按下電源鍵後發生了什麽？電腦是如何優雅地開機的？
一個程序是如何開始運行的呢？這個問題，一千個人有一千種回答。電腦用戶說：“雙擊程序圖標就行了啊。”；初級程序員信心滿滿的回答：“是從main函數開始執行的。”；高級程序員也許會和你聊到c運行時庫，那裏才是程序編譯運行的第一條指令；而熟悉操作系統的專家卻並不知道如何說起，程序加載器、重定位、堆和棧的建立、進程和線程的創建等等細節閃過腦海，哪裏才是真正的源頭呢？
同樣問道計算機是如何啟動的，也許答案就是按下電源鍵而已。但在那個簡單到極致的動作後面卻隱藏了復雜的機理。啟動的開始並不僅僅是操作系統引導，亦或BIOS運行，甚至CPU在reset vector執行第一條指令之前，很多事情已經發生了。正如地球生命的發端並不由人類的到來而伊始，秘密隱藏在遠古而不為人知的遠古時代。讓我們順著時間回溯，站在一切發生的起點：“電源鍵按下”，通過時間的流轉，梳理其中所有的硬件軟件過程，來深入了解計算機的工作原理。
史前時代：上電時序
上電時序，也叫做Power-up Sequence，是指電源時序關系。它牽扯到諸多計算機部件，在正式開始時間之旅之前，我們來介紹一下所有參與的小夥伴們。
電源
ATX電源提供+12V、-12V、+5V、-5V、+3V和+5VSB等六種電壓。也就是我們圖上的兩個白色的電源接入口。主板其他的不同電壓是主板上的變壓線路轉換過來的，他們包括+3VSB、+1.5VSB、1.8VDual、2.5VDual、3VDual、VCore、VTDDR等等很多。
+12V主要是給CPU內核供電，它可以單獨給PCIe設備供電，包括顯卡等等。+5V應用最廣，給USB等等外設供電。+5VSB等各種帶SB的電壓，是提供Stand By的供電，即在S3 Sleep時提供電力，保障喚醒和刷新。
主板右邊中間那個紐扣電池，它叫做RTC電源，永不掉電。除非電池沒電並且沒接任何外部電源。 RTC用以保持機器內部時鐘的運轉和保證CMOS配置信息在斷電的情況下不丟失。
時鐘
電腦中的CPU，AGP、PCI插槽、SATA、USB端口和PS/2端口等在通信速度上有很大差異，所以需要提供不同的時鐘頻率。由ck410、ck505和iCLK等芯片將原先散布在不同地方的晶振和分頻電路整合在一起，為CPU、SATA、PCI、USB等等設備提供基礎頻率。
電源時序控制芯片/電路
主板對於上電的要求是很嚴格的，各種上電的必備 條件都要有著先後的順序，一項條件滿足後才可以轉到下一步，如果其中的某一個環節出現了故障，則整個上電過程不能繼續下去。誰來控制和協調整個時序過程呢？不同的主板、芯片組、代際之間都有不同的方案，在筆記本上過去經常采用EC的方案、臺式機則很多用SIO或者定制芯片，服務器上多用CPLD等等。現在很多電源時序控制被整合進了ME中，在面向嵌入式設備的Atom系列主板上則越來越多的引入了在手機等設備上常用的PMIC。
時間開始
我們通過一個古老的例子來了解一下開機的整個過程：
- 在G3（未接電源）情況下，RTC電源提供RTC_RST#和VCC_RTC電源給南橋。
- 插入電源或者電池。系統進入G2，S5的狀態。EC檢查電源的可靠性，並發送PM_RSMRST#通知南橋各種SB電壓已經準備完畢。南橋復位，部分功能SB功能激活，進入待機狀態。
- 用戶按下電源鍵，時間開始。
- EC收到PWRSW#信號，通過PM_PWRBTN#通知南橋。南橋收到PM_PWRBTN#信號後依次拉高SLP_S5#，SLP_S4#，SLP_S3#信號給EC。
- EC發出PCON#給ATX電源。
- ATX電源接到低電平的PSON#信號後，開始工作，發出各路基本電壓給主板上的各個元件。
- 基本電壓變換的其他電壓也被轉換出來。
- 電源發出PWROK#給EC，EC轉交給南橋和北橋（有的話）
- VRM和CPU通訊，根據VID送出Vcore
- VRM發生VRMPWRGD#給南橋，表示核心電壓OK。
- 南橋發送PLT_RST#給北橋。
- 南橋發送PWRGOOD#給CPU。
- 北橋在收到PLT_RST#信號後，1秒鐘後發生CPU_RST#，讓CPU復位
時序圖如下：
青銅時代：神秘消失的時間
在CPU復位後，是不是要立刻跳到reset vector開始執行BIOS程序了呢？還沒有，pcode、on die rom會在這個階段執行，TXT、boot guard等安全保障措施也在這裏運行。
城邦時代：UEFI的四個階段
CPU終於開始執行reset vector的代碼了，這就進入了我們熟悉的UEFI的世界。我們之前已經有很多文章都有介紹UEFI的各個階段，這裏簡單回顧一下：
• 在SEC階段，系統從復位開始運行（由主機引導處理器取回的第一指令），通過初始化處理器高速緩存（Cache）來作為臨時內存使用，我們有了堆棧，從而可以執行c程序，然後轉到PEI階段。
• 在PEI最開始階段，僅少量棧和堆可用，我們需要找到並使能足夠我們使用的永久內存，通常是內存顆粒或內存條（DIMM），然後轉入DXE。
• DXE階段有了永久存儲空間，真正開始負責初始化核心芯片，然後轉換到BDS階段。
• 核心芯片初始化完成後BDS階段開始，並繼續初始化引導操作系統（輸入，輸出和存儲設備）所需的硬件。 縱觀PI的整個階段，BDS對應的是“執行UEFI驅動程序模型”來引導OS這一過程。
UEFI引導階段步驟和驅動程序眾多，經過多年發展，核心代碼已經超過一百萬行，儼然已經是個獨立的小王國了。要理解UEFI，必須理解UEFI的目的：初始化硬件，安全啟動操作系統，並為操作系統提供統一的硬件抽象。所有紛繁復雜的驅動和表象後面，都在為了這一目的服務。只要抓住這條主線，再遇到其他的知識點也就會豁然開朗了。
近代和現代：引導程序和操作系統
UEFI會在BDS階段後加載操作系統引導程序，也就是OS loader。不同的OS有不同的Loader。一般用戶都十分熟悉，我們這裏不再贅述。
另外傳統BIOS和BIOS引導方式已經被淘汰。Intel也宣布對傳統BIOS兼容模式（CSM）在2020後不再支持（參考資料1）。網上諸多Int13、引導扇區等內容，除非對歷史有興趣，全部可以一笑而過了。
結論
按下電源鍵，CPU並不是第一個得到通知並立刻執行代碼的。簡單的開機後面隱藏了如此豐富的內容，這是很多人想象不到的。很多主板，尤其是很多服務器主板，從按下電源鍵到CPU開始執行UEFI固件程序，期間經歷了很多隱藏的片段。這些片段可長可短，有的轉瞬即逝、有的卻讓人等上片刻。它們究竟是什麽，為什麽存在，值得大家細細探究。
轉載自：https://zhuanlan.zhihu.com/p/31180815
按下電源鍵後發生了什麽？電腦是如何優雅地開機的？