计算机开机那点事：从按下电源键到操作系统

想写好操作系统，必须得先学明白从计算机开机到运行操作系统中间发生的所有事情

计算机开机那点事：从按下电源键到运行操作系统

1. 一切从主板开始说起

CPU不是一个可以单独工作的部件，需要内存、显卡、键盘、鼠标等等的设备支持，还需要供电、散热等等东西才能够正常的运行。

CPU的背部有很多的金属触点，这些金属触点就是CPU的供电来源、地址线、数据线等等。这些金属触点，我们称之为引脚

而为了把CPU和内存、硬盘、屏幕还有鼠标键盘连接在一起，让数据能够互相流通，人们设计了一块可以连接所有设备的电路板，这个板子就是主板（Mother Board）

不仅电脑中有主板，手机上也有主板，乃至于微波炉、洗衣机等等计算机或者由计算机控制的设备上，都有主板。只不过手机上的和微波炉、洗衣机中的主板比电脑上的主板小得多的说，而且连接到上面的设备也少的多得多。

主板上实际有很多层电路，而层与层之间又绝缘胶相互隔绝。因此每一层都可以视为是不同的电路，或者说具有特殊功能的导线。

因此，主板就可以将各种各样的设备连接起来。

所以我们如果要把CPU链接到当前主板上去的话，那么我们只需要把CPU放到主板上的内存插槽中，那么CPU就通过底部的N多个金属触点，连接到了主板上N多个导线上。

同理，主板上也提供了内存插槽，我们把内存插到内存插槽上，那么通过主板内部的某一层电路，CPU就和内存建立了联系，他们之间就可以交换数据了

而为了显示，我们插上显卡，并且连接显示器

为了获取用户输入输出，我们插上鼠标键盘

当然，如果没有电，那么计算机是没有办法工作的，而CPU工作的第一个要求就是有供电。所以我们还需要给主板接上电，所以还需要给主板接上电源模块。

最终，一台像模像样的计算机就搭建起来了。

上面我们讲解了一台计算机中的硬件，接下来我们将讲解计算机开机的整个流程。

2. 开机第一步：接通电源

有人可能会问，计算机开机不是应该在按下电源键之后才开始的么？错了，其实计算机开机在接通电源之后就已经开始了

我们接下来将讲解开机的第一步：接通电源。

1. 什么是接通电源？

有人可能会问，为什么连接通电源都要讲，难道不是把计算机的插头插到插座上么？错了，其实针对台式机这种没有内部供电的计算机，把插头插到插座上是接通电源。

而对于手机、笔记本这种有内置供电的计算机，把电池接上计算机才是接通电源。

总之，在我们为计算机接通电源的那一刹那，电力供应就源源不断的来到了主板，但是此时，电力还没有输送到各个硬件上。

2. 第一步：时钟芯片上电

在接通电源之后，上电的第一个模块就是计算机中的时钟模块。时钟模块是一种特殊的电路，只要接通电源，电路就会发出高——低——高——低的信号。

这个信号称为时钟信号，主板上不同的芯片，只要检测时钟信号中的上升沿，就可以同步的进行操作，这样通过时钟信号就实现了让整个系统中的所有的电路同步运行。（计算机中的电路其实是异步时钟电路，这里主要是为了方便讲解）

时钟电路主要由时钟发生器(时钟芯片)、14.318MHz晶振、电容、电阻和电感等组成。当然，我们这里不需要知道时钟电路具体是如何实现的，我们这里需要明白的是，计算机中各个电路和硬件想要正常工作就需要先有时钟信号。所以接通电源之后第一个开始工作的模块就是时钟模块。

但是注意，时钟芯片上电只是表示时钟芯片准备好工作，正式开始工作，向各个硬件发出不同频率的信号还得等我们按下开机键

3. 第二步：开机电路工作

时钟电路上电之后，接下来开始工作的就是开机电路了。此时计算机中的其他硬件，例如显卡、内存什么的都还没有上电。

开机电路的主要功能，就是侦测我们是否按下了开机键，在我们按下了开机键之后，开机电路导通了，此后就开启了我们原先理解的开机流程。

3. 开机第二步：按下开机键

我们上面介绍了接通电源后，按下开机键之前计算机系统发生的事情。接下来我们讲解接通电源后、按下开机键之后发生的事情。

1. 第一步：系统自检

在我们按下了开机键后，当开机电路侦测到了我们按下开机键，这个时候主板就会接收到我们按下了开机键这个信号。

而主板在接收到按下开机键的信号后，会检查自己身上有没有短路、漏电的部分，如果有则会中断开启并且切断供电，没有则继续供电，继续开机流程。

在供电自检完成300~500毫秒后，电源会发出一个PowerGood信号，时钟芯片在接收到这个信号后，就会开始工作，向主板上的各个部件发出不同频率的时钟信号。

2. 第二步：CPU上电复位

在时钟开始发出时钟信号后，接下来供电就会来到CPU。CPU获得供电后，干的第一件事情就是复位

CPU复位的时候会初始化CS、IP寄存器，即将CS、IP的值设置为某一个特定的值。具体是怎么复位的，其实还是硬件电路实现的。类似于时钟电路能够发出时钟信号，CPU的复位电路能够将CS、IP设定为特定的值，

我们下面使用bochs来看看CPU复位时CS、IP被设置成什么值了。

从下面的两个图中，最后可以看到CS:IP的值被设置成了0xf000:0xfff0，实模式下指向的物理地址就是0xffff0

3. 第三步：各个部件复位

其实在时钟芯片开始向各个部件输出时钟信号后，不仅仅是CPU会初始化，主板上的各个部件也会开始初始化。我们上面是为了给后面开始运行操作系统铺垫，所以强调了CPU的复位。

4. 第四步：运行BIOS程序

在主板上所有的硬件复位之后，CPU此时就可以开始运行了。但是这个时候有一个问题，我们该运行那个程序？

因为我们现在的计算机都是冯·诺依曼模型。而冯诺依曼模型的计算机中，CPU（运算器和控制器）只负责取指令、解释指令、运行指令而指令都是储存在内存（存储器）中的。

PS: 不要问CPU是如何取指、解释、执行的，因为那是硬件电路设计的事情。也不要问为什么冯诺依曼体系结构的计算机是CPU取指执行，指令存储在存储器。这个是冯诺依曼体系结构计算机的定义，你费尽千辛万苦，设计出来的硬件电路只要满足冯诺依曼体系结构的要求，那么你设计的计算机就是冯诺依曼体系结构计算机中的一种。

可是，内存在复位后，其中是没有任何指令的。换而言之，在复位后，内存中是没有任何程序的，那么这个时候CPU到底该运行那个程序呢？

所以，这个时候我们就需要在计算机中内置一套程序，这个程序的作用就是把其他的程序从磁盘读取到内存中，此时内存中就有了新的程序。最后该程序结束运行，并让CPU去执行新的程序即可。

并且由于内存断电后其中的数据就没了，所以这个程序必须要在主板断电后依旧存在。这个程序就是BIOS。关于BIOS我们后面再介绍。这里主要介绍开机流程。

上个世纪70年代，人们发明了一种称为ROM（Read Only Memory）的芯片，ROM芯片和内存（RAM芯片）一样，可以被CPU读取，但是其中的数据在断电之后不会丢失，并且CPU也不能向ROM中写入数据。

那么计算机是把ROM中的数据复制到内存RAM中然后运行么？错了，让CPU复制数据也是需要程序的，这个时候啥程序都没有，更别说复制了。所以这个时候内存映射IO就来了。

内存映射IO实际上我在之前的计算机基础知识里面有讲，想详细了解的可以去看看。内存映射IO的基本意思就是把寻址空间的一部分映射到ROM中去，这样CPU认为自己在访问内存的某个区域，实际上实在访问ROM中的存储单元。

形象的理解，就是让ROM假装内存，然后让CPU以读取内存的方式去读取ROM中的指令

我们前面特地强调了CPU复位，其中特地说到CPU复位的时候会把CS、IP寄存器初始化为CS:IP=0xf000:0xfff0，即指向0xffff0这个物理地址，所以其实寻址空间中的0xffff0这个地址，最后经过地址总线翻译后，指向的就是ROM。

所以这个时候，我们就可以开始运行ROM中的BIOS这个程序了。

既然BIOS实在ROM中的，那么换而言之，我们开机的时候其实没有内存，也还是能够运行BIOS这个程序的，毕竟ROM这个程序是在主板上的。

当然，没有内存条的话，后面的操作系统也就没有办法运行了，所以计算机还是没有办法运行，但是此时检测到计算机中没有内存条而终止开机的就是BIOS了。具体BIOS是干什么的，我在另外一篇讲解BIOS的文章里面有讲。

BIOS这个程序已经存在快四五十年了，所以后来升级了一次，升级后的程序叫UEFI，作用和BIOS基本上是一样的

最后，BIOS运行的最后，会在硬盘上寻找操作系统，找到了就会把操作系统从硬盘中读取到内存，而后就开始运行操作系统。

4. 开机第三步：运行操作系统

1. 第一步：加载BootLoader

其实BIOS在运行的最后，在硬盘上会寻找、并且读取到内存的是一个称为BootLoader的程序。这个程序是由开发操作系统的人提供的。

BootLoader这个程序的作用就是负责从磁盘上读取操作系统，然后运行操作系统。

可是这个时候有人可能就会问，BIOS为什么不能直接读取到操作系统然后运行操作系统呢？而非要读取、运行BootLoader这个程序？

这其实是因为操作系统启动的代码很复杂，而BIOS这个程序很小，没有办法胜任。而且不同的操作系统启动流程是不一样的。所以与其BIOS来启动操作系统。倒不如让操作系统的编写者来自己写程序启动自己的程序，而BIOS只需要去统一的读取BootLoader到内存即可。

PS：所以如果想要自己写一个操作系统的话，那么出了系统本身，还得写一个BootLoader程序

程序从外存复制到内存的过程称为加载，因此操作系统运行的第一步就是BIOS在外存中寻找到BootLoader，而后开始把BootLoader加载到内存中。

BIOS会把BootLoader读取到内存中的0x70c00这个地方，而关于为什么会读取到这个地方，在讲解BIOS的文章中会讲解。

BootLoader为什么叫BootLoader

BootLoader程序本身是操作系统的一部分，运行它就能够运行操作系统，因此有点像操作系统自己把自己运行起来了。中文称这个为自举。但是英文里称为Bootstarp。

BootStarp最早是来自一个谚语：

pull oneself up by one’s bootstraps

字面意思就是“拽着鞋带自己把自己拉起来”，这当然是不可能的。工程师用这个来比喻操作系统启动是一个很矛盾的事情：必须先运行程序，然后才能启动计算机，但是不启动计算机就没法运行操作系统。

计算机的早期确实是这样，必须想尽办法办法把一小段程序塞入内存中，然后计算机才能正常运行，所以工程师把计算机开机的引导称为拉鞋带。计算机启动就简称为Boot了

而启动操作系统的程序就称为BootLoader了

2. 第二步：运行操作系统

BIOS中的最后一条指令，就是jmp 0000:0x7c00，此时就会跳转到被加载到内存中的BootLoader去运行。

计算机运行的最后一步就是运行操作系统，因为操作系统本身就是一个无限循环的程序。下面XV6这个操作系统的main函数的最后一个函数mpmain里有一个while(1)循环（其实就是Scheduler）

至此，我们就完成了整个开机的开机的流程，计算机就一直运行操作系统了。直到我们关机。而后在下一次开机，又会重复上面开机的过程。