1.3 计算机的工作过程

1.3.1 计算机的工作过程

生活中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的画面，并不是每个人都知道计算机在显示这些启动画面时都做了些什么工作，本节将简单介绍一下。

打开计算机电源后到计算机准备接受用户发出的命令之间其所运行的过程，称为引导（Boot）过程。通常，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。

（1）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。

（2）启动引导程序

CPU是从内存地址FFFF0H处开始执行指令的，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，即跳到系统 BIOS 中真正的启动代码处。

（3）开机自检

系统 BIOS 的启动代码首先要做的事情就是进行加电后自检（Power-On Self Test, POST）, 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，再开始测试所有的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、并口和软驱等设备，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 配置更新扩展系统配置数据（Extended System Configuration Data, ESCD）, 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都能够看到“Update ESCD… Success”这样的信息。

（4）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”。

提示用户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”，而且所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。

（5）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。

以 DOS 和 Windows 两种常用的 PC 操作系统为例，在 DOS 中常通过创建并编辑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、光驱和声卡等设备的 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，或要求启动完 Windows 后，立即执行的内容放入Windows的启动（Startup）组中。

（6）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。但如果使用的是 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 过程会被跳过去，另外检测 CPU 和内存测试也不会再进行。因此，可以看出，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平时并不太注意的事情，然而正是这些单调的步骤为用户能够正常使用计算机提供了基础。

1.3.2 计算机处理问题的步骤

计算机处理问题的步骤可以归纳为系统分析，建立数学模型及设计算法，编写应用程序，编译为目标代码，由硬件执行。

对有的用户来说，使用计算机不需要自己编写程序代码，只需要面对显示器，用键盘、鼠标调用相关功能即可。例如，学校的工资管理系统，系统中已经含有相关应用的多个程序模块，通过良好的人机界面提供给给使用者，用户打开系统后，可从有关的菜单中选取所需要的功能，进行查询、输入、删除、修改和统计等工作。

但对于研制这些应用程序的计算机研发人员来说，任务就要复杂得多了。基本步骤，可分述如下：

1．系统分析

如果要构造一个比较复杂的应用系统，首先要进行需求分析，确定该系统具备哪些功能，并据此划分功能模块，了解需存储、处理哪些数据，以及数据量、数据的流向等。然后根据需求分析结果选择适合的软、硬件平台。总体设计中的这些分析工作常称为系统分析。

2．建立数学模型及设计算法

应用计算机求解、处理问题的方法为算法。早期计算机主要用于数学计算，那时的算法主要是指一些求解的数学方程的公式之类。后来计算机被广泛用于各种信息处理，算法的具体含义也就推广为各种处理问题的方法，如对信息的检索方法，调度策略、逻辑判断等。

如果需处理的问题比较复杂，包含多项分析、计算，或多种类型的数据信息，就需要建立数学模型。它可能是一组算法的有机组合，如一种桥梁应力分析的数学模型；也可能是一些数据信息的组织结构，如某种信息管理系统的数学模型；也可能是一组逻辑判断规则的有机组合，如某种决策系统等。

3．编写应用程序

在建立数学模型及设计算法之后，关键的技术问题已基本解决，这时就可以选择合适的程序设计语言和有关的开发工具，着手编写应用程序。然后在相应的调试环境下进行调试和修改。

4．编译为目标代码

大多数情况是采用编译方式处理源程序的。源程序输入计算机后（或者直接利用开发语言自带的编辑环境），调用相应的编译程序进行编译，形成用机器语言代码表示的目标程序，即目标代码。如果这种程序需要多次使用，就可将它们作为独立的文件保存，并冠以文件名，以便以后直接使用。

5．由硬件执行目标程序

通常先将目标程序存储在磁盘中，用户需执行时给出文件名，操作系统按文件名调出目标程序并送入主存。然后将它在主存中的首地址送入程序计数器 PC 之中，从该地址开始依次执行目标程序。