电脑系统的工作原理_电脑系统工作流程

引导过程

我们几乎每天都要打开电源启动机器，面对屏幕上出现的一幅幅启动画面，我们一点儿也不会感到陌生，但是，计算机在显示这些启动画面时都做了些什么工作呢？

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RA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

引导过程的第一步就是通电。电扇开始运转，电源指示灯应该变亮，否则说明系统电源供应有问题，或是主板等部件和机箱发生短路。

(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”。

提示：如果设定的启动顺序是先软盘后硬盘，出现上述提示时要检查一下软驱中是否放的是系统盘（包含上述系统文件）。如果不是系统盘，可将软盘取出，在按任意键后，计算机将从下一个驱动器（硬盘）查找系统文件。

然后，微处理器将试图加载另外一个操作系统文件Command.com。如果加载失败（Command.com文件不存在或版本不对），会出现故障信息：“Bad or missing command interpreter”，而且你发出的所有命令计算机都无法执行，因为Command.com是专门用来解释这些命令的。

(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) 准备接收命令和数据

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（如C:\>；A:\>等）。

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。

计算机系统概述

计算机系统包括硬件系统和软件系统两大部分。计算机通过执行程序而 运行，计算 机工作时软硬件协同工作，二者缺一不可。

硬件（Hardware）是构成计算机的物理装置，是看得见、摸得着的一些实实在在的 有形实体。一个计算机硬件系统，从功能级角度而言包五大功能部件：运算 器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。

硬件是计算机能够运行的物质基础，计算机的性能，如运算速度、存储容量、计算 精度、可靠性等，很大程度上取决于硬件的配置。只有硬件而没有任何软件支持的计算机称为裸机。在裸机上只能运行机器语言程 序，使用很不方便，效率也低。

软件（Software）是指使计算机运行需要的程序、数据和有关的技术文档资料。软 件是计算机的灵魂，是发挥计算机功能的关键。有了软件，人们可以不必过多地去了解 机器本身的结构与原理，可以方便灵活地使用计算机。软件屏蔽了下层的具体计算机硬件，形成一台抽象的逻辑计算机（也称虚拟机），它在用户和计算机（硬件）之间架起了桥梁。

软件通常分为系统软件和应用软件两大类。系统软件是计算机制造者提供的使用和 管理计算机的软件，它包括操作系统、语言处理系统、常用服务程序等。应用软件是计 算机用户用计算机及其提供的各种系统软件开发的解决各种实际问题的软件。

必须指出，在计算机系统中，硬件和软件之间并没有一条明确的分界线。一般 来说，任何一个由软件完成的操作也可以直接由硬件来实现，而任何一个由硬件所执行 的指令也能够用软件来完成。软件和硬件之间的界线是经常变化的。今天的软件可能就是明天的硬件，反之亦然。

计算机硬件系统组成

从功能上来看，计算机的硬件系统由运算器、 控制器、存储器、输入设备和输出设备组成，五大部分由总线连接。 控制器和运算器合在一起被 称为中央处理器CPU(Central Processing Unit)。

计算机基本工作原理

冯·诺依曼原理

世界上第一台计算机基于冯·诺依曼原理，其基本思想是：存储程序与程序控制。存储程序是指人们必须事先把计算机的执行步骤序列（即程序）及运行中所需的数据，通过一定方式输入并存储在计算机的存储器中。程序控制是指计算机运行时能自动地逐一取出程序中一条条指令，加以分析并执行规定的操作。 到目前为止，尽管计算机发展了4代，但其基本工作原理仍然没有改变。 根据存储程序和程序控制的概念，在计算机运行过程中，实际上有两种信息在流动。一种是数据流，这包括原始数据和指令，它们在程序运行前已经预先送至主存中，而且都是以二进制形式编码的。在运行程序时数据被送往运算器参与运算，指令被送往控制器。另一种是控制信号，它是由控制器根据指令的内容发出的，指挥计算机各部件执行指令规定的各种操作或运算，并对执行流程进行控制。这里的指令必须为该计算机能直接理解和执行。

计算机指令与指令系统

指令是指计算机完成某个基本操作的命令。指令能被计算机硬件理解并执行。一条指令就是 计算机机器语言的一个语句，是程序设计的最小语言单位。

一台计算机所能执行的全部指令 的集合，称为这台计算机的指令系统。指令系统比较充分地说明了计算机对数据进行处理的 能力。不同种类的计算机，其指令系统的指令数目与格式也不同。指令系统越丰富完备，编 制程序就越方便灵活。指令系统是根据计算机使用要求设计的。

一条计算机指令是用一串二进制代码表示的，它通常应包括两方面的信息：操作码和地址码 。操作码用来表征该指令的操作特性和功能，即指出进行什么操作；地址码指出参与操作的 数据在存储器中的地址。一般情况下，参与操作的源数据或操作后的结果数据都在存储器中 ，通过地址可访问该地址中的内容，即得到操作数。

CPU访问存储器需要一定的时间，为了提高运算速度，有时也将参与运算的数据或中间结果 存放在CPU寄存器中或者直接存放在指令中。