BIOS与EC之间关系

最近在看BIOS的相关内容，冒出了一个EC的概念。上网搜索了相关内容，整理了下，BIOS与EC的关系

BIOS（基本输入输出系统）在整个系统中的地位是非常重要的，它实现=了底层硬件和上层操作系统的桥梁。比如你现在从光盘拷贝一个文件到硬盘，您只需知道“复制、粘贴”的指令就行了，您不必知道它具体是如何从光盘读取，然后如何写入硬盘。对于操作系统来说也只需要向BIOS发出指令即可，而不必知道光盘是如何读，硬盘是如何写的。BIOS构建了操作系统和底层硬件的桥梁。而我们平时说的BIOS设定仅仅是谈到了其软件的设定，比如设置启动顺序、禁用/启用一些功能等等。但这里有一个问题，在硬件上，BIOS是如何实现的呢？毕竟，软件是运行在硬件平台上的吧？这里我们不能不提的就是EC。

EC（Embed Controller，嵌入式控制器）是一个16位单片机，它内部本身也有一定容量的Flash来存储EC的代码。EC在系统中的地位绝不次于南北桥，在系统开启的过程中，EC控制着绝大多数重要信号的时序。在笔记本中，EC是一直开着的，无论你是在开机或者是关机状态，除非你把电池和Adapter完全卸除。在关机状态下，EC一直保持运行，并在等待用户的开机信息。而在开机后，EC更作为键盘控制器，充电指示灯以及风扇和其他各种指示灯等设备的控制，它甚至控制着系统的待机、休眠等状态。主流笔记本系统中

现在的EC有两种架构，比较传统的，即BIOS的FLASH通过X-BUS接到EC，然后EC通过LPC接到南桥，一般这种情况下EC的代码也是放在FLASH中的，也就是和BIOS共用一个FLASH。右边的则是比较新的架构，EC和FLASH共同接到LPC总线上，一般它只使用EC内部的ROM。至于LPC总线，它是INTEL当初为了取代低速落后的X-BUS而推出的总线标准。 EC上一般都含有键盘控制器，所以也称KBC。那EC和BIOS在系统中的工作到底有什么牵连呢？在这里我们先简单的分析一下。在系统关机的时候，只有RTC部分和EC部分在运行。RTC部分维持着计算机的时钟和CMOS设置信息，而EC则在等待用户按开机键。在检测到用户按开机键后，EC会通知整个系统把电源打开，CPU被RESET后，会去读BIOS内一个特定地址内的指令（其实是一个跳转指令，这个地址是由CPU硬件设定的）。这里开始分两种情况，1 CPU发出的这个地址通过FSB到北桥，然后通过HUB-LINK到南桥，通过LPC到EC，再通过X-BUS一直到达BIOS。在CPU读到所发出的地址内的指令后，执行它被RESET后的第一个指令。在这个系统中，EC起到了桥接BIOS和南桥（或者说整个系统）的作用，在CPU发出的地址到南桥后，会直接通过LPC到BIOS，不需要EC的桥接。
        这里需要说明的是，对于台式机而言，一般是不需要EC的。这里原因有很多：比如台式机本身的ATX电源就具有一定的智能功能，他已经能受操作系统控制来实现待机、休眠的状态；其次由于笔记本的键盘不能直接接到PS/2接口，而必须接到EC之上；还有就是笔记本有更多的小功能，比如充电指示灯、WIFI指示灯、Fn等很多特殊的功能，而且笔记本必须支持电池的充放电等功能，而智能充放电则需要EC的支持；另外，笔记本TFT屏幕的开关时序也必须由EC控制。这些原因导致了笔记本使用EC来做内部管理的必要性。
        总体来说，EC和BIOS都处于机器的最底层。EC是一个单独的处理器，在开机前和开机过程中对整个系统起着全局的管理。而BIOS是在等EC把内部的物理环境初始化后才开始运行的。
        看到这里，我想大家也明白EC到底是呵方神圣。如果说BIOS 是底层系统的话，那EC 似乎更加底层。

在南桥上还有一个功能块就是电源管理单元（PM，Power Management），一般来说，他和EC来共同配合完成。这里包括从开机键按下后，启动，待机，休眠，关机的全部功能。还包括对背光亮度，声音等的控制等等。至于现在Intel的Speed Step技术，也有部分功能是透过南桥来实现的（南桥发送SLP、STPCLK（sleep，Stop Clock）来实现睡眠、深睡眠等）。
这部分的设计比较简单，只需要点到点的连接南桥和CPU即可。

逻辑上的开机过程：
开机过程对于电脑设计是至关重要的。在笔记本电脑打好PCB后第一次开机时，如果电源的时序正确了，其他的问题都比较好解（一般来说时序正确的话机器都能开起来）。最怕的就是电源时序不对，机器开不起来，这才是最要命的。在笔记本内部的电压有好几种，首先是RTC电源，这部分电力是永远不关闭的，除非电池（纽扣电池）没电并且没接任何外部电源（比如电池和电源适配器）。RTC用以保持机器内部时钟的运转和保证CMOS配置信息在断电的情况下不丢失；其次，在你插上电池或者电源适配器。

但还没按power键的时候（S5），机器内部的开启的电称为ALWAYS电，主要用以保证EC的正常运行；
          再次，你开机以后，所有的电力都开启，这时候，我们称为MAIN电(S0)，以供整机的运行；
          在你进待机的时候(S3)，机器内部的电成为SUS电，主要是DDR的电力供应，以保证RAM内部的资料不丢失；
          而休眠(S4)和关机(S5)的电是一样的，都是Always电。其中，上文中括号内的是表示计算机的状态（S0-开机，S3-待机，S4-休眠，S5-关机）。

现在我们假设没有任何的电力设备在供电（没电池和电源），这时候，机器内部只有RTC电路在运作，南桥上会接有一个3V的纽扣电池来供给RTC电力，以保持内部时间的运行和CMOS信息。

南桥的启动时序

根据前面的Power Status,我们来分析一下开机的过程。在插上电池或者电源的时候，机器内部的单片机EC就Reset并开始工作，等待用户按下Power键。在此期间的时序是：ALWAYS电开启以后，EC Reset并开始运行，随后发给南桥一个称为‘RSMRST#’的信号。这时候南桥的部分功能开始初始化并等待开机信号。这里要注意，这时候的南桥并没有打开全部电源，只有很少一部分的功能可用，比如供检测开机信号的PWRBTN#信号。
      在用户按下Power键的时候，EC检测到一个电平变化（一般时序是：高-低-高），然后发送一个开机信号（PWRBTN#）给南桥，南桥收到PWRBTN#信号后依次拉高SLP_S5#,SLP_S4#,SLP_S3#信号，开启了所有的外围电压，主要是+3V，+5V以及DDR2.5V等，并发送PM PWROK信号，这信号表明外围电源正常开启。
        PM PWROK将作为一个使能信号发送到CPU外围VCCP的电压Generator，并开启VCCP。在此之后，VCCP Generator会发出CORE_VR_ON来开启CORE VR（即CPU的核心电压）。至此，整机的电压已经全部开启。
        在用VR_PWRGD_ICH这个信号通知南桥CORE VR成功开启后，南桥会发出PCI RST#信号到PCI总线，于是总线上的设备都被初始化（包括北桥），并同时发出H_PWRGD来通知CPU它的核心电压已经成功开启。然后北桥发出H_CPURST#信号给CPU，CPU被RESET，并正式开始工作。
        在用户需要进入待机模式（S3）的时候，系统的ACPI和windows同时运作，拉低SLP_S3#，并保持SLP_S4#和SLP_S5#被拉高，以关闭了MAIN电，系统则进入待机模式。

而在需要进入休眠或者关机模式时，同时拉低SLP_S3#、SLP_S4#和SLP_S5#，关闭除了RTC以外的电源。当然，在这一系列的过程中，需要操作系统和BIOS的共同协作，对硬件来说，只需要保证在特定的状态保证特定的电压供给即可。
当机器要要从S0进入S5，即关机的时候，也会有一定的时序进行，基本上就是前面时序的逆运行。

以上就是整个硬件的开机、进入S3，S5的过程，当然不同的硬件有不同的开机过程，这里说的不过是最普通、最为常见的一种ACPI就是Advanced Configuration and Power Interface的缩写，意思是“高级配置与电源接口”。这是英特尔、微软和东芝共同开发的一种电源管理标准。
ACPI可实现以下功能: 　　
1、用户可以使外设在指定时间开关；　　
2、使用笔记本电脑的用户可以指定计算机在低电压的情况下进入低功耗状态，以保证重要的应用程序运行；　　
3、操作系统可以在应用程序对时间要求不高的情况下降低时钟频率；
4、操作系统可以根据外设和主板的具体需求为它分配能源；
5、在无人使用计算机时可以使计算机进入休眠状态，但保证一些通信设备打开；
6、即插即用设备在插入时能够由ACPI来控制。
不过，ACPI和其他的电源管理方式一样，要想享受到上面这些功能，必须要有软件和硬件的支持。在软件方面，Windows 98及其后续产品和Windows 2000都对ACPI给予了全面的支持；而Linux的内核目前对此支持得并不是太理想。硬件方面比较麻烦，除了要求主板、显卡和网卡等外设要支持ACPI外，还需要机箱电源的配合。电源在提供5伏电压给主板的同时，还必须使电流稳定在720毫安以上才可以，这样它才能够实现电脑的“睡眠”和“唤醒”。
ACPI共有六种状态，分别是S0到S5，它们代表的含义分别是：
S0--实际上这就是我们平常的工作状态，所有设备全开，功耗一般会超过80W；
S1--也称为POS（Power on Suspend），这时除了通过CPU时钟控制器将CPU关闭之外，其他的部件仍然正常工作，这时的功耗一般在30W以下；（其实有些CPU降温软件就是利用这种工作原理）
S2--这时CPU处于停止运作状态，总线时钟也被关闭，但其余的设备仍然运转；
S3--这就是我们熟悉的STR（Suspend to RAM），这时的功耗不超过10W；
S4--也称为STD（Suspend to Disk），这时系统主电源关闭，但是硬盘仍然带电并可以被唤醒；
S5--这种状态是最干脆的，就是连电源在内的所有设备全部关闭，功耗为0。
我们最常用到的是S3状态，即Suspend to RAM（挂起到内存）状态，简称STR。顾名思义，STR就是把系统进入STR前的工作状态数据都存放到内存中去。在STR状态下，电源仍然继续为内存等最必要的设备供电，以确保数据不丢失，而其他设备均处于关闭状态，系统的耗电量极低。一旦我们按下Power按钮（主机电源开关），系统就被唤醒，马上从内存中读取数据并恢复到STR之前的工作状态。内存的读写速度极快，因此我们感到进入和离开STR状态所花费的时间不过是几秒钟而已；而S4状态，即 STD（挂起到硬盘）与STR的原理是完全一样的，只不过数据是保存在硬盘中。由于硬盘的读写速度比内存要慢得多，因此用起来也就没有STR那么快了。 STD的优点是只通过软件就能实现，比如Windows 2000就能在不支持STR的硬件上实现STD。
之前的电源管理是APM（Advanced Power Management),那么ACPI和APM相比有什么区别呢？

2、ACPI与APM比较
APM 1.0&1.1：由BIOS执行电源管理；
APM 1.2：操作系统定义电源管理时间，由BIOS负责执行；
ACPI：BIOS收集硬件信息，定义电源管理方案；由操作系统负责执行。
APM是一种软件解决方案，因此是与操作系统有关的，而ACPI是工业标准，包括了软件和硬件方面的规范。

APIC (高级可编程中断控制器)对计算机来讲有两个作用，
一是管理IRQ的分配，可以把传统的16个IRQ扩展到24个（传统的管理方式叫PIC），以适应更多的设备。
二是管理多CPU。由于Nf2主板并不支持多CPU，所以，APIC关闭直接的影响是减少了可用的IRQ。
不过，如果板卡不是非常多的话，关闭 APIC对系统是没有什么影响的。
要实现SMP功能，我们使用的CPU必须具备以下要求：
CPU内部必须内置APIC单元。Intel 多处理规范的核心就是高级可编程中断控制器（Advanced Programmable Interrupt Controllers--APICs）的使用。CPU通过彼此发送中断来完成它们之间的通信。通过给中断附加动作（actions），不同的CPU可以在某种程度上彼此进行控制。每个CPU有自己的APIC（成为那个CPU的本地APIC），并且还有一个I/O APIC来处理由I/O设备引起的中断，这个I/O APIC是安装在主板上的，但每个CPU上的APIC则不可或缺，否则将无法处理多CPU之间的中断协调。
APIC可能遇到的问题，很多这类问题可以通过BIOS更新来解决。
下面的是通过更改HAL类型来解决
　　CPU实际运行频率与BIOS设定频率不符
　　NF2的用户大约有10%的会出现CPU实际运行频率与BIOS设定频率不符的问题。我们称之为“频率不对”。
　　这种现象带来的直接后果就是在测试3dmark或跑3D游戏的时候，会感觉不流畅，也称之为“顿”。
　　一般在更改BIOS设置后、更新驱动后重启时，用测试软件如Aida32、MBM5等可以看到CPU的运行频率和你在BIOS里设置得不一样，而且差距很大。这个时候，用super pi测试CPU速度，会比平常花费时间长好几秒，用3dmark跑测试，会比平常低几百分甚至上千分。在3dmark中看到的CPU频率，也与BIOS设定不符合。
　　如果出现这种情况，则属于我们所讨论的“频率不对”的问题。
　　不过，不是所有的3D游戏“顿”都是这个原因。判断的方法是：如果你只有个别游戏“顿”，或者用上述软件测试频率正确，就不是此问题。
　　如果判断确实属此问题，解决的方法也很简单，经过网友讨论，只要关闭APIC功能即可。（注意，是APIC，不是ACPI）。

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