[转载]微机启动过程深入探究

bini · 发表于 2007-11-12 11:17:23

引用地址:http://bbs.cfan.com.cn/viewthread.php?tid=339334
作者：Cfans论坛用户rossini23
引言

对于经常使用电脑的用户（来CFAN的都应该包括在这一行列吧）来说，每天当你按下Power Button等待电脑进入系统开始一天正常工作的时候，你有没有想过在这一段时间内电脑内部都发生了什么？当电脑发生故障不能启动的时候你是否不知所措，不知道是哪里出了问题？如果你还没有想过这个问题，或者这是你老早就在思考的问题，却苦苦得不到答案，那么请继续往下看。
概述
整个电脑的启动过程大概可以分为三个阶段：

一从按下Power Button到CPU Reset
这一阶段是通过硬件逻辑电路来完成CPU Reset，并且台式机与笔记本又有所区别。
二 BIOS引导阶段（从CPU Reset到操作系统引导）
这一阶段完全在BIOS的控制之下，由BIOS完成微机硬件的自检（POST）与初始化，BIOS还提供BIOS设置和Runtime Service服务（微机原理课学过的BIOS中断服务），最后BIOS将从可引导介质上引导操作系统。
三操作系统引导阶段

第一阶段：CPU Reset

很多文章里都会忽略这一阶段，直接从CPU Reset读取BIOS代码开始自检讲起，可能是这一步经过的时间太短了，用户根本觉察不到，所以没有必要讲：（。但是这是必需的一步，不经过这一阶段PC不可能启动！
注意：台式机与笔记本在这一阶段有很大的区别，这是由于笔记本有KBC的存在（后面会讲到）。

先看台式机：
由于台式机的开机与PC电源有密切关系，先看一下电源部分：
首先是电源插头定义：

下面为有卡扣那一边
（看不清楚？没事拆了机箱拿出电源自己慢慢看看熟悉就好了）
这个就是主板供电插头的pin脚定义图，这是ATX 12V 规范之前的定义，最新的ATX 12V 规范pin脚已经变成24针（主要是加强了了对CPU的供电电压，如果想了解更多的电源规范可以参考ATX 电源规范，这个不在本文的探讨之列），但是这个变化对开机流程没有影响，所以这张图依然适用（手头只有这张图，懒的找了）。

说明一下，其中，8引脚为PG（Power Good）信号。9引脚为待机供电。14引脚为PW-ON（Power-On）信号，14引脚与GND（Ground）短接后即可触发电源工作（这一点非常重要！），未触发前9、14引脚输出电压均为+5V，其它引脚无输出电压。

还有，根据电源的两种结构，主板触发也采用两种方式。AT结构电源采用硬开机方式（触发后PW-ON为常闭状态），ATX结构电源采用软开机方式（触发后PW-ON为常开状态）。由于软开机是目前绝大多数主板采用的触发方式，因此我们主要针对这种触发方式进行分析。这个有时分析是要用到的所以我想想还是说一下。

主板触发电路
看一下几种典型的主板触发电路：
1. 经过南桥的触发电路（见下图）

在触发电路中凡是参加开机的元件均由电源9引脚（紫）提供+5V供电。+5V高电位经电阻R1、R2，在PW-ON非接地端形成+3.3V高电位。当PW-ON（机箱开机按纽）被触发（即闭合）瞬间，+3.3V高电位信号被拉低，变为低电位，南桥接收到低电位信号向电源14引脚（绿）发出低电位信号，将POWER（14）+5V高电位拉低，触发电源工作，实现开机。

2. 用反向器式，不同与上面的接地式。

当PW-ON被触发（即闭合）瞬间，+3.3V高电位信号经反向器（如7404等）转换为低电位，南桥接收到低电位信号向电源14引脚（绿）发出低电位信号，将POWER（14）+5V高电位拉低，触发电源工作，实现开机。

3. IO控制芯片型

过程与经过南桥相似，只是由南桥控制I/O芯片，通过I/O芯片发出低电位信号将POWER（14）+5V高电位拉低，触发电源工作。
上面列举了三种常用开机电路，当然，不同的PC厂商可能会采取不同的设计，基本原理应该都和上面的电路相同。

至此，ATX电源开始正常工作，就会输出+12V,-12V.+5V ,-5V,+3.3V电压，包括8引脚PG（Power Good）信号，这时候主板上的用电已经全部输出。输出PG信号后会触发南桥，经过一系列的触发动作，最终由北桥发送CPURST#给CPU，使CPU Reset.

至此，PC开机过程的第一步完成（应该是台式机，还有笔记本的没讲：））。需要说明的是，这一过程在极短的时间内（微秒级）完成，用户根本感觉不到（好复杂啊！还有更复杂的呢，CPU内部的每秒G次级操作！）。

再看笔记本
笔记本由于有KBC的存在，这一阶段和台式机又有不同。KBC(Keyboard Controller,键盘控制器)从字面上我们就可以看出来它的作用。这只是它当初的定义，现在的KBC的功能已经远远超出它当初的定义了，现在笔记本上的电源管理，状态LED的显示，Panel背光亮度的调节，Fn键的控制，CPU Throttle的开关，无线蓝牙红外等外设的控制，电池充放电的控制等等功能都由KBC来接手，应该说KBC接手了台式机上南桥的一部分功能。现在常用的KBC芯片主要有Hitachi的H8和Winbond系列（如W83L941D）。
KBC在NB的开机过程中也起着很大的作用，下面我们来看：
在系统关机的时候，只有RTC部分和KBC部分在运行，明白这一点很重要！很多笔记本用户会问为什么笔记本即使不开机过一段时间电池电量也会减少？这正是KBC还在用电的原因，当然，电池的自然陨耗也不可忽略。RTC部分维持着计算机的时钟和CMOS设置信息，而KBC则在等待用户按开机键。在检测到用户按开机键后，KBC会通知整个系统把电源打开（这部分在下面详细介绍）。CPU被RESET后，会去读BIOS内一个特定地址内的指令（其实是一个跳转指令，这个地址是由CPU硬件设定的），接下来就是第二阶段讨论的内容了！
（以下一段从权威揭密笔记本硬件结构终极教程（下）一文摘录）
那我们现在就讲解一下笔记本电脑在硬件上的逻辑开机过程。
首先我们做一些预习工作，以方便读者的理解。在笔记本内部的电压有好几种，我们分别看一下。
首先是RTC电源，这部分电力是永远不关闭的，除非电池（纽扣电池）没电并且没接任何外部电源（比如电池和电源适配器）。RTC用以保持机器内部时钟的运转和保证CMOS配置信息在断电的情况下不丢失；其次，在你插上电池或者电源适配器，但还没按power键的时候（S5），机器内部的开启的电称为ALWAYS电，主要用以保证EC的正常运行；再次，你开机以后，所有的电力都开启，这时候，我们称为MAIN电(S0)，以供整机的运行；在你进待机的时候(S3)，机器内部的电成为SUS电，主要是DDR的电力供应，以保证RAM内部的资料不丢失；而休眠(S4)和关机(S5)的电是一样的，都是Always电。其中，上文中括号内的是表示计算机的状态（S0-开机，S3-待机，S4-休眠，S5-关机）。

上图是对上面这段话的总结，我想应该很容易明白。其中最后一列指的是其电压开启的控制信号，这点下面会讲到。至于为什么这里没有S4，即休眠状态，是因为在S4状态和S5状态下，系统开启的电是一样的，所以就没必要增加一组控制电路。
OK，现在我们假设没有任何的电力设备在供电（没电池和电源），这时候，机器内部只有RTC电路在运作，南桥上会接有一个3V的纽扣电池来供给RTC电力，以保持内部时间的运行和CMOS信息。
我们来分析一下开机的过程。在插上电池或者电源的时候，机器内部的单片机KBC就Reset并开始工作，等待用户按下Power键。在此期间的时序是：ALWAYS电开启以后，KBC Reset并开始运行，随后发给南桥一个称为‘RSMRST#’的信号。这时候南桥的部分功能开始初始化并等待开机信号。这里要注意，这时候的南桥并没有打开全部电源，只有很少一部分的功能可用，比如供检测开机信号的PWRBTN#信号。
在用户按下Power键的时候，KBC检测到一个电平变化（一般时序是：高-低-高），然后发送一个开机信号（PWRBTN#）给南桥，南桥收到PWRBTN#信号后依次拉高SLP_S5#,SLP_S4#,SLP_S3#信号，开启了所有的外围电压，主要是+3V，+5V以及DDR2.5V等，并发送PM PWROK信号，这信号表明外围电源正常开启。
PM PWROK将作为一个使能信号发送到CPU外围VCCP的电压Generator，并开启VCCP。在此之后，VCCP Generator会发出CORE_VR_ON来开启CORE VR（即CPU的核心电压）。至此，整机的电压已经全部开启。
在用VR_PWRGD_ICH这个信号通知南桥CORE VR成功开启后，南桥会发出PCI RST#信号到PCI总线，于是总线上的设备都被初始化（包括北桥），并同时发出H_PWRGD来通知CPU它的核心电压已经成功开启。然后北桥发H_CPURST#信号给CPU，CPU被RESET，并正式开始工作。
至此，PC开机过程的第一阶段全部完成（台式机，笔记本）。
我们跟随微机进入第二阶段。

第二阶段： BIOS引导

从这一阶段开始，我们就可以“看”到这一过程了（显卡开始工作之后）。在这一阶段，BIOS是绝对的主角！基本上一切都在它的控制之下。

可以说BIOS是一个很大的话题，不要说一篇文章，就是一本书，一门课程都不可能讲的很透彻！这里我主要是根据自己的理解，对BIOS在微机启动过程中的作用作一下梳理。
CPU Reset后就会通过北桥，南桥，寻找BIOS，生成片选信号，开始读取资料，进行自检(POST, Power On Self Test).
为了便于理解，先给不熟悉BIOS的兄弟（当然还有姐妹：））们补补课（之前听到有人说BOIS，还有的称BOSS！）。BIOS的全称是Basic Input And Output System，中文名就是基本输入输出系统，从名称上我们不能获得更多的信息，它到底是硬件还是软件？既然称为系统我怎么看不到？应该说BIOS是名符其实的软件（先别急着反驳，听我讲完），它本身是一段程序，只不过这段程序和我们平时接触的程序有一点不同。它不像我们常见的程序那样工作于操作系统下，因为它本身就可以说是一个简单的小型操作系统（不好理解？就当我没说过上面的这段话，继续往下看）。这段程序是固化在一块芯片当中的――这块芯片就是我们学说的BIOS芯片，而这块芯片又焊接在主板上。如果你细心找的话，在主板上你肯定能找到这块芯片（没有BIOS的PC偶还么的见过）。而正是由于BIOS是固化在芯片中的才会导致某些人说BIOS是硬件。整理一下，应该说BIOS是软件，如果我们说BIOS芯片（保存BIOS程序的那块芯片），那么它就是硬件（芯片当然是硬件拉）。
要想了解更多关于BIOS的信息，大家可以去 www.biosdiy.net ，从上面可以获得更多的资料，从基本的BIOS设置到怎么刷BIOS到替换BIOS的开机画面，应有尽有。
再说一下BIOS在微机中的基本作用：
1. POST(Power On Self Test，开机自检) CPU Reset后将从BIOS读取第一条指令，接下来BIOS会对CPU各项寄存器，先检查是否运行正常，接下来会检查8254 Timer（可编程计数器），8259A（可编程中断控制器），8237DMA Controller(DMA 控制器)的状态。
2. Initial――针对动态内存(DRAM)，主板芯片组，显卡以及相关外围的寄存器做初始化设置，并检测是否能够工作。
所谓初始化设置，就是依照该芯片组的技术文件检定，做一些寄存器的填值，改位的动作，使得主板/芯片组和内存，I/O的功能得以正常运行。
3. 记录系统的设置值，并且存储在非挥发性内存（Non-Volatile RAM），像CMOS或Flash Memory(ESCD区域)等。
4.将常驻程序库(Runtime Program)常驻于某一段内存内，提供给操作系统或应用程序调用，像Int 10H, Int 13H, Int 15H之类的函数（这个功能在Windows系统下已经不存在了，在DOS下还会用到，就是我们常说的BIOS 中断）
继续讨论BIOS在开机过程中的作用，我们看下面的图：

好了，今天就写这么多，以后有空再写。。。。。。

Go on
当CPU Reset后，根据X86架构的特性，（386以后）CPU会从4G地址的最顶端FFFFFFF0处获得第一条指令来执行，而这一地址被定位在BIOS里。由于FFFFFFF0到FFFFFFFF只有短短的16字节，根本不可能放下一段程序，所以这里会放一条跳转（Jump）指令让BIOS跳到更低的地址去执行。而这个地址就是上图的Boot Block模块的入口地址。这个Boot Block（启动模块）是IBM PC遗留下来的规范，基本上每一个BIOS厂家都会有这么一个Boot Block。它的作用就是完成BIOS的最初引导（比如说测试很小的一块内存来供临时使用），如果你对BIOS DIY比较熟的话，它的另一项功能你可能会比较熟悉，就是当刷BIOS由于不慎导致失败的时候，我们可以通过Boot Block的拯救功能来救回BIOS，一般是在软驱里放入两个文件，一个是特殊的刷BIOS工具另一个是BIOS文件。然后用这个软驱启动，如果Boot Block模块没有损坏的话，用这个方法可以救活BIOS.
Boot Block完成引导后就会解压缩出Runtime模块，到这里可能你会问，什么是解压缩Runtime模块？莫非BIOS里还藏有Winrar,winzip这样的程序，答案当然是否定的。用到解压缩功能完全是因为BIOS可以利用的地址空间太小了，而随着芯片组功能和外设功能的增强，BIOS里还要加入起来越多的功能，为了解决地址空间不足的问题，BIOS就引入了压缩模块的方法，将一些固定功能的BIOS模块通过压缩算法压缩，挤出一些空间来让更多的扩展功能使用。当然，这些压缩算法肯定没有Winrar等压缩软件那么复杂了，否则光是压缩算法就占据了大部分空间，还不如不引入压缩功能来的划算。到这里还有一个问题，就是有人可能要问，之前不是讲过BIOS刚开始执行就会进行POST吗？怎么前面还会解压Runtime模块？这是因为在POST过程中要用到中断调用等功能，而这些功能是由Runtime模块提供的。
Runtime模块解压后就会解压POST模块，可以看到连POST也被压缩了，可见BIOS空间是多么宝贵！在POST过程中如果用户有按键（比如常见的DEL键）想进行BIOS设定，那么BIOS会解压出BIOS SetUp模块，来提供BIOS设定界面并保存用户设定结果。在POST过程中BIOS还会进行芯片组，内存，显卡，外设等的初始化工作。
上面的只是一个初略的BIOS执行流程，BIOS实际执行的过程要比上面说的复杂的多。并且不同的厂商会在BIOS里加入许多特定的功能（比如一键杀毒，还原等），这更会增加BIOS的复杂度！
造成BIOS过于复杂的另一原因是BIOS开发主要是用一般人不熟悉的汇编语言。面对复杂的BIOS，不要说普通的用户，就连BIOS开发人员有时都会被搞焦头烂额。还好，Intel终于开发出了EFI（Extended Firmware Interface，扩展固件接口）准备用来取代BIOS。EFI用流行的C语言开发，可以做出比较好的图形界面，使用起来更加直观。EFI还加入了一些比较实用的功能，比如说可以不进系统，在EFI里就可以进行文件操作，在EFI里使用网络功能等。有兴趣的可以在网上找一下EFI的相关资料，毕竟EFI离我们也不太远了，之前Microsoft承诺会在Windows Vista里启用EFI的支持，可后来又跳票了，最近MS又表示2007年会启用EFI支持，MS是否会再忽悠我们一把，我们只有到2007年再下结论了。
至此，PC开机过程的第二阶段完成。

第三阶段：操作系统引导

BIOS自检过程中，如果没有错误，接下来就会进行操作系统引导。
BIOS会根据CMOS里记录的启动顺序一个个地来尝试加载启动代码。具体的过程是BIOS将磁盘的第一扇区（磁盘最开始的512字节）载入内存，放在0X0000:0X7C00处，然后检查这个扇区的最后两个字节是不是“55AA”，如果是则认为这是一个有效的启动扇区，如果不是就会尝试下一个启动介质，如果找到可以启动的程序就会从这一介质启动，如果所有的启动介质都判断过后仍然没有找到可启动的程序那么BIOS会给出错误提示。

bini · 发表于 2007-11-12 11:23:33

插入一张santa rosa平台CRB的上电时序图.

yanyunfeng · 发表于 2008-5-8 18:11:53

說得很清楚！

[ 本帖最后由 yanyunfeng 于 2008-6-23 19:53 编辑 ]

bini · 发表于 2008-5-9 10:34:39

不是我历害，这是转载文章，作者是：Cfan论坛的用户

yanyunfeng · 发表于 2008-5-10 10:37:37

非常感谢！

[ 本帖最后由 yanyunfeng 于 2008-6-23 19:52 编辑 ]

winbondowen · 发表于 2008-5-11 20:24:43

这是我们正常的开机过程。
现在Intel开发的AMT技术，支持从网络开机。
这是怎么实现的呢？

amty.wang · 发表于 2008-5-14 20:21:34

yanyunfeng,
1、EC 每次执行指令，是每次都到FLASH中去抓？还是象HOST 执行BIOS指令一样，将整个CODE COPY过来放在相应的RAM 中？

这个不一定的，看原始设计是怎么来定义的。我知道的有2种方法，一种是单独一颗EC，自身带ROM，这种情况下一般是每执行一条指令都会去FLASH中抓；另一种也是单独一颗EC，不过它的指令放在BIOS ROM中，这种情况可能会将CODE COPY到RAM中去，然后在RAM中执行。不过呢，由于EC本身的RAM不是很大，而EC CODE却不小，所以采取这种方法的估计有一些别的什么东东。

2、由于EC 的CODE 是和BIOS 的CODE 放在同一块FLASH 内，所以如果我要UPDATE 新的BIOS（EC CODE 有更新），则EC CODE
在什么时候被更新呢？如果是在DOS 下进行的烧录，是否需要断掉NOTEBOOK 上所有的电，更新的部分才回生效？

这个具体看你的UPDATA TOOL是怎么工作的了，基本上来说前后顺序要求不是很高，如果你的EC CODE和BIOS CODE放在同一个文件中的话，那么会一起更新的；烧录完成后当然要断掉NOTEBOOK上所有的电，EC要重新初始化的，BIOS也是

[ 本帖最后由 amty.wang 于 2008-5-14 20:23 编辑 ]

yanyunfeng · 发表于 2008-5-15 15:44:32

amty.wang, thanks a lot !

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