操作系统

• 现代计算机系统由一个或多个处理器、主存、打印机、键盘、鼠标、显示器、网络接口以及各种输入/输出设备构成。
• 上面提到的这些东西都属于硬件资源，用户不会直接和硬件进行交互，计算机安装了一层软件，这层软件能够通过响应用户输入的指令达到控制硬件的效果，从而满足用户需求，这种软件称之为 操作系统
• 常见的操作系统主要有Windows, Linux等，这种带有图形界面的操作系 统被称为图形用户界面(GUI)，而基于文本、命令行的通常称为Shell。

• 操作系统的简化图如上图所示，最下面的是硬件，硬件包括芯片、电路板、磁盘、键盘、显示器等，在硬件之上是软件。大部分计算机有两种运行模式：内核态 和 用户态，软件中最基 础的部分是操作系统，它运行在内核态 中，内核态也称为 管态和核心态，它们都是操作系统的运行状态，只不过是不同的叫法而已。操作系统具有硬件的访问权，可以执行机器能够运行的任何指令。
• 软件的其余部分运行在 用户态下。用户接口程序（shell或者GUI）处于用户态中，并且它们位于用户态的最低层，允许用户运行其他程序，例如Web浏览器、电子邮件阅读器、音乐播放器等。而且，越靠近用户态的应用程序越容易编 写，如果你不喜欢某个电子邮件阅读器你可以重新写一个或者换一个，但你不能自行写一个操作系统或 者是中断处理程序。这个程序由硬件保护，防止外部对其进行修改。

CPU

• CPU主要和内存进行交互，从内存中提取指令并执行。一个CPU的执行周期是从内存中提取第一条指令、解码并决定它的类型和操作数，执行，然后再提取、解码执行后续的指令。 重复该循环直到程序运行完毕。
• 每个CPU都有一组可以执行的特定指令集。因此，x86的CPU不能执行ARM的程序并且ARM的 CPU也不能执行x86的程序。由于访问内存获取执行数据要比执行指令花费的时间长，因此所有的 CPU内部都会包含一些寄存器来保存关键变量和临时结果。因此，在指令集中通常会有一些指令用于把关键字从内存中加载到寄存器中，以及把关键字从寄存器存入到内存中。还有一些其他的指令会把来自寄存器和内存的操作数进行组合，例如add操作就会把两个操作数相加并把结果保存到内存中。
• 除了用于保存变量和临时结果的通用寄存器外，大多数计算机还具有几个特殊的寄存器，这些寄存器对于程序员是可见的。
• 其中之一就是程序计数器(program counter)，程序计数器会指示下一条需要从内存提取指令的地址。提取指令后，程序计数器将更新为下一条需要提取的地址。
• 另一个寄存器是堆栈指针(stack pointer)，它指向内存中当前栈的顶端。堆栈指针会包含输入过程 中的有关参数、局部变量以及没有保存在寄存器中的临时变量。
• 还有一个寄存器是PSW(Program Status Word)程序状态字寄存器，这个寄存器是由操作系统维护的8个字节(64位)long类型的数据集合。它会跟踪当前系统的状态。除非发生系统结束，否则可以 忽略PSW。用户程序通常可以读取整个PSW，但通常只能写入其某些字段。PSW在系统调用和I / O 中起着重要作用。
• 操作系统必须了解所有的寄存器。在时间多路复用(time multiplexing)的CPU中，操作系统往往 停止运行一个程序转而运行另外一个。每次当操作系统停止运行一个程序时，操作系统会保存所有寄存 器的值，以便于后续重新运行该程序。
  为了提升性能，CPU设计人员早就放弃了同时去读取、解码和执行一条简单的指令。许多现代的CPU 都具有同时读取多条指令的机制。例如，一个CPU可能会有单独访问、解码和执行单元，所以，当 CPU执行第N条指令时，还可以对N + 1条指令解码，还可以读取N + 2条指令。像这样的组织形式 被称为流水线(pipeline),

• 比流水线更先进的设计是 超标量(superscalar) CPU,下面是超标量CPU的设计

• 在上面这个设计中，存在多个执行单元，例如，一个用来进行整数运算、一个用来浮点数运算、一个用来布尔运算。两个或者更多的指令被一次性取出、解码并放入缓冲区中，直至它们执行完毕。只要一个 执行单元空闲，就会去检查缓冲区是否有可以执行的指令。如果有，就把指令从缓冲区中取出并执行。 这种设计的含义是应用程序通常是无序执行的。在大多数情况下，硬件负责保证这种运算的结果与顺序 执行指令时的结果相同。
• 除了用在嵌入式系统中非常简单的CPU之外，多数CPU都有两种模式，即前面已经提到的内核态和 用户态。通常情况下，PSW寄存器中的一个二进制位会控制当前状态是内核态还是用户态。当运行在 内核态时，CPU能够执行任何指令集中的指令并且能够使用硬件的功能。在台式机和服务器上，操作系统通常以内核模式运行，从而可以访问完整的硬件。在大多数嵌入式系统中，一部分运行在内核态 下，剩下的一部分运行在用户态下。
• 用户应用程序通常运行在用户态下，在用户态下，CPU只能执行指令集中的一部分并且只能访问硬件 的一部分功能。一般情况下，在用户态下，有关I/O和内存保护的所有指令是禁止执行的。当然，设置 PSW模式的二进制位为内核态也是禁止的。
• 为了获取操作系统的服务，用户程序必须使用系统调用(system call)，系统调用会转换为内核态并 且调用操作系统。TRAP指令用于把用户态切换为内核态并启用操作系统。当有关工作完成之后，在 系统调用后面的指令会把控制权交给用户程序。我们会在后面探讨操作系统的调用细节。
• 需要注意的是操作系统在进行系统调用时会存在陷阱。大部分的陷阱会导致硬件发出警告，比如说试图 被零除或浮点下溢等。在所有的情况下，操作系统都能得到控制权并决定如何处理异常情况。有时， 由于出错的原因，程序不得不停止。

多线程与多核芯片

• Intel Pentinum 4也就是奔腾处理器引入了被称为多线程(multithreading)或 超线程 (hyperthreading, Intel公司的命名)的特性，x86处理器和其他一些CPU芯片就是这样做的。 包括SSPARC、Power5、Intel Xeon和Intel Core系列。近似地说，多线程允许CPU保持两个不同的线程状态并且在纳秒级(nanosecond)的时间完成切换。例如，如果一个进程想要从内存中读取指令(这通常会经历几个时钟周期)，多线程CPU则可以切换至另一个线程。多线程不会提供真正的并行处理。在一个时刻只有一个进程在运行。
• 对于操作系统来讲，多线程是有意义的，因为每个线程对操作系统来说都像是一个单个的CPU。比如 一个有两个CPU的操作系统，并且每个CPU运行两个线程，那么这对于操作系统来说就可能是4个 CPU。
• 除了多线程之外，现在许多CPU芯片上都具有四个、八个或更多完整的处理器或内核。多核芯片在其 上有效地承载了四个微型芯片，每个微型芯片都有自己的独立CPU。

带有共享L2缓存的4核芯片

带有分离L2缓存的4核芯片

• 如果要说在绝对核心数量方面，没有什么能赢过现代GPU(Graphics Processing Unit) , GPU是 指由成千上万个微核组成的处理器。它们擅长处理大量并行的简单计算。

内存

• 计算机中第二个主要的组件就是内存。理想情况下，内存应该非常快速（比执行一条指令要快，从而不会 拖慢CPU执行效率），而且足够大且便宜，但是目前的技术手段无法满足三者的需求。于是采用了不同 的处理方式，存储器系统采用一种分层次的结构
• 存储分级

• 顶层的存储器速度最高，但是容量最小，成本非常高，层级结构越向下，其访问效率越慢，容量越大， 但是造价也就越便宜。

寄存器

• 存储器的顶层是CPU中的寄存器，它们用和CPU 一样的材料制成，所以和CPU 一样快。程序必须 在软件中自行管理这些寄存器（即决定如何使用它们）

高速缓存

• 位于寄存器下面的是高速缓存，它多数由硬件控制。主存被分割成高速缓存行为64 字节，内存地址的0 - 63对应高速缓存行0，地址64 - 127对应高速缓存行的1,等等。使用最频繁 的高速缓存行保存在位于CPU内部或非常靠近CPU的高速缓存中。当应用程序需要从内存中读取关键词的时候，高速缓存的硬件会检查所需要的高速缓存行是否在高速缓存中。如果在的话，那么这就 是高速缓存命中（cache hit）。高速缓存满足了该请求，并且没有通过总线将内存请求发送到主内存。高速缓存命中通常需要花费两个时钟周期。缓存未命中需要从内存中提取，这会消耗大量的时间。 高速缓存行会限制容量的大小因为它的造价非常昂贵。有一些机器会有两个或者三个高速缓存级别，每 一级高速缓存比前一级慢且容量更大。
• 缓存在计算机很多领域都扮演了非常重要的角色，不仅仅是RAM缓存行。
• 随机存储器（RAM）：内存中最重要的一种，表示既可以从中读取数据，也可以写入数据。当机 器关闭时，内存中的信息会丢失。
• 大量的可用资源被划分为小的部分，这些可用资源的一部分会获得比其他资源更频繁的使用权，缓存经 常用来提升性能。操作系统无时无刻的不在使用缓存。例如，大多数操作系统在主机内存中保留（部分）频繁使用的文件，以避免重复从磁盘重复获取。举个例子，类似于/home/ast/projects/minix3/src/kernel/clock.c这样的场路径名转换成的文件所在磁盘地址 的结果也可以保存缓存中，以避免重复寻址。另外，当一个Web页面（URL）的地址转换为网络地址（IP 地址）后，这个转换结果也可以缓存起来供将来使用。

在任何缓存系统中，都会有下面这几个噬需解决的问题

• -何时把新的内容放进缓存
• -把新的内容应该放在缓存的哪一行
• -在需要空闲空间时，应该把哪块内容从缓存中移除
• -应该把移除的内容放在某个较大存储器的何处

并不是每个问题都与每种缓存情况有关。对于CPU缓存中的主存缓存行，当有缓存未命中时，就会调 入新的内容。通常通过所引用内存地址的高位计算应该使用的缓存行。

• 缓存是解决问题的一种好的方式，所以现代CPU设计了两种缓存。第一级缓存或者说是L1 cache 总是位于CPU内部，用来将已解码的指令调入CPU的执行引擎。对于那些频繁使用的关键字，多数 芯片有第二个L1 cache。典型的L1 cache的大小为16 KB。另外，往往还设有二级缓存，也就是L2 cache，用来存放最近使用过的关键字，一般是兆字节为单位。L1 cache和L2 cache最大的不 同在于是否存在延迟。访问L1 cach e没有任何的延迟，然而访问L2 cache会有1 - 2个时钟周期的 延后。

什么是时钟周期？

• 计算机处理器或CPU的速度由时钟周期来确定，该时钟周期是振荡器两个脉冲 之间的时间量。一般而言，每秒脉冲数越高，计算机处理器处理信息的速度就越快。时钟速度以 Hz为单位测量，通常为兆赫（MHz）或千兆赫（GHz）。例如，一个4 GHz处理器每秒执行 4,000,000,000个时钟周期。
• 计算机处理器可以在每个时钟周期执行一条或多条指令，这具体取决于处理器的类型。早期的计算机处理器和较慢的CPU在每个时钟周期只能执行一条指令，而现代处理器在每个时钟周期可以 执行多条指令。

主存

• 在上面的层次结构中再下一层是主存，这是内存系统的主力军，主存通常叫做RAM(Random Access Memory)，由于1950年代和1960年代的计算机使用微小的可磁化铁氧体磁芯作为主存储器，因此旧时有时将其称为核心存储器。所有不能再高速缓存中得到满足的内存访问请求都会转往主存中。
• 除了主存之外，许多计算机还具有少量的非易失性随机存取存储器。它们与RAM不同，在电源断电后，非易失性随机访问存储器并不会丢失内容。ROM(Read Only Memory)中的内容一旦存储后就不 会再被修改。它非常快而且便宜。(如果有人问你，有没有什么又快又便宜的内存设备，那就是ROM 了)在计算机中，用于启动计算机的引导加载模块(也就是bootstrap )就存放在ROM中。另外，一 些I/O卡也采用ROM处理底层设备控制。
• EEPROM(Electrically Erasable PROM,)和闪存(flash memory)也是非易失性的，但是与 ROM相反，它们可以擦除和重写。不过重写它们需要比写入RAM更多的时间，所以它们的使用方式 与ROM相同，但是与ROM不同的是他们可以通过重写字段来纠正程序中出现的错误。
• 闪存也通常用来作为便携性的存储媒介。闪存是数码相机中的胶卷，是便携式音乐播放器的磁盘。闪存 的速度介于RAM和磁盘之间。另外，与磁盘存储器不同的是，如果闪存擦除的次数太多，会出现磨损。
• 还有一类是CMOS,它是易失性的。许多计算机都会使用CMOS存储器保持当前时间和日期。

磁盘

• 下一个层次是磁盘（硬盘），磁盘同RAM相比，每个二进制位的成本低了两个数量级，而且经常也有两个数量级大的容量。磁盘唯一的问题是随机访问数据时间大约慢了三个数量级。磁盘访问慢的原因是因为磁盘的构造不同

磁盘驱动器的构造

• 磁盘是一种机械装置，在一个磁盘中有一个或多个金属盘片，它们以5400rpm、7200rpm、10800rpm 或更高的速度旋转。从边缘开始有一个机械臂悬横在盘面上，这类似于老式播放塑料唱片33转唱机上 的拾音臂。信息会写在磁盘一系列的同心圆上。在任意一个给定臂的位置，每个磁头可以读取一段环形区域，称为磁道(track)。把一个给定臂的位置上的所有磁道合并起来，组成了一个柱面 (cylinder),,,

• 每个磁道划分若干扇区，扇区的值是512字节。在现代磁盘中，较外部的柱面比较内部的柱面有更多的扇区。机械臂从一个柱面移动到相邻的柱面大约需要1ms。而随机移到一个柱面的典型时间为5ms至10ms，具体情况以驱动器为准。一旦磁臂到达正确的磁道上，驱动器必须等待所需的扇区旋转到磁头之下，就开始读写，低端硬盘的速率是50MB/S，而高速磁盘的速率是160MB/S。
• 需要注意，固态硬盘(SolidStateDisk,SSD)不是磁盘，固态硬盘并没有可以移动的部分，外形也不像唱片，并且数据是存储在存储器(闪存)中，与磁盘唯一的相似之处就是它也存储了大量即使在电源关闭也不会丢失的数据。
• 许多计算机支持一种著名的虚拟内存机制，这种机制使得期望运行的存储空间大于实际的物理存储空间。其方法是将程序放在磁盘上，而将主存作为一部分缓存，用来保存最频繁使用的部分程序，这种机制需要快速映像内存地址，用来把程序生成的地址转换为有关字节在RAM中的物理地址。这种映像由CPU中的一个称为存储器管理单元(MMU)的部件来完成。

• 缓存和MMU的出现是对系统的性能有很重要的影响，在多道程序系统中，从一个程序切换到另一个程序的机制称为上下文切换(contextswitch)，对来自缓存中的资源进行修改并把其写回磁盘是很有必要的。

I/O设备

• CPU和存储器不是操作系统需要管理的全部，I/O设备也与操作系统关系密切。可以参考上面这个图片，I/O设备一般包括两个部分：设备控制器和设备本身。控制器本身是一块芯片或者一组芯片，它能够控制物理设备。它能够接收操作系统的指令，例如，从设备中读取数据并完成数据的处理。打印机接收用户输入的命令，打印文章
• 在许多情况下，实际控制设备的过程是非常复杂而且存在诸多细节。因此控制器的工作就是为操作系统提供一个更简单(但仍然非常复杂)的接口。也就是屏蔽物理细节。任何复杂的东西都可以加一层代理来解决，这是计算机或者人类社会很普世的一个解决方案
• I/O设备另一部分是设备本身，设备本身有一个相对简单的接口，这是因为接口既不能做很多工作，而且也已经被标准化了。例如，标准化后任何一个SATA磁盘控制器就可以适配任意一种SATA磁盘，所以标准化是必要的。ATA代表高级技术附件(ATAttachment)，而SATA表示串行高级技术附件(SerialATA)。
• AT是啥？它是旧M公司的第二代个人计算机的高级技术成果，使用1984年推出的6MHz80286处理器，这个处理器是当时最强大的。现在SATA是很多计算机的标准硬盘接口。由于实际的设备接口隐藏在控制器中，所以操作系统看到的是对控制器的接口，这个接口和设备接口有很大区别。操作系统通过操控控制器接口操控设备接口。
• 每种类型的设备控制器都是不同的，所以需要不同的软件进行控制。专门与控制器进行信息交流，发出命令处理指令接收响应的软件，称为设备驱动程序(devicedriver)。每个控制器厂家都应该针对不同的操作系统提供不同的设备驱动程序。为了使设备驱动程序能够工作，必须把它安装在操作系统中，这样能够使它在内核态中运行。

要将设备驱动程序装入操作系统，一般有三个途径

1. 第一个途径是将内核与设备启动程序重新连接，然后重启系统。这是UNIX系统采用的工作方式
2. 第二个途径是在一个操作系统文件中设置一个入口，通知该文件需要一个设备驱动程序，然后重新启动系统。在重新系统时，操作系统回寻找有关的设备启动程序并把它装载，这是Windows采用的工作方式
3. 第三个途径是操作系统能够在运行时接收新的设备驱动程序并立刻安装，无需重启操作系统，这种方式采用的少，但是正变得普及起来。热插拔设备，比如USB和IEEE1394都需要动态可装载的设备驱动程序

• 每个设备控制器都有少量用于通信的寄存器，例如，一个最小的磁盘控制器也会有用于指定磁盘地址、内存地址、扇区计数的寄存器。要激活控制器，设备驱动程序会从操作系统获取一条指令，然后翻译成对应的值，并写入设备寄存器中，所有设备寄存器的结合构成了I/O端口空间。
• 在一些计算机中，设备寄存器会被映射到操作系统的可用地址空间，使他们能够向内存一样完成读写操作。在这种计算机中，不需要专门的I/O指令，用户程序可以被硬件阻挡在外，防止其接触这些存储器地址(例如，采用基址寄存器和变址寄存器)。在另一些计算机中，设备寄存器被放入一个专门的I/O端口空间，每个寄存器都有一个端口地址。在这些计算机中，特殊的IN和OUT指令会在内核态下启用，它能够允许设备驱动程序和寄存器进行读写。前面第一种方式会限制特殊的I/O指令但是允许一些地址空间；后者不需要地址空间但是需要特殊的指令，这两种应用都很广泛。

实现输入和输出的方式有三种

• 在最简单的方式中，用户程序会发起系统调用，内核会将其转换为相应驱动程序的程序调用，然后设备驱动程序启动I/O并循环检查该设备，看该设备是否完成了工作(一般会有一些二进制位用来指示设备仍在忙碌中)。当I/O调用完成后，设备驱动程序把数据送到指定的地方并返回。然后操作系统会将控制权交给调用者。这种方式称为忙等待(busywaiting)，这种方式的缺点是要一直占据CPU,CPU会一直轮询I/O设备直到I/O操作完成。

• 第二种方式是设备驱动程序启动设备并且让该设备在操作完成时发生中断。设备驱动程序在这个时刻返回。操作系统接着在需要时阻塞调用者并安排其他工作进行。当设备驱动程序检测到该设备操作完成时，它发出一个中断通知操作完成。

中断

• 启动设备并发出中断的过程
• 如上图所示，这是一个三步的I/O过程，第一步，设备驱动程序会通过写入设备寄存器告诉控制器应该做什么。然后，控制器启动设备。当控制器完成读取或写入被告知需要传输的字节后，它会在步骤2中使用某些总线向中断控制器发送信号。如果中断控制器准备好了接收中断信号（如果正忙于一个优先级较高的中断，则可能不会接收），那么它就会在CPU的一个引脚上面声明。这就是步骤3
• 在第四步中，中断控制器把该设备的编号放在总线上，这样CPU可以读取总线，并且知道哪个设备完成了操作（可能同时有多个设备同时运行）。
• 一旦CPU决定去实施中断后，程序计数器和PSW就会被压入到当前堆栈中并且CPU会切换到内核态。设备编号可以作为内存的一个引用，用来寻找该设备中断处理程序的地址。这部分内存称作中断向量(interruptvector)。一旦中断处理程序(中断设备的设备驱动程序的一部分)开始后，它会移除栈中的程序计数器和PSW寄存器，并把它们进行保存，然后查询设备的状态。在中断处理程序全部完成后，它会返回到先前用户程序尚未执行的第一条指令，这个过程如下

中断过程

• 实现I/O的第三种方式是使用特殊的硬件：直接存储器访问(DirectMemoryAccess,DMA)芯片。它可以控制内存和某些控制器之间的位流，而无需CPU的干预。CPU会对DMA芯片进行设置，说明需要传送的字节数，有关的设备和内存地址以及操作方向。当DMA芯片完成后，会造成中断，中断过程就像上面描述的那样。
• 当另一个中断处理程序正在运行时，中断可能(并且经常)发生在不合宜的时间。因此，CPU可以禁用中断，并且可以在之后重启中断。在CPU关闭中断后，任何已经发出中断的设备，可以继续保持其中断信号处理，但是CPU不会中断，直至中断再次启用为止。如果在关闭中断时，已经有多个设备发出了中断信号，中断控制器将决定优先处理哪个中断，通常这取决于事先赋予每个设备的优先级，最高优先级的设备优先赢得中断权，其他设备则必须等待。

总线

• 个人计算机的组件图在小型计算机已经使用了多年，并用在早期的旧MPC中。然而，随着处理器核内存变得越来越快，单个总线处理所有请求的能力也达到了上线，其中也包括旧MPC总线。必须放弃使用这种模式。其结果导致了其他总线的出现，它们处理I/O设备以及CPU到存储器的速度都更快。这种演变的结果导致了下面这种结构的出现。

• —个大型的x86系统的结构如上图中的x86系统包含很多总线，高速缓存、内存、PCIe、PCI、USB、SATA和DMI,每条总线都有不同的传输速率和功能。操作系统必须了解所有的总线配置和管理。其中最主要的总线是PCIe(PeripheralComponentInterconnectExpress)总线。
• Intel发明的PCIe总线也是作为之前古老的PCI总线的继承者，而古老的PCI总线也是为了取代古董级别的ISA(IndustryStandardArchitecture)总线而设立的。数十Gb/s的传输能力使得PCIe比它的前身快很多，而且它们本质上也十分不同。直到发明PCIe的2004年，先前大多数总线都是并行且共享的。共享总线架构(sharedbusarchiteture)表示多个设备使用一些相同的电线传输数据。因此，当多个设备同时发送数据时，此时你需要一个决策者来决定谁能够使用总线。而PCIe则不—样，它使用专门的端到端链路。传统PCI中使用的并行总线架构表示通过多条电线发送相同的数据字。例如，在传统的PCI总线上，一个32位数据通过32条并行的电线发送。而PCIe则不同，它选用了串行总线架构(serialbusarchitecture)，并通过单个连接(称为通道)发送消息中的所有比特数据，就像网络数据包一样。这样做会简化很多，因为不再确保所有32位数据在同一时刻准确到达相同的目的地。通过将多个数据通路并行起来，并行性仍可以有效利用。例如，可以使用32条数据通道并行传输32条消息。
• 在上图结构中，CPU通过DDR3总线与内存对话，通过PCIe总线与外围图形设备(GPU)对话，通过DMI(DirectMediaInterface)总线经集成中心与所有其他设备对话。而集成控制中心通过串行总线与USB设备对话，通过SATA总线与硬盘和DVD驱动器对话，通过PCIe传输以太网络帧。
• 不仅如此，每一个核USB(UnivversalSerialBus)是用来将所有慢速I/O设备(比如键盘和鼠标)与计算机相连的设备。USB1.0可以处理总计12Mb/s的负载，而USB2.0将总线速度提高到480Mb/s，而USB3.0能达到不小于5Gb/s的速率。所有的USB设备都可以直接连接到计算机并能够立刻开始工作，而不像之前那样要求重启计算机。
• SCSI（SmallComputerSystemInterface）总线是一种高速总线，用在高速硬盘，扫描仪和其他需要较大带宽的设备上。现在，它们主要用在服务器和工作站中，速度可以达到640MB/S。

计算机启动过程

• 那么有了上面一些硬件再加上操作系统的支持，我们的计算机就可以开始工作了，那么计算机的启动过程是怎样的呢？下面只是一个简要版的启动过程
• 在每台计算机上有一块双亲板，也就是母板，母板也就是主板，它是计算机最基本也就是最重要的部件之一。主板一般为矩形电路板，上面安装了组成计算机的主要电路系统，一般有BIOS芯片、I/O控制芯片、键盘和面板控制开关接口、指示灯插接件、扩充插槽、主板及插卡的直流电源供电接插件等元件。
• 在母板上有一个称为基本输入输出系统（BasicInputOutputSystem,BIOS）的程序。在BIOS内有底层I/O软件，包括读键盘、写屏幕、磁盘I/O以及其他过程。如今，它被保存在闪存中，它是非易失性的，但是当BIOS中发现错误时，可以由操作系统进行更新。
• 在计算机启动（booted）时，BIOS开启，它会首先检查所安装的RAM的数量，键盘和其他基础设备是否已安装并且正常响应。接着，它开始扫描PCIe和PCI总线并找出连在上面的所有设备。即插即用的设备也会被记录下来。如果现有的设备和系统上一次启动时的设备不同，则新的设备将被重新配置。然后BIOS通过尝试存储在CMOS存储器中的设备清单尝试启动设备
• CMOS是ComplementaryMetalOxideSemiconductor（互补金属氧化物半导体）的缩写。它是指制造大规模集成电路芯片用的一种技术或用这种技术制造出来的芯片，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设置完电脑硬件参数后的数据，这个芯片仅仅是用来存放数据的。而对BIOS中各项参数的设定要通过专门的程序。BIOS设置程序一般都被厂商整合在芯片中，在开机时通过特定的按键就可进入BIOS设置程序，方便地对系统进行设置。因此BIOS设置有时也被叫做CMOS设置。
• 用户可以在系统启动后进入一个BIOS配置程序，对设备清单进行修改。然后，判断是否能够从外部CD-ROM和USB驱动程序启动，如果启动失败的话（也就是没有），系统将从硬盘启动，boots设备中的第一个扇区被读入内存并执行。该扇区包含一个程序，该程序通常在引导扇区末尾检查分区表以确定哪个分区处于活动状态。然后从该分区读入第二个启动加载程序，该加载器从活动分区中读取操作系统并启动它。
• 然后操作系统会询问BIOS获取配置信息。对于每个设备来说，会检查是否有设备驱动程序。如果没有，则会向用户询问是否需要插入CD-ROM驱动（由设备制造商提供）或者从Internet上下载。一旦有了设备驱动程序，操作系统会把它们(设备驱动程序)加载到内核中，然后初始化表，创建所需的后台进程，并启动登录程序或GUI。

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