（计算机应用技术专业论文）基于pc主板下一代bios的研究与开发.pdf

摘要 p c 的发展已经经历了二十多年的历史，无论是处理器、主板架构还是上层 的操作系统软件，都已经发生了翻天覆地的变化，但是主板上的固件代码一b i o s 的整体体系架构却在这二十多年来几乎未作变动，依然保留着其固有的缺陷以及 其他随着技术发展而增添的大大小小的弊端。 随着技术的发展，人们对b i o s 系统提出了越来越多的新需求，传统b i o s 的终结不可避免，下一代的b i o s 将会更加快速和简便。研发下代b i o s 的活 动在国外早就已经展开，而且一些已经取得了很大成果，如i n t e l 的e f i 、p h o e n i x 的f i r s t b i o s 等，而国内却依然尚未感受到市场需求和科技发展的紧迫性，在这 方面开展的工作很滞后。本课题针对传统b i o s 的弊端以及下一代b i o s 所应具 备的特点提出了比传统b i o s 效率更优、规模更精简的解决方案，设计并研发实 现了m i n i b i o s 系统。论文围绕着b i o s 开发过程中出现的关键技术问题展开了 讨论，对b i o s 的研发进行了较为深入的研究。 关键词：b i o s ，保护模式，p c i ，l i n u x ，启动内核 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to f p e r s o n a lc o m p u t e rh a sa l r e a d yp a s s e dm o r et h a n2 0y e a r s a l t h o u g ht h ep r o c e s s o r ，m a i n b o a r da n dt h eu p p e rl e v e ls o f t w a r es u c ha so p e r a t i n g s y s t e ma l lc h a n g eg r e a t l y ，t h ef i r m w a r ec o d eo fc o m p u t e r b i o sa l m o s th a sn o c h a n g ef o rs ol o n g at m ea n ds t i l lr e m a i n sm a n yd r a w b a c k s t h ee n do fb i o si su n a v o i d a b l e ，t h ef u t u r eg e n e r a t i o no fb i o sw i l lb ef a s t e ra n d m o l x ：c o n v e n i e n t t h es u b s f i t u e n to ft r a d i t i o n a lb i o sh a sa l r e a d yb e e ni n v e n t e d a b r o a df o ral o n gt i m e ，f o ri n s t a n c ee f io fi n t e l ，f i r s t b i o so fp h o e n i x h o w e v e r ，i t s e e m st h a t p e o p l e i nc h i n as t i l ld on o tk n o wt h e u r g e n c yo ft h em a r k e ta n d t e c h n o l o g y t h er e s e a r c hw o r ko fd e v e l o p m e n ti nb i o sl a g sb e h i n da b r o a dv e r y m u c h w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y ，b i o sn e e d st ob ei m p r o v e dt om e e tt h e g r o w i n gd e m a n do fc o m p u t e ru s e r s t h e r e f o r e ，w ed e s i g n e da n dd e v e l o p e da b r a n d - n e wb i o ss y s t e m - m i n i b l o st or e 口l a c et h et r a d i t i o n a lb i o s 。t h et h e s i sh a s p r o p o s e dam o r ee x c e l l e n ta n de f f i c i e n ts o l u t i o no f t h en e x tg e n e r a t i o no f b i o s ，a n d h a sd i s c u s s e dt h ek e y t e c h n o l o g yp o i n t sa r o u n d t h eb i o s d e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：b i o s ，p r o t e c t e dm o d e ，p c i ，l i n u x ，b o o tt h eo p e r a t i n gs y s t e m 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 注释表 a 1 a a d v a n c e dt e c h n o l o g y a t t a c h m e n t 的简称，高级技术附加装置。是近年来通用的一 种硬盘接口标准。 b i o s 基本输入输出系统，b a s i ci n p u ta n do u t p u ts y s t e m 的简称。计算机上的一块同 件代码，用于硬件上电初始化和系统引导。 c a c h e 介于c p u 和主存之间的高速小容量存储器称为高速缓冲存储器，简称c a c h e 。 c h s c y l i n d e r h e a d s e c t o r ，采用柱面号、磁头号、扇区号进行硬盘设备寻址访问的 方式。 d m a d i r e c tm e m o r ya c c e s s ，直接内存存取。是i o 设备与主存储器之间由硬件组成的 直接数据通道，用于高速i o 设备与主存储器之问的成组数据传送。 d r a m 动态r a m 。采用刷新电容方式存储数据。 e x t 2 第二版的e x t 文件系统，g n u 几i n u x 系统中标准的文件系统。 g d t g i o b a l d e s c r i p t o rt a b l e ，即全局描述符表。 l b a l o g i c a lb l o c k a d d r e s s ，采用扇区线性地址进行硬盘设备寻址访问的方式。 m b r 主引导扇区( m a s t e rb o o tr e c o r d ) 。在硬盘的第一个柱面的最开始的一个5 1 2 字 节的扇区，上面有一段引导程序和分区表。 m s r m o d e l s p e c i f i cr e g i s t e r s ，是一组主要用于进行调试控制、性能监测、机器检验 ( 如用于微码更新) 、以及内存类型范围设定( m t r r ) 的寄存器。 m t r r m e m o r yt y p er a n g er e g i s t e r s ，内存类型范围设定寄存器。可以通过它们对不 同的存储区域进行不同的c a c h e 设置。 p c i p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t 。外设组件互联。基于奔腾等新一代微处理器而 发展的高速数据传输、高性能局部总线。 p i o p r o g r a m m e dl n p u f f o u t p u t 的简称，通过设备寄存器访问的一种数据传输方式。 s m b u s 系统组件管理总线，是s y s t e mm a n a g e m e n tb u s 的简称，该协议用于对外围 零组件进行检测、定位、读写参数等设置。 s p d s e r i a lp r e s e n c ed e t e c t ，串行存在探测。 u s b u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，即通用串行总线，是为了解决日益增加的p c 外设与有限的 主板插槽和端口之间的矛盾而制定的一种串行通信的标准。 保护模式保护模式是3 2 位处理器本身的操作模式。在这种模式下，最大寻址空间4 g b ， 所有的指令和特定结构能发挥最高的性能和兼容性。保护模式下可实现分段存储和分页存 储。 北桥( n o r t h b r i d g e ) p c 主板上负责沟通c p u 和主存，内存与a g p 接口显卡的集成 芯片。 超级i o 芯片( s u p e r i o ) p c 主板上负责整合较为中低速率的接口的集成芯片。 南桥( s o u t h b r i d g e ) p c 主板上负责沟通p c i 外围设备、i d e u s b 装置、i s a 以及其 他外设端口的集成芯片。 配置空间用于p c i 系统配置的一组寄存器，是p c i 设备的硬件与p c i 设备的初始化 软件及错误处理软件之间的信息交接区，以便软件对p c i 设备进行识别和控制以及p c i 设 备向软件反映设备状态和要求。 实模式x 8 6 处理器的一种操作模式。在实模式下c p u 寻址是由逻辑地址( l o g i c a l a d d r e s s ) 中的段值( s e g m e n ts e l e c t 0 0 和偏移( o f f s e t ) 组合形成的，最大寻址空间1 m b 。 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 本章首先介绍基本输入输出系统b i o s ( b a s i ci n p u t o u t p u ts y s t e m ) 在计算 机系统软件中的地位和功能，传统b i o s 的弊端，以及当前b i o s 研究的国内外 现状和发展趋势，然后阐述本课题开发的目的和意义，最后说明论文的章节结构 安排。 1 1b 1 0 s 在计算机系统软件中的地位和功能 1 1 1 b 1 0 s 的重要性 从二十多前个人计算机的诞生起，b i o s 一直就是底层系统软件的核心，当 蓝色巨人i b m 在研究世界上第一部个人计算机时，他们的工程师就把一些最基 础的硬件启动代码，加载操作系统的代码以及一些基本的外围i o 处理的程序固 化到了只读存储器中。这部分代码就叫做b i o s 。【1 1 在计算机系统软件层次架构中，b i o s 是介于硬件与操作系统之间的一层， 如下图所示。 圈1 1 计算机系统软件层次架构图 b i o s 为计算机提供最低级的、最直接的硬件控制。准确地说，b i o s 是硬件 与软件程序之间的一个“转换器”或者说是接口( 虽然它本身也只是一个程序) 。其 主要目的是为了良好的支持上层操作系统，使之能够运行于硬件主板。 1 1 2 b 1 0 s 的功能组成 b i o s 的主要功能包括两大部分：硬件初始化、启动系统。在传统b i o s 中 还会提供中断服务功能，但由于硬软件技术发展的原因这个功能目前已经弱化。 基于p c 主板下一代b i o s 的研究与开发 ( 1 ) 底层平台初始化：在硬件上电后b i o s 最先被运行，然后它会对最底层 系统平台的c p u 和内存等进行最必要的检测和初始化。包括对c p u 、d r a m 控 制器进行设置，初始化d r a m 控制器，检测内存大小，设置c a c h e 等。 ( 2 ) 外设硬件初始化：对主板上设备如系统时钟、p c i 设备、串口、显卡、 软硬盘子系统及以太网接口等进行初始化，为设备开发相应的底层驱动。 ( 3 ) 启动系统：在硬件初始化之后，即可进行相应的应用，最典型的应用就 是引导操作系统。从硬盘或网络引导操作系统，最终将控制权转交给操作系统。 1 2 课题背景 i 2 1 传统b 1 0 s 的弊端 个人计算机经过了二十多年的发展，硬件主板、c p u 、操作系统都不断地在 更新换代，但b i o s 在p c 架构中却一直未作出大的改进与变动，并残留了很多 的不足之处。 传统的b i o s 存在的不少弊端导致了其效率低下和代码冗余。 首先，现代x 8 6 体系处理器可以在实模式或保护模式状态中使用，而传统 b i o s 自始至终一直是运行在实模式状态下，采用1 6 位寻址，这样即使使用的是 p e n t i u mc p u ，在整个b i o s 的运行阶段也只能被当作一个2 5 年前的8 0 8 6c p u 来使用，现代处理器的高性能得不到发挥。 其次，传统b i o s 代码几乎都采用汇编语言编制而成，代码庞大，编程复杂 难懂，不易维护。 再次，传统b i o s 中提供的部分功能模块( 如中断服务调用) 已经不适应于 高级操作系统如w i n d o w s 2 0 0 0 ，l i n u x 。以中断调用的方式提供实模式的大量设 备驱动程序是传统b i o s 的一个主要功能模块，但现代操作系统例如l i n u x 是多 用户、多进程、保护模式、页式映射的操作系统，其内核不再如以前的d o s 那 样需要使用b i o s 设备驱动例程，转而采用系统自身的驱动直接对设备进行d m a 或者i o 操作。也就是说，一旦计算机的操作系统( 无论是w i n d o w s 2 0 0 0 还是 l i n u x ) 加载到了内存并且掌握了控制权，b i o s 的用处就不存在。显然传统b i o s 这部分的功能代码是冗余的。 1 2 2b i d s 研究的国内外现状及发展趋势 对传统b i o s 的分析可知，传统b i o s 的终结是不可避免的。b i o s 的发展需 要解决其原有的弊端，并为用户提供更加强大的功能。下一代b i o s 将会更加快 速和简便，在可扩展性和维护性方面也将更加有效。 南京航空航天大学硕士学位论文 国内在b i o s 研发这一块几乎是一片空白，目前也未有专门机构从事这方面 的课题或研究。另外值得一提的就是b i o s 的开发一直被垄断控制在少数几家国 外公司如p h o e n i x ，a m i 手中。 取缔传统b i o s 的活动在国外早就已经展开，而且一些已经取得了较大成果， 如i n t e l 的e f i ，p h o e n i x 的f i r s t b l 0 s 等，但目前均未得到大规模的推广。 了解国外下一代b i o s 的开发有利于对b i o s 发展趋势的把握，下面对i n t e l 开发的e f i 进行简要的介绍。 e f i 全称e x t e n s i b l ef i r m w a r ei n t e r f a c e ，是i n t e l 用来替代现有b i o s 的一项 技术，加入其开发联盟的还有a d a p t e c 、a m i 、a t i 、h p 、l s i 、m i c r o s o f t 、p o w e r q u e s t 等公司。e f i 推出的首个版本为0 9 2 ，到现在已经发展到1 1 0 版本。早在2 0 0 0 年就开始研发，但直到i d f ( i n t e ld e v e l o p e rf o r u m ) 2 0 0 3 才被推向舞台，正式拉 开b i o s 的变革序幕。【2 j e f i 凭借自身的技术特点，可以广泛运用于嵌入式应用、网络电脑、网络客 户端电脑等产品。目前微软正在开发支持e f i 的操作系统，并声称下一代开发代 号为l o n g h o m 的w i n d o w s 可以支持e f i 。 图12e f i 体系结构 e f i 的主要组成部分以及它们与硬件和操作系统之间的关系见图12 。 2 1 从其核心来看，e f i 或许更像一个被简化的操作系统，介于硬件设备以及高 级操作系统之间。传统的b i o s 采用相当紧凑、低级的汇编语言，而e f i 使用最 广泛使用的高级语言c 语言进行编写，这意味着有更多的工程师可以参与e f i 的开发工作，添加许多更有价值的功能。 e f i 具备的基本功能包括：平台管理服务、运行时服务、无需操作系统的磁 盘管理、远程配置、启动引导服务等。e j 基于p c 主板下一代b 1 0 s 的研究与开发 e f i 的工作流程如下图所示。 图1 3e f i 工作流程 从图中所示可知，e f i 的工作流程简单被归纳为：标准固件平台初始化；加 载e f i 驱动程序库以及执行相关程序；在e f i 系统启动菜单中选取所要进入的系 统并向e f i 提交启动引导代码，正常的话将进入系统，并将控制权转交给操作系 统，否则将中止启动服务并返回e f i 系统启动菜单。 1 ，2 3 开发m i n i b l o s 的意义和目标 本课题所开发的下一代b i o s 命名为m i n i b i o s ，m i n i 是因为目前所开发的 b i o s 功能还比较精简，只支持能完成系统启动的必要的功能。它以解决传统 b i o s 的弊端，为国内进行基于p c 主板下一代的b i o s 研发作基础性预研工作为 目标。 p c 产业是国家信息产业化规划中的重中之重，国内早已经制造出了自己的 c p u 如“龙芯”，在操作系统方面也有中国人自己的操作系统如“红旗l i n u x ”， 但是在p c 上最先运行的b i o s 程序却一直没有被关注。 传统b i o s 的终结显然是大势所趋，e f i 或f i r s t b i o s 将会取缔未来p c 市场 上的b i o s ，所影响到的经济价值不可估量。下一代b i o s 程序将能在开机后即 可直接通过网络连通外界，而且b i o s 核心技术掌握在国外少数垄断企业手中， 因此在国家信息安全方面也会存在不可忽视的问题。所以，开发中国人自己的 b i o s 意义重大，加紧对b i o s 的研究迫在眉睫。 本课题设计和研发的m i n i b i o s 要求能够妥善解决传统b i o s 的弊端，并钊 对下一代b i o s 的特点和需求提供相应的解决方案，其项目需求主要如下： ( 1 ) 运行在3 2 位保护模式f ，提高系统的安全性与稳定性，充分利用现代处 理器性能： 南京航空航天大学硕士学位论文 r 2 1 支持各种业界标准，包括高级技术附加装置( a t a ) 、外围组件勇一连( p c i ) 、 系统管理总线( s m b u s ) 等； ( 3 ) 提高启动速度，如只初始化必要的硬件，立即加载内核： ( 4 ) 舍弃标准b i o s 中对设备的“多余的”初始化，摒弃冗余的代码，合理 有效的应用r o m ，发挥更多效能； f 5 1 尽量避免汇编语言，使用效能更高的c 语言； ( 6 ) 代码规划合理，便于维护，易于配置； 1 3 论文研究内容及论文结构 本课题提出了一个较完整的系统b i o s 的软件体系架构，设计和实现了一套 b i o s 系统一m i n i b i o s ，并最终成功实现硬件初始化和启动操作系统。 全文共分为六章，主要从应用的角度对基于p c 体系架构的b i o s 软件的实 现进行了研究，同时针对下一代p c 的发展，提出了一些见解和展望。具体各章 节的内容如下： 第一章，绪论，叙述了课题背景、项目需求和全文的组织结构。 第二章，b i o s 开发的基本概论与规范，介绍了b i o s 研发中需要掌握的硬 件体系结构知识和基本总线协议。简要分析了当前主流的i n t e l 的x 8 6 体系架构、 p c i 协议、a t a 协议等。 第三章，m i n i b l o s 的总体设计，对自主研发的m i n i b i o s 进行了总体设计 分析，对系统的各子模块功能进行了简要的剖析，并在最后描述了所使用的开发 平台与测试环境。 第四章，m i n i b i o s 中p c i 协议的设计与实现，对b i o s 中最主要的总线协 议模块p c i 协议模块的实现进行了详细阐述。 第五章，m i n i b i o s 中系统引导模块的设计与实现，具体分析了m i n i b i o s 从硬盘引导l i n u x 内核的实现，其中包含了a t a 协议和e x t 2 文件系统的实现， 并在最后针对l i n u x 系统讲述了遵循引导协议引导操作系统的步骤。 第六章，系统总结与展望，本章总结了m i n i b i o s 的研究成果，并讨论了在 构建b i o s 系统中出现的问题，对m i n i b i o s 的不足之处进行了讨论并提出了系 统展望。 基于p c 土板下一代b i o s 的研究与开发 第二章b i o s 开发的基本概论与规范 本章介绍了m i n i b i o s 开发过程中所涉及到的体系结构知识和基本协议，简 要分析了当前主流的n t e | x 8 6 体系架构、p c i 总线协议和a t a 总线协议等。 2 1 硬件体系结构 由于m i n i b i o s 属于固件，所以固件开发者必须对该固件所依赖的硬件体系 结构有很好的了解。本小节阐述在一个典型计算机系统的b i o s 固件开发中需要 了解的关于硬件体系结构方面的知识。 图21典型的个人计算机硬件体系架构 计算机系统所需要的硬件因其用途不同而有显著差异，比如有些系统用于嵌 入式应用领域，也有些专用于大型计算，而本课题侧重的是应用于个人计算机领 域的计算机系统。图2 1 是一个典型的个人计算机系统模型框图，它采用的是i n t e l 4 4 0 b x 芯片组o ”。 6 南京航空航天大学硕士学位论文 由上图可以看出，个人计算机的主要组件有中央处理器( p e n t i u m i i p r o c e s s o r ) 、内存( m a i nm e m o r y ) 、北桥芯片( 8 2 4 4 3 b x h o s tb r i d g e ) 和南桥 芯片( 8 2 3 7 1 e bp c i t o i s ab r i d g e ) ，此外还包括由这些核心组件所连接和管理 的显示设备、p c i 设备、i d e 设备、u s b 设备等等。 2 1 ，1 中央处理器 整个计算机系统都是围绕着处理器来设计的，个人计算机一般都使用i n t e l x 8 6 体系结构的处理器，目前主流的处理器是3 2 位芯片。 2 1 。1 1 处理器操作模式 b 叼嘲 删m s b f l m a r l t n e s r a d l d r e s s l i n e a r 删m 是m s q m e n t e d m o d e l 一 1 0 d n n s s e g m e n t s e 酶c i c r o 嘲倒r 嫩广 r 艘 二 _ _ + = r 驾茹 ll 一 禺钠涨 二 s 酬渊 s e g m e n ts 稿目：h ， 图2 2x 8 6 体系结构不同模式下的内存管理模型 x 8 6 体系结构处理器支持三种操作模式：实地址( r e a l - a d d r e s s ) 模式，保护 ( p r o t e c t e d ) 模式，和虚拟8 0 8 6 ( v i r t u a l 一8 0 8 6 ) 模式。实地址模式提供了i n t e l 8 0 8 6 处理器的编程环境，虚拟8 0 8 6 模式可让处理器在保护模式下可运行8 0 8 6 模式软 件及多任务环境，保护模式则是3 2 位处理器本身的操作模式，在这种模式下， 所有的指令和特定结构能发挥最高的性能和兼容性。 当c p u 处于不同模式下会导致不同的内存寻址方式，如图2 2 所示。1 5 1 基于p c 主板下一代b i o s 的研究与开发 在实模式下c p u 寻址是由逻辑地：t & ( l o g i c a la d d r e s s ) 中的段值( s e g m e m s e l e c t o r ) $ 口偏移( o f f s e t ) 通过“物理地址= 段值+ 1 6 + 偏移”组合形成的，其寻址 空间只有1 m b 。 而在保护模式下可实现分段存储和分页存储。分段存储模型f s e g m e n t e d m o d e l ) 为每个程序或任务分配独立的代码、数据、堆栈模块。分页存储模型( p a g e d m o d e l ) , 1 支持一个常规的页请求的虚拟存储系统。处理器需经过两个阶段的地址 转换到达物理地址：通过分段存储管理，逻辑地址到线性地址转换；通过分页存 储管理，线性地址到物理地址转换。平坦模型( f l a tm o d e l ) 也是一种特殊的分段， 它是将段的基地址设为0 ，段的范围设为4 g ，这样，逻辑地址、线性地址均为 物理地址。 为了使c p u 工作于保护模式，应使控制寄存器c r o 的p e 位置1 。c r 0 的 各个位字段如图2 3 所示【7 j 。 p 叼哪d | ；8 a 蛹耐：o e 配旧辑鼬嘲：1 n o ! w r n e - l h r o u g hd i s a b l e d ：1 f - s 然嚣篙麓盎掣0 圃r 目s e n t e d 图2 3c r o 寄存器的内容 切换进入保护模式的步骤如下： ( 1 ) 采用l g d t 指令将g d t 表的基地址和边界值加载到g d t r 寄存器，使g d t 有效。 ( 2 ) 开启保护模式，即将c r 0 的p e 位置1 。 ( 3 ) 用j m p 指令清指令队列中预取到的实模式代码，并用段间跳转指令进入 保护模式。 南京航空航天大学硕士学位论文 2 1 1 2 高速缓存的设置 高速缓存可以增加系统的整体速度，计算机系统原则上包含了多层的存储架 构，可以简单的以下图来表示： 图2 4 计算机系统中的存储层次 目前c p u 一般均设有一级缓存( l 1c a c h e ) 和二级缓存( l 2c a c h e ) 。 在高速缓存方面，i n t e l 的p e n t i u mp r o 之后的处理器功能较完整。通过对 m t r r ( m e m o r yt y p er a n g er e g i s t e r s ) 的设置，最多可以对9 6 个不同的存储区 域进行不同的c a c h e 设置。 接下来就对m t r r 的设定做一个说明。由于它的功能相当多，因此设计上 把它分成三组寄存器，各自负责一定的功能。第一组寄存器是m t r rd e f r y p e 寄存器，它负责一般的m t r r 设定，位置是在m s r2 f f h 上。m s r 是一组主要 用于进行调试控制、性能监测、机器检验( 如用于微码更新) 、以及内存类型范 围设定( m t r r ) 的寄存器。口j 1 t y p e 标志 这个标志的位置是m t r rd e f r y p e 的第0 位到第七位，一共是八位长，它 定义了m t r r 缺省设置的存储区范围应该以怎样的c a c h e 类型方式进行c a c h e 。 p e n t i u mp r o 支持的c a c h e 类型如下： ( 1 ) u n c a c h e a b l e ( u c ) 从其名字可看出它代表的含义，所有的数据存储都直接送到系统总线上，处 理器完全不进行任何c a c h e 动作。 ( 2 ) w r i t ec o m b i n i n g ( w c ) 9 基于p c 主板下一代b i o s 的研究与开发 被设置为w c 的存储区也不会在高速缓存中被c a c h e ，但是在对存储器写入 时，数据会先放在写入缓冲区( w r i t eb u f f e r ) 6 0 ，等适当时刻再进行写入。 ( 3 ) w r i t e t h r o u g h ( w t ) ，w r i t e b a c k ( w b ) 这两种c a c h e 类型都允许对存储区读写进行高速缓存，唯一的不同在于w t 在存储器写入时除了把数据存入c a c h e 外，还会把数据送到写入缓冲区中，这样 数据在很短时间内就会被写回存储器。 ( 4 ) w r i t e - p r o t e c t e d ( w p ) 此类型只在多处理器上使用，此处不做讨论。 在p e n t i u m 以上的计算机中一般采用回写式( w r i t eb a c k ) 高速缓存。 2f e 位 f e 位代表的是f i x e d r a n g em t r r se n a b l e ，当它设为1 时表示固定范围的 m t r r 可以起作用。它的位置在m t r r d e f r y p e 的第l o 位。 3e 位 就是m t r r se n a b l e ，位于m t r r d e f r y p e 的第11 位，它决定是否使能 m t r r 。当为l 时歼启m t r r ，反之m t r r 功能关闭，即所有存储区都会被设 定为u c 。 第二组寄存器负责固定范围的m t r r 的控制，一共有1 1 个寄存器。每一个 都有6 4 位长，可对8 8 个不同的存储区作c a c h e 设定。 1m 1 r i 汛f i x 6 4 k0 0 0 0 0 寄存器 这个寄存器的位置在m s r 2 5 0 h 上，从低到高字节分别负责从0 0 0 0 0 h 0 鼢 到7 0 0 0 0 h 7 鼢的6 4 k b 区域的c a c h e 类型。 2m t r rf i x l 6 k8 0 0 0 0 和m t r rf i x l 6 ka 0 0 0 0 寄存器 这2 个寄存器分别位于m s r2 5 8 h 和m s r2 5 9 h 上，从低到高的每一个8 位分别代表相应的1 6 k b 区域的c a c h e 类型。 3m 1 r i 取f i x 4 kc 0 0 0 0 到m t r rf i x 4 kf 8 0 0 0 寄存器 剩下的2 5 6 k b 存储区域，则是以4 k b 为单位分到剩下的8 个寄存器中， 第1 个寄存器负责0 c 0 0 0 0 h 一0 c 7 f f f h ，第2 个负责设定o c 8 0 0 0 h - 0 c f f f f h 这段， 依次类推。这8 个寄存器的位置在m s r2 6 8 h 到2 6 f h 。 第三组寄存器的1 6 个寄存器则负责可变范围m t r r ( v a r i a b l er a n g em t r r s ) 的控制，以两个寄存器为一组，一共可以定义八个可变范围。同组的两个寄存器 中的第一个是m t r r p h y s b a s e n ( n 代表从0 到7 的数字) ，位置在m s r 2 0 0 h 2 0 6 h 中的偶数编号控制寄存器；第二个寄存器是m t r rp h y s m a s k n ，位于m s r 2 0 1 h 一2 0 7 h 中的奇数编号控制寄存器。关键内容的定义如下： 1 t y p e 南京航空航天大学硕十学位论文 位于m t r r p h y s b a s e n 的第0 到第7 位，指定在这个存储区范围所采用的 c a c h e 类型。 2 p h y s b a s e 这个标志的位置在m t r rp h y s b a s e n 的第1 2 到第3 5 位，一共有2 4 位长， 和p h y s m a s k 位一起用来指定一个存储区范围。其范围有一定的计算方式，如设 m e ma d d r 为一个3 6 位的线性地址，若 ( m e ma d d rs h l 12 ) a n d p h y s m a s k = p h y s b a s e a n d p h y s m a s k 则这个地址就是在由p h y s b a s e 和p h y s m a s k 所定义的存储区范围中。 3v 标志 这个标志在m t r rp h y s m a s k n 的第11 位，代表这组寄存器是否起作用，如 设为l 表示有，否则就没有。 4 p h y s m a s k p h y s m a s k 的位置在m t r r p h y s m a s k n 的第1 2 到第3 5 位，共有2 4 位长， 和p h y s b a s e 一起用来指定一个存储区范围。1 7 2 1 1 3 微码更新 从p e n t i u mp r o 处理器开始，i n t e lc p u 具备一项称为“微码更新”( m i c r o c o d e u p d a t e ) 的功能，可对c p u 进行修复。指的是若某一批集成电路在设计时有未 被检测到的b u g 时，只要这个错误还可以由微码的方式加以修正，则b i o s 可 以通过微码更新的功能，将i n t e l 所送来的某批号的修正微码，在b i o s 的检测运 行过程中就写入p e n t i u m p r o 内部的m i c r o r o m 中，这样就可以修j e c p u 的b u g ， 而i n t e l 也就不需要大费周折地回收有b u g 的c p u 了。【1 】 微码更新主要是通过指令c p u i d 首先读出该c p u 相应的标识，若该标识与 i n t e l 提供的微码表中标识相同，则表明需要进行修复，通过w r m s r 指令将微码 写入c p u 的微码存储区中，从而修复c p u 。 其中c p u i d 指令用于读取该款c p u 的相关信息，如v e n d o ri d 、p r o c e s s o r t y p e 、p r o c e s s o r f a m i l y 、p r o c e s s o r m o d e l ，还可以检测m t r r 当中f i x e d m t r r s 和v a r i a b l em t r r s 是否e n a b l e d 。 r d m s r 指令和w r r l l s r 指令用于读写m s r ( m o d e l s p e c i f i cr e g i s t e r s ) 寄存器。 2 1 2d r a m 控制器 d r a m 由于其构造的复杂性，要正常运行则需要进行相当繁琐的参数设置。 d r a m 主要相关参数如下： ( 1 ) r a s - t o c a sd e l a y d r a m 中r a s 到c a s 延迟时间，设定不当可能会造成内存存取错误。 基于p c 主板f 一代b 1 0 s 的研究与开发 所谓的r a s 即为行地址触发( r o w a c c e s ss t r o b e ) ，这是内存寻址的前段动 作，而c a s 即列地址触发( c o l u m n a c c e s ss t r o b e ) 月j j 是后段部分。由于总线的复用 所以在r a s 寻址或c a s 寻址时需要进行解码和锁定。但是在行解码之时，由于 解码与锁定两个动作必须花去一部分时间，如果中间完全没有延迟就开始列解码 动作，那么可能会由于动作的延迟导致存取错误以致死机，所以需要进行r a s 与c a s 之间延迟时间的设定。 ( 2 ) r a sp r e c h a r g e t i m e 代表当r a s ( 行地址触发) 在d r a m 做重置动作之前所预留的充电时间， 一般设定为2 n s 或3 n s 。预充电时间如果不足，可能造成内存无法正确重置而导 致数据丢失。 因为d r a m 在设计上是采用刷新电容方式存储数据，电容中电量会随时间 流失而不断削减甚至消失，从而造成数据流失。为了维持高效又避免数据流失， 因此动态内存必须不断进行充电，以维持其中的数据。 ( 3 ) c a sl a t e n c yt i m e d r a m 读取或写入动作的c a s 触发信号前的延迟时问。 ( 4 ) d r a m d a t a i n t e g r i t ym o d e 一部分的d r a m 支持e c c ( e r r o r c h e c k i n g a n dc o r r e c t i o n ) 的功能。大多数 内存并不支持e c c 校验。 ( 5 1h o s t d r a mf r e q u e n c y d r a m 运行频率，如设置为6 6m h z 。 ( 6 ) d r a m r o w b o u n d a r yr e g i s t e r s 简称d r b 寄存器，用于计算r a m 大小。共有8 个寄存器，各寄存器中数 据以8 m b 为单位，分别读取之，并按如下方式进行计算： d r b o = t o t a l m e m o r y i nr o w 0f i n8m b ) d r b l = t o t a l m e m o r y i nr o w 0 + r o w l ( i n8m b 、 d r b 2 = t o t a l m e m o r y i nr o w 0 十r o w l + r o w 2 ( i n8m b ) d r b 3 = t o t a l m e m o r y i n r o w 0 + r o x 1 + r o w 2 + r o w 3 ( i i l8 m b ) d r b 4 = t o t a l m e m o r y i nr o w 0 + r o w l + r o w 2 + r o w 3 + r o w 4 ( i n8 m b ) d r b 5 = t o t a l m e m o r y i nr o w 0 + r o w l + r o w 2 + r o w 3 + r o w 4 十r o w 5 ( i n 8 m b l d r b 6 = t o t a lm e m o r yi nr o w 0 + r o w l + r o w 2 十r o w 3 + r o w 4 + r o w 5 + r o w 6 ( i n8 m b ) d r b 7 = t o t a l m e m o r y i n r o w 0 + r o w l + r o w 2 + r o w 3 + r o w 4 + r o w 5 + r o w 6 + r o w t ( i n 8m b 、 这样即可获知d r a m 内存的容量大小。 4 1 南京航空航天大学硕士学位论文 那么我们要进行设置的这些参数的正确数据从何而来? 它们都被存储在内 存条正面右侧的一个8 针的2 5 6 字节的e e p r o m 芯片里。这个芯片被称为s p d ( s e r i a lp r e s e n c ed e t e c t ，串行存在探测) ，里面记录着内存的速度、容量、电压 与行、列地址带宽等参数信息。初始化内存复杂的地方就在于进行d r a m 设置 前，必须要通过s p d 来获取相关的信息，然后按照其中的数据对d r a m 控制器 进行参数设置。而读取s p d ，则是通过南桥上的s m b u s 总线来进行。 2 1 3 系统芯片组 早期的主板上，各种组件之间的连接与协调电路极为复杂，动辄使用到上百 块各类型的i c 、电容，不但占用p c b 板面积，也造成了除错上的麻烦与无谓的 成本。随着半导体科技的进步，主板上的许多线路，已使用几个大型i c 芯片来 取代，可以简化设计与除错时间、减少成本，这些专攻主板简化设计的芯片，就 称为系统芯片组；在电路学上也有人以“核心逻辑电路”来称呼它】。所以一般 主板上会有几个大型的芯片，每一个芯片有着特定的功能。以i n t e l4 4 0 b x 主板 来举例，离c p u 最近的芯片是i n t e l 的8 2 4 4 3 b x 芯片，称之为北桥芯片 ( n o r t h b r i d g e ) ，另一个芯片是i n t e l8 2 3 7 1 e b ，为南桥芯片( s o u t h b r i d g e ) 。还有 超级1 0 芯片( s u p e f i o ) 是i t e 8 6 7 1 。 下面介绍一下各类芯片的用途。 ( 1 ) 北桥芯片 一般负责沟通c p u 和主存，内存与a g p 接口显卡的。 ( 2 ) 南桥芯片 一般用来负责沟通p c i 外围设备、i d e ，u s b 装置、i s a 以及其他外设端口。 ( 3 ) s u p e r i o 芯片 用于整合较为中低速率的接口，以定义而论最少都整合2 s i p l g l f d ，也就 是具备两个串行接口( s e r i a lp o r t ，c o m i & c o m 2 ) 、一个并行打印接口( p a r a l l e l p o r t ) 、一个游戏摇杆接口( g a m e j o y s t i c k i o ) ，还有一组软驱控