玩转 BIOS：从启动到接管硬件的完整指南
"BIOS 不仅是启动代码，更是硬件的终极控制台。
本文将深入 BIOS 的启动流程、中断服务、硬件检测，
为你揭示如何在实模式下完全掌控 x86 硬件。"
引言：BIOS 的现代价值
在 UEFI 时代，许多人认为 BIOS 已经过时。
但对自制操作系统开发者来说，BIOS 仍是最佳的学习起点：
- 简化启动：无需处理复杂的 UEFI 协议
- 硬件抽象：提供标准中断服务（INT 10h, INT 13h, INT 16h）
- 调试友好：实模式调试比保护模式简单得多
- 兼容性好：所有 x86 PC 都支持 BIOS 启动
本文将带你玩转 BIOS，从启动流程到硬件控制，
为自制 OS 构建坚实的启动基础。
第一章：BIOS 启动流程深度解析
1.1 上电自检（POST）阶段
BIOS 启动序列
1. 上电 → CPU 复位 → CS:IP = 0xF000:0xFFF0
2. 执行跳转指令 → BIOS 代码段
3. 执行 POST（Power-On Self Test）
4. 检测硬件（内存、显卡、键盘、磁盘）
5. 初始化硬件（设置中断向量表、配置 DMA）
6. 加载启动设备（MBR）
7. 跳转到 MBR（0x7C00）
关键内存布局
| 地址范围 | 用途 | |———-|——| | 0x0000-0x03FF | 中断向量表（IVT）| | 0x0400-0x04FF | BIOS 数据区（BDA）| | 0x0500-0x7BFF | 可用内存 | | 0x7C00-0x7DFF | 引导扇区 | | 0x7E00-0x9FFF | 引导程序堆栈 | | 0xA000-0xBFFF | 显存 | | 0xC000-0xDFFF | BIOS 扩展 ROM | | 0xE000-0xFFFF | BIOS ROM |
1.2 中断向量表（IVT）
IVT 结构
; 中断向量表（每个中断 4 字节：偏移 + 段）
; 地址 0x0000:0x0000
dw timer_handler ; INT 08h - 时钟中断
dw 0x0000
dw keyboard_handler ; INT 09h - 键盘中断
dw 0x0000
dw video_handler ; INT 10h - 视频服务
dw 0x0000
dw disk_handler ; INT 13h - 磁盘服务
dw 0x0000
dw serial_handler ; INT 14h - 串口服务
dw 0x0000
dw mouse_handler ; INT 33h - 鼠标服务
dw 0x0000
自定义中断处理
; 安装自定义时钟中断处理程序
install_timer_handler:
cli ; 禁用中断
mov ax, cs
mov [0x0020], timer_handler ; INT 08h 偏移
mov [0x0022], ax ; INT 08h 段
sti ; 启用中断
ret
timer_handler:
push ax
push dx
; 更新系统时间
inc word [timer_ticks]
; 调用原始 BIOS 中断（可选）
pushf
call far [0x0024] ; 原始 INT 08h
pop dx
pop ax
iret
1.3 BIOS 数据区（BDA）
BDA 关键字段
| 偏移 | 大小 | 用途 | |——|——|——| | 0x0410 | word | 设备列表（bit 7=DMA, bit 6=FDD, bit 5=LPT2, bit 4=LPT1, bit 3=RS232, bit 2=Game, bit 1=Tape, bit 0=FDD）| | 0x0413 | word | 基础内存大小（KB）| | 0x0449 | byte | 当前视频模式 | | 0x0450 | word | 当前光标位置（高字节=行，低字节=列）| | 0x0463 | dword | BIOS 视频服务入口 |
读取 BDA 信息
// 读取基础内存大小
uint16_t get_base_memory(void) {
uint16_t *bda_base_mem = (uint16_t*)0x0413;
return *bda_base_mem;
}
// 读取视频模式
uint8_t get_video_mode(void) {
uint8_t *bda_video_mode = (uint8_t*)0x0449;
return *bda_video_mode;
}
第二章：BIOS 中断服务详解
2.1 视频服务（INT 10h）
常用功能
| AH | 功能 | 参数 | |—-|——|——| | 0x00 | 设置视频模式 | AL=模式 | | 0x02 | 设置光标位置 | DH=行, DL=列, BH=页 | | 0x03 | 读取光标位置 | BH=页 | | 0x06 | 滚动窗口向上 | AL=行数, BH=属性, CH=左上行, CL=左上列, DH=右下行, DL=右下列 | | 0x0E | 电传打字输出 | AL=字符, BH=页, BL=前景色 |
文本模式操作
; 设置 80x25 文本模式
mov ah, 0x00
mov al, 0x03
int 0x10
; 设置光标到 (10, 20)
mov ah, 0x02
mov bh, 0x00 ; 页 0
mov dh, 10 ; 行 10
mov dl, 20 ; 列 20
int 0x10
; 输出字符 'A'
mov ah, 0x0E
mov al, 'A'
mov bh, 0x00
mov bl, 0x07 ; 白色前景，黑色背景
int 0x10
图形模式操作
; 设置 320x200 256 色模式
mov ah, 0x00
mov al, 0x13
int 0x10
; 写像素 (x=100, y=50, color=15)
mov ah, 0x0C
mov al, 15 ; 颜色
mov cx, 100 ; X 坐标
mov dx, 50 ; Y 坐标
int 0x10
; 读像素
mov ah, 0x0D
mov cx, 100
mov dx, 50
int 0x10
; 返回颜色在 AL
2.2 磁盘服务（INT 13h）
磁盘参数
- CHS 寻址：柱面（Cylinder）、磁头（Head）、扇区（Sector）
- 扇区大小：512 字节
- 最大容量：8.4GB（1024 柱面 × 256 磁头 × 63 扇区 × 512 字节）
读取扇区
; 读取 1 个扇区到 0x7E00
read_sector:
pusha
mov ah, 0x02 ; 读取扇区功能
mov al, 0x01 ; 扇区数
mov ch, 0x00 ; 柱面
mov cl, 0x02 ; 扇区（1-63）
mov dh, 0x00 ; 磁头
mov dl, 0x80 ; 驱动器（0x80=第一硬盘）
mov bx, 0x7E00 ; 缓冲区地址
int 0x13
jc disk_error ; CF=1 表示错误
popa
ret
disk_error:
mov si, error_msg
call print_string
hlt
error_msg: db "Disk error!", 0
磁盘参数表（DPT）
// 获取磁盘参数
struct disk_parameter_table {
uint16_t buffer; // 缓冲区偏移
uint16_t count; // 扇区数
uint16_t sector; // 起始扇区
uint16_t cylinder; // 起始柱面
uint8_t head; // 起始磁头
uint8_t drive; // 驱动器号
uint8_t flags; // 标志
};
// 扩展磁盘服务（INT 13h, AH=48h）
int get_disk_info(uint8_t drive, struct disk_parameter_table *dpt) {
struct {
uint16_t size; // 结构大小
uint16_t flags; // 标志
uint32_t cylinders; // 柱面数
uint32_t heads; // 磁头数
uint32_t sectors; // 每磁道扇区数
uint64_t total_sectors; // 总扇区数
uint16_t bytes_per_sector; // 每扇区字节数
} buffer;
buffer.size = sizeof(buffer);
__asm__ volatile (
"int $0x13"
: "=a"(buffer)
: "a"(0x4800), "d"(drive), "S"(&buffer)
: "memory"
);
return (buffer.flags & 0x01) ? 0 : -1; // 0=成功
}
2.3 键盘服务（INT 16h）
键盘功能
| AH | 功能 | 返回 | |—-|——|——| | 0x00 | 读取字符 | AL=ASCII, AH=扫描码 | | 0x01 | 检查键盘缓冲区 | ZF=1=无字符, AX=字符 | | 0x02 | 获取移位状态 | AL=移位状态 |
键盘输入处理
; 等待按键
wait_key:
mov ah, 0x00
int 0x16
; AL = ASCII, AH = 扫描码
ret
; 检查是否有按键
check_key:
mov ah, 0x01
int 0x16
jz no_key ; ZF=1 表示无按键
; AX = 字符
ret
no_key:
xor ax, ax
ret
扫描码处理
// 扫描码到 ASCII 转换表
static const char scan_to_ascii[128] = {
0, 0x1B, '1', '2', '3', '4', '5', '6',
'7', '8', '9', '0', '-', '=', '\b', '\t',
'q', 'w', 'e', 'r', 't', 'y', 'u', 'i',
'o', 'p', '[', ']', '\n', 0, 'a', 's',
'd', 'f', 'g', 'h', 'j', 'k', 'l', ';',
'\'', '`', 0, '\\', 'z', 'x', 'c', 'v',
'b', 'n', 'm', ',', '.', '/', 0, '*',
0, ' ', 0, 0, 0, 0, 0, 0,
0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, '7',
'8', '9', '-', '4', '5', '6', '+', '1',
'2', '3', '0', '.'
};
第三章：BIOS 硬件检测与配置
3.1 内存检测
INT 15h, E820 内存映射
// E820 内存映射条目
struct e820_entry {
uint64_t base; // 基地址
uint64_t length; // 长度
uint32_t type; // 类型（1=可用, 2=保留, 3=ACPI, 4=NVS）
uint32_t reserved;
};
// 获取内存映射
int get_memory_map(struct e820_entry *map, int max_entries) {
uint32_t cont_id = 0;
int count = 0;
do {
__asm__ volatile (
"int $0x15"
: "=a"(cont_id), "=c"(map[count].type), "=d"(map[count].reserved)
: "a"(0xE820), "b"(map[count].base), "d"(map[count].length), "c"(20), "D"(cont_id)
: "memory"
);
if (cont_id == 0) break;
// 检查是否为可用内存
if (map[count].type == 1 && map[count].length > 0) {
count++;
if (count >= max_entries) break;
}
} while (cont_id != 0);
return count;
}
内存类型说明
| 类型 | 说明 | |——|——| | 1 | 可用 RAM | | 2 | 保留（硬件使用）| | 3 | ACPI 重声明 | | 4 | NVS（非易失性存储）| | 5 | 有缺陷的内存 |
3.2 CPU 检测
CPUID 指令
// CPUID 结构
struct cpuid_result {
uint32_t eax, ebx, ecx, edx;
};
// 执行 CPUID
static inline struct cpuid_result cpuid(uint32_t leaf) {
struct cpuid_result result;
__asm__ volatile (
"cpuid"
: "=a"(result.eax), "=b"(result.ebx), "=c"(result.ecx), "=d"(result.edx)
: "a"(leaf)
: "memory"
);
return result;
}
// 检测 CPU 功能
int detect_cpu_features(void) {
struct cpuid_result result = cpuid(0x00000001);
int features = 0;
if (result.edx & (1 << 15)) features |= CPUID_FPU;
if (result.edx & (1 << 23)) features |= CPUID_MMX;
if (result.edx & (1 << 25)) features |= CPUID_SSE;
if (result.ecx & (1 << 0)) features |= CPUID_SSE3;
if (result.ecx & (1 << 9)) features |= CPUID_SSSE3;
return features;
}
3.3 PCI 设备检测
PCI 配置空间访问
// PCI 配置空间读取
uint32_t pci_read_config(uint8_t bus, uint8_t slot, uint8_t func, uint8_t offset) {
uint32_t address = (1 << 31) | (bus << 16) | (slot << 11) | (func << 8) | (offset & 0xFC);
outl(0xCF8, address);
return inl(0xCFC + (offset & 0x3));
}
// 扫描 PCI 总线
void pci_scan(void) {
for (int bus = 0; bus < 256; bus++) {
for (int slot = 0; slot < 32; slot++) {
uint16_t vendor = pci_read_config(bus, slot, 0, 0x00);
if (vendor == 0xFFFF) continue; // 无设备
uint16_t device = pci_read_config(bus, slot, 0, 0x02);
uint32_t class_rev = pci_read_config(bus, slot, 0, 0x08);
printf("PCI %02x:%02x.0 - %04x:%04x (class %06x)\n",
bus, slot, vendor, device, class_rev >> 8);
}
}
}
第四章：BIOS 启动扇区开发
4.1 引导扇区结构
MBR 格式
| 偏移 | 大小 | 用途 | |——|——|——| | 0x0000 | 446 | 引导代码 | | 0x01BE | 16 | 分区表项 1 | | 0x01CE | 16 | 分区表项 2 | | 0x01DE | 16 | 分区表项 3 | | 0x01EE | 16 | 分区表项 4 | | 0x01FE | 2 | 签名（0xAA55）|
最小引导扇区
; boot.asm
bits 16
org 0x7C00
start:
; 设置段寄存器
cli
mov ax, 0x07C0
mov ds, ax
mov es, ax
mov ss, ax
mov sp, 0x7C00
sti
; 清屏
mov ah, 0x06
mov al, 0x00
mov bh, 0x07
mov cx, 0x0000
mov dx, 0x184F
int 0x10
; 输出消息
mov si, msg
call print_string
; 无限循环
cli
hlt
jmp $
print_string:
lodsb
or al, al
jz .done
mov ah, 0x0E
mov bx, 0x0007
int 0x10
jmp print_string
.done:
ret
msg: db "BIOS Bootloader!", 0
; 填充到 510 字节
times 510-($-$$) db 0
; 签名
dw 0xAA55
4.2 磁盘加载器
加载后续扇区
; 加载 32 个扇区到 0x8000
load_kernel:
mov si, disk_error_msg
; 重置磁盘
mov ah, 0x00
mov dl, 0x80
int 0x13
jc disk_error
; 加载扇区
mov ax, 0x0800 ; 目标段
mov es, ax
xor bx, bx ; 目标偏移
mov ah, 0x02 ; 读取功能
mov al, 32 ; 扇区数
mov ch, 0x00 ; 柱面
mov cl, 0x02 ; 起始扇区
mov dh, 0x00 ; 磁头
mov dl, 0x80 ; 驱动器
int 0x13
jc disk_error
; 跳转到内核
jmp 0x0800:0x0000
disk_error:
call print_string
hlt
4.3 实模式到保护模式切换
启用 A20 地址线
enable_a20:
; 方法 1：键盘控制器
call a20_wait
mov al, 0xAD
out 0x64, al
call a20_wait
mov al, 0xD0
out 0x64, al
call a20_wait2
in al, 0x60
or al, 2
call a20_wait
mov al, 0xD1
out 0x64, al
call a20_wait
mov al, al
out 0x60, al
call a20_wait
mov al, 0xAE
out 0x64, al
call a20_wait
ret
a20_wait:
in al, 0x64
test al, 2
jnz a20_wait
ret
a20_wait2:
in al, 0x64
test al, 1
jz a20_wait2
ret
设置 GDT 并切换到保护模式
; GDT 描述符
gdt_start:
dq 0x0 ; 空描述符
gdt_code:
dw 0xFFFF ; 段界限 0-15
dw 0x0 ; 基地址 0-15
db 0x0 ; 基地址 16-23
db 10011010b ; 类型：代码段，可读
db 11001111b ; 粒度：4KB，32位
db 0x0 ; 基地址 24-31
gdt_
dw 0xFFFF
dw 0x0
db 0x0
db 10010010b ; 数据段，可写
db 11001111b
db 0x0
gdt_end:
gdt_descriptor:
dw gdt_end - gdt_start - 1
dd gdt_start
; 切换到保护模式
switch_to_pm:
; 加载 GDT
lgdt [gdt_descriptor]
; 启用保护模式
mov eax, cr0
or eax, 1
mov cr0, eax
; 远跳转刷新 CS
jmp 0x08:protected_mode_start
[bits 32]
protected_mode_start:
; 设置段寄存器
mov ax, 0x10
mov ds, ax
mov es, ax
mov fs, ax
mov gs, ax
mov ss, ax
; 调用 C 代码
call KERNEL_ENTRY_POINT
第五章：BIOS 调试技巧
5.1 实模式调试
使用 Bochs 调试
# bochsrc.txt
megs: 32
romimage: file=/usr/share/bochs/BIOS-bochs-latest
vgaromimage: file=/usr/share/bochs/VGABIOS-lgpl-latest
ata0-master: type=disk, path=disk.img, mode=flat
boot: disk
log: bochsout.txt
debug: 1
调试命令
# 启动 Bochs
bochs -f bochsrc.txt
# Bochs 调试器命令
b 0x7c00 # 在引导扇区设置断点
c # 继续执行
r # 查看寄存器
xp /10bx 0x7c00 # 查看内存
5.2 硬件模拟调试
QEMU 调试
# 启用调试
qemu-system-i386 -kernel kernel.bin -hda disk.img -s -S
# GDB 连接
gdb kernel.bin
(gdb) target remote :1234
(gdb) set architecture i8086
(gdb) break *0x7c00
(gdb) continue
5.3 BIOS 仿真工具
使用 coreboot 仿真
# 构建 coreboot 仿真
make menuconfig
# 选择 Hardware → Emulation → QEMU
make
# 运行仿真
./build/coreboot.rom
使用 SeaBIOS
# 编译 SeaBIOS
git clone https://github.com/coreboot/seabios.git
make
# 在 QEMU 中使用
qemu-system-i386 -bios out/bios.bin -hda disk.img
第六章：BIOS 与现代启动的对比
6.1 BIOS vs UEFI
| 特性 | BIOS | UEFI |
|---|---|---|
| 模式 | 16 位实模式 | 32/64 位保护模式 |
| 启动速度 | 慢（POST 详细） | 快（快速启动） |
| 磁盘支持 | MBR（2TB 限制） | GPT（8ZB 限制） |
| 文件系统 | 无（直接扇区访问） | FAT32（可读文件） |
| 驱动 | 内置（16 位） | 模块化（32/64 位） |
| 安全性 | 无 | Secure Boot |
6.2 Legacy Boot 的优势
对自制 OS 开发者的价值
- 简化启动：无需处理复杂的 UEFI 协议
- 硬件控制：直接访问硬件端口
- 调试友好：实模式调试工具成熟
- 兼容性：所有 x86 PC 支持
何时转向 UEFI
- 大磁盘支持：>2TB 磁盘
- 安全启动：Secure Boot 需求
- 现代硬件：UEFI-only 系统
- 性能要求：快速启动需求
6.3 混合启动策略
BIOS 兼容模式
// 检测启动方式
int detect_boot_mode(void) {
// 检查是否在 UEFI 模式下
if (*((uint32_t*)0x00000400) == 0x55AA) {
return BOOT_MODE_UEFI;
} else {
return BOOT_MODE_BIOS;
}
}
双重引导扇区
+------------------+
| MBR (BIOS) | // 446 字节引导代码
+------------------+
| GPT 头部 | // UEFI 兼容
+------------------+
| 分区 1 |
+------------------+
| ... |
+------------------+
结论：BIOS 的持久价值
尽管 UEFI 已成为现代标准，
BIOS 仍然是自制操作系统开发者的最佳起点。
通过深入理解 BIOS：
- 掌握硬件启动流程
- 学会实模式编程
- 理解中断服务机制
- 构建调试调试技能
这些技能不仅适用于 BIOS 环境，
更为理解 UEFI 和现代操作系统奠定坚实基础。
真正的硬件掌控，
始于对 BIOS 的深刻理解。