Chapter 2 重要之硬體介紹

2.1 主要的集成電路(IC)

2.1.1 中央處理器(CPU)

中央處理器(CPU)有兩種主要模式， 分別如下:

．真實模式(Real-Mode)

．保護模式(Protect-Mode)

真實模式(Real mode):

在最初的8086處理器被釋出時，它只有一種記憶體定址模式。而它使用了節區暫存器(segment register)和位移暫存器(offset register)作定址，其定址方式如下:

．記憶體定址(Memory Addressing): segment: offset

CS << 4 + IP = 指令的線性位址(Linear Address Of Instruction)

．位址線(Address-Lines) : 20條(1024KB)

這種定址模式稱為真實模式定址(Real mode addressing)，而它允許8x86定址至1MB的記憶體。

接著說明真實模式的特性:

1. 捲繞(8086 記憶體特性)

當記憶體位址超過0FFFFFh 時，會捲繞回00000h。

2. A20 開關(switch)

X86 CPU在268時，位址線增加至24條(16MB超過1024KB)。為了相容性，在位址線A20~A23設計了一個開關(A20 switch)，它可切換兩種定址方式:

．強制歸零: (Real-Mode)模擬8086的記憶體捲繞特性。

．可進位: (Protect-Mode)可以在0FFFFFh進位。

最後明確定義真實模式:

當IA-32 CPU在使用真實模式定址狀態下執行時，稱為真實模式(Real Mode)。

保護模式(Protect mode):

它允許8x86定址至4 GB(32條位址線)的記憶體。

但從保護模式切回真實模式時，必需重置(Reset)，那麼不就等於又重新開機，也就使得之前所執行的部份又得重新執行一遍，這樣將會永無止境的執行下去，為了解決這個問題，發展出了一個機制，下面詳細說明其步驟:

解決從保護模式切回真實模式必須 重置(Reset)! 的問題

8042鍵盤控制器(近似一顆簡單小型的CPU，也有自已的韌體負責keyboard、A20 開關 和 重置)。

Step1. 把關機(shutdown) 返回指示位元組 & 返回位址寫入CMOS。

Step2. 然後下令打開A20切到保護模式。

------------- 切到保護模式 -----------------------

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------------- 回到真實模式 -----------------------

Step3. 重置鍵盤控制器(KBC)，因為鍵盤控制器有自已的韌體，不受系統重置影嚮。

Step4. CPU-> 0FFFFF:00000h 做簡單CPU 測試。

Step5. 從CMOS 讀入關機返回指示位元判斷此次為何種關機:

．硬體正常開機(power-on、reset)。

．重保護模式返回(軟體重置(Soft reset)) -> 讀取返回位址。

注意:至386以後以設計可直接從保護模式返回真實模式，但還是保留A20開關、軟體重置(為了向下相容性)。

2.1.2 晶片組(Chip-set)

早期主機板上焊滿大量電阻、電容、IC和複雜電路， 這樣才能達成一個功能.. 不但成本高， 也很難完成很多功能或除錯， 所以借由半導體技術,將這些電子元件、線路微縮至幾個大型晶片內，以化簡主機板設計，稱為系統晶片組，到現在主要分為兩大晶片:

．北橋晶片(North-Bridge): intel稱之為記憶體控制集線器MCH(Memory Control Hub)，集線器(Hub)也就是把其它裝置集中連線到北橋晶片上，而北橋是靠近CPU的一端，所以它主要連接高速的裝置 ，像是CPU、Memory、顯示卡，並且它也包含了記憶體控制器(Memory Controller)，所以顧名思義命名為記憶體控制集線器(Memory Control Hub)。

．南橋晶片(South-Bridge): 輸入/輸出控制集線器ICH(I/O Control Hub)，不同於MCH主導高速裝置，它相業負責較低速的I/O週邊，像是鍵盤、Printer、USB..等，並集成了部份I/O 週邊的控制晶片(super I/O、USB控制器、鍵盤控制器..等)、CMOS。

2.1.3 整合中低速率介面(Super I/O)

它提供了下列介面:

除了標準介面以外，廠商也會增加額外功能，例如 溫度偵測、CPU風扇轉速控制(fan control)、控制工作電壓(work voltage)..等。

2.1.4 鍵盤控制器(Keyboard Controller)

跟鍵盤做溝通的就是KBC，每當你按一個按鍵，鍵盤就會送出一個掃描碼 (scancode)給鍵盤控制器，經由鍵盤控制器翻譯後在發出中斷給CPU，由CPU接收處裡，而且鍵盤控制器的中斷優先權相當高，僅次於8253計時中斷器。

鍵盤控制器有8個暫存器是跟CPU溝通，兩個8-bit I/O port跟鍵盤溝通:

．輸入是P1，從鍵盤接收輸入。

．輸出是P2，發出輸出給鍵盤。

2.1.5 CMOS(RTC/CMOS 計時/參數晶片)

．RTC(Real Time Clock): 計時器 負責維持電腦時間。

．CMOS: 為一存儲資料的空間，用來記錄日期、時間和BiOS 設定。

具備低秏電特性，當電腦關閉時會改由電池供電，以維持電腦設定值。

2.2 匯流排系統(BUS System)

2.2.1 週邊元件介面匯流排PCI (Peripheral Component Interface Bus)

週邊元件匯流排PCI可以說是x86 系統中，最重要的一個匯流排系統，因為它連接大多數主機板上的裝置 !

在一個基本的PCI 匯流排系統中(無其它PCI匯流排橋接控制晶片)，最多可以有32個PCI裝置(北橋晶片、南橋晶片、網路卡、USB控制晶片..)互相連接，在一般主機板中，晶片組本身最少就佔一組(PCI 控制器)，有時侯會佔用到兩組或更多。

2.2.2 系統管理匯流排SMBus (System Management Bus)

系統管理匯流排由兩條訊號線構成，而經由它的可使小型系統和電源管理相關晶片，得以和其它的系統溝通。它提供符合SMBus的裝制偵測、定位、讀寫參數等設定之用。例如 可用系統管理匯流排去偵測DRAM插了幾排，並抓取該排SPD參數，或是讀取硬體監控晶片的參數值(CPU溫度、風扇轉速、電源)、把不用裝置關掉。

Ps: (此兩條系統管理匯流排訊號線為 SMBCLK, 和 SMBDAT，工作在100KHz。)

2.2.3 低針腳數LPC (Low pin count)

是用來取代傳統工業標準架構ISA(Industry Standard Architecture) 匯流排的介面規格，因為以往ISA 匯流排的位置/資料 是分離解碼，而LPC是採用類似週邊元件匯流排PCI位置/資料 共用解碼方式，所以 以LPC介面設計的Super I/O晶片..等，可以大幅降低訊號線數量(腳位)，主機板也可以簡化設計。

2.2.4 GP I/O(General Purpose I/O)

Chipset 提供的通用I/O 控制訊號線，也可稱為使用者可規畫(User-Programmable) GP I/O，也就是可以依照需求，將GPIO當成IO Input 或是IO Output或是Input+Output(雙向)，它的使用範圍很廣泛，不過還是得參照使用Chip的規範來使用。而它主要作為主機板上元件的特殊控制(運用GP I/O 設計相關硬體線路，然後配合BIOS)，例如鍵盤power-on、網路喚醒(wake on Lan)、超頻(overclocking)。

2.3 電源管理(Power management)

2.3.1 系統管理模式SMM (System Management Mode)

這個模式是由特殊目的中斷 一系統管理中斷SMI(System Management Interrupt)組成，它被視為硬體介面和安全的記憶體位址空間，作為存放處理器狀態和SMI 處理程序(SMI handler)，SMI 處理者為一種特殊的軟體程序，用以執行不同的系統管理功能(例如電源控制)。當SMI被觸發時，CPU會將它的狀態儲存至記憶體，然後開始執行SMI 處理程序，最後在最後一道指令，執行從記憶體讀回處理器狀態，然後解除中斷，並交回控制權至先前程序。它執行的主要程序為休眠模式，而處理器為電腦系統裡功率相對較高的元件，因此時眽控制在系統管理模式下(使用休眠時)，可以省下很多處理器的電源消秏。

2.3.2 進階電源管理APM (Advanced Power Management)

BIOS提供作業系統一個呼叫表(call-table)，用以控制硬體電源狀態。但由於APM定義的功能較侷限(BIOS本身的限制)，並且只能做簡單的監控，所以省電效率並不高，所以另外發展出ACPI進階設定與電源介面(在下面另作說明)。

2.3.3 進階設定與電源介面ACPI (Advanced Configuration and Power Interface)

不同於進階電源管理APM由BIOS主導電源管理，進階設定與電源介面ACPI是由OS主導著電源管理，因為最後掌控電腦的是OS，可以做的變化相對多了，所以把電源管理由BIOS 轉移至OS，才能真正發揮出電源管理的效率。