微型计算机原理：软件体系

我们都知道，计算机系统是由计算机硬件与计算机软件两部分组成的，微型计算机也不例外。在微型计算机系统中，计算机软件主要包括固化在微型计算机硬件之中的基本输入/输出系统（BIOS）、操作系统（Operating System）以及运行在操作系统之上直接为用户服务的各种应用软件（Applications）。

1.BIOS

在当前的微型计算机系统中，BIOS用来提供对微型计算机中核心硬件的基本管理与驱动能力，同时负责微型计算机系统启动时自举并引入操作系统。作为整个微型计算机系统最基础的软件，BIOS的重要性不言而喻。在早期的微型计算机中，BIOS一般被存储在微型计算机中一块可擦写只读存储器之中。当前的PC则使用Flash存储器（闪存）来存储BIOS，以方便微型计算机系统的用户通过软件方式升级BIOS。需要注意的是，由于BIOS是整个微型计算机系统的软件基础，BIOS升级的失败有可能导致微型计算机系统运行的错误甚至系统无法自举，对BIOS进行升级操作一定要非常小心。

在常见的PC中，BIOS主要具有以下几项功能：在计算机加电的时候负责自检和系统的引导，管理和驱动微型计算机中的核心硬件，如软磁盘、硬盘、键盘、串行接口、并行接口、显示器等，以及管理和设置被称为“CMOS参数”的一组计算机硬件配置信息。

微型计算机系统加电时，系统会从一个特定的地址开始指令的执行，比如在PC中，这个地址是0x000ffff0，或者用汇编语言的格式表示为000FFFF0H。根据PC的内存地址分配，这个地址在存储BIOS的ROM或Flash芯片范围之内，这就使得系统加电时由BIOS所控制。在系统加电后，BIOS首先会执行一段负责对系统中最基本的硬件进行测试的简短程序，这段程序被称作“加电时自检”（Power-On Self Test—POST）。POST对CPU、内存、ROM、主板、CMOS存储器、显示卡、软硬盘和键盘等进行一系列的简单自检之后，BIOS进入系统自举过程，它根据CMOS参数中启动设备的设置逐个驱动各启动设备，从中读取有效的操作系统引导记录，并将系统的控制权交给引导记录进一步读入和启动操作系统。如果POST失败，则BIOS会中止自举过程并驱动主板上的扬声器发出蜂鸣声，通过长短不同组合的“哔哔”声向用户报告POST中检测到的硬件错误。

BIOS还负责微型计算机中的软磁盘、硬盘、键盘、串行接口、并行接口、显示器等核心硬件的管理和驱动，操作系统或其他应用程序可以通过一组被称作BIOS中断服务程序的接口来调用这些功能。与此同时，BIOS还负责管理CMOS参数。在PC中，一些与诸如软磁盘、硬盘、键盘、总线配置等系统硬件相关的参数以及诸如当前时间、启动次序等信息被保存在一个由板载纽扣电池供电的小型RAM芯片之中，这些参数信息被称作CMOS参数。CMOS参数的设置也是由BIOS中的一段被称作CMOS设置程序的程序段负责的（见图1-7）。

图1-7 BIOS/CMOS

a）主板上的BIOS芯片 b）CMOS设置程序界面

很有趣的一点是，在1982年IBM公开其关于PC的技术资料从而形成IBM PC的“开放标准”的时候，唯一没有被公开的就是IBM PC的BIOS，这也从另一个侧面说明了BIOS对于微型计算机的重要性。虽然IBM PC的BIOS没有被公布，但是由于所有PC的BIOS都自觉或不自觉地与IBM PC相兼容，从而使得几十年来PC的BIOS在功能和接口上保持了惊人的一致。

目前，PC所使用的BIOS标准正在从传统的BIOS向“可扩展固件接口”（Extensible Firmware Interface，EFI）转移。EFI是一个由Intel、AMD、微软、苹果、IBM、HP、联想、AMI、Phoenix等组成的“统一可扩展固件接口论坛”（Uniform EFI Forum）所制定的用以规范BIOS功能特性与访问接口的标准，它试图为PC提供一个比传统BIOS更加强大、灵活和安全的BIOS。迄今为止，EFI的标准版本为2008年公布的2.2版。(www.xing528.com)

2.微型计算机的操作系统与应用软件

操作系统是整个微型计算机系统中软件的核心和灵魂，它由BIOS引导执行，负责管理微型计算机系统中一切软硬件资源，以进程或线程为基础协调调度系统中的程序执行，并提供文件系统与设备管理等功能。随着微型计算机性能的不断提高，微型计算机系统中的操作系统也产生了巨大的变化。最早流行的微机操作系统应当是Digital Research公司在20世纪70年代推出的CP/M（Control Program/Monitor），它允许用户通过控制台的键盘对系统进行控制和管理，其主要功能是对文件信息进行管理，以实现硬盘文件或其他设备文件的自动存取等。在IBM推出PC时，最开始计划使用的就是CP/M操作系统，但是由于IBM和开发CP/M操作系统的Digital Research公司在某些细节问题上未能达成一致，IBM将开发IBM PC上使用的操作系统的工作交给了当时还是一个小公司的微软，PC-DOS因而诞生。与CP/M同时代的还有运行在Apple计算机上的Apple DOS等操作系统。这些操作系统普遍的特点是单用户、单任务、字符界面，不能同时运行多个程序，也不能同时为多个用户服务，用户通过在键盘上按键输入一个又一个的命令，并在显示器或电传打字机上读取反馈从而实现与操作系统之间的交互，使用起来非常麻烦。这是与当时微型计算机功能比较少，性能不够完善有关的。

微软公司将DOS从PC-DOS 1.0一直升级到了MS-DOS 7.0，一直保持着其单用户单任务字符界面的风格，而微型计算机性能的不断提升催生出了更加强大和易用的新一代微机操作系统。1984年，苹果公司在其基于16位摩托罗拉MC68000微处理器推出的Macintosh微型计算机操作系统（当时称System Software，后改称Mac OS）中，首次使用了成熟的图形用户接口（Graphics User Interface，GUI）。对于用户来讲，这种通过使用鼠标进行单击、双击、拖曳等动作来完成各种操作的图形用户接口，明显要比DOS的命令行接口要友好和易用得多，这也开启了图形化用户接口统治微型计算机操作系统的时代，大大降低了微型计算机使用的难度，推进了微型计算机的普及。

在用户接口从命令行到GUI转变的同时，微机操作系统的内核也悄悄地完成了一次重大的变革。由于系统性能的不断提升，使得在微机上运行多用户多任务操作系统成为可能。安装这些多用户多任务操作系统的高性能微型计算机凭借其高性价比迅速地挤占了原本由小型计算机和大中型计算机所占领的服务器市场，进一步扩展了微型计算机的使用范围。当前微型计算机系统中可以使用的多用户多任务操作系统主要有PC上的Windows系列、类UNIX系列、OS/2，Macintosh上的Mac OS，等。

Windows系列操作系统是微软在MS-DOS之上推出的图形界面操作系统。在1985年推出的Windows 1.0和1987年推出的Windows 2.0未能获得预想成绩的情况下，1990年微软推出的Windows 3.0取得了巨大的成功，随后的Windows 95、Windows 98、Windows NT 4.0、Windows XP等一系列操作系统则以压倒性的市场占有率进一步巩固了微软在桌面操作系统领域的地位。

和微软从头开始设计的Windows操作系统不同，类UNIX系列操作系统则源自于小型机上非常流行的UNIX操作系统。这个以C语言重写的操作系统由于其安全可靠和高效强大等特点在服务器、科学计算等领域被广泛使用，被引入到微型计算机系统后，产生了一系列的类UNIX操作系统，比如SCO UNIX、IBM Aix、Sun Solaris、UNIX System V、FreeBSD、以及最有名的开源操作系统Linux等。类UNIX操作系统对多任务和多用户的支持非常完善，内核代码因为久经考验而远比Windows系列操作系统稳定和安全，X-Window也为这些类UNIX操作系统提供了图形用户接口。但是，由于类UNIX操作系统不同版本之间细节上的差异较大，而且其使用门槛比Windows要高，这些类UNIX操作系统大多用于服务器或一些对性能比较敏感的领域，如高性能科学计算等。

除了这些面向桌面系统或微机服务器的操作系统之外，一些具有特定应用场合的微机操作系统也得到了快速的发展。比如，在掌上电脑和智能手机方面，Palm OS、Pocket PC（Windows CE）、Symbian OS等操作系统为用户提供简单易用的界面和丰富的附件程序；而在基于微型计算机技术构建的超级计算系统中，由于其源代码的开放和良好的性能，Linux操作系统占据着无可争议的统治地位。

在微型计算机系统中，操作系统上运行的是直接为用户服务的各种应用程序（Applications），这些应用程序在操作系统的管理下，通过操作系统和BIOS提供的各种接口，使用微型计算机中的各种硬件与用户进行交互。应用程序的种类很多，功能各异，用以满足用户的不同应用需求。微型计算机系统中硬件、BIOS、操作系统和应用程序之间的关系可以用图1-8描述。

图1-8 微型计算机系统中硬件、BIOS、操作系统和应用程序之间的关系