Что необходимо для запуска компьютера

О работе ПК ч.3: От включения до полной загрузки Windows 10

Мы продолжаем разбираться как работает ПК на примере клавиатуры и Windows 10. В этой статье поговорим о том как происходит единение софта и железа.

Старт системы

Полностью компьютер выключен когда он отключен от питания и конденсаторы на материнской плате разрядились. До эры смартфонов мобильные телефоны часто глючили и если перезагрузка не лечила проблему, то приходилось доставать батарею и ждать 10 секунд, потому что сбрасывалось программное состояние ОС, в то время как чипы на материнской плате и контроллеры устройств оставались активными сохраняя состояние, драйвера ОС к ним просто реконнектились. 10 секунд — время на разрядку конденсаторов, состояние чипов сбрасывается только при полном отключении.
Если же ПК подключен к розетке или батарее, то он находится в режиме Stand-By, это значит что по шине питания подаётся маленькое напряжения (5В) от которого запитываются некоторые чипы на материнке. Как минимум это системный контроллер, по сути это мини-компьютер запускающий большой компьютер. Получив уведомление о нажатии кнопки Power он просит блок питания/батарею подать больше напряжения и после инициализирует весь чип-сет, в том числе и процессор. Инициализация включает в себя перекачку кода и данных прошивки материнки (BIOS/UEFI) в оперативную память и настройку CPU на её исполнение.
Думать что кнопка Power это рубильник который подаёт электричество на CPU и тот начинает исполнять с заранее известного адреса прошивку BIOS неправильно. Возможно старые компьютеры так и работали. Кнопка включения находится на своей плате, вместе со светодиодами состояний и к материнке она подключается через специальный разъём. На картинке ниже видны контакты для кнопки Power, Reset, а также светодиодов с состоянием Power и чтения жёсткого диска. Нажатие кнопки включения переводится в сигнал на контакты материнки, откуда он достигает системный контроллер.

Контакты на материнке для подключения кнопки включения, светодиодов состояния Power, жёсткого диска и динамиков.

Плата ноутбука с кнопкой включения и светодиодом состояния

Прикладная иллюстрация как блок питания получает сигнал от материнки на включение. Если вы задумаете установить мощную видеокарту (Nvidia 2070 S) на офисный ПК, то просто вставить её недостаточно, потому как она требует питание в 600W, в то время как такой ПК имеет блок на

500W. Первое что придёт в голову – купить новый блок питания на 650W с отдельной линией для видеокарты. Но и здесь будут разочарования, потому как разъёмы материнки будут не совпадать с разъёмами БП, а если его отдельно воткнуть в розетку и подключить к видюхе тоже ничего не будет – в блоке питания вентилятор не крутится и изображения нет. Так происходит, потому что БП должен получить сигнал от материнки на полное включение. Очевидное решение – новая материнка с совместимыми разъёмами, однако она стоит

$300. Есть решение проще, хоть оно и вызывает опасения пожаробезопасности. Берём скрепку, разгибаем и вставляем в зелёный (PS_ON) и один из чёрных пинов (COM). Теперь всё должно работать.

Поиск загрузчика ОС

Есть два вида прошивки материнки – BIOS (Basic Input Output System) на старых машинах и UEFI (Unified Extensible Firmware Interface) на новых. Windows 10 поддерживает обе и абстрагирует различия между ними. UEFI правильней называть ОС чем прошивкой, потому как он предлагает больше возможностей, к примеру богатый графический интерфейс вместо текстового, наличие мышки, больший объём доступной памяти, улучшенная модель безопасности и валидации файлов ОС, взаимодействие с железом через API, вместо прерываний как в BIOS.

Пример экрана монитора BIOS.

Программа BIOS хранится на отдельном чипе, подключенном к Южному мосту. Этот чип можно достать и перепрошить новой программой, по факту это просто носитель памяти, а не самостоятельный микрокомпьютер.

Настройки BIOS (системное время, например), хранятся на другом чипе который как правило находится возле круглой батарейки, которая на самом деле является литиевым аккумулятором, подзаряжающимся во время работы ПК. Называется он CMOS, что означает Complementary Metal Oxide Semiconductor, а по-русски просто — КМОП, что есть комплементарная структура металл-оксид-полупроводник.

Если всё прошло успешно, BIOS начинает процесс поиска загрузчика ОС. Для этого он начинает просматривать все подключенные к материнской плате жёсткие диски. Данные на физических дисках адресуются в единицах называемых сектор, обычно он 512 байт, однако современный стандарт – 4096 байт. Установщик Windows в самый первый сектор на диске записывает специальный программный код и данные о разделах. Этот сектор называется Master Boot Record. Диск разбивается на разделы (partitions), отформатированный своей файловой системой. Максимум 4 раздела, каждый из который может быть расширенным (extended partition), такой можно рекурсивно делить на 4 раздела и теоретически их число не ограничено. Как только BIOS находит Master Boot Record он считывает оттуда код и передаёт ему управление. Этот код поочередно просматривает данные о разделах и находит тот который помечен как активный, в нём находится код загрузчика Windows (Это не раздел с C:\Windows\System32!), этот раздел называется system partition. Как правило он занимает 100Мб и скрыт от пользователя. В первом секторе этого раздела хранится загрузочный код, которому передаётся управление. Это volume boot sector, код в нём ищет файл Bootmgr, с которого и начинается процесс загрузки Windows. Файл Bootmgr создан через соединение в один файлов Startup.com и Bootmgr.exe.

Запуск на UEFI

Пример экрана загрузки UEFI

BIOS существует больше 30 лет и в попытках исправить его недостатки компания Intel в 1998 году создала стандарт Intel Boot Initiative, позже переименованный в EFI и в 2005 году пожертвованный организации EFI Forum. Недостатки BIOS:
• Работает только в 16-битном режиме
• Может адресовать только 1Mb оперативной памяти
• Часто имеет проблемы совместимости
• MBR ограничен только четырьмя главными разделами диска
• Диск с ОС не может быть больше чем 2.2Tb.
• Имеет очень ограниченные возможности для валидации загрузчика ОС.
На смену BIOS пришёл UEFI, по сути это миниатюрная ОС которая может работать и в 32-bit и в 64-bit. Для совместимости есть опция Compatibility Support Module, которая включается в настройках и эмулирует работу BIOS.

Инициализация ядра

Запуск подсистем – SMSS, CSRSS, WinInit

SMSS.exe отличается от пользовательских процессов, это нативный процесс и это даёт ему дополнительные полномочия. SMSS.exe работает с ядром в обход Windows API, он использует то что называется Native API. Windows API – обёртка вокруг Native API. SMSS.exe первым делом запускает подсистему Windows (CSRSS.exe – Client Server Runtime Sub System) и заканчивает инициализацию реестра.

Процесс и потоки SMSS.exe помечены как критические, это значит что если они неожиданно завершаться, к примеру из-за ошибки, это приведёт к падению системы. Для общения с подсистемами, к примеру вызову API создающему новую сессию, SMSS создаёт ALPC-порт с именем SmApiPort. Загружаются из реестра переменные среды окружения, запускаются программы такие как Check Disk (autochk.exe, эти программы записаны в реестре HKLM\SYSTEM\CurrentControlSet\Control\Session Manager\BootExecute). SMSS.exe запускается для каждой пользовательской сессии. Глобальные переменные (очередь сообщений например) у каждой сессии своя за счёт механизма виртуальной памяти. В Windows есть контексты потока, процесса и сессии. Каждый SMSS.exe запускает свой экземпляр подсистемы, на данный момент это только CSRSS.exe (Windows), в прошлом поддерживались операционные системы OS/2 (os2ss.exe) и POSIX (psxss.exe), но эта идея была неудачной. Самый первый SMSS.exe засыпает в ожидании процесса WinInit.exe. Остальные экземпляры вместо этого создают процесс WinLogon который показывает UI для входа.

Дерево процессов выглядит следующим образом, на нём можно увидеть кто и кого создал (показаны не все процессы, может немного отличаться от последний версий Windows).

Где здесь клавиатура?

Во время запуска ядро Windows считывает из реестра информацию о контроллере системной шины, как правило это шина PCI (реже MSI), к ней подключены контроллеры портов ввода-вывода, в том числе и USB, PS/2. Информация о нём записывается во время установки Windows. Система загружает для него драйвер и рекурсивно обходит все порты так же загружая для каждого из них свой драйвер. Драйвера могут комбинироваться в узлы (driver node), к примеру драйвер клавиатуры, будет соединён с драйвером порта PS2. А вот порт USB сложнее — сначала драйвер порта, потом драйвер для работы с протоколом HID и только потом клавиатура.

Каждый порт контроллируется своим чипом, который мониторит подключение, принимает/отправляет сигналы между CPU и устройством. Если чип-сет Южный мост не встроен в CPU, как это часто делают в ноутбуках, а существует отдельным чипом на материнке, то правильней говорить: сигнал между Южным мостом и контроллером порта. Чип контроллирующий порт имеет выделенную линию с контроллером прерываний (PIC или APIC), по которой он может попросить обратить на себя внимание CPU, к примеру считать данные от клавиатуры (порт PS/2, с USB другая история). Поскольку ОС загрузила для порта драйвер, она может отдавать ему команды, читать и отправлять данные. В нашем примере был загружен драйвер из C:\Windows\System32\i8042prt.sys. Давайте вспомним предыдущую статью. В старых компьютерах с PIC на чипе Intel 8259 было 15 линий прерываний, где клавиатура была подключена к ножке IRQ1, таймер IRQ0, а мышка к IRQ12, который на самом деле был пятой ножкой второго чипа 8259, который мультиплексировал свои прерывания через ножку IRQ2 первого контроллера. В современных PIC могут быть 255 контактов для сигналов прерываний. Во время загрузки ОС программирует APIC/PIC возвращать определённое число когда скажем пришло прерывание от порта клавиатуры или USB и по этому номеру CPU находит в таблице векторов прерываний функцию которую надо выполнить. Номер прерываний определяют HAL и Plug’n’Play Manager. Контроллер прерываний ищет сигнал на своих ножках в определённом порядке, к примеру в бесконечном цикле проверяет напряжение на ножках от 1 до MAX_PIN. Этот порядок определяет приоритет, к примеру клавиатура будет замечена раньше мышки, а таймер раньше клавиатуры. Чтобы не зависеть от особенностей работы контроллеров прерываний Windows абстрагирует концепцию IRQ (Interrupt Request) в IRQL (Interrupt Request Level). Будь у контроллера прерываний хоть 15 хоть 255 линий они все будут отображены на 32 IRQL для x86 и 15 IRQL для x64 и IA64.

Механизм IRQL реализовывается на уровне софта в Hardware Abstraction Layer (HAL.dll), а не железа. В Windows системах есть драйвер шины (bus driver), который определяет наличие устройств подключенных к шинам – PCI, USB и др. и номера прерываний которые могут быть назначены каждому устройству. Драйвер шины сообщает эту информацию Plug and play manager, который уже решает какие номера прерываний назначить каждому устройству. Далее арбитр прерываний внутри PnP Mgr (PnP interrupt arbiter) устанавливает связи между IRQ и IRQL.

Так вот, драйвер клавиатуры (kbdclass.sys) получает данные от порта (USB, PS2) через прерывание и записывает их через WriteFile, компонент внутри ядра Windows просыпается, считывает их используя API ReadFile и добавляет в очередь сообщений с клавиатуры. API для работы с файлом могут использоваться для чтения данных с драйверов. С этого момента начинается обработка данных стеком ввода Windows, об этом в следующей статье.

Если у вас есть ПК с PS2 портом и вы умеете пользоваться WinDbg в режиме ядра, то можете легко найти обработчик прерываний клавиатуры напечатав команду !idt, которая выведет на экран всю таблицу векторов прерываний. Прерывание вклинивается в ход выполнения программы, слово вектор здесь подразумевает направление, направление исполнения программы. WinDbg был сделан специально для отладки Windows, самая последняя версия называется WinDbgX. Он имеет текстовый интерфейс, который отпугивает людей привыкших к Visual Studio, однако предоставляет гораздо больше возможностей, в частности исполнение скриптов. Прерывание фиолетового порта PS2 выделено красным. Функция которая его обрабатывает называется I8042KeyboardInterruptService, которая находится в файле i8042prt.sys.

Сейчас возникает вопрос, откуда у обработчика прерываний аргумент? Кто его передаёт? Ведь CPU ничего не знает о нём. Если поставите в неё breakpoint, то удивитесь ещё больше увидев несколько функций выше по стеку:

0: kd> kC
# Call Site
00 i8042prt!I8042KeyboardInterruptService
01 nt!KiCallInterruptServiceRoutine
02 nt!KiInterruptSubDispatch
03 nt!KiInterruptDispatch
04 nt!KiIdleLoop

Пару слов о USB

Ознакомление с работой порта USB потребовало бы отдельной статьи описывающей его работу и плюс описание обработки данных HID на Windows. Это очень сильно усложнило бы материал, к тому же уже есть хорошие статьи по теме, поэтому PS2 идеальный пример из-за своей простоты.

USB создавался как универсальный порт для всех устройств, будь то клавиатура, фотоаппарат, сканнер, игровой руль с педалями, принтер и пр. Вдобавок он поддерживает вложенность портов – USB материнки => монитор с USB => клавиатура с USB к которой подключена мышка, флешка и USB-hub к которому подключен жёсткий диск. Взглянув на контакты USB 2.0 вы увидите что они не заточены под передачу каких-то определённых данных, как у PS2. Их всего четыре – витая пара для передачи битов данных, плюс и минус питания.

Провода кабеля USB 2.0

USB 3.0 быстрее за счёт дополнительных пяти контактов. Как видите там нету линии CLOCK для синхронизации, поэтому логика передачи данных сложнее. Слева USB 2.0 и справа USB 3.0 для сравнения.

Все данные передаются через протокол HID (Human Interface Device), который описывает форматы, порядок взаимодействия и передачи данных и всё остальное. Стандарт USB 2.0 занимает 650 страниц, документ HID Class Specification, описывающий работу устройств (мыши, клавиатуры и пр) – 97 страниц, их рекомендуется изучить если вы работаете с USB.

Первым делом подключенное устройство должно рассказать о себе, для этого оно отправляет несколько структур данных, в которых указывается ID устройства и ID производителя по которым Plug’n’Play manager может найти в реестре информацию, загрузить и соединить драйвера. USB устройства пассивны, т.е. хост должен сам с определённым интервалом проверять наличие данных. Частота опроса и размер пакета данных задаются в одном из дескрипторов устройства USB. Максимальный размер пакета – 64 байта, что для информации о нажатых клавишах более чем достаточно.

В Windows есть встроенная поддержка HID, она не такая простая как связь драйвера порта PS2 с драйвером клавиатуры, потому что драйвер HID должен уметь обрабатывать все поддерживаемые протоколом сценарии. Вне зависимости от провайдера данных — порты PS2, USB или Remote Desktop или виртуальная машина – на самом верху driver node будет находится Kbdclass, от которого ядро ОС и будет получать информацию. Уведомление о подсоединении клавиатуры будет обрабатываться через Plug’n’Play Manager, так что для ядра Windows не имеет значение какой порт или источник данных от устройства используется.

Источник

Первый запуск компьютера — важные моменты

Итак, вы приобрели новый компьютер и готовы начать работу. Когда все составляющие компьютера находятся рядом, не подключены между собой, куча разных проводов вокруг, может показаться, что вы с этой задачей не справитесь. На самом деле нет поводов для паники. Первый запуск компьютера состоится по плану.

В большинстве случаев вместе с компьютером идёт небольшое руководство по его подключению. Но, даже если таковой инструкции нет, вы по-прежнему можете самостоятельно собрать воедино все устройства компьютера всего за несколько простых шагов.

Подготовка к запуску портативного компьютера

Если вы купили ноутбук или нетбук, то процедура подготовки перед первым запуском займёт меньше минуты. На некоторых моделях может потребоваться подключить аккумуляторную батарею. Когда батарея на месте, откройте крышку и нажмите кнопку питания. Если аккумулятор не заряжен, вам потребуется подключить адаптер переменного тока, который поставляется вместе с ноутбуком. Во время зарядки вы можете продолжать работу.

Если к ноутбуку требуется подключать периферийные устройства, можете ознакомиться с приведёнными ниже инструкциями, для настольных и портативных компьютеров, как правило, используют те же самые типы соединений.

Подготовка к запуску настольного компьютера

Шаг 1

Распакуйте монитор, системный блок, клавиатуру и другие компоненты компьютера из коробки. Удалить все транспортные, пластиковые покрытия или защитную плёнку. Устанавливайте монитор и системный блок, на рабочее место.

Рекомендации по установке: системный блок размещайте так, чтобы было достаточно пространства для циркуляции воздуха, во избежание перегрева. Монитор лучше расположить так, чтобы источник света располагался слева от монитора, во избежание бликов.

Шаг 2

Возьмите кабель для подключения монитора. В комплекте поставки монитора всегда идёт два кабеля, один для подключения к электросети, другой для подключения к компьютеру (системному блоку). В зависимости от модели монитора, в комплекте может быть VGA, DVI или HDMI кабель. VGA кабель часто иметь синий цвет на фишках разъёмов, чтобы их легче было опознать. Если вы купили моноблок, вы можете перейти к Шагу 4.

(VGA кабель) (DVI кабель) (HDMI кабель) (HDMI-DVI кабель)

Шаг 3

Подключите один конец кабеля к монитору, с выбором порта не ошибётесь, а другой конец к такому же порту, на задней панели системного блока. Будьте внимательны и аккуратны, разъёмы и гнёзда портов имеют геометрическую форму, при правильном подключении усилий не потребуется. Если ваш кабель с винтами, затяните их слегка, чтобы зафиксировать контакт.

Совет: если кабель не «идёт», не пихайте его, или вы можете повредить разъёмы. Убедитесь, что разъём кабеля подходит разъёму на компьютере, а затем подключите его.

Шаг 4

Возьмите клавиатуру и определите, каким разъёмом она подключается к компьютеру. Это может быть USB (прямоугольный разъём белого или чёрного цвета) или PS/2 (круглый разъем фиолетового цвета).

Если используется USB-разъём, подключите его к любому из USB-портов на задней панели компьютера. Если используется разъем PS/2, подключите его к фиолетовому круглому порту на задней панели компьютера.

Шаг 5

Возьмите мышь и определите, каким разъёмом она подключается к компьютеру. Это может быть USB (прямоугольный разъём белого или чёрного цвета) или PS/2 (круглый разъём зелёного цвета). Если у вашей мышки USB-разъём, подключите его к любому из свободных USB-портов на задней панели компьютера. Если используется разъем PS/2, подключите его к зелёному круглому порту на задней панели компьютера.

Если на вашей клавиатуре имеется USB порт, вы можете подключить мышь, в клавиатуру вместо прямого подключения к компьютеру. Или в этот порт можно подключить USB фонарик для подсветки клавиатуры и рабочего стола. А также наличие USB порта удобно при подключении «флешки», не нужно искать разъём на компьютере, все под руками.

Если у вас беспроводная мышь или клавиатура, возможно, потребуется подключить Bluetooth адаптер (USB-адаптер), он идёт в комплекте с беспроводным устройством.

Шаг 6

Если у вас есть динамики или наушники, вы можете подключить их к компьютеру в аудио порт (на передней или задней панели системного блока). Эти порты имеют разные цвета, как и штекеры для подключения. Колонки или наушники подключитесь к зелёному порту, микрофон подключается к розовому (красному) порту. По цвету штекера не ошибётесь. Синий порт использоваться с другими типами устройств.

Некоторые колонки, наушники и микрофоны имеют разъёмы USB вместо обычного аудиоразъёма. Они могут быть подключены к любому USB порту. Кроме того, некоторые мониторы имеют встроенные колонки и микрофон, их также нужно будет подключить к системному блоку. Для этого используются те же цветные разъёмы.

Шаг 7

Возьмите два кабеля питания, поставляемых вместе с компьютером и монитором. Подключите первый кабель питания к гнезду на задней панели системного блока, затем в сетевой фильтр. Затем, используя другой кабель, подключите монитор к сетевому фильтру.

Шаг 8

Наконец, подключите сетевой фильтр в розетку. Вам также может понадобиться включить сетевой фильтр на нём имеется выключатель питания.

Шаг 7 и 8 описывает схему подключения к электросети №1. Эту схему можно использовать временно, так как в нашей электросети бывают частые скачки напряжения, а бывают и внезапные отключения. А такие скачки и отключения пагубно влияют на компьютерную технику и могут привести к её поломке.

А теперь буквально в двух словах остановимся на подключении периферийных устройств к компьютеру.

Подключение периферийных устройств к компьютеру или ноутбуку

Принтер, сканер, веб-камеру, или другие периферийные устройства, нужно подключить перед запуском компьютера. Многие периферийные устройства относятся к категории plug and play, такие устройства будут распознаны компьютером, как только будет выполнена загрузка операционной системы (ОС).

Большинство периферийных устройств подключаются через порты USB, которые имеют одинаковый разъём для подключения к компьютеру (прямоугольный) и несколько иной формы для подключения к устройству. По форме и размеру порта на устройстве вы поймёте что и куда подключать.

Периферийные устройства требую предварительной установки программного обеспечения прежде, чем вы сможете использовать их. Установка такого программного обеспечения не составит труда, главное читайте, что предлагает программа-установщик и следуйте инструкциям (в общем, читайте и нажимайте кнопку «Далее»).

В целом, периферийные устройства можно подключить и позже, необязательно подключать все периферийные устройства во время первого запуска компьютера.

Теперь ваш компьютер готов к первому запуску, — Включаем!

Друзья, поддержите нас! Поделитесь статьёй в социальных сетях:

Источник