что происходит при включении компьютера
Включение и загрузка компьютера
Для включения практически любого компьютера используется кнопка «Power» («Питание»), расположенная на лицевой части его корпуса. Корректное выключение компьютера производится из операционной системы, хотя можно так же воспользоваться этой кнопкой. Так же кнопка «Power» поможет произвести экстренное выключение в случае «зависания» компьютера.
Рядом с кнопкой включения на системном блоке, часто располагается еще одна кнопка, более маленького размера. Называется она «Reset» («Перезапуск») и служит для аварийной перезагрузки компьютера без выключения питания. На ноутбуках данная кнопка отсутствует.
Монитор имеет собственную кнопку включения и выключения питания. Правда, включить его достаточно лишь в первый раз или после полного отключения электричества. В дальнейшем при включении компьютера, монитор будет включаться автоматически, а при его выключении, автоматически переходить в «спящий режим» (выключаться).
После нажатия на кнопку включения начинается процесс загрузки компьютера, которая проходит в несколько этапов. В первую очередь происходит процесс проверки основных устройств: видеокарты, процессора, оперативной памяти, подключенных носителей информации, клавиатуры и других. В этот момент на экране будут мелькать всевозможные сообщения или появится изображение логотипа производителя системной платы (компьютера).
При этом если в процессе тестирования оборудования произойдут какие-либо ошибки, то на монитор будет немедленно выведено сообщение об этом. Например, при не подключенной клавиатуре вы, скорее всего, увидите сообщение: «Keyboard error or no keyboard present».
На большинстве компьютеров, после успешной проверки его компонентов, выводится на экран сводная таблица, содержащая информацию о конфигурации системы. Из нее можно узнать о типе и характеристиках установленных процессора, памяти, жесткого диска и прочих устройствах вашего ПК.
Итак, если аппаратная составляющая вашего компьютера в порядке и средства самотестирования не выявили никаких проблем, то далее начинается непосредственно процесс загрузки операционной системы. В течение некоторого времени в оперативную память и на жесткий диск загружаются самые важные компоненты ОС:
Пользователи же в этот момент наблюдают на экране монитора стартовую заставку той операционной системы, которая установлена на вашем компьютере.
Наконец перед вами должен появиться основной экран ОС или так называемый рабочий стол. Еще какое-то непродолжительное время может понадобиться системе для загрузки вспомогательных приложений, например антивируса. После этого экран «успокоится» и на этом загрузку системы можно считать законченной, а компьютер готовым к работе.
Что происходит с компьютером после включения
На вопрос «что происходит с компьютером сразу после включения» можно дать простой ответ.
Он начинает шуметь вентиляторами, шуршать винчестером, мигать индикаторами, выводить служебные сообщения на экран монитора.
И загружать операционную систему.
Но за этой внешней простотой скрывается кое-что еще. Давайте-ка запасемся «мелкоскопом» и глянем более внимательно, что же именно творится в недрах компьютера!
Источник дежурного напряжения в блоке питания
Сразу отметим, что, если питающий шнур системного блока вставлен в сеть, часть блока питания работает, вырабатывая так называемое дежурное напряжение +5 В. Это напряжение питает часть компонентов материнской платы.
Это позволяет включать компьютер не только нажатием кнопки включения, но и нажатием кнопки на клавиатуре, движением мыши или нажатием ее кнопки.
Можно «будить» компьютер и через локальную сеть (при соответствующих настройках BIOS Setup).
Эти экзотические функции используются редко. Но при этом часть блока питания работает все время.
Конденсаторы в источнике дежурного напряжения подсыхают и быстрее вырабатывают свой ресурс. К тому же, вероятность выхода из строя источника дежурного напряжения (и, соответственно, всего блока питания) вследствие скачков напряжения в сети повышается.
Поэтому сетевое напряжение в отсутствие работы на блок питания лучше не подавать.
Но каждый раз вынимать вилку шнура из розетки неудобно. Удобно пользоваться специальным фильтром на 5 или 6 розеток с выключателем. Выключатель чаще всего имеет подсветку, что повышает удобство пользования.
При включении компьютера источник дежурного напряжения запускает основной инвертор. Последний вырабатывает основные постоянные напряжения.
Следует отметить, что сразу после запуска основного инвертора выходные напряжения колеблются в течение нескольких десятков или сотен миллисекунд. Это так называемые переходные процессы.
Что такое сигнал «Power Good»и зачем он нужен?
Если процессор будет в это время выполнять какие-то действия, то может быть искажение данных в его регистрах и ячейках оперативной памяти. Поэтому процессор содержит в себе вывод (вход) сброса или обнуления Reset.
Если на нем будет низкий логический уровень (напряжение, близкое к нулю), то процессор будет находиться в состоянии сброса. При этом все его регистры очищаются. Как только логический уровень станет высоким (напряжение станет равным +5 В), процессор стартует, начиная выполнение программы с нулевого адреса.
Сигнал на этот вход подается со специального вывода (вывод 8) разъема блока питания, который называется «Power Good» или «Power OK». Чаще всего он серого цвета.
Напряжение +5 В появляется там с задержкой, к тому времени, как переходные процессы уже закончились.
Бывают случаи (к счастью, достаточно редко), когда блок питания вырабатывает все основные напряжения в пределах нормы, а сигнал «Power Good» отсутствует. И компьютер при вроде бы исправном блоке питания не стартует. Это может ввести в ступор неопытного ремонтника.
Решается проблема ремонтом (или заменой) блока питания.
Как работает POST и что это такое?
Если все напряжения в норме и присутствует сигнал «Power Good», начинается выполнение программы POST (Power-On Self Test).
Это программа встроена (еще говорят «прошита») в BIOS (Basic Input Output System, базовая система ввода-вывода) материнской платы.
Процессор посылает тестовые сигналы на оборудование, которое имеется на борту и определяет их наличие (или отсутствие) и исправность.
Проверяется наличие винчестера, приводов DVD, видеоподсистемы, устройств ввода (мыши, клавиатуры) и другого оборудования. Кроме того, производится быстрый тест памяти. Надо сказать, что тест памяти, заложенный в программе POST, именно быстрый.
Он может не выявить всех возможных ошибок памяти. Бывали случаи, когда этот тест проходил нормально. Но потом компьютер в процессе работы обращался к дефектной ячейке памяти и выпадал в «синий экран смерти».
Существуют специальные (расширенные) тесты памяти, позволяющие сделать однозначный вывод о работоспособности ячеек модулей памяти. Такие тесты длятся достаточно долго и записывают в каждую ячейку самые различные кодовые последовательности.
Если в ячейку записались одни данные, а считались другие – ячейка считается дефектной.
Такой модуль подлежит замене.
BIOS Setup и Hardware Monitor
Если все оборудование в норме, программа POST издает короткий звуковой сигнал и обращается дальше к программе настройки (также «зашитой» в BIOS) Setup. Программа BIOS Setup имеет систему вложенных меню, которые можно увидеть на экране монитора.
Чтобы их увидеть, надо во время процедуры POST (сразу после включения) периодически кратковременно нажимать на клавиши Del, F2, F10 или другие (зависит от производителя BIOS и компьютера).
В настройках можно устанавливать дату, время, источник загрузки системы, константы, определяющие работу процессора, памяти и множество других параметров. Можно увидеть и параметры hardware monitor – напряжения блока питания, обороты вентиляторов, температуру процессора.
Это чрезвычайно полезная информация, позволяющая определить причины нестабильной работы компьютера.
Отметим, что если сразу после старта компьютера температура процессора достигает 50-60 градусов Цельсия и выше, то это говорит о проблемах с его охлаждением.
Часто BIOS Setup можно настроить так, что эти параметры будут выводиться при старте компьютера (перед загрузкой операционной системы).
И не нужно будет каждый раз входит в Setup. Но эти служебная информация будет пребывать на экране недолго, не более 2 секунд. Чтобы внимательно посмотреть на все параметры, надо нажать кнопку Pause на клавиатуре.
Отметим, что все эти параметры можно посмотреть и другим способом, уже после загрузки операционной системы. Для этого можно использовать программы Aida, Everest и им подобные.
Настройки BIOS Setup – это отдельная большая (и сложная для начинающих) тема, об этом мы расскажем в следующих постах. Пока скажем только об опциях выхода из программы настройки. В большинстве случаев могут быть следующие опции:
Если вы плохо ориентируетесь в опциях BIOS Setup (или забыли, что меняли), то при выходе из нее используйте опцию «Exit without saving» (выйти без записи). И все, что вы случайно «наклацали», не запишется.
Можно еще использовать опцию «Load Default». При этом будет выполнена настройка параметров BIOS «по умолчанию», определяемая производителем.
Заканчивая первую часть статьи, отметим, что после выполнения программы POST начинается загрузка операционной системы. Об этом – в следующей части статьи.
Что происходит при включении компьютера
Для того чтобы лучше ориентироваться в настройке компьютера в процессе его работы, посмотрим, что происходит в компьютере при включении питания. Образно говоря, в этот момент все компоненты компьютерной системы еще «спят». Кто же их разбудит? — BIOS, базовая система ввода-вывода (basic input/output system). Эта программа записана в память на специальной микросхеме материнской платы. Именно BIOS отвечает за первоначальную загрузку компьютера после его включения.
■ В первую очередь после включения (или перезагрузки) компьютера
идет поиск видеоадаптера, который установлен в системе. Это сделано
по той простой причине, что без видеоадаптера компьютер не сможет
вывести на экран никакой информации, и дальнейшая его работа по
выводу на экран результатов само диагностики и первоначальной
загрузки будет лишена всякого смысла. Обычно в таких случаях система
прекращает загрузку с выдачей соответствующего звукового сигнала
об ошибке.
(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push(<>);
Но вот видеоадаптер обнаружен. Далее происходит его инициализация, и после этого чего на экране на несколько секунд появляется изображение, которое может содержать сведения об установленном в системе видеоадаптере, объёме его памяти, а также некоторые другие детали (например, логотип производителя видеоадаптера).
Таким образом, определение видеоадаптера происходит даже раньше, чем определение типа процессора и установленной оперативной памяти. Впрочем, если процессор вообще не обнаружен или не может быть использован, то система обычно вообще не может ни выдать на экран какого-то либо изображения, ни просигнализировать звуком.
■ После определения видеоадаптера определяется тип процессора.
На этом этапе также устанавливается его тактовая частота в соответствии с настройками BIOS. На экран при этом выводится информация о типе процессора и его тактовой частоте, например Pentium IV at 2600 MHz.
■ Затем загрузочная программа определяет объём и тип установлен
ной в системе оперативной памяти. Далее выполняется тестирование
оперативной памяти. Результаты также выводятся на экран.
■ Следом начинается инициализация и проверка устройств, подключённых к контроллерам EDE. Это могут быть жёсткие диски, приводы компакт-дисков или DVD и другие накопители. Сведения об этих накопителях обычно берутся из значений параметров BIOS. Если же в настройках прописано авто определение накопителей (значение Auto), система постарается определить их «на ходу» автоматически. Правда, на это требуется дополнительное время.
■ После описанных манипуляций программа первоначальной загрузки компьютера производит проверку флоппи-дисковода, если он установлен в системе. Для этого контроллер посылает дисководу несколько команд и система «наблюдает» за его откликом.
■ Следующим этапом является поиск и проверка установленных в системе плат расширения: внутреннего модема, звуковой карты, карты видеозахвата, карты TV-тюнера или FM-тюнера и пр. Некоторые платы (например, SCSI-контроллер) могут иметь свою собственную BIOS. В этом случае управление может быть на время передано этой BIOS.
В заключение на экран монитора выводится сводная таблица сведений о конфигурации компьютера, содержащая:
■ идентификационный номер процессора (если он есть);
■ тактовую частоту процессора;
■ объём установленной оперативной памяти;
■ сведения о форм-факторе флоппи-дисководов;
■ сведения об установленных IDE-устройствах;
■ обнаруженные последовательные и параллельные порты и адреса их ввода-вывода;
■ сведения об установленных модулях памяти;
■ сведения о платах расширения, включая устройства, поддерживающие и не поддерживающие стандарт Plug-and-Play.
Как загружается компьютер?
в Компьютеры 19.03.2019 0 97 Просмотров
Термин «boot – загрузка» используется для описания процесса, выполняемого компьютером при включении, который загружает операционную систему и подготавливает систему к использованию. Загрузка и запуск – всё это синонимы и, как правило, описывают длинный список вещей, которые происходят от нажатия кнопки питания до полностью загруженного и готового к использованию сеанса операционной системы, такой как Windows. С момента включения питания и до начала работы, загрузка компьютера является очень сложным процессом.
Что происходит во время процесса загрузки?
С самого начала, когда нажимается кнопка питания для включения компьютера, блок питания подаёт питание на материнскую плату и её компоненты, чтобы они могли играть свою роль во всей системе.
Первая часть следующего шага процесса загрузки контролируется BIOS и начинается после POST. Это когда сообщения об ошибках POST выдаются, если есть проблема с любым аппаратным обеспечением.
После отображения на мониторе различной информации, например, о производителе и подробностях BIOS, BIOS в конечном итоге передаёт процесс загрузки основному загрузочному коду, который передаёт его к загрузочному коду тома, а затем, наконец, диспетчеру загрузки для обработки остальных данных.
BIOS находит нужный жесткий диск с установленной операционной системой. Это делается путём проверки первого сектора жестких дисков, которые он идентифицирует. Когда он находит нужный диск с загрузчиком, он загружает его в память, чтобы программа загрузчика могла затем загрузить операционную систему в память, установленную на диске.
В более новых версиях Windows BOOTMGR – это менеджер загрузки, который используется для загрузки ОС.
Это объяснение процесса загрузки, которое вы только что прочитали, является очень упрощенной версией того, что происходит, но оно даёт вам некоторое представление о том, что происходит при включении компьютера.
Жёсткая (холодная) загрузка и мягкая (теплая) загрузка
Возможно, вы слышали термины «жесткая/холодная загрузка» и «мягкая/тёплая загрузка» и задавались вопросом, что это значит. Разве загрузка не просто загрузка? Как вы можете иметь два разных типа?
Холодная загрузка – это когда компьютер запускается из полностью мертвого состояния, когда компоненты ранее были вообще отключены. Жёсткая загрузка также характеризуется тем, что компьютер выполняет самотестирование при включении питания или POST.
Тем не менее, существуют противоречивые мнения о том, что на самом деле подразумевает холодная перезагрузка. Например, перезагрузка компьютера под управлением Windows может заставить вас подумать, что он выполняет холодную перезагрузку, потому что система, кажется, выключается, но на самом деле может не отключить питание материнской платы, и в этом случае будет применена мягкая перезагрузка.
Жёсткая перезагрузка – также термин, используемый для описания, когда система не выключается упорядоченным образом. Например, нажатие кнопки питания для выключения системы с целью перезапуска называется принудительной перезагрузкой.
Дополнительная информация о загрузке
Вы можете подумать, что изучение процесса загрузки глупо или бессмысленно, и, возможно, это для большинства людей так и есть, но это не всегда так. Если вы хотите узнать, как загрузить компьютер с флэш-накопителя или диска, вы должны сначала понять, что в процессе загрузки наступает момент, который даёт вам такую возможность. Проблемы, возникающие в процессе загрузки, не распространены, но они случаются. Посмотрите статью, как починить компьютер, который не запускается, чтобы выяснить, что пошло не так.
Термин «boot» происходит от фразы «загрузка». Идея состоит в том, чтобы понять, что должна быть часть программного обеспечения, которая может запускаться изначально, перед другим программным обеспечением, чтобы операционная система и программы могли работать.
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.