加载运行操作系统，建立并发运行环境的过程

一.加载运行操作系统

1.开机键按下之前：

  基本只有 RTC 和 CMOS 在 RTC 电源供电的情况下才能正常工作

RTC 用以保持机器内部时钟的运转，这也是为什么我们的计算机关机之后再次启动时间还是准确的（不考虑操作系统启动后，利用网络同步时间）。而 CMOS 是电脑主板上的一块可读写的RAM芯片。因为可读写的特性，所以在电脑主板上用来保存 BIOS 设置电脑硬件参数后的数据。在计算机领域，CMOS 常指保存计算机基本启动信息（如日期、时间、启动设置等）的芯片。

  在关机状态下，只有 RTC 、EC 以及南桥部分组件在工作。RTC 维持着计算机的时钟和 CMOS 信息，而 EC 则在等待用户按下开机键。当然 EC 还负责电池的充放电的检测，指示灯，功能键等功能。

2.开机按钮按下后（硬件环境）：

计算机启动的过程先通过简单的程序读入内存，执行后再载入更多程序和代码来执行，直到操作系统被载入执行为止。
要让计算机能够启动CPU,内存，计算机都要IO工作

(1)前奏

CPU老大还没动,小弟先动
  ATX电源系统对 IO芯片,、EC（嵌入式控制器，单片机）,+5V标准电压（+5V Stand-By ）为开机电路和需要唤醒机器的WOL(Wake-up On Lan)和 USB 等设备提供电源”，不会为 CPU 等提供工作电压。

  EC 收到开机信号，给南桥（南桥负责与低速设备（硬盘/USB）通信，时钟/BIOS/系统管理/旧式设备控制，并且与北桥通信）发送信号,南桥回应ES(单片机）LP_S5#（退出 S5 关机状态），SLP_S4#（退出 S4 休眠状态），SLP_S3#（退出 S3 待机状态）

  南桥发送发送PLT_RST#给北桥(负责与CPU通信，并且连接高速设备（内存/显卡）），紧接着向 CPU 发送 PWRGOOD#信号。北桥接收到南桥的信号，默念一秒钟后，向 CPU 老大发送了CPU_RST#信号。

笔记本采用 EC，台式机很多用SIO（Super I/O）或者定制芯片，嵌入式设备以及手机采用PMIC（Power Management IC）。以上的故事都是基于台式机形式，但是我们选用 EC 来解释电源时序控制过程，是考虑到国内关于 EC 的资料较多。与台式机不同的一点是，笔记本因为有锂电池的原因，在没有接入电源适配器前，EC 以及IO设备就已经处于工作状态了。这也是为什么我们打开笔记本电脑，按下开机键，系统能接收到这个信号，并准备开始工作。

(2)后半奏：

CPU老大启动了，CPU坐上了王座
CPU 醒来，整个系统中没有指令存在，那也只是一堆硬件被供电了。

~这当然是不可能的事情。最早的时候，工程师们用它来比喻，计算机启动是一个很矛盾的过程：必须先运行程序，然后计算机才能启动，但是计算机不启动就无法运行程序！早期真的是这样，必须想尽各种办法，把一小段程序装进内存，然后计算机才能正常运行

  CPU 一醒来，毫不迟疑，立马开始工作。CPU 知道自己的使命，第一步就是取地址0xFFFFFFF0（只读）内存上的指令
CPU 设计时固化的功能。CPU拿到指令后执行，发现这条指令是告知自己，下一次去另一个地址取指（跳转指令0xF000,0xE05B]）。

3.软件环节

(1)BIOS

  BIOS 启动，先进行自检，检查内存、显卡、磁盘等关键设备是否存在功能异常，会有蜂鸣器汇报错误，无错误自检飞快结束,BIOS 调用显卡 BIOS 代码，通常在 C0000H 处（此时显示器已经可以显示显卡 BIOS 程序信息，或许是个 logo？）BIOS 调用其他关键设备的 BIOS 代码来初始化他们。

IOS 芯片中也保存了不少指令，形成的功能包括：
  自诊断程序：读取 CMOS 中的内容获得硬件配置信息，并对其进行自检和初始化；完整的 POST(Power On Self Test) 自检将包括CPU、640K基本内存、1M以上的扩展内存、ROM、主板、 CMOS RAM、串并口、显示卡、软硬盘子系统及键盘测试。
  CMOS 设置程序：引导过程中，用特殊热键启动，进行设置后，存入CMOS RAM中；对应 Dell 计算机启动时我们按F12，进入的 BIOS 设置界面。
  系统自举装载程序：在自检成功后将磁盘相对 0 道 0 扇区上的引导程序装入内存，让其运行引导操作系统；
  主要 I/O 设备的驱动程序和中断服务：系统硬件的变化由 BIOS 隐藏，程序使用 BIOS 功能而不是直接控制硬件。不过现代操作系统会忽略 BIOS 提供的抽象层并直接控制硬件组件。

(2)操作系统引导：Bootloader

  Bootloader 最直观的功能就是将操作系统加载到内存中。首先可以考虑在硬盘上存在多个操作系统的情况下，操作系统的加载方式过程可能就不同。如果让 BIOS 来考虑各个操作系统待加载到内存中的目的地址，这会导致 BIOS 程序的膨胀。而 BIOS 程序是固化在 BIOS 芯片中，正常情况下是无法修改的，解决加载新的操作系统出现问题就会很麻烦。而保证 BIOS 的正常功能就要降低 BOIS 的复杂性，那么适配不同操作系统的任务谁来做呢？那当然就是 bootloader 啦。并且在嵌入式环境下，操作系统的加载并不仅仅从磁盘上加载，还可能是Nor Flash 、NAND flash、USB 甚至是网络。那么 Bootloader 就应该实现基本的网络功能，例如著名的开源项目 U-Boot就是这样做的。当然本文在这里只是抛砖引玉，为什么要分出一个 Bootloader 层，可以从很多方面分析这样做的优势。

普通的 Bootloader 都需要实现什么功能呢：

1.初始化硬件设备
2.为操作系统准备RAM空间
3.将操作系统代码载入到RAM中
4.设置堆栈执行环境，为高级语言（如 C 语言）提供执行环境。这里要多说一句，操作系统并不都是 C 语言写的哦。现在 Rust 语言接近 C 语言性能，并且因为其提供的安全性，已经被用来写操作系统了。
5.将控制权交给操作系统。到这一步，系统的完整启动也就结束啦。之后就是操作系统主宰的世界了！

二.建立并发运行环境

1. 系统启动与内核初始化

(1)引导加载（Booting）：

当计算机启动时，BIOS/UEFI 读取引导程序（如 GRUB、LILO）并加载操作系统内核到内存。
内核开始初始化硬件：CPU、内存、外设等，并设置特权级（通常内核运行在特权级 0）。

(2).多核系统初始化（SMP）：

在多核环境下，内核需要启动所有 CPU 核心，并通过中断控制器（如 APIC）协调多核调度。

各 CPU 核心会加载各自的栈空间，准备独立的执行环境。

2. 进程与线程管理机制搭建

（1）创建内核线程与初始进程：

   第一个线程（如 idle 线程）由内核创建，用于在系统空闲时执行。

  创建第一个用户级进程（如 init），后续所有进程都从它派生。

（2）初始化 PCB/TCB（进程/线程控制块）：

  操作系统会为每个进程和线程分配 PCB 和 TCB，记录：

  进程 ID（PID）、父进程 ID（PPID）

  进程状态（就绪、运行、阻塞等）

  优先级、时间片、CPU 核心绑定信息

  程序计数器（PC）、寄存器值、栈指针（SP）

(3)调度队列建立：

  设置多个调度队列：

  就绪队列：等待被调度的进程。

  等待队列：因 I/O 或资源不足而阻塞的进程。

  僵尸队列：等待被父进程回收的僵尸进程。

3. 内存管理机制搭建

(1)虚拟内存初始化：

  为每个进程创建独立的虚拟内存空间，映射到物理内存或磁盘上的交换空间。
  设置页表（Page Table），实现虚拟地址到物理地址的转换。

(2)栈与堆空间分配：

  为每个线程分配独立的栈空间（存放函数调用、局部变量）。
  堆空间由动态分配器（如 malloc、new）在运行时管理。

(3)内存保护机制：

  配置内存访问权限，防止一个进程访问另一个进程的内存。
  设置段错误（Segmentation Fault）机制，避免非法访问。

4. 并发控制机制创建

(1)同步原语初始化：

  配置互斥锁（Mutex）、读写锁（RWLock）、自旋锁（Spinlock）等，用于线程间共享资源的互斥访问。
  创建条件变量（Condition Variable），支持线程的同步与事件等待。

(2)中断与异常管理：

  设置时钟中断，用于周期性触发调度器，实现任务切换。
   配置外设中断（如键盘、网络），确保设备事件能被及时处理。

5. 调度机制搭建

(1)调度器初始化：

  选择调度策略，如：
  时间片轮转（RR）： 每个进程轮流获得 CPU。
  优先级调度： 优先级高的进程先执行。
  多级反馈队列： 动态调整进程优先级，兼顾响应速度和吞吐量。

(2).上下文切换机制：

  保存当前进程的 CPU 寄存器状态（如 PC、SP、寄存器等）到 PCB。
  恢复下一个进程的寄存器状态，实现无缝切换。

6. 通信机制搭建

(1)进程间通信（IPC）：

配置消息队列、共享内存、信号、套接字等机制，确保进程间数据交换安全高效。

(2)设备与文件系统管理：

为进程提供统一的接口来访问文件系统和外设（如磁盘、网络）。

7. 启动并发运行环境

(1).创建系统守护进程：

  启动各种系统服务（如网络管理、日志服务、作业控制等），确保系统功能正常运作。

(2).进入调度循环：

   a.系统进入无限循环状态：
  b.检查就绪队列，选择下一个进程。
  c.切换上下文，交出 CPU 控制权。
   d.处理 I/O 中断、定时器事件等外部输入。
  e.不断重复，直到系统关机或重启。

参考文献：
计算机是如何启动的？从未上电到操作系统启动。