BIOS的工作原理

2019-10-27 19:19:28

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供稿：網友

講到BIOS的工作原理，我們先來介紹一下BIOS系統的兩類載體：
EPROM和EEPROM的相關知識。
EPROM--可擦除可編程只讀存儲器，從外觀上可以看見，在芯片的中央有一個透明的小窗口，紫外線光即是通過這個小窗口將芯片上保存的信息擦除掉的，因為在日光和熒光中都含有紫外線，因此，我們通常用一塊不透明的標簽將已保存了信息的EPROM芯片的紫外線窗口封住。
當然，寫入EPROM芯片時，我們首先必須先用紫外線擦除器將EPROM中的信息清除掉，使它變為空的芯片后才能進行寫操作，應該說明的是這里“空芯片”的“空”并非我們通常意義上的“空白”，而是此時芯片內部變為全“1”信息，因此，芯片的寫入原理實際上是將指定位置上的“1”改為“0”。到這里，有的朋友一定想問：既然日光和熒光均含有紫外線，為什么我們不讓EPROM芯片在這些光線下暴露一段時間來擦除呢？要知道，完全擦除一塊EPROM中的內容，在日光下至少要一周，在室內熒光下至少要三年了！而且隨著芯片容量的增大，時間也得相應拉長。EEPROM是電可擦除可編程只讀存儲器。
在平常情況下，EEPROM與EPROM一樣是只讀的，需要寫入時，在指定的引腳加上一個高電壓即可寫入或擦除，而且其擦除的速度極快！通常EEPROM芯片又分為串行EEPROM和并行EEPROM兩種，串行EEPROM在讀寫時數據的輸入／輸出是通過2線、3線、4線或SPI總線等接口方式進行的，而并行EEPROM的數據輸入／輸出則是通過并行總線進行的。
另外還有一種EEPROM即是我們現在主板上常見到的FLASH ROM--閃速存儲器，其讀寫速度更快，更可靠，而且可以用單電壓進行讀寫和編程，為便攜式設備的在線操作提供了極大的便利，也因此廣泛應用在計算機主板上。

通常，486以及486檔次以下電腦的BIOS芯片基本上均是EPROM芯片，而586以及PⅡ、PⅢ檔次的BIOS芯片基本上均是EEPROM。另外我們也可以從BIOS芯片上的型號來識別：像27C010、27C512等以“27”打頭的芯片均是EPROM，而28C010、29C010、29C020、29C040等，均為EEPROM，其中28C010是128K×8，即1M比特并行EEPROM，29C010是128K×8（1M比特）、29C020是256K×8（2M比特）、29C040是512K×8（4M比特）的FLASH ROM。串行EEPROM在計算機主板上較少見，而提供這些芯片的廠家多為MX、WINBOND、ATMEL等廠家。應注意的是：不同廠家生產的芯片命名方式不同。以上介紹的芯片是以ATMEL公司的產品為例。

下面我們以當前最常見的AT29C020為例，介紹一下BIOS的工作原理和程序的燒錄過程。
AT29C020是ATMEL公司生產的256K×8的FLASH ROM芯片，采用單5V供電，由于AT29C020的容量為256K×8，所以需要18根地址線來尋址，也即圖中A0～A17，而其輸出是8位并行輸出，需要8位雙向數據線，即圖中D0～D7，另外圖中還有幾個用于控制芯片工作狀態的引腳。“we”引腳是控制芯片寫入的使能端，“oe”引腳是控制芯片輸出數據的使能端，這兩個引腳控制芯片在選中后的工作狀態，“ce”引腳為芯片的片選端。當處理器需要對該芯片進行讀寫操作時，首先必須選中該芯片，即在“ce”端送出低電平，然后，再根據是讀指令還是寫指令，而將相應的“we”引腳或“oe”引腳拉至低電平，同時處理器要通過A0～A17地址線送出待讀取或寫入芯片指定的存儲單元的地址，AT29C020芯片就將該存儲單元中的數據讀出到數據線D0～D7上或者將數據線D0～D7上的數據寫入到指定的存儲單元中，從而就完成了一次讀或寫操作。

當上電后，計算機即從BIOS芯片中讀取出指令代碼進行系統硬件的自檢（含BIOS程序完整性檢驗、RAM可讀寫性檢驗、進行CPU、DMA控制器等部件測試）。對PnP設備進行檢測和確認，然后依次從各個PnP部件上讀出相應部件正常工作所需的系統資源數據等配置信息。BIOS中的PnP模塊試圖建立不沖突的資源分配表，使得所有的部件都能正常地工作。配置完成之后，系統要將所有的配置數據即ESCD--Extended System Config Data寫入BIOS中，這就是為什么我們在開機時看到主機啟動進入Windows前出現一系列檢測：配置內存、硬盤、光驅、聲卡等，而后出現的“UPDATE ESCD..SUCCESSED”等提示信息。所有這些檢測完成后，BIOS將系統控制權移交給系統的引導模塊，由它完成操作系統的裝入。

BIOS

CMOS工作原理
什么是CMOS-IC？

金屬-氧化物-半導體(Metal-Oxide-Semiconductor)結構的晶體管簡稱MOS晶體管，有P型MOS管和N型MOS管之分。由 MOS管構成的集成電路稱為MOS集成電路，而由PMOS管和NMOS管共同構成的互補型MOS集成電路即為 CMOS-IC（ Complementary MOS Integrated Circuit）。
BIOS

CMOS集成電路的性能特點

微功耗—CMOS電路的單門靜態功耗在毫微瓦（nw）數量級。
BIOS

高噪聲容限—CMOS電路的噪聲容限一般在40%電源電壓以上。
寬工作電壓范圍—CMOS電路的電源電壓一般為1.5~18伏。
高邏輯擺幅—CMOS電路輸出高、低電平的幅度達到全電為VDD，邏輯“0”為VSS。
高輸入阻抗--CMOS電路的輸入阻抗大于108Ω,一般可達1010Ω。
高扇出能力--CMOS電路的扇出能力大于50。
低輸入電容--CMOS電路的輸入電容一般不大于5PF。
寬工作溫度范圍—陶瓷封裝的CMOS電路工作溫度范圍為
- 55 0C ~ 125 0C；塑封的CMOS電路為 – 40 0C ~ 85 0C。
為什么CMOS電路的直流功耗幾近于零？

講到BIOS的工作原理，我們先來介紹一下BIOS系統的兩類載體：EPROM和EEPROM的相關知識。EPROM--可擦除可編程只讀存儲器，從外觀上可以看見，在芯片的中央有一個透明的小窗口，紫外線光即是通過這個小窗口將芯片上保存的信息擦除掉的，因為在日光和熒光中都含有紫外線，因此，我們通常用一塊不透明的標簽將已保存了信息的EPROM芯片的紫外線窗口封住。當然，寫入EPROM芯片時，我們首先必須先用紫外線擦除器將EPROM中的信息清除掉，使它變為空的芯片后才能進行寫操作，應該說明的是這里“空芯片”的“空”并非我們通常意義上的“空白”，而是此時芯片內部變為全“1”信息，因此，芯片的寫入原理實際上是將指定位置上的“1”改為“0”。到這里，有的朋友一定想問：既然日光和熒光均含有紫外線，為什么我們不讓EPROM芯片在這些光線下暴露一段時間來擦除呢？要知道，完全擦除一塊EPROM中的內容，在日光下至少要一周，在室內熒光下至少要三年了！而且隨著芯片容量的增大，時間也得相應拉長。EEPROM是電可擦除可編程只讀存儲器。在平常情況下，EEPROM與EPROM一樣是只讀的，需要寫入時，在指定的引腳加上一個高電壓即可寫入或擦除，而且其擦除的速度極快！通常EEPROM芯片又分為串行EEPROM和并行EEPROM兩種，串行EEPROM在讀寫時數據的輸入／輸出是通過2線、3線、4線或SPI總線等接口方式進行的，而并行EEPROM的數據輸入／輸出則是通過并行總線進行的。另外還有一種EEPROM即是我們現在主板上常見到的FLASH ROM--閃速存儲器，其讀寫速度更快，更可靠，而且可以用單電壓進行讀寫和編程，為便攜式設備的在線操作提供了極大的便利，也因此廣泛應用在計算機主板上。

通常，486以及486檔次以下電腦的BIOS芯片基本上均是EPROM芯片，而586以及PⅡ、PⅢ檔次的BIOS芯片基本上均是EEPROM。另外我們也可以從BIOS芯片上的型號來識別：像27C010、27C512等以“27”打頭的芯片均是EPROM，而28C010、29C010、29C020、29C040等，均為EEPROM，其中28C010是128K×8，即1M比特并行EEPROM，29C010是128K×8（1M比特）、29C020是256K×8（2M比特）、29C040是512K×8（4M比特）的FLASH ROM。串行EEPROM在計算機主板上較少見，而提供這些芯片的廠家多為MX、WINBOND、ATMEL等廠家。應注意的是：不同廠家生產的芯片命名方式不同。以上介紹的芯片是以ATMEL公司的產品為例。

下面我們以當前最常見的AT29C020為例，介紹一下BIOS的工作原理和程序的燒錄過程。//本文來自VEVB武林網www.survivalescaperooms.com
AT29C020是ATMEL公司生產的256K×8的FLASH ROM芯片，采用單5V供電，由于AT29C020的容量為256K×8，所以需要18根地址線來尋址，也即圖中A0～A17，而其輸出是8位并行輸出，需要8位雙向數據線，即圖中D0～D7，另外圖中還有幾個用于控制芯片工作狀態的引腳。“we”引腳是控制芯片寫入的使能端，“oe”引腳是控制芯片輸出數據的使能端，這兩個引腳控制芯片在選中后的工作狀態，“ce”引腳為芯片的片選端。當處理器需要對該芯片進行讀寫操作時，首先必須選中該芯片，即在“ce”端送出低電平，然后，再根據是讀指令還是寫指令，而將相應的“we”引腳或“oe”引腳拉至低電平，同時處理器要通過A0～A17地址線送出待讀取或寫入芯片指定的存儲單元的地址，AT29C020芯片就將該存儲單元中的數據讀出到數據線D0～D7上或者將數據線D0～D7上的數據寫入到指定的存儲單元中，從而就完成了一次讀或寫操作。

當上電后，計算機即從BIOS芯片中讀取出指令代碼進行系統硬件的自檢（含BIOS程序完整性檢驗、RAM可讀寫性檢驗、進行CPU、DMA控制器等部件測試）。對PnP設備進行檢測和確認，然后依次從各個PnP部件上讀出相應部件正常工作所需的系統資源數據等配置信息。BIOS中的PnP模塊試圖建立不沖突的資源分配表，使得所有的部件都能正常地工作。配置完成之后，系統要將所有的配置數據即ESCD--Extended System Config Data寫入BIOS中，這就是為什么我們在開機時看到主機啟動進入Windows前出現一系列檢測：配置內存、硬盤、光驅、聲卡等，而后出現的“UPDATE ESCD..SUCCESSED”等提示信息。所有這些檢測完成后，BIOS將系統控制權移交給系統的引導模塊，由它完成操作系統的裝入。

CMOS工作原理
什么是CMOS-IC？

金屬-氧化物-半導體(Metal-Oxide-Semiconductor)結構的晶體管簡稱MOS晶體管，有P型MOS管和N型MOS管之分。由 MOS管構成的集成電路稱為MOS集成電路，而由PMOS管和NMOS管共同構成的互補型MOS集成電路即為 CMOS-IC（ Complementary MOS Integrated Circuit）。

CMOS集成電路的性能特點

微功耗—CMOS電路的單門靜態功耗在毫微瓦（nw）數量級。
高噪聲容限—CMOS電路的噪聲容限一般在40%電源電壓以上。
寬工作電壓范圍—CMOS電路的電源電壓一般為1.5~18伏。
高邏輯擺幅—CMOS電路輸出高、低電平的幅度達到全電為VDD，邏輯“0”為VSS。
高輸入阻抗--CMOS電路的輸入阻抗大于108Ω,一般可達1010Ω。
高扇出能力--CMOS電路的扇出能力大于50。
低輸入電容--CMOS電路的輸入電容一般不大于5PF。
寬工作溫度范圍—陶瓷封裝的CMOS電路工作溫度范圍為
- 55 0C ~ 125 0C；塑封的CMOS電路為 – 40 0C ~ 85 0C。
為什么CMOS電路的直流功耗幾近于零？

JEDEC最低工業標準

JEDEC最低標準是電子工業協會（EIA）聯合電子器件工程委員會（JEDEC）主持下制定的CMOS集成電路的最大額定范圍和靜態參數的最低工業標準。下表即為JEDEC制定的CMOS集成電路的最大額定范圍：

電源電壓 VDD~VSS 18 ~ -0.5 V(DC)

直流輸入電流 IIN 士10 mA(DC)
輸入電壓 VI VSS ≤VI ≤ VDD 0.5 V(DC)
器件功耗 PD 200 wm
工作溫度范圍 T -55~125(陶封)，-40~85（塑封） OC
存儲溫度范圍 TSTG -65 ~ 150 0C

輸入/輸出信號規則

所有的CMOS電路的輸入端不能浮置，最好使用一個上拉或下拉電阻，以保護器件不受損害。
在某些應用場合，輸入端要串入電阻，以限制流過保護二極管的電流不大于10mA。
輸入脈沖信號的上升和下降時間必須小于15us, 否則必須經施密特電路整形后方可輸入CMOS開關電路。
避免CMOS電路直接驅動雙極型晶體管，否則可能導致CMOS電路的功耗超過規范值。
CMOS緩沖器或大電流驅動器由于其本身的低輸出阻抗，必須注意這些電路采用大負載電容（≥500PF）時等效于輸出短路的情況。
CMOS電路的輸出不能并接成線邏輯狀態。因為導通的PMOS管和導通的NMOS管的低輸出阻抗會將電源短路。
主要封裝形式

雙列直插（DIP封裝）
扁平封裝（PLCC封裝）
注：相關教程知識閱讀請移步到主板頻道。

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