大学计算机--计算机启动与运行原理

# 1. 计算机启动过程

## 1.1 BIOS和UEFI介绍

计算机启动过程的第一步是由计算机的基本输入/输出系统（BIOS）或统一的可扩展固件接口（UEFI）来负责。BIOS是一段存储在主板上的固件程序，它包含了一些初始化硬件和配置系统的函数。UEFI是BIOS的后继者，具有更多的功能和优势，支持更先进的硬件和安全特性。

## 1.2 POST自检程序

BIOS或UEFI通过执行自检程序（POST，Power-On Self-Test）来检查计算机的硬件设备是否正常工作。POST会检查主板、内存、处理器、键盘、显示器等硬件设备，并将检测到的信息显示在屏幕上。如果发现硬件故障，将会发出警报或者显示错误信息。

def power_on_self_test():
    sys_info = {}

    # 检测主板
    if detect_motherboard():
        sys_info['motherboard'] = 'OK'
    else:
        sys_info['motherboard'] = 'Error'

    # 检测内存
    if detect_memory():
        sys_info['memory'] = 'OK'
    else:
        sys_info['memory'] = 'Error'

    # 检测处理器
    if detect_processor():
        sys_info['processor'] = 'OK'
    else:
        sys_info['processor'] = 'Error'

    # 检测键盘
    if detect_keyboard():
        sys_info['keyboard'] = 'OK'
    else:
        sys_info['keyboard'] = 'Error'

    # 检测显示器
    if detect_display():
        sys_info['display'] = 'OK'
    else:
        sys_info['display'] = 'Error'

    return sys_info

def detect_motherboard():
    # 检测主板是否正常
    return True

def detect_memory():
    # 检测内存是否正常
    return True

def detect_processor():
    # 检测处理器是否正常
    return True

def detect_keyboard():
    # 检测键盘是否正常
    return True

def detect_display():
    # 检测显示器是否正常
    return True

sys_info = power_on_self_test()
print(sys_info)

运行结果示例：

{
  "motherboard": "OK",
  "memory": "OK",
  "processor": "OK",
  "keyboard": "OK",
  "display": "OK"
}

在自检程序运行结束后，计算机会显示硬件设备的状态，如果一切正常，即可进行下一步的启动过程。

## 1.3 加载引导程序

在计算机启动过程的最后一步是加载引导程序，该程序负责加载操作系统。引导程序通常被存储在硬盘的引导扇区中，这个扇区位于硬盘的第一个扇区。

public class BootLoader {
    public static void main(String[] args) {
        String bootSector = readBootSector();

        if (isValidBootSector(bootSector)) {
            loadOperatingSystem();
        } else {
            displayErrorMessage();
        }
    }

    private static String readBootSector() {
        // 读取引导扇区内容
        return "This is the boot sector";
    }

    private static boolean isValidBootSector(String bootSector) {
        // 验证引导扇区是否有效
        return bootSector.equals("This is the boot sector");
    }

    private static void loadOperatingSystem() {
        // 加载操作系统
        System.out.println("Loading operating system...");
    }

    private static void displayErrorMessage() {
        System.out.println("Invalid boot sector. Cannot load operating system.");
    }
}

运行结果示例：

Loading operating system...

引导程序读取引导扇区内容，并对其进行验证。如果引导扇区内容有效，则加载操作系统；否则，显示错误信息。操作系统的加载后，计算机就可以进入操作系统的启动过程了。

# 2. 操作系统的启动

在计算机启动过程中，操作系统的启动是最关键的一步。在这一章节中，我们将介绍操作系统的启动过程，并详细讲解引导程序、内核初始化以及用户登录与桌面环境启动等内容。

### 2.1 操作系统的引导程序

操作系统的启动是由引导程序来完成的。引导程序位于引导设备的引导扇区（也称为主引导记录），它负责将操作系统加载到内存中并控制启动流程。

下面是一个简单的引导程序的示例（使用汇编语言编写）：

ORG 0x7c00
BITS 16

start:
    mov ax, cs