计算机启动详解

 

计算机启动详解[原创]

作者:小飞 2008-01-04 上海 [学习 汇编 和OS设计 时 参照各种资料后整理]

1.电源加电

 

我们在按下启动键时，首先启动的应是电源（因为如果没有电源供电，那么主板上所有的配件都是无法工作的）。

由于从开关电源起, 振荡到电源稳定之间会有一段时间的延迟，此时电压还不稳定，

为了保证安全使用，电源部分采取了一系列安全保护措施, 主板控制芯片组会向CPU发出并保持一个RESET(重置)信号，让CPU等待电源发出的POWER　GOOD信号(电源准备好信号)。如果主板接受不到这个信号，那么时钟芯片会持续向CPU发送复位（RESET）信号, CPU就不会工作。

当电源开始稳定供电后(当然从不稳定到稳定的过程也只是短暂的瞬间)，电源稳定后就送出一个POWER　GOOD信号, 芯片组便撤去RESET信号. 此时CPU收到 POWER GOOD 信号.

   [注: PC机的复位线和系统中的所有部件相连，包括CPU的RESET引脚]

 

2.CPU接受到正常的POWER　GOOD信号后的一些准备工作

 

当CPU接受到正常的POWER　GOOD信号，主板和CPU就启动了吗？其实主板此时，还要根据CPU的VID0－VID3引脚的定义组合，将CPU所提供的VID0－VID3信号送到电源管理模块的相应的端口；如果主板BIOS具有可设定CPU电压的功能，主板会按时设定的电压与VID的对应关系产生新的VID信号并送到电源管理模块芯片，电源管理模块将根据设定并通过DAC电压将其转换为基准电压，再经过场效应管轮流导通和关闭，将能量通过电感线圈送到CPU，最后再经过调节电路使用输出电压与设定电压值相当。

  

   　　由于CPU还要根据自己所需要的频率，通过IC总线来检测主板频率发生器所设置的频率是否支持；因为电脑要进行正确的数据传送以及正常的运行，没有时钟信号是不行的，时钟信号在电路中的主要作用就是同步；因为在数据传送过程中，对时序都有着严格的要求，只有这样才能保证数据在传输过程不出差错。时钟信号首先设定了一个基准，我们可以用它来确定其它信号的宽度，另外时钟信号能够保证收发数据双方的同步。对于CPU而言，时钟信号作为基准，CPU内部的所有信号处理都要以它作为标尺，这样它就确定CPU指令的执行速度；如CPU本身的频率无法适应频率发生器所提供的高频率，也是无法正常工作的。因此只有当接受到POWER　GOOD信号，和相应的得到CPU工作的电压时以及相应的时钟频率后，CPU才能正常的工作. 到此 CPU 已经READY 了.

  

3. CPU 开始执行 BIOS芯片里的 POST(Power On Self Test)[加电自检] 程序.

 

[背景知识: BIOS基本上由以下几部分组成:  

 (1)BIOS中断服务程序  

 (2)BIOS系统设置程序  

 (3)POST(Power   On   Self   Test,上电自检)程序  

 (4)系统启动自举程序  

 BIOS是存储在ROM(也可能是PROM,EPROM,EEPROM)中的一些程序,基本上由以上列出的四个部分组成.

为了与硬件和一般软件区别, 此类固化在ROM中的程序通常称为fireware]

                   

CPU 开始第一步工作. 即立刻执行BIOS芯片里的 POST 程序. [注意:此时CPU直接在BIOS芯片里取指令执行,而不是内存, 内存此时还没有检测和初始化]   

      

    这一过程是逐一进行的，BIOS厂商对每一个设备都给出了一个检测代码（称为POST CODE即开机自我检测代码），在对某个设置进行检测时，首先将对应的POST CODE写入80H（地址）诊断端口，当该设备检测通过，则接着送另一个设置的POST CODE，对此设置进行测试。如果某个设备测试没有通过，则此POST CODE会在80H处保留下来，检测程序也会中止，并根据已定的报警声进行报警（BIOS厂商对报警声也分别作了定义，不同的设置出现故障，其报警声也是不同的，我们可以根据报警声的不同，分辨出故障所在。

 

POST自检测过程大致为：加电－CPU－ROM－BIOS－System Clock－DMA－64KB RAM－IRQ－显卡等。检测显卡以前的过程称过关键部件测试，如果关键部件有问题，计算机会处于挂起状态，习惯上称为核心故障。另一类故障称为非关键性故障，检测完显卡后，计算机将对64KB以上内存、I／O口、软硬盘驱动器、键盘、即插即用设备、CMOS设置等进行检测，并在屏幕上显示各种信息和出错报告。在正常情况下，POST过程进行得非常快，我们几乎无法感觉到这个过程。

  

4. CPU开始执行BIOS 芯片里的 系统启动自举程序 , 用来加载MBR(Main Boot Record) 主引导记录.

 

在POST上电自检测完成后，CPU会从地址FFFF0H处开始执行指令，

FFFF:0000这是一个固定的位置，这个地址在系统BIOS的地址范围内[这里的地址: FFFF0H 不是内存地址, 而是一个硬件地址]，无论是Award BIOS还是AMI BIOS，放在这里的只是一条跳转指令，跳到系统BIOS中真正启动代码处。由于BIOS是连接操作系统和硬件之间的桥梁，为计算机提供最低级的、最直接的硬件控制，计算机的原始操作都是依照固化在BIOS里的内容（指令）来完成的。

 

BIOS 启动程序开始寻找启动盘, 检查启动盘的 0面0磁道1扇区, 如果发现是以 0Xaa55结尾, 则认为它是一个引导扇区(Boot Sector). [此扇区里的数据即通常所说的 MBR(Main Boot Record) 主引导记录]

然后把这个512 Bytes 的Boot Sector 装载到内存 0000:7c00 处 , 然后跳到 0000:7c00 处将控制权交给这段引导代码. [此后 计算机不再由 BIOS 中固有的程序来控制,而变成OS 的一部分来控制, 在此以后的指令都是在内存中的了.]

 

下面是 BOOT SECTOR 的引导程序一个例子:

; boot.asm list file NASM assembly

1                                  org 07c00h

     2 00000000 8CC8                    mov ax, cs

     3 00000002 8ED8                    mov ds, ax

     4 00000004 8EC0                    mov es, ax

     5 00000006 E80200                  call DispStr

     6 00000009 EBFE                    jmp $

     7                                  DispStr:

     8 0000000B B8[1E00]                  mov ax, BootMessage

     9 0000000E 89C5                      mov bp, ax

    10 00000010 B91000                    mov cx, 16

    11 00000013 B80113                    mov ax, 01301h

    12 00000016 BB0C00                    mov bx, 000ch

    13 00000019 B200                      mov dl, 0

    14 0000001B CD10                      int 10h

    15 0000001D C3                        ret

    16 0000001E 48656C6C6F2C204F53-     BootMessage: db "Hello, OS world!"

    17 00000027 20776F726C6421    

    18 0000002E 00<rept>                times 510-($-$$) db 0

    19 000001FE 55AA                    dw 0xaa55

 

5. CPU 开始执行 OS[操作系统]的引导程序

 

不同的OS 都不同, 但是引导程序通常会: 从16位real mode[实模式] 切换到 32 位的 protect mode[保护模式], 并把BIOS 复制或者映射到内存低端的地址区 [不同的OS 有差别]. 初始化GDTR[全局向量表寄存器] 和填充GDT [全局向量表] 和 其他系统表.

 

6.开始OS全面初始化, 进入用户登陆界面.