BIOS

一、BIOS

在计算机体系中，BIOS 有着比操作系统更为底层和基础性的作用，是机器点亮后第一个被激活的系统程序，主要负责检测、访问与调试底层硬件资源，并分配给操作系统，以保障整个机器顺利安全运转。

BIOS（Basic Input Output System），即基础输入输出系统，是刻在主板 ROM 芯片上不可篡改的启动程序，BIOS 负责计算系统自检程序（POST，Power On Self Test）和系统自启动程序，因此是计算机系统启动后的第一道程式。由于不可篡改性，故程序存储在 ROM 芯片中，并且在断电后，依然可以维持原有设置。

BIOS 主要功能是控制计算机启动后的基本程式，包括硬盘驱动（如装机过程中优先选择 DVD 或者 USB 启动盘），键盘设置，软盘驱动，内存和相关设备。

二、BMC

BMC（Baseboard Management Controller），基板管理控制器，是服务器的基本核心功能子系统，负责服务器的硬件状态管理、操作系统管理、健康状态管理、功耗管理等核心功能。

BMC 是独立于服务器系统之外的小型操作系统，是一个集成在主板上的芯片，也有产品是通过 PCIE 等形式插在主板上，对外表现形式只是一个标准的 RJ45 网口，拥有独立 IP 的固件系统。服务器集群一般使用 BMC 指令进行大规模无人值守操作，包括服务器的远程管理、监控、安装、重启等。

三、IPMI

IPMI（Intelligent Platform Management Interface），智能型平台管理接口。

IPMI 是一组交互标准管理规范，由 Intel、HP、Dell 和 NEC 公司于1998年9月16日共同提出，主要用于服务器系统集群自治，监视服务器的物理健康特征，如温度、电压、风扇工作状态、电源状态等。同时，IPMI 还负责记录各种硬件的信息和日志记录，用于提示用户和后续问题的定位。目前，IPMI 已经为超过 200 多家计算机供应商所支持。

IPMI 是独立于主机系统 CPU、BIOS/UEFI 和 OS 之外，可独立运行的板上部件，其核心部件即为 BMC。或者说，BMC 与其他组件如 BIOS/UEFI、CPU 等交互，都是经由 IPMI 来完成。在 IPMI 协助下，用户可以远程对关闭的服务器进行启动、重装、挂载 ISO 镜像等。、

四、UEFI

EFI（Extensible Firmware Interface），是可扩展固件接口，由于传统的 BIOS 是基于 16 位处理器开发的汇编程序，在面对 32/64 处理器时，效率低下的短板即暴露出来，因此， Intel 推出的一种计算系统中 BIOS 新的替代升级方案。

UEFI（Unified Extensible Firmware Interface），统一可扩展固件接口，是 EFI 的规范化版本，也是BIOS的进化版。为便于将UEFI BIOS与传统BIOS区分，传统BIOS又被称为Legacy BIOS 。2005年，Intel 将 EFI 交由 UEFI Forum 来推广与发展，EFI 更名 UEFI。UEFI 负责加电自检（POST）、联系操作系统以及提供连接操作系统与硬件的接口。

现有主流 BIOS 固件公司已基本采用 UEFI。

从主要功能上来说，UEFI BIOS 和 Legacy BIOS 都是为了初始化硬件平台并引导操作系统。两者主要差异在于 Legacy BIOS 无统一标准，而 UEFI BIOS 统一定义了固件和操作系统之间的接口标准。二者优劣势表现在：

1、UEFI BIOS 主要以 C 语言编写，易于实现跨架构跨平台支持并共享代码模块，而 Legacy BIOS 通过则是汇编语言编写
2、UEFI BIOS 完整支持新固件安全功能，从最大程度上降低固件被攻击的风险
3、Legacy BIOS 移植性差，重复开发现象严重。整体而言，UEFI BIOS 较 Legacy BIOS 的优势明显

五、NUMA

NUMA的诞生背景

在NUMA出现之前，CPU朝着高频率的方向发展遇到了天花板，转而向着多核心的方向发展。

在一开始，内存控制器还在北桥中，所有CPU对内存的访问都要通过北桥来完成。此时所有CPU访问内存都是“一致的”，如下图所示：

UMA

这样的架构称为UMA(Uniform Memory Access)，直译为“统一内存访问”，这样的架构对软件层面来说非常容易，总线模型保证所有的内存访问是一致的，即每个处理器核心共享相同的内存地址空间。但随着CPU核心数的增加，这样的架构难免遇到问题，比如对总线的带宽带来挑战、访问同一块内存的冲突问题。为了解决这些问题，有人搞出了NUMA。

NUMA构架细节

NUMA 全称 Non-Uniform Memory Access，译为“非一致性内存访问”。这种构架下，不同的内存器件和CPU核心从属不同的 Node，每个 Node 都有自己的集成内存控制器（IMC，Integrated Memory Controller）。

在 Node 内部，架构类似SMP，使用 IMC Bus 进行不同核心间的通信；不同的 Node 间通过QPI（Quick Path Interconnect）进行通信，如下图所示：

NUMA

一般来说，一个内存插槽对应一个 Node。需要注意的一个特点是，QPI的延迟要高于IMC Bus，也就是说CPU访问内存有了远近（remote/local）之别，而且实验分析来看，这个差别非常明显。

在Linux中，对于NUMA有以下几个需要注意的地方：

默认情况下，内核不会将内存页面从一个 NUMA Node 迁移到另外一个 NUMA Node；
但是有现成的工具可以实现将冷页面迁移到远程（Remote）的节点：NUMA Balancing；
关于不同 NUMA Node 上内存页面迁移的规则，社区中有依然有不少争论。

六、CPU指令集

所谓指令集，就是CPU中用来计算和控制计算机系统的一套指令的集合，而每一种新型的CPU在设计时就规定了一系列与其他硬件电路相配合的指令系统。而指令集的先进与否，也关系到CPU的性能发挥，它也是CPU性能体现的一个重要标志。

SSE指令集

　　由于MMX指令并没有带来3D游戏性能的显著提升，1999年Intel公司在Pentium III CPU产品中推出了数据流单指令序列扩展指令(SSE)。SSE兼容MMX指令，它可以通过SIMD(单指令多数据技术)和单时钟周期并行处理多个浮点来有效地提高浮点运算速度。

SSE2指令集

　　在Pentium 4 CPU中，Intel公司开发了新指令集SSE2。这一次新开发的SSE2指令一共144条，包括浮点SIMD指令、整形SIMD指令、SIMD浮点和整形数据之间转换、数据在MMX寄存器中转换等几大部分。

SSE3指令集

　　相对于SSE2，SSE3又新增加了13条新指令，此前它们被统称为pni(prescott new instructions)。13条指令中，一条用于视频解码，两条用于线程同步，其余用于复杂的数学运算、浮点到整数转换和SIMD浮点运算。

SSE4指令集

　　SSE4又增加了50条新的增加性能的指令，这些指令有助于编译、媒体、字符/文本处理和程序指向加速。

3D Now!扩展指令集

　　3D Now!指令集是AMD公司1998年开发的多媒体扩展指令集，共有21条指令。针对MMX指令集没有加强浮点处理能力的弱点，重点提高了AMD公司K6系列CPU对3D图形的处理能力。

X86指令集

　　要知道什么是指令集还要从当今的X86架构的CPU说起。X86指令集是Intel为其第一块16位CPU(i8086)专门开发的，IBM1981年推出的世界第一台PC机中的CPU—i8088(i8086简化版)使用的也是X86指令，同时电脑中为提高浮点数据处理能力而增加的X87芯片系列数学协处理器则另外使用X87指令，以后就将X86指令集和X87指令集统称为X86指令集。

EM64T指令集

　　Intel公司的EM64T(Extended Memory 64 Technology)即64位内存扩展技术。该技术为服务器和工作站平台应用提供扩充的内存寻址能力，拥有更多的内存地址空间，可带来更大的应用灵活性，特别有利于提升音频视频编辑、CAD设计等复杂工程软件及游戏软件的应用。

RISC指令集

　　RISC指令集是以后高性能CPU的发展方向。它与传统的CISC(复杂指令集)相对。相比而言，RISC的指令格式统一，种类比较少，寻址方式也比复杂指令集少。目前使用RISC指令集的体系结构主要有ARM、MIPS。

3DNow!+指令集

　　在原有的指令集基础上，增加到52条指令，其中包含了部分SSE指令，该指令集主要用于新型的AMD CPU上。

七、CPU缓存

不管是AMD还是英特尔，CPU缓存都是分等级的，L1是CPU的指令缓存（L1是指令缓存这句话并不严谨，但是通常你可以这么理解），L2和L3是数据缓存，并不是什么AMD的就都可以来装数据。

通常情侣下，CPU配比的缓存也是有依据的，理论上讲提高CPU L2缓存大小是可以显著提升CPU性能的。但是CPU调取数据是通过缓存调取，不是直接由内存调取（此话不严谨，但通常你可以这么理解，因为在出现微处理器之前没有真正意义上的缓存结构），当L2缓存里面的数据没有被CPU命中时，如果有L3缓存，CPU会优先从L3里面调取，如果没有，则是从内存调取。L2，L3的数据都来自内存，因为CPU从内存调取的速度比从缓存里调取的速度慢，所以L3能够提高CPU调取数据的效率和速度，L3其实是很重要的。

再有就是，因为现在很多的CPU里都有核心显卡，尤其是英特尔CPU内置的核心显卡也是使用L3缓存。

当然，有人会问，为什么不直接提高L2缓存大小？首先要知道，CPU上的缓存成本是非常大的，而且L3本身的目的就是加快CPU数据的调取，弥补L2，降低成本。

补充一句，正确的处理器缓存工作顺序是调取L1指令，然后从L2提取数据，如果未命中则进入L3，如果无L3，则从内存调取数据。

日常应用中，主要是通过鼠标操作软件按钮进而触发程序事件，这些程序在汇编中就是调用CPU中的一些寄存器附值或转换或逻辑，一些数值是什么类型（整数还是浮点）去调用CPU中的不同单元或者寻址（多数在内存上），所以性能的理解就是CPU－内存，两者决定电脑的日常性能

CPU内核包括了一二级缓存，三级缓存不在内核内，一二级缓存与CPU同频速度快延迟小，三级缓存与总线同频，像早期AMD的HT总线及Intel的QPI总线，后来自2代开始Intel换了环形总线，就目前主流CPU来说，环形总线的频率比主频差一点点，早期主频低的时候理解为同频就行了，所以这个Intel环形总线频率几乎与CPU同频延迟非常小（甚至与二级缓存差不太多）；但AMD的就不行了，不管早期HT总线还是近期的光纤总线它的三缓延迟都相对大点，三级缓存可共享，每个核心也分配的有专属空间，跨区访问延迟就大

缓存主要是缓冲内核与内存，因为内存的延迟更大，所以常用的数据存放在缓存中有利于减少CPU访问延迟提升效率，因为不同架构CPU总线速度不一样，内核架构效率不一样，单纯围着三级缓存的容量大小看意义也不大

八、ACPI

ACPI，高级配置和电源管理接口（Advanced Configuration and Power Management Interface），1997年由Intel、Microsoft、Toshiba 所共同制定提供操作系统应用程序管理所有电源管理接口。2000年8月推出 ACPI 2.0规格。2004年9月推出 ACPI 3.0规格。2009年6月16日则推出 ACPI 4.0规格。2011年12月推出ACPI5.0规格。

作为标准中最广为认可的部分，电源管理经历了较多的改进。

早先，Advanced Power Management模型(APM)将电源管理几乎完全分配给BIOS控制，这大大的限制了操作系统在控制电能消耗方面的功能。

当前，ACPI的电源管理特性从以前只适用便携式计算机（例如膝上型计算机）到桌上型电脑、工作站和服务器。例如，系统可能会进入极低功率消耗状态。这些就是可利用在多数桌面型电脑上的“睡眠”和“休眠”设置。睡眠和休眠状态可以通过移动鼠标，按键盘按键，从另外一台电脑接收一条信息（如果连接到了一个局域网）或者重大系统错误来唤醒系统。

如果ACPI在BIOS和其他系统硬件中被实现，它就可以由操作系统所调用(触发)。

ACPI可以实现的功能包括：

系统电源管理（System power management）

设备电源管理（Device power management）

处理器电源管理（Processor power management）

设备和处理器性能管理（Device and processor performance management）

配置/即插即用（Configuration/Plug and Play）

系统事件（System Event）

电池管理（Battery management）

温度管理（Thermal management）

嵌入式控制器（Embedded Controller）

SMBus控制器（SMBus Controller）

STD是一种省电的高级应用，全称为“Suspend To Disk””（STD就是休眠至硬盘功能，将当前系统状态保存到硬盘后，硬盘随即停止转动，系统进入低功耗状态当再开机时系统会跳过自检，直接从硬盘恢复原来的系统状态，而不是正常系统的默认状态，从而缩短了开机时间。）这种模式由于硬盘文件格式的兼容性可能会出现问题，刷新BIOS就可以解决问题。

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，硬盘存储S4前数据信息，所以S4是比S3更省电状态.

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，即关机（shutdown），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。

ACPI VS APM

如前面提到的，ACPI取代了APM。这主要归咎于APM将电源管理归于BIOS，OS无从插手，而且其只有电源管理的能力而没有配置的功能（ACPI里的Configuration）。有趣的是APM也是微软和Intel发明的，那是在1992年，他们为了支持那时候才开始火热的IBM兼容机，才加上了电源管理模块。可是计划赶不上变化，才没过几年就不得不提出新的规范。从APM到ACPI的转化使得OS可以全面掌控各个电源模式的转化，并提供了配置功能。