开机键按下之前：黑暗中的一点星光

“滴答...滴答...”微弱的声音有规律地响起。

“是谁？”从睡梦中醒来，身边漆黑一片，我惊呼出声。

“哇，终于有朋友过来陪我玩了。你好你好，我是 RTC （Real-Time Clock，实时时钟）芯片，你可以叫我小 R，计算机世界的时间由我掌控哦，厉害吧~”，小R（）得瑟地说。

我刚想说话，一个年迈爽朗的笑声传来，“哈哈，孩子，你又偷偷溜出来玩啦。”一位老爷爷走过来，慈祥地摸着小 R 的小脑袋说。

“家里太无聊了嘛，都没人可以陪我一起玩，没有"电"，大家都不说话。对啦，这是我的电池爷爷，爷爷特别喜欢我，能让我一直活跃着呢！”

我一拍脑袋，感情这是来到了计算机的世界呀，而且还是没接入外部电源之前的计算机。在没有外部电源的情况下，基本只有 RTC 和 CMOS 在 RTC 电源供电的情况下才能正常工作。“电池爷爷”一般是个纽扣电池。RTC 芯片保持机器内部的时钟，这也是为什么我们的计算机关机之后再次启动时间还是准确的（不考虑操作系统启动后利用网络同步时间）。而 CMOS 是电脑主板上的一块可读写的RAM芯片。因为可读写的特性，所以在电脑主板上用来保存 BIOS 设置计算机硬件参数后的数据。在计算机领域，CMOS 常指保存计算机基本启动信息（如日期、时间、启动设置等）的芯片。

正回想着，突然天空一道光柱射向地面，后如溪流一般四处蔓延开来。“嘻嘻，有新朋友要醒来咯”，小 R 边跳边喊。“电池爷爷，您辛苦啦，回去休息吧，现在我能靠外面的能源生活啦。”

看来是外部的 ATX 电源接入了。ATX 会使用 +5VSB 电源唤醒一部分小伙伴，例如南桥（系统 I/O 芯片）、EC（嵌入式控制器，单片机）等。"+5V Stand-By 电压为开机电路和需要唤醒机器的WOL(Wake-up On Lan)和 USB 等设备提供电源”[7]，不会为 CPU 等提供工作电压。

这里需要说明一下，实际上不同的主板、应用场景都会采用不同的电源时序控制方案，笔记本采用 EC，台式机很多用SIO（Super I/O）或者定制芯片，嵌入式设备以及手机采用PMIC（Power Management IC）。以上的故事都是基于台式机形式，但是我们选用 EC 来解释电源时序控制过程，是考虑到国内关于 EC 的资料较多。与台式机不同的一点是，笔记本因为有锂电池的原因，在没有接入电源适配器前，EC 以及南桥就已经处于工作状态了。这也是为什么我们打开笔记本电脑，按下开机键，系统能接收到这个信号，并准备开始工作。

讨论到这里，基本可以形成这样一个概念：在关机状态下，只有 RTC 、EC 以及南桥部分组件在工作。纽扣电池维持着计算机的时钟信息（RTC的工作）和 CMOS 信息，而 EC 则在等待用户按下开机键。当然 EC 还负责电池的充放电的检测，指示灯，功能键等功能。

黎明：计算机开始运转

主人说要有光，按下了神圣的开机键。EC 在黑暗中接收到这个PWRSW#信号，兴奋地不行，立马去通知南桥，“PM_PWRBTN#！ PM_PWRBTN#！ 我们的黎明到来啦！”。

“好啦，我知道！”，南桥回应 EC 三个信号SLP_S5#（退出 S5 关机状态），SLP_S4#（退出 S4 休眠状态），SLP_S3#（退出 S3 待机状态）。

“ATX 电源，赋予我们光明吧！”EC 收到南桥发来的信号后，明白南桥已经准备就绪。ATX电源收到信号，开始工作，发出各路基本电压给主板上的各个元件。然后发送PWROK#信号给 EC，并由 EC 转发给南桥与北桥......经过一系列你来我往（这个流程必须严格控制，任意一步出错都会造成计算机无法正常启动），终于等到通知 CPU 老大的时刻啦。

”嘿，北桥大哥，我们叫 CPU 老大醒来指挥我们吧。我会告诉 CPU 老大电源都准备就绪啦。“，南桥发送PLT_RST#给北桥，紧接着向 CPU 发送 PWRGOOD#信号。北桥接收到南桥的信号，默念一秒钟后，向 CPU 老大发送了CPU_RST#信号。

从此计算机世界开始热闹起来。

BIOS 现身

目前只是所有硬件开始工作，如果整个系统中没有指令存在，CPU 醒来也不知道该去做什么。计算机启动的英文表达是bootstrap，这来自于一句谚语："pull oneself up by one's bootstraps"，意思是”拽着自己的鞋带把自己拉起来“。

这当然是不可能的事情。最早的时候，工程师们用它来比喻，计算机启动是一个很矛盾的过程：必须先运行程序，然后计算机才能启动，但是计算机不启动就无法运行程序！早期真的是这样，必须想尽各种办法，把一小段程序装进内存，然后计算机才能正常运行[2]。

那么这就是BIOS（Basic Input/Output System，基本输入输出系统）阶段了。具体是如何工作的呢？

CPU 一醒来，毫不迟疑，立马开始工作。以Intel 32位 CPU 为例，CPU 知道自己的使命，第一步就是取地址0xFFFFFFF0[8]处的指令（CPU 设计时固化的功能，理解这个很重要）。CPU拿到指令后执行，发现这条指令是告知自己，下一次去另一个地址取指（跳转指令jmp [0xFFFF0000,0xE05B]）。喔，想起来了，这是 BIOS 老弟等我去执行他保存的那一堆指令呢！CPU 又立马开始工作，通过 FSB（前端总线）将这个地址发送到北桥，然后通过 HUB-LINK 到南桥，通过LPC（Low Pin Count Bus）到 EC，再通过 X-BUS 一直到达 BIOS 取指令。在CPU读到所发出的地址内的指令后，开始 BIOS 程序执行。

BIOS 芯片中也保存了不少指令，形成的功能包括：

• 自诊断程序：读取 CMOS 中的内容获得硬件配置信息，并对其进行自检和初始化；完整的 POST(Power On Self Test) 自检将包括CPU、640K基本内存、1M以上的扩展内存、ROM、主板、 CMOS RAM、串并口、显示卡、软硬盘子系统及键盘测试。
• CMOS 设置程序：引导过程中，用特殊热键启动，进行设置后，存入CMOS RAM中；对应 Dell 计算机启动时我们按F12，进入的 BIOS 设置界面。
• 系统自举装载程序：在自检成功后将磁盘相对 0 道 0 扇区上的引导程序装入内存，让其运行引导操作系统；
• 主要 I/O 设备的驱动程序和中断服务：系统硬件的变化由 BIOS 隐藏，程序使用 BIOS 功能而不是直接控制硬件。不过现代操作系统会忽略 BIOS 提供的抽象层并直接控制硬件组件。

操作系统引导：Bootloader

在前面提到，BIOS 会负责将磁盘相对 0 道 0 扇区的引导程序装入内存。不知道大家是否会有这样的疑问：为什么我们一定需要一个引导程序呢？为什么不能直接让 BIOS 将操作系统加载到内存中？

为了解答这个问题，首先要知道 Bootloader 都实现了什么功能。Bootloader 最直观的功能就是将操作系统加载到内存中。首先可以考虑在硬盘上存在多个操作系统的情况下，操作系统的加载方式过程可能就不同。如果让 BIOS 来考虑各个操作系统待加载到内存中的目的地址，这会导致 BIOS 程序的膨胀。而 BIOS 程序是固化在 BIOS 芯片中，正常情况下是无法修改的，解决加载新的操作系统出现问题就会很麻烦。而保证 BIOS 的正常功能就要降低 BOIS 的复杂性，那么适配不同操作系统的任务谁来做呢？那当然就是 bootloader 啦。并且在嵌入式环境下，操作系统的加载并不仅仅从磁盘上加载，还可能是Nor Flash 、NAND flash、USB 甚至是网络。那么 Bootloader 就应该实现基本的网络功能，例如著名的开源项目 U-Boot就是这样做的。当然本文在这里只是抛砖引玉，为什么要分出一个 Bootloader 层，可以从很多方面分析这样做的优势。

普通的 Bootloader 都需要实现什么功能呢：

1. 初始化硬件设备
2. 为操作系统准备RAM空间
3. 将操作系统代码载入到RAM中
4. 设置堆栈执行环境，为高级语言（如 C 语言）提供执行环境。这里要多说一句，操作系统并不都是 C 语言写的哦。现在 Rust 语言接近 C 语言性能，并且因为其提供的安全性，已经被用来写操作系统了。
5. 将控制权交给操作系统。到这一步，系统的完整启动也就结束啦。之后就是操作系统主宰的世界了！

原文直达

参考文献

[1]. 老狼. 按下开机键后，电脑都干了些什么？ - 老狼的回答 - 知乎

[2]. 阮一峰. 计算机是如何启动的？

[3]. Iknow. 笔记本电源管理芯片(EC)作用的介绍

[4]. StackOverflow. Why do we need a bootloader in an embedded device?

[5]. 人生一次万般活法. 按下开机键后，电脑都干了些什么？ - 人生一次万般活法的回答 - 知乎

[6]. W3Cschool BIOS完全手册. 什么是BIOS和COMS

[7]. 老狼. 电源是如何提供电力给主板的，又是如何切断的？

[8]. Intel Corporation. 英特尔® 64 位和 IA-32 架构开发人员手册：卷 3A