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先来想象这么个画面：

你新装好一台电脑，插上电源，按下开机键。
机箱里灯一亮，风扇一转，屏幕一黑……然后慢慢出现 logo，几秒钟之后，进了桌面。

你大概只会想一句：“开机了。”

但从机器眼里看，这几秒钟简直是惊心动魄的“夺权现场”——
一开始是硬件在当老大，
几秒钟后，操作系统彻底接管了整个机器，
从此，所有程序都得听它的。

今天这一篇，就用大白话聊清楚：

操作系统上来干的第一件大事：接管硬件，
它是怎么一步步把 CPU、内存、设备统统拿在手里的。

你可以把这篇当成“操作系统夺权记”。

一、开机那一刻：操作系统其实还没上场

先把事实说清楚：
你按下电源的那一瞬间，操作系统根本还没跑起来。

那这会儿是谁在干活？
答案是：主板上的固件——BIOS 或 UEFI。

1.1 BIOS / UEFI 是啥玩意？

你可以把它想象成：

主板自带的一个“小系统”，专门负责开机自检 + 找到操作系统。

它是写死在主板芯片里的，不会轻易被弄没。
作用主要有两个：

1. 做硬件自检（POST）

   • 看内存条插好了没
   • 看键盘、显卡等有没有问题
   • 有大问题就“滴滴滴”报警、停在黑屏上

2. 启动操作系统

   • 在硬盘、U 盘、网络等设备上找“引导程序”（bootloader）
   • 把它加载到内存，转交控制权

这时候，电脑里还是硬件当爹，BIOS/UEFI 当老大，根本轮不到 Windows/Linux 上场。

1.2 CPU 开机后干的第一件事

CPU 一通电，会从一个固定地址开始执行代码。
这个地址上的内容就是 BIOS/UEFI 的启动代码。

你可以简单理解成：

CPU：我醒了，先看看主板留给我的“开机指令集”，按它说的做。

BIOS/UEFI 执行完基本自检后，就开始干一件关键事：

“把真正的大老板——操作系统——找出来，叫起来。”

二、引导程序：操作系统的“接头人”

你可以理解为：
BIOS/UEFI 不懂什么是“Windows/Linux”，它只知道去硬盘头上某个固定地方看看有没有“启动代码”。

这段启动代码，就是引导程序（bootloader）。

2.1 Bootloader 干嘛用？

一句话：

Bootloader 是“接力棒中转站”：
负责把操作系统内核从磁盘搬进内存，并把 CPU 控制权交给它。

在 PC 上，比如：

• 你装了 Windows → 有 Windows 的 bootloader
• 你装了 Linux → 有 GRUB / systemd-boot 等 bootloader

它们的活儿通常是：

1. 从硬盘的特定位置（MBR 或 EFI 分区）被 BIOS/UEFI 加载进内存执行；
2. 了解硬盘上有几个系统（多系统启动菜单就是它做的）；
3. 根据配置选一个系统，把它的“内核文件”读入内存；
4. 准备好内核启动需要的数据（参数、内存布局信息等）；
5. 跳转到内核入口地址：
   • 也就是“操作系统，轮到你了！”

2.2 为什么不让 BIOS 直接加载操作系统？

原因很现实：

• BIOS/UEFI 功能有限、厂商各家自定义多；

• 操作系统种类太多，不能要求 BIOS 支持所有具体系统的细节；

• 把“启动 OS”这件事交给 bootloader，灵活性更强：

  • 可以给你“选择启动哪个系统”的菜单
  • 可以支持加密磁盘、特殊启动参数等
  • 可以更方便地更新（换个 bootloader 不用换主板）

所以启动链大致是：

硬件 → BIOS/UEFI → bootloader → OS 内核

这才算是把“舞台”搭好了，下面轮到操作系统上场表演：接管硬件。

三、内核登场：操作系统“正式上位”

bootloader 把操作系统内核文件（比如vmlinuz、ntoskrnl.exe）读进内存后，
会把 CPU 的控制权交给内核的入口函数。

从这一刻起，可以说：

操作系统真正开始跑了。

那内核第一件事干什么？
用一句话概括：

把这台裸机器“接管”到一个可控状态。

具体可以拆成几步来看：

1. 接管和配置 CPU 模式
2. 建立基础的内存管理机制
3. 初始化中断系统
4. 识别和初始化各种设备（通过驱动）
5. 启动第一个用户态进程

下面一块块说。

四、接管 CPU：从“傻模式”切到“高级模式”

CPU 一开始是以比较原始的模式启动的，比如 x86 架构的一开始是在 16 位实模式里。
这个模式下：

• 能访问的内存有限（比如 1MB）
• 没有高级的内存保护、分页机制
• 不能直接支持现代操作系统需要的那些花活（虚拟内存、多任务等）

内核接手后干的第一件大事，就是：

把 CPU 从“原始模式”切换到“现代高级模式”（保护模式 / 长模式）。

4.1 CPU 模式切换：从“裸奔”到“穿盔甲”

在 x86 上，大致顺序是：

1. 启动时处于 16 位实模式（古早 DOS 时代那套）；
2. 切换到 32 位保护模式：
   • 引入段表、页表、特权级（用户态/内核态）等概念；
3. 在 64 位系统上，还会切到 64 位长模式：
   • 支持更大内存地址空间，更多寄存器等。

具体细节很硬核，但你只要理解这点：

操作系统负责把 CPU 调整到“我最舒服的工作状态”，
然后以后所有程序都在这种状态下跑。

这时候，CPU 有了特权级区分：

• 内核态（ring 0）：操作系统内核运行的位置，权限最大；
• 用户态（ring 3）：普通程序运行位置，权限受限。

以后你写的程序都跑在用户态，
想干特权操作，只能通过“系统调用”让内核代劳。

这，就是接管 CPU 的核心意义：

• 让程序不能乱搞硬件
• 有了区分权限的能力

五、接管内存：从“一大坨物理内存”到“虚拟内存世界”

光有 CPU 不够，还要把内存搞明白。

刚开机的内存状态大概是：
BIOS/UEFI + bootloader + 内核 本身占了一块，剩下全是“原始裸内存”。

操作系统要把这“裸内存”变成：

• 一部分自己用（内核空间）
• 一部分给将来创建的进程用（用户空间）
• 并且还要支持虚拟内存（分页机制）

5.1 建立页表：给虚拟内存铺路

内核启动时会做一件很重要的事：

为自己先建立一套基本的页表（page table）。

作用是：

• 把自己的代码、数据等映射到一些虚拟地址上；
• 把硬件设备的一些地址空间（内存映射 I/O）也配置好；
• 给内存管理子系统打好基础。

从这一刻开始：

• CPU 通过 MMU 将虚拟地址翻译成物理地址；
• 内核可以开始玩“虚拟内存”的那套把戏。

你可以理解为：

内核先给自己“安家”，
把“内核地盘”划出来，
然后才有底气去给别的进程分房子。

六、接管中断：硬件有事先跟我说！

电脑里不仅有 CPU 在算，还有很多外设自己也在干活：

• 键盘：有人按键了
• 鼠标：移动/点击了
• 磁盘：读写完成了
• 网卡：收到了网络数据包

这些事件是异步发生的，CPU 不可能每毫秒去问一遍：“你有事吗？”——那太浪费。

现实做法是：

设备有事时，主动“打断”CPU，发一个中断（interrupt）。

操作系统接管硬件的一个关键步骤，就是：

1. 设置中断向量表 / 中断描述符表（IDT）：
   • 告诉 CPU：
     • 某种中断发生时，去哪里执行处理代码。
2. 为各种设备注册中断处理程序：
   • 键盘中断 → 调用键盘驱动代码
   • 磁盘中断 → 调用磁盘驱动，唤醒等 I/O 的进程
   • 定时器中断 → 用来做时间片轮转调度

从此以后，整个机器里的“消息通道”像这样运转：

• 设备有事 → 发中断 → CPU 暂停当前进程 → 跳到内核中断处理程序
• 内核处理完 → 恢复现场 → 继续让刚才那个进程跑

这就是操作系统“接管中断”的意义：

所有硬件给 CPU 的“通知”，都统一先交给 OS 内核处理。

内核再决定：唤醒哪个进程、给谁发信号、怎么更新状态。

七、接管设备：驱动让乱七八糟的硬件说同一种“话”

电脑上各种设备——硬盘、显卡、网卡、USB、音频设备……
每家厂商的接口、寄存器都长得不一样，
要让操作系统管理它们，就要有一个“翻译层”：驱动程序（Driver）。

7.1 操作系统怎么“认设备”？

内核启动后会做一件“大扫除”：

扫描各种总线（PCI、USB 等），看看挂了哪些设备。

它会：

1. 读取硬件设备的厂商 ID、设备 ID；
2. 根据这些信息，找到系统里对应的驱动模块；
3. 把驱动加载进内存，并调用驱动的初始化函数。

驱动的初始化会干什么？

• 告诉内核：“我可以处理这个设备的请求”；
• 注册中断处理函数；
• 为设备创建对应的“设备文件”或接口（比如/dev/sda、/dev/ttyS0等）。

从这一刻起：

各种稀奇古怪的硬件
= 在操作系统眼里变成了一堆统一管理的“设备对象”。

上层的应用不需要知道某品牌网卡内部寄存器长啥样，
它只需要跟 OS 提供的“套接字接口（socket）”打交道——
剩下的，内核 + 驱动搞定。

7.2 “一切皆文件”：统一接口的好处

许多 Unix/Linux 系统坚持一个哲学：一切皆文件。

意思是：

• 磁盘是文件
• 串口是文件
• 管道是文件
• 设备也是文件（/dev下那些）

都可以用相同的接口访问：

open();read();write();close();

比如你给串口发数据、给文件写日志、给某个设备写控制命令，
在代码层面可能都是write(fd, buf, len)：

• 后续具体在哪儿写、怎么写，
  是 OS 通过“文件系统层 + 驱动层”帮你翻译好的。

这就是“统一抽象”的威力。

八、接管时间：定时器中断 + 时钟，让一切有“时间感”

操作系统还必须接管一件重要资源：时间。

你会发现很多操作都涉及时间：

• 线程睡眠几秒sleep(3)；
• 进程超时；
• 定时任务（cron、计划任务）；
• 统计 CPU 使用时间、系统运行时间等。

这些都离不开一个基础机制：定时器中断。

8.1 定时器中断是怎么用的？

内核在初始化时会配置硬件定时器（或 APIC 等）：

• 比如每隔 1ms/10ms 触发一次“时钟中断”。

每次时钟中断发生时：

1. CPU 暂停当前进程，跳到内核的时钟中断处理程序；
2. 内核更新系统时钟：
   • 当前时间 +1 tick
   • 进程运行时间累加等；
3. 检查是否有定时事件到期：
   • 某个线程 sleep 时间到了 → 唤醒它；
4. 检查当前进程的时间片是否用完：
   • 用完了就触发一次调度，切换到下一个进程。

也就是说：时间片轮转调度也是靠这个定时器中断实现的。

如果没有操作系统接管时间：

• 没人定期打断 CPU，
• 那一个进程一旦开始执行就可能死赖着不松手，
• 你开的其他程序基本没机会跑。

九、接管“控制权”：从“裸机”到“多进程世界”

到目前为止，内核已经干了这些“接管动作”：

• 控制 CPU 的模式和特权级
• 建好了自己的内存映射和页表
• 配置了中断系统
• 初始化了设备和驱动
• 接管了定时器（时间）

接下来，它要完成最后一步关键动作：

创建第一个用户态进程，
把控制权从“裸内核”推进到“多进程世界”。

9.1 第一个进程：万物之源

在 Linux 里，内核会启动一个非常重要的进程：pid = 1，传统上叫init，现在多用systemd之类。

它负责：

• 启动各种系统服务（网络服务、日志服务、图形界面服务等）；
• 最终给你一个登录界面 / 桌面环境 / shell。

而所有后来的用户进程：

• 浏览器、编辑器、数据库、你写的程序……
• 都是直接或间接由 pid=1 这个“祖宗进程” fork/exec 出来的。

在 Windows 里也有类似的“系统进程”“服务进程”，只是名字和体系不同。

从这一步开始，整个系统就变成了：

多进程 + 多线程并发执行，
各自跑在用户态，
通过系统调用来请求 OS 做事，
OS 控制调度、内存、设备、文件，一切都在它手里。

到此，操作系统正式完成了“接管硬件”的阶段性任务，
从一个冷冰冰的电路板 + 磁盘，变成了一个“有秩序的多任务环境”。

十、把“接管硬件”这件事，用一句话串起来

我们最后用一段压缩版流程，把整件事情复盘一下：

1. 通电启动：
   硬件上电，CPU 从固定地址执行 BIOS/UEFI 的启动代码。

2. BIOS/UEFI 自检 + 寻找启动设备：
   检查内存、外设是否可用；
   找到硬盘/U盘上的 bootloader，把它载入内存并运行。

3. bootloader 载入操作系统内核：
   根据配置选定一个 OS，
   把内核文件读入内存，把控制权交给内核入口。

4. 内核初始化，接管 CPU：
   切换到合适的工作模式（32/64 位保护模式 / 长模式）；
   设置特权级（用户态/内核态）的规则。

5. 内核初始化内存管理：
   搭建页表，划分内核空间和用户空间，
   为将来的虚拟内存做好基础。

6. 内核初始化中断系统：
   设置中断向量表/IDT；
   注册各种中断处理程序（时钟、设备等）。

7. 内核识别并初始化设备：
   扫描总线，加载驱动，建立设备对象；
   把杂乱的硬件统一封装成标准接口（文件/设备节点/抽象 API）。

8. 内核接管时钟和定时器：
   注册时钟中断，用来更新系统时间和进行调度。

9. 启动第一个用户进程：
   启动各种系统服务，最后给你提供 shell/图形桌面。

10. 从此以后：

    • 所有用户程序都跑在用户态；
    • 想动硬件，只能通过系统调用让内核代劳；
    • 内核使用中断、调度、内存管理、驱动等机制，
      统筹这台机器上的所有资源。

你可以这样记住：

“接管硬件”这件事，就是操作系统从无到有地，把一台空机器
变成一个有规矩、有秩序、可多任务的“数字世界”的过程。

等你再学操作系统后面的章节——进程管理、调度、内存管理、文件系统、设备驱动——
你就可以时不时问自己一句：

“这个东西，属于操作系统接管哪个硬件资源的后续玩法？”

有了今天这条“接管硬件的时间线”在脑子里，
你就不会把操作系统当成一坨难懂的黑盒子，
而是一个你大概看懂了“上位过程”和“掌权方式”的大管家。