式,根据CS:IP来执行指令,那时候通过硬件逻辑已经将CS写死为0xF000,IP写死为0xFFF0,也就是说只要你开机或断电重启,CPU就会执行0xF000:0xFFF0这个地址里面的指令。按照intel规定,CS:IP=0xFFFF0存放了一条指令”jmp F000:E05B”,按照那么这条指令位于哪个存储设备里面呢?是不是最常见的内存呢?

           ②在8086生产大约7年后,intel新一代32位的微处理器芯片80386开始问世。此时地址总线和数据总线都是32位,为了向下兼容,体系一脉传承,EIP为32为,而其CS、SS、DE、ES仍然设置为16位(程序员可见部分),此时段寄存器存放的都是段选择子,段基址和限长等信息都存储在影子寄存器中(程序员不可见部分),这时通过硬件逻辑将CS写死为0xF000,EIP写死为0x0000FFF0,CS的影子寄存器(存放段基址)写死为0xFFFF0000,CPU按照段基址:偏移的执行方式来执行指令,因此intel工程师在0xFFFF0000+0x0000FFF0的地址处存放了一条指令”jmp F000:E05B”,这条指令执行完后,根据IA32中实模式下跳转指令的说明,CS会被设置为0xF000,EIP被设置为0x0000E05B,而实模式下段基地址计算公式CS base address=CS segment selector * 16=0x000F0000(存放在影子寄存器中),段基址:偏移=0x000F0000+0x0000E05B=0x000FE05B,和8086执行代码移一致。

          “Jmp F000:E05B”存放在哪个存储设备里面?------------>地址空间映射

           80386的地址空间映射:

                                     

     

           根据上图,我们可以看到0xFFFFFFF0中的地址和0xFE05B的地址都映射到BIOS的地址空间中,所以开机启动后的第一条指令位于BIOS中,首先执行BIOS代码,而不是操作系统的代码,现在的BIOS功能比较完全,在windows系统开机时,你是不是按过F1类似的键进入BIOS系统界面?

           总而言之,CPU访问的是物理地址空间中的地址(位于其地址总线上),然后该地址映射到外部设备上的地址空间(内存、显卡、BIOS等),取出该地址下的指令送回CPU执行。

           IA32中关于第一条指令的说明:

                                      

     

          参考:

    1. https://www.cnblogs.com/wudibuzaijia/p/8512712.html
    2. https://chyyuu.gitbooks.io/ucore_os_docs/content/lab1/lab1_3_1_bios_booting.html
    3.  IA-32手册
    4. 《Linux内核设计的艺术》
    5. 《linux0.11内核完全注释》
    展开全文
  • reset后的第一条指令

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    问题提出: 开机后第一条指令是在实模式,real address mode. 可是第一条指令是在FFFFFFF0处抓到的。那么问题来了,实模式可访问的地址窨是1M 。FFFFFFF0 是远远大于1M的,那Intel 是怎么做到的呢? 首先把ia 32 ...
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