计算机启动流程

主要流程

电源通电并供电
1. 用户按下电源按钮，会发送一个PWRSW#（Power Switch）信号给嵌入式控制器（Embedded Controller EC）
2. EC通知电源管理电路（Power Management Circuit，PMU）启动电源
3. PMU发出启动信号激活电源供应单元（Power Supply Unit，PSU）
4. PSU收到信号后，转化交流电为直流电，同时PSU内部的电压监控电路会检测PSU的输出电压，当所有输出电压稳定在正常值时，触发“电源正常”（POWERGOOD#或者PWROK#）的信号
5. PSU向计算机各个部分供电，顺序依次是CPU，内存，南桥和北桥，扩展卡和外围设备，存储设备
嵌入式控制器启动CPU
1. EC收到“电源正常“信号后，会通知主板上的芯片组，发送名为PM_PWRBTN#的信号，开始计算机的启动过程。
2. 南桥和北桥相互通信，确保电源管理的正常进行。南桥向北桥发送PLT_RST#信号，同时向CPU发送PWRGOOD#信号。
3. 北桥向CPU发送CPU_RST#信号（电平信号），通知CPU开始工作。此时，计算机的启动过程正式开始。
4. 启动过程中，EC还可能会负责启动和管理冷却风扇、硬盘驱动等设备，并监控电源状态。
- 64位CPU在启动时，会先进入兼容模式，即模拟32位CPU的工作方式，以保持和旧的BIOS的兼容性。在兼容模式下，CPU的地址线只使用32位，地址总线上的地址也只有32位，即从0x00000000到0xFFFFFFFF。因此，CPU仍然会从0xFFFFFFF0开始读取BIOS的入口地址，然后跳转到0xF0000处执行BIOS的代码。
- BIOS的代码会检测CPU的类型，如果发现是64位CPU，就会切换到长模式，即64位CPU的正常工作方式。在长模式下，CPU的地址线使用64位，地址总线上的地址也有64位，即从0x0000000000000000到0xFFFFFFFFFFFFFFFF。这样，CPU就可以寻址更大的地址空间，加载更大的操作系统。
CPU加载BIOS/UEFI
1. 接收到CPU_RST#信号后，CPU会将指令指针寄存器（IP）设置为0xFFFFFFF0，这是CPU保留的最高的64KB的地址空间给BIOS使用的起始地址。(IP寄存器存储了CPU要执行的下一条指令的地址)
2. CPU通过地址总线将0xFFFFFFF0发送给ROM。ROM会根据地址总线上的地址，将对应的数据通过数据总线发送回CPU。CPU会将数据总线上的数据读入指令寄存器（IR），然后解码并执行。(IR寄存器存储了CPU当前要执行的指令的内容）
3. 一般情况下，ROM中的0xFFFFFFF0处的数据是一条跳转指令，它会将IP寄存器的值修改为0xF0000，这是BIOS的实际入口地址。这样，CPU就可以跳转到0xF0000处，开始执行BIOS的代码(在0xF0000到0xFFFFF之间，大小64K)。
4. BIOS的代码会对硬件进行检测和初始化，然后加载操作系统的引导程序（Boot Loader），最后将控制权交给操作系统。
BIOS通过Boot Loader加载OS
1. BIOS在完成硬件的检测和初始化后，会读取CMOS中的设置，确定要从哪个设备启动，比如硬盘，光盘，U盘等。(CMOS是一种可读写的存储器，用于保存BIOS的配置信息)
2. BIOS通过INT 13h中断来访问硬盘，来读取该设备的第一个扇区，也就是主引导记录（Master Boot Record MBR）。MBR是一个512字节的数据块，包含了Boot Loader的一部分代码，以及硬盘的分区表，它记录了硬盘上的分区信息，包括每个分区的起始扇区、大小、类型和状态（是否为活动分区）。
3. BIOS将MBR中的Boot Loader的代码复制到内存的0x7C00处，然后跳转到该地址，执行Boot Loader的代码。
4. MBR中的启动代码根据分区表找到活动分区（Active Partition），也就是操作系统所在的分区，然后从该分区的第一个扇区中读取卷引导扇区（Volume Boot Record VBR）。VBR也是一个512字节的扇区，它包含了一个卷引导记录（Volume Boot Record）和一个文件系统信息（File System Info）。
5. MBR中的启动代码会将读取到的VBR复制到内存地址0x7C00处，覆盖掉原来的MBR，然后跳转到该地址执行VBR中的启动代码。VBR中的启动代码会根据文件系统信息来找到操作系统内核文件（OS Kernel File），这是一个可执行文件，它包含了操作系统的核心功能和服务。
6. VBR中的启动代码会将读取到的OS Kernel File复制到内存中的一个合适的地址，然后跳转到该地址执行OS Kernel File中的启动代码。这时，操作系统就开始运行了，它会接管计算机的控制权，初始化各种设备驱动和系统服务，然后加载用户界面和应用程序，等待用户的输入。
一些概念
- BIOS: Basic Input/Output System（基本输入输出系统）。存储在主板ROM中的固件，负责计算机启动时的硬件初始化和测试（POST），以及加载和启动操作系统。
- UEFI: Unified Extensible Firmware Interface（统一可扩展固件接口）。BIOS的现代替代方案，提供更友好的用户界面、支持更大容量的存储设备、更快的启动速度和安全启动功能。
- EC: Embedded Controller（嵌入式控制器）。主板上的微控制器，用于管理低速外设（如键盘、风扇、触摸板）和电源控制，是电源管理系统的重要组成部分。
- PSU: Power Supply Unit（电源供应单元）。计算机硬件的供电装置，将交流电（AC）转换为直流电（DC），并按不同的电压等级供电给各个硬件组件。
- PMU: Power Management Unit（电源管理单元）。用于管理电源的硬件模块或芯片，负责协调电源启动、休眠唤醒和节能模式的操作。
- POST: Power-On Self-Test（开机自检）。由BIOS或UEFI执行的硬件检查过程，用于确保CPU、内存、显示设备和其他组件功能正常。
- Boot Loader: 启动加载器。存储在硬盘引导扇区的程序，负责加载操作系统内核并将控制权移交给操作系统。
- CMOS: Complementary Metal-Oxide Semiconductor（互补金属氧化物半导体）。一种低功耗存储器，用于保存计算机硬件设置（如时间、日期和启动顺序），由主板电池提供电力支持。
- PWROK: Power OK（电源正常信号）。由PSU发送的信号，表示电源输出电压已经稳定，系统可以开始运行。
- IP寄存器: Instruction Pointer Register（指令指针寄存器）。CPU中的寄存器，用于存储当前正在执行的指令地址或下一条指令的内存地址。
- ROM: Read-Only Memory（只读存储器）。存储计算机启动相关固件（如BIOS或UEFI）的非易失性存储设备，断电后数据仍可保存。
- CPU_RST#: CPU Reset Signal（CPU复位信号）。用于通知CPU复位并开始执行第一条指令，通常由电源或嵌入式控制器控制。
- PWRBTN#: Power Button Signal（电源按钮信号）。由用户按下电源按钮触发的信号，用于通知嵌入式控制器启动计算机。
- PLT_RST#: Platform Reset Signal（平台复位信号）。由主板芯片组（如南桥）发出的信号，用于同步系统硬件的初始化操作。
- RAM: Random Access Memory（随机存取存储器）。一种易失性存储器，用于存储当前运行程序和操作系统的数据，断电后数据会丢失。
- EEPROM: Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory（电可擦除可编程只读存储器）。一种可多次擦写的非易失性存储器，通常用于保存设备设置和固件数据。
- 南桥: Southbridge（南桥芯片）。主板芯片组的一部分，负责管理I/O设备（如硬盘、USB设备、PCI接口）以及与嵌入式控制器的通信。
- 北桥: Northbridge（北桥芯片）。主板芯片组的一部分，负责连接CPU、内存和高速接口（如显卡）。
- 硬件断电信号: 用于切断计算机电源的信号，由嵌入式控制器或电源按钮触发。
- 复位矢量: Reset Vector。CPU复位后执行的第一条指令地址，通常由BIOS或UEFI设置，用于启动系统的初始程序。