BIOS的工作原理

2020-07-16 19:04:35

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供稿：网友

讲到BIOS的工作原理，我们先来介绍一下BIOS系统的两类载体：
EPROM和EEPROM的相关知识。
EPROM--可擦除可编程只读存储器，从外观上可以看见，在芯片的中央有一个透明的小窗口，紫外线光即是通过这个小窗口将芯片上保存的信息擦除掉的，因为在日光和荧光中都含有紫外线，因此，我们通常用一块不透明的标签将已保存了信息的EPROM芯片的紫外线窗口封住。
当然，写入EPROM芯片时，我们首先必须先用紫外线擦除器将EPROM中的信息清除掉，使它变为空的芯片后才能进行写操作，应该说明的是这里“空芯片”的“空”并非我们通常意义上的“空白”，而是此时芯片内部变为全“1”信息，因此，芯片的写入原理实际上是将指定位置上的“1”改为“0”。到这里，有的朋友一定想问：既然日光和荧光均含有紫外线，为什么我们不让EPROM芯片在这些光线下暴露一段时间来擦除呢？要知道，完全擦除一块EPROM中的内容，在日光下至少要一周，在室内荧光下至少要三年了！而且随着芯片容量的增大，时间也得相应拉长。EEPROM是电可擦除可编程只读存储器。
在平常情况下，EEPROM与EPROM一样是只读的，需要写入时，在指定的引脚加上一个高电压即可写入或擦除，而且其擦除的速度极快！通常EEPROM芯片又分为串行EEPROM和并行EEPROM两种，串行EEPROM在读写时数据的输入／输出是通过2线、3线、4线或SPI总线等接口方式进行的，而并行EEPROM的数据输入／输出则是通过并行总线进行的。
另外还有一种EEPROM即是我们现在主板上常见到的FLASH ROM--闪速存储器，其读写速度更快，更可靠，而且可以用单电压进行读写和编程，为便携式设备的在线操作提供了极大的便利，也因此广泛应用在计算机主板上。

通常，486以及486档次以下电脑的BIOS芯片基本上均是EPROM芯片，而586以及PⅡ、PⅢ档次的BIOS芯片基本上均是EEPROM。另外我们也可以从BIOS芯片上的型号来识别：像27C010、27C512等以“27”打头的芯片均是EPROM，而28C010、29C010、29C020、29C040等，均为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在计算机主板上较少见，而提供这些芯片的厂家多为MX、WINBOND、ATMEL等厂家。应注意的是：不同厂家生产的芯片命名方式不同。以上介绍的芯片是以ATMEL公司的产品为例。

下面我们以当前最常见的AT29C020为例，介绍一下BIOS的工作原理和程序的烧录过程。
AT29C020是ATMEL公司生产的256K×8的FLASH ROM芯片，采用单5V供电，由于AT29C020的容量为256K×8，所以需要18根地址线来寻址，也即图中A0～A17，而其输出是8位并行输出，需要8位双向数据线，即图中D0～D7，另外图中还有几个用于控制芯片工作状态的引脚。“we”引脚是控制芯片写入的使能端，“oe”引脚是控制芯片输出数据的使能端，这两个引脚控制芯片在选中后的工作状态，“ce”引脚为芯片的片选端。当处理器需要对该芯片进行读写操作时，首先必须选中该芯片，即在“ce”端送出低电平，然后，再根据是读指令还是写指令，而将相应的“we”引脚或“oe”引脚拉至低电平，同时处理器要通过A0～A17地址线送出待读取或写入芯片指定的存储单元的地址，AT29C020芯片就将该存储单元中的数据读出到数据线D0～D7上或者将数据线D0～D7上的数据写入到指定的存储单元中，从而就完成了一次读或写操作。

当上电后，计算机即从BIOS芯片中读取出指令代码进行系统硬件的自检（含BIOS程序完整性检验、RAM可读写性检验、进行CPU、DMA控制器等部件测试）。对PnP设备进行检测和确认，然后依次从各个PnP部件上读出相应部件正常工作所需的系统资源数据等配置信息。BIOS中的PnP模块试图建立不冲突的资源分配表，使得所有的部件都能正常地工作。配置完成之后，系统要将所有的配置数据即ESCD--Extended System Config Data写入BIOS中，这就是为什么我们在开机时看到主机启动进入Windows前出现一系列检测：配置内存、硬盘、光驱、声卡等，而后出现的“UPDATE ESCD..SUCCESSED”等提示信息。所有这些检测完成后，BIOS将系统控制权移交给系统的引导模块，由它完成操作系统的装入。

CMOS工作原理
什么是CMOS-IC？

金属-氧化物-半导体(Metal-Oxide-Semiconductor)结构的晶体管简称MOS晶体管，有P型MOS管和N型MOS管之分。由 MOS管构成的集成电路称为MOS集成电路，而由PMOS管和NMOS管共同构成的互补型MOS集成电路即为 CMOS-IC（ Complementary MOS Integrated Circuit）。

CMOS集成电路的性能特点

微功耗―CMOS电路的单门静态功耗在毫微瓦（nw）数量级。

高噪声容限―CMOS电路的噪声容限一般在40%电源电压以上。
宽工作电压范围―CMOS电路的电源电压一般为1.5~18伏。
高逻辑摆幅―CMOS电路输出高、低电平的幅度达到全电为VDD，逻辑“0”为VSS。
高输入阻抗--CMOS电路的输入阻抗大于108Ω,一般可达1010Ω。
高扇出能力--CMOS电路的扇出能力大于50。
低输入电容--CMOS电路的输入电容一般不大于5PF。
宽工作温度范围―陶瓷封装的CMOS电路工作温度范围为
- 55 0C ~ 125 0C；塑封的CMOS电路为 40 0C ~ 85 0C。
为什么CMOS电路的直流功耗几近于零？

讲到BIOS的工作原理，我们先来介绍一下BIOS系统的两类载体：EPROM和EEPROM的相关知识。EPROM--可擦除可编程只读存储器，从外观上可以看见，在芯片的中央有一个透明的小窗口，紫外线光即是通过这个小窗口将芯片上保存的信息擦除掉的，因为在日光和荧光中都含有紫外线，因此，我们通常用一块不透明的标签将已保存了信息的EPROM芯片的紫外线窗口封住。当然，写入EPROM芯片时，我们首先必须先用紫外线擦除器将EPROM中的信息清除掉，使它变为空的芯片后才能进行写操作，应该说明的是这里“空芯片”的“空”并非我们通常意义上的“空白”，而是此时芯片内部变为全“1”信息，因此，芯片的写入原理实际上是将指定位置上的“1”改为“0”。到这里，有的朋友一定想问：既然日光和荧光均含有紫外线，为什么我们不让EPROM芯片在这些光线下暴露一段时间来擦除呢？要知道，完全擦除一块EPROM中的内容，在日光下至少要一周，在室内荧光下至少要三年了！而且随着芯片容量的增大，时间也得相应拉长。EEPROM是电可擦除可编程只读存储器。在平常情况下，EEPROM与EPROM一样是只读的，需要写入时，在指定的引脚加上一个高电压即可写入或擦除，而且其擦除的速度极快！通常EEPROM芯片又分为串行EEPROM和并行EEPROM两种，串行EEPROM在读写时数据的输入／输出是通过2线、3线、4线或SPI总线等接口方式进行的，而并行EEPROM的数据输入／输出则是通过并行总线进行的。另外还有一种EEPROM即是我们现在主板上常见到的FLASH ROM--闪速存储器，其读写速度更快，更可靠，而且可以用单电压进行读写和编程，为便携式设备的在线操作提供了极大的便利，也因此广泛应用在计算机主板上。

通常，486以及486档次以下电脑的BIOS芯片基本上均是EPROM芯片，而586以及PⅡ、PⅢ档次的BIOS芯片基本上均是EEPROM。另外我们也可以从BIOS芯片上的型号来识别：像27C010、27C512等以“27”打头的芯片均是EPROM，而28C010、29C010、29C020、29C040等，均为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在计算机主板上较少见，而提供这些芯片的厂家多为MX、WINBOND、ATMEL等厂家。应注意的是：不同厂家生产的芯片命名方式不同。以上介绍的芯片是以ATMEL公司的产品为例。

下面我们以当前最常见的AT29C020为例，介绍一下BIOS的工作原理和程序的烧录过程。//本文来自武林网www.VeVB.COm
AT29C020是ATMEL公司生产的256K×8的FLASH ROM芯片，采用单5V供电，由于AT29C020的容量为256K×8，所以需要18根地址线来寻址，也即图中A0～A17，而其输出是8位并行输出，需要8位双向数据线，即图中D0～D7，另外图中还有几个用于控制芯片工作状态的引脚。“we”引脚是控制芯片写入的使能端，“oe”引脚是控制芯片输出数据的使能端，这两个引脚控制芯片在选中后的工作状态，“ce”引脚为芯片的片选端。当处理器需要对该芯片进行读写操作时，首先必须选中该芯片，即在“ce”端送出低电平，然后，再根据是读指令还是写指令，而将相应的“we”引脚或“oe”引脚拉至低电平，同时处理器要通过A0～A17地址线送出待读取或写入芯片指定的存储单元的地址，AT29C020芯片就将该存储单元中的数据读出到数据线D0～D7上或者将数据线D0～D7上的数据写入到指定的存储单元中，从而就完成了一次读或写操作。

当上电后，计算机即从BIOS芯片中读取出指令代码进行系统硬件的自检（含BIOS程序完整性检验、RAM可读写性检验、进行CPU、DMA控制器等部件测试）。对PnP设备进行检测和确认，然后依次从各个PnP部件上读出相应部件正常工作所需的系统资源数据等配置信息。BIOS中的PnP模块试图建立不冲突的资源分配表，使得所有的部件都能正常地工作。配置完成之后，系统要将所有的配置数据即ESCD--Extended System Config Data写入BIOS中，这就是为什么我们在开机时看到主机启动进入Windows前出现一系列检测：配置内存、硬盘、光驱、声卡等，而后出现的“UPDATE ESCD..SUCCESSED”等提示信息。所有这些检测完成后，BIOS将系统控制权移交给系统的引导模块，由它完成操作系统的装入。

CMOS工作原理
什么是CMOS-IC？

金属-氧化物-半导体(Metal-Oxide-Semiconductor)结构的晶体管简称MOS晶体管，有P型MOS管和N型MOS管之分。由 MOS管构成的集成电路称为MOS集成电路，而由PMOS管和NMOS管共同构成的互补型MOS集成电路即为 CMOS-IC（ Complementary MOS Integrated Circuit）。

CMOS集成电路的性能特点

微功耗―CMOS电路的单门静态功耗在毫微瓦（nw）数量级。
高噪声容限―CMOS电路的噪声容限一般在40%电源电压以上。
宽工作电压范围―CMOS电路的电源电压一般为1.5~18伏。
高逻辑摆幅―CMOS电路输出高、低电平的幅度达到全电为VDD，逻辑“0”为VSS。
高输入阻抗--CMOS电路的输入阻抗大于108Ω,一般可达1010Ω。
高扇出能力--CMOS电路的扇出能力大于50。
低输入电容--CMOS电路的输入电容一般不大于5PF。
宽工作温度范围―陶瓷封装的CMOS电路工作温度范围为
- 55 0C ~ 125 0C；塑封的CMOS电路为 40 0C ~ 85 0C。
为什么CMOS电路的直流功耗几近于零？

JEDEC最低工业标准

JEDEC最低标准是电子工业协会（EIA）联合电子器件工程委员会（JEDEC）主持下制定的CMOS集成电路的最大额定范围和静态参数的最低工业标准。下表即为JEDEC制定的CMOS集成电路的最大额定范围：

电源电压 VDD~VSS 18 ~ -0.5 V(DC)

直流输入电流 IIN 士10 mA(DC)
输入电压 VI VSS ≤VI ≤ VDD 0.5 V(DC)
器件功耗 PD 200 wm
工作温度范围 T -55~125(陶封)，-40~85（塑封） OC
存储温度范围 TSTG -65 ~ 150 0C

输入/输出信号规则

所有的CMOS电路的输入端不能浮置，最好使用一个上拉或下拉电阻，以保护器件不受损害。
在某些应用场合，输入端要串入电阻，以限制流过保护二极管的电流不大于10mA。
输入脉冲信号的上升和下降时间必须小于15us, 否则必须经施密特电路整形后方可输入CMOS开关电路。
避免CMOS电路直接驱动双极型晶体管，否则可能导致CMOS电路的功耗超过规范值。
CMOS缓冲器或大电流驱动器由于其本身的低输出阻抗，必须注意这些电路采用大负载电容（≥500PF）时等效于输出短路的情况。
CMOS电路的输出不能并接成线逻辑状态。因为导通的PMOS管和导通的NMOS管的低输出阻抗会将电源短路。
主要封装形式

双列直插（DIP封装）
扁平封装（PLCC封装）

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