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主板BIOS的工作原理

    作者:withhaojun  浏览次数:4158  发表于:2009/11/23 18:47  [ ]
[i=s] 本帖最后由 withhaojun 于 2009-11-23 18:48 编辑

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:

    [p=30, 2, center]电源电压[/p][p=30, 2, center]VDD~VSS[/p][p=30, 2, center]18 ~ -0.5[/p][p=30, 2, center]V(DC)[/p]
    [p=30, 2, center]直流输入电流[/p][p=30, 2, center]IIN[/p][p=30, 2, center]士10[/p][p=30, 2, center]mA(DC)[/p]
    [p=30, 2, center]输入电压[/p][p=30, 2, center]VI[/p][p=30, 2, center]VSS ≤VI ≤ VDD+0.5[/p][p=30, 2, center]V(DC)[/p]
    [p=30, 2, center]器件功耗[/p][p=30, 2, center]PD[/p][p=30, 2, center]200[/p][p=30, 2, center]mw[/p]
    [p=30, 2, center]工作温度范围[/p][p=30, 2, center]T[/p][p=30, 2, center]-55~125(陶封),-40~85(塑封)[/p][p=30, 2, center]0C[/p]
    [p=30, 2, center]存储温度范围[/p][p=30, 2, center]TSTG[/p][p=30, 2, center]-65 ~ 150[/p][p=30, 2, center]0C[/p]

    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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