计算机系统概述
计算机系统是一个复杂的整体，其核心目标是执行程序。一个完整的计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分构成。硬件系统包括中央处理器、内存、输入/输出设备以及各类总线，它们提供了计算和存储的物理基础。软件系统则指挥硬件工作，其中最为核心和基础的软件就是操作系统。操作系统作为用户与计算机硬件之间的接口，管理者计算机的所有资源（如CPU、内存、磁盘、外设），并为应用程序的运行提供支持环境。没有操作系统，用户将不得不直接面对繁琐且不友好的机器指令，应用程序的开发与运行也将变得异常困难。
操作系统引导与BIOS
计算机启动时，硬件并不能自动加载操作系统。这个过程需要一系列精确的、自下而上的引导步骤。其起点就是BIOS。
- BIOS（基本输入输出系统）：它是固化在主板ROM芯片上的一段小程序，是计算机启动后第一个运行的软件。其主要功能包括：
- 上电自检：检查CPU、内存、硬盘、键盘等关键硬件是否正常工作。
- 初始化硬件：配置即插即用设备，并为其分配中断、DMA通道和I/O端口等资源。
- 引导加载：按照预设的顺序（如硬盘、U盘、光盘）寻找可启动的设备。找到后，读取该设备第一个扇区（主引导记录，MBR）的内容到内存。
- 引导过程：BIOS将控制权交给MBR中的引导程序（如GRUB、Windows Boot Manager）。该引导程序负责定位磁盘上的操作系统内核文件，将其加载到内存，并最终将计算机的控制权转交给操作系统内核。内核随后初始化自身，加载必要的驱动，并启动第一个用户态进程（如Unix/Linux的init或systemd，Windows的会话管理器），至此，操作系统完成引导，用户可以开始使用。
虚拟机的角色
虚拟机技术是计算机系统领域的一项重大创新。它通过软件模拟出一个具有完整硬件系统功能的、运行在一个完全隔离环境中的计算机系统。在操作系统层面，我们主要讨论系统虚拟机。
- 核心概念：虚拟机监控器，也称Hypervisor，是创建和运行虚拟机的软件。它直接运行在物理硬件之上（Type-1，如VMware ESXi、微软Hyper-V），或运行在一个宿主机操作系统之上（Type-2，如VMware Workstation、Oracle VirtualBox）。Hypervisor负责将物理资源（CPU、内存、磁盘、网络）抽象、分割和调度给上层的多个客户操作系统。
- 与操作系统的关系：
- 资源的扩展与隔离：虚拟机允许在一台物理机上同时运行多个独立的操作系统实例，每个实例都认为自己独占硬件资源。这极大地提高了硬件利用率，并实现了应用和系统环境的强隔离，便于测试、部署和迁移。
- 操作系统的“用户”：对于Type-2 Hypervisor，客户操作系统就像运行在宿主机OS上的一个特殊应用程序。而对于Type-1 Hypervisor，它本身就是一个极为精简、专门为虚拟化优化的“操作系统”，客户OS则运行在它之上。
- 硬件抽象层的延伸：传统操作系统通过驱动程序抽象物理硬件。虚拟机技术在此基础上，又增加了一层虚拟硬件抽象层（虚拟CPU、虚拟内存、虚拟网卡等），使得客户OS无需修改就能运行在多样的物理平台之上。
计算机系统服务
操作系统在启动后，会提供一系列持续运行的核心功能，即系统服务。这些服务是操作系统内核或特权进程提供的，用以支持上层应用程序和用户操作。
- 核心管理服务：
- 进程管理：创建、调度、执行、终止进程，并提供进程间通信机制。
- 内存管理：为进程分配和回收内存空间，实现虚拟内存、内存保护和共享。
- 文件系统管理：提供对磁盘数据的持久化、结构化存储，实现文件的创建、读写、删除和权限控制。
- 设备管理：通过设备驱动程序，统一管理和控制所有I/O设备，为用户和应用程序提供简洁的设备访问接口。
- 网络与通信服务：实现网络协议栈（如TCP/IP），管理网络接口，提供进程间跨网络的通信能力。
- 安全与审计服务：包括用户身份认证、访问权限控制、安全审计日志、防火墙等，保护系统免受未授权访问和破坏。
- 用户接口服务：提供命令行界面或图形用户界面，使用户能够方便地与系统交互。
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从按下电源键开始，BIOS执行初始硬件检查和引导，将控制权逐步移交至操作系统内核。操作系统作为整个计算机系统的“大管家”，通过其内核和系统服务，高效、公平、安全地管理着所有硬件与软件资源。而虚拟机技术的出现，则将单台物理机的资源进行了逻辑上的倍增和隔离，使得操作系统的运行环境变得更加灵活和弹性。理解从硬件引导到操作系统服务，再到虚拟化这一完整链条，是掌握现代计算机系统工作原理的基石。
