计算机启动后的内幕

作为这个分类下的第一篇文章，说说计算机在开机按钮被按下后在黑色屏幕下干了些什么“勾当”。我想，这应该是每一位学习操作系统的人都应该了解的。

 

打开计算机机电源后到计算机准备接受你发出的命令之间计算机所运行的过程称为引导（Boot）过程。我们知道，当关闭电源后，RAM的数据将丢失，因此，计算机不是用RAM来保持计算机的基本工作指令，而是使用另外的方法将操作系统文件加载到RAM中，再由操作系统接管对机器的控制。这是引导过程中的一个主要部分。总的说来，引导过程有下面几个步骤：

①加电→打开电源开关，给主板和内部风扇供电。

②启动引导程序→CPU开始执行存储在ROM BIOS中的指令。

③开机自检→计算机对系统的主要部件进行诊断测试。

④加载操作系统→计算机将操作系统文件从磁盘读到RAM中。

⑤检查配置文件，定制操作系统的运行环境→读取配置文件，根据用户的设置对操作系统进行定制。

⑥准备读取命令和数据→计算机等待用户输入命令和数据。

 

一 加电

   

    当按下电源开关时，电源就开始向主板和其它设备供电，此时电压还不太稳定，主板上的控制芯片组会向CPU发出并保持一个RESET（重置）信号，让CPU内部自动恢复到初始状态，但CPU在此刻不会马上执行指令。

 

二 启动引导程序

 

    CPU是从内存地址FFFF0H处开始执行指令的，从前面的介绍可知，这个地址实际上在系统BIOS的地址范围内，无论是哪家公司的 BIOS，放在这里的只是一条跳转指令，跳到系统BIOS中真正的启动代码处。

 

三 开机自检

 

       系统BIOS的启动代码首先要做的事情就是进行POST（Power－On Self Test，加电后自检），POST的主要任务是检测系统中一些关键设备是否存在和能否正常工作，例如内存和显卡等设备。由于POST是最早进行的检测过程，此时显卡还没有初始化，如果系统BIOS在进行POST的过程中发现了一些致命错误，例如没有找到内存或者内存有问题（此时只会检查640K常规内存），那么系统BIOS就会直接控制喇叭发声来报告错误。正常情况下，POST过程进行得非常快。

     POST结束之后，系统BIOS将查找显卡的BIOS并调用它的初始化代码，由显卡BIOS来初始化显卡，此时多数显卡都会在屏幕上显示出一些初始化信息，介绍生产厂商、图形芯片类型等内容。系统BIOS接着会查找其他设备的BIOS程序，找到之后同样要调用这些BIOS内部的初始化代码来初始化相关的设备。  

     查找完所有其他设备的BIOS之后，系统BIOS将显示出它自己的启动画面，其中包括系统BIOS的类型、序列号和版本号等内容。然后检测和显示CPU的类型和工作频率，然后开始测试所有的RAM，并同时在屏幕上显示内存测试的进度。

     内存测试通过之后，系统BIOS将开始检测系统中安装的一些标准硬件设备，包括硬盘、CD－ROM、串口、并口、软驱等设备，另外绝大多数较新版本的系统BIOS在这一过程中还要自动检测和设置内存的定时参数、硬盘参数和访问模式等。

     标准设备检测完毕后，系统BIOS内部支持即插即用的代码将开始检测和配置系统中安装的即插即用设备，每找到一个设备之后，系统BIOS都会在屏幕上显示出设备的名称和型号等信息，同时为该设备分配中断、DMA通道和I/O端口等资源。

    经过上面几步，所有硬件都已经检测配置完毕，多数系统BIOS会重新清屏并在屏幕上方显示出一个表格，其中概略地列出了系统中安装的各种标准硬件设备，以及它们使用的资源和一些相关工作参数。

    接下来系统BIOS将根据CMOS配置更新ESCD（Extended System Configuration Data，扩展系统配置数据），ESCD是系统BIOS用来与操作系统交换硬件配置信息的一种手段。通常ESCD数据只在系统硬件配置发生改变后才会更新，所以不是每次启动机器时我们都能够看到“Update ESCD… Success”这样的信息。

 

四  加载操作系统

 

     在POST成功之后，系统BIOS的启动代码将进行它的最后一项工作，即根据用户指定的启动顺序从软盘、硬盘或光驱启动，定位并加载操作系统文件。首先计算机查找两个操作系统文件：Io.sys和Msdos.sys。如果这两个文件不存在，引导过程会显示如下信息：“Non-system disk or disk error”或者“Invalid system disk”。

 

五  检查配置文件并定制操作系统的运行环境

 

    在引导过程初期，计算机通过检查CMOS中的信息对硬件作初始化等工作。但具体到不同的操作系统中，计算机还需要更多的配置信息来正确使用所有的设备并创建个性化的运行环境。

    我们以DOS和Windows两种常用的PC操作系统为例，在DOS中我们常通过创建并编辑Autoexec.bat文件实现开机后自动执行某些命令，比如设置硬盘缓冲区大小、自动启动汉字环境等；在另一个文件Config.sys中可以加载鼠标、光驱、声卡等设备的DOS驱动程序等，使在DOS中可以使用这些设备。在Windows中对运行环境进行配置的方法更多，比如修改注册表，编辑System.ini、Win.ini等系统配置文件，或将希望启动完Windows后立即执行的内容放入Windows的启动（Startup）组中。

 

六  准备接受数据和命令

 

     当计算机准备好接收命令时就结束了引导过程。通常在引导结束后，计算机会显示操作系统的屏幕或提示符。如果你使用的是Windows，那么就会看到Windows的桌面；如果使用的是DOS，就会看到操作系统提示符。 

    上面介绍的整个过程便是计算机在打开电源开关（或按Reset键）进行冷启动时所要完成的引导工作。如果我们在DOS下按Ctrl＋Alt＋Del组合键（或从Windows中选择重新启动计算机）来进行热启动，那么POST过程将被跳过去，另外检测CPU和内存测试也不会再进行。我们可以看到，无论是冷启动还是热启动，系统BIOS都一次又一次地重复进行着这些我们平时并不太注意的事情，然而正是这些单调的步骤为我们能够正常使用电脑提供了基础。