按下电源：复位与固件
复习
- 从源代码到可执行文件：编译、汇编和链接的完整流水线
- 编译与解释：程序变成机器指令的两条基本道路
- 没有操作系统的程序：裸机程序在装载、设备和多程序共存上的困难
TL;DR
- 按下电源的一瞬间，机器里还没有操作系统
- CPU 只能从约定好的固定地址取第一条指令，这叫复位
- 这段最先运行的软件叫固件，负责自检并找到启动设备
- 固件把控制权交给启动设备上的引导程序，接力正式开始
正文
按下电源键，机器“嗡”地一声亮起来。可这一刻，它其实什么都不知道——内存是空的，操作系统还没被装进去。
那么，CPU 该从哪里开始执行？
从一个约定好的地址开始
这是计算机启动的第一条规矩：上电之后，CPU 从一个固定的地址取第一条指令。
这个动作叫复位（reset）：把所有寄存器设成初始值，让 PC 指向那个约定地址。全世界的 CPU 和主板都遵守这个约定，不然第一行代码就无从谈起。
那个地址里放的，是主板上一小块只读存储器中的程序。它通常被称为固件（firmware），大家更熟悉的名字是 BIOS 或 UEFI。
固件做三件事
固件是最先醒来的软件，它大致做三件事：
- 自检：检查内存、显卡、键盘等基本设备是否正常（俗称 POST）
- 初始化：给硬件做最基本的设置
- 寻找启动设备：按照预设顺序，在硬盘、U 盘、光驱里找“可以启动”的那个
它像新兵连的班长：天没亮先把大家叫起来，点名、发装备，再告诉你接下来听谁的。
找到启动设备
光靠固件是装不下操作系统的：它容量有限，而且改动起来很麻烦。所以，固件并不亲自加载操作系统，而是去找一个启动设备。
它在设备的固定位置读取一小段代码，把控制权从自己手里交给这段代码——这就是引导程序（bootloader）。交接的方式很简单：让 PC 跳过去。
于是，启动就成了一条接力链：
固件 → 引导程序 → 操作系统内核 → 普通程序
每一棒都只做一件事：从下一棒该在的位置把它读进来，然后跳过去。
为什么这么绕
你可能会问：既然操作系统在硬盘上，为什么不让 CPU 直接去硬盘执行？
因为 CPU 只能执行内存里的指令；而且硬盘的位置、格式千差万别，CPU 并不认识。固件和引导程序，正是为了在“硬件千差万别”和“内核只认内存”之间搭一座桥。
这又是那句话：在计算机科学里，没有什么问题是加一层解决不了的。
固件把控制权交出去之后，引导程序要做的事情还不少：它得把真正的内核从硬盘搬进内存。下一章，我们就看这一棒怎么跑。
思考题
固件和操作系统都“管理硬件”，它们的职责有什么不同？为什么不让固件直接把整个操作系统也一起装好？
小结
知识点
- 复位：上电后 CPU 从固定地址开始执行
- 固件：最先运行的软件，负责自检与寻找启动设备
- 启动设备：存放引导程序的设备
- 启动是一条接力的链条
参考资料
- Wikipedia(zh)：固件：BIOS 与 UEFI
- Wikipedia(zh)：加电自检：POST
- Wikipedia(zh)：引导程序：bootloader
思考题答案（仅供参考）
固件只负责“把机器唤醒、把下一棒叫出来”，做的是最基本的、与具体操作系统无关的工作；操作系统则负责运行中的资源管理、进程调度、文件系统等。固件容量小、改动不便，也不适合承担复杂而多变的管理职责。把复杂的事情交给可替换、可升级的操作系统，固件只做“引路人”，职责更清晰，也更容易更新。
协议
本作品采用知识共享署名-非商业性使用-相同方式共享 4.0 国际许可协议进行许可。
封面图
设计师 | 南国微雪