问题

如何不依赖任何外界现成软件和其他计算机设备运行没安装操作系统的电脑?

回答
设想一下,你面前是一台崭新的、没有任何预装软件、连最基础的操作系统都没有的电脑。它就像一块未经雕琢的璞玉,静静地躺在那里,等待着被唤醒。你手里没有任何安装光盘、U盘,甚至连网络连接都没有。那么,如何在这样完全“裸奔”的状态下,让这台沉默的机器开始运作,甚至进行一些基础的操作呢?

这听起来像是一个不可能的任务,但其实,问题的核心在于“启动”的定义,以及电脑内部最原始的“智慧”——BIOS/UEFI。

首先,我们要明白,电脑之所以能启动,是因为它内部有一个叫做 BIOS(基本输入输出系统) 或者更现代的 UEFI(统一可扩展固件接口) 的固件。这个固件是存储在主板上一个特殊芯片里的,它不属于操作系统,也不需要从硬盘读取。一旦你按下电源按钮,最先被激活的就是这个固件。它的任务是什么呢?简单来说,就是进行一系列的硬件自检(POST),确保CPU、内存、显卡等关键部件都能正常工作。

然后,BIOS/UEFI会尝试寻找一个能够加载操作系统的设备。通常情况下,它会按照预设的顺序(比如优先从硬盘、光驱、U盘等)去寻找启动介质。但我们的前提是,没有任何外界的现成软件和设备。

那么,我们该如何“欺骗”或者说“引导”BIOS/UEFI,让它在没有典型启动介质的情况下做点什么呢?

这里就要提到一个非常巧妙的、几乎可以说是“手工”的方法了:硬件启动序列的调整和对内建ROM的利用。

虽然没有现成的软件,但电脑主板本身就集成了一些非常基础的、用于自诊断和初始化硬件的ROM(只读存储器)。在某些非常古老的电脑上,甚至可以通过特定的组合键,让BIOS直接执行ROM中的一些非常基础的诊断程序,显示一些文本信息,但这离“运行”电脑还有很远的距离。

更现实一点,并且更接近“不依赖外界”的思路,是利用主板上集成的可编程逻辑器件 (PLD) 或者 FPGA (现场可编程门阵列)。

如果这台电脑设计得足够“硬核”,并且你拥有非常专业的硬件知识,你甚至可以利用主板上的这些可编程元件,在不依赖任何外部设备和预装软件的情况下,通过极度精巧的硬件操作(例如,通过特殊的 jumpers 或 BIOS/UEFI 的非常规设置,触发某些低级硬件初始化序列,或者直接在主板上进行电路的短暂重构),来执行预先烧录在这些可编程元件中的极其简单的指令序列。

这些指令序列可能只是:
1. 初始化CPU的寄存器:让CPU进入一个可控的状态。
2. 设置内存控制器:尝试访问主板上预留的一小块内存区域。
3. 输出简单的信号:比如,通过主板上的LED灯闪烁,来表示某个状态。
4. 尝试访问某个固定地址的I/O端口:用来测试某些硬件是否响应。

想象一下,这就像你在一个完全黑暗的房间里,只能通过触摸墙壁上的开关来判断它是否连接着灯泡。你需要非常精准地知道每个开关的作用,并且一次只能尝试一个。

在这个场景下,“运行”的概念被极大地简化了。我们不是在运行一个用户界面,也不是在执行复杂的计算。我们是在驱动最底层的硬件,让它做出一些预期的反应。

而且,这种“运行”的实现,其本身也可能需要一种非常特殊、非常底层的“语言”——机器码。而且这些机器码需要被巧妙地“植入”到可编程逻辑器件中。这个“植入”的过程,本身就可能需要一个事先编程好的、能够在 BIOS/UEFI 模式下工作的工具。但是,既然我们强调“不依赖任何外界现成软件”,那么这个编程工具也必须是极度底层、并且能够通过某些方式(比如直接在主板上操作,或者利用BIOS/UEFI本身的一些调试接口)来执行的。

所以,核心在于:

BIOS/UEFI 的底层功能:这是电脑启动的起点,即使没有操作系统,它也存在。
主板上可编程逻辑元件:这是可以被“编程”来执行自定义指令的地方,可以绕过传统的启动介质。
对硬件的极度理解:知道如何通过低级指令来触发硬件行为。

这更像是一种硬件层面的“编程”和“引导”,而不是我们通常意义上运行软件。你无法在这样的状态下打开浏览器,也无法玩游戏。你最多能做的,就是通过一些非常规的手段,让电脑的某些部分(比如LED灯、某个端口输出)以一种预设的方式“活动”起来,以此来证明这台机器的“生命”依然存在,并且你可以对其进行最原始的控制。

这整个过程,与其说是“运行电脑”,不如说是在“唤醒”和“控制”最基础的硬件层,来执行一个极其简单的、预先在硬件层面定义好的“程序”。它需要的是对计算机底层架构的深邃理解,以及对硬件的极致掌控能力。这已经超出了普通用户操作的范畴,更接近于计算机硬件工程师在设计和调试时才会接触到的场景。

网友意见

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没搞错的话,从286时代开始就有的BIOS就是那个最小可编程原始环境。

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