PC上的BIOS ROM是如何映射到地址空间中的？

Question

x86 CPU从物理地址0xFFFFFFF0开始执行。在地址空间的末尾，BIOS ROM位于那里。CPU从ROM执行的第一条指令是远跳转（far jump），它会导致CS段重新加载，因此下一条指令将从物理区域0x000F0000-0x000FFFFF内执行。

是什么导致ROM在这两个区域上响应？PC上有一些特殊的地址解码逻辑吗？我在Bochs源代码中发现了注释，说明BIOS ROM的最后128K映射到0xE0000-0xFFFFF。然而，我找不到更多关于此的信息。显然，这是一些PC特定的东西，因为我有一个x86嵌入式板，这种镜像并没有发生。我只能使用近跳转。

- manison

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你看过 http://wiki.osdev.org/System_Initialization_%28x86%29 吗？ - user786653

Answer 1

在PC上，总会涉及一些地址解码逻辑，因为在物理地址空间中有一些“洞口/窗口”，可以通过这些洞口/窗口访问BIOS ROM和I/O设备（例如视频卡），而不是RAM。出于兼容性的原因，这是设计好的，以便旧程序仍然可以在新电脑上运行。

至于CPU在复位后从哪个地址开始执行，如果您查看文档，您将看到Pentium级别的CPU从以下位置开始：
EIP=0xFFF0
CS.Selector=0xF000
CS.Base=0xFFFF0000

如果按照正常实模式寻址方案，则物理地址应为 CS.Selector*16+IP ，或者，使用这些值替换后为 0xFFFF0。然而，CPU实际上是用 CS.Base+(E)IP来计算地址（在实模式和16/32位保护模式下，但不在虚拟8086或64位保护模式下），因此CPU从内存中请求的第一个地址将是 0xFFFFFFF0。您无法使用远跳转到ROM中的高地址代码，可能是因为加载到 CS 后，CS.Base 将重置为 16 * CS.Selector 的新值。因此，跳转到 0xF000：0xFFF0 将传输控制到 0xFFFF0 而不是 0xFFFFFFF0，除非该ROM也映射到内存中的低位置并且其中的代码适用于在 CS（.Selector）=0xF000 下运行，否则它将无法运行。

此外，如果PC的最大限制为16MB（在i80286和i80386SX上）或4GB（在i80386DX/原始i80386和i80486上）或2^40-52字节（在64位Pentium级别的CPU上），那么既不需要CPU也不需要其周围的电路支持所有32个（或更多）地址线，如果物理地址空间中的许多高位被忽略，执行可以说有效地从低于理论最大值的地址开始-例如0x00FFFFF0（i80286/i80386SX）。

如果您需要解决主板问题，请查阅其文档和原理图以了解ROM是如何映射到物理地址空间上的。

- Alexey Frunze

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谢谢。我特别关注断言“除非ROM也映射到低位置”。那么对于PC/AT兼容架构，ROM总是映射在这两个位置吗？ - manison

CPU要求前16个最大字节的指令，而兼容性要求剩余的ROM BIOS代码可在1MB以下的位置使用（至少是其中一部分）。因此，如果这些第一条指令存储在同一个ROM中，则必须将其映射到2个不同的位置。但是，如果特定PC品牌中的第一条指令是跳转到ROM中的某个位置（例如0xF000：0xFFF0），则硬件实现可能会在从最大-16读取内存时简单地响应该远跳转指令的字节序列，而无需提供第二个映射。 - Alexey Frunze

看起来Z80的设计更好，CPU在启动时从地址0开始，中断向量放置在启动地址之后。 - Amir Saniyan

Answer 2

由于内存别名，ROM可以同时响应两个区域。根据英特尔的Pete Dice撰写的Dr. Dobbs文章：

对于传统选项ROM和BIOS内存范围，英特尔芯片组通常具有内存别名功能，允许将访问1 MB以下的内存路由到或从位于4 GB以下的DRAM或非易失性存储器中。控制此别名的寄存器通常被称为可编程属性映射（PAM）。在固件阴影之前、期间和之后，可能需要操作这些寄存器。控制内存访问重定向的方式因芯片组而异。例如，某些芯片组允许控制读写，而其他芯片组仅允许控制读取。

请参阅该文章，了解有关设备内存映射和内存初始化、配置和测试的更多底层详细信息。

- wmjdgla