CN100580627C

CN100580627C - 启动计算机系统的方法和设备

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Publication number: CN100580627C
Application number: CN03827195A
Authority: CN
Inventors: 丹尼尔·詹姆士·奥康纳尔
Original assignee: T1 TECHNOLOGIES Ltd
Current assignee: T1 TECHNOLOGIES Ltd
Priority date: 2003-09-24
Filing date: 2003-09-24
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2023-09-24
Also published as: EP1685482A4; CN1886729A; EP1685482A1

Abstract

一种使用非易失可重编程存储设备快速启动个人计算机系统的方法。当系统处于所需要的操作状态时系统工作存储器内容的一个压缩存储镜像被保存在非易失可重编程存储器中。镜像能在启动过程中，或者当计算机系统关机时被捕获到。当用户重启计算机时，将存储镜像解压缩并且装载到工作存储器中。这在非常短的时间内使计算机处于可操作状态。

Description

启动计算机系统的方法和设备

技术领域

本发明涉及了计算机系统或者其它数字处理设备的启动，尤其与桌面计算机系统和包括移动计算设备在内的个人计算机有关。

背景技术

冷启动或者硬启动后个人计算机通常运行的第一个程序是加载在只读存储器(ROM)或者电可擦除只读存储器(EEPROM)上的一套指令，其包含初始化系统硬件并且能使机器激活硬盘驱动来找到引导装载程序所需的信息。

所以，目前，操作系统从本地硬盘驱动器将启动信息和文件加载到工作存储器或系统存储器中，通常称之为随机存取存储器(RAM)。信息通常包括文件系统驱动程序，操作系统内核，必须解析成有用信息的配置和设备信息，以及通常的外观定制。

由于这些文件的绝对数量和容量，计算机通常要花费几分钟来启动即进入可用状态，这通常使终端用户非常沮丧。

个人计算机的启动时间对工作者的生产力有着很大的影响。个人计算机广泛应用于工作场所，尤其是办公室环境。在一个大的办公室中，等待电脑启动所花费的时间会导致大量的非生产性时间。如果职员使用移动个人计算机在整个工作日开会，那么问题更为严重。而且，由于操作系统错误不得不重启计算机也是常有的现象，这种操作系统错误的出现仅是由于计算机的使用。

而且，在某些环境中，计算机系统或其它数字处理设备的连续性很重要，例如，通信系统或生产过程的控制。因此，源于系统故障或崩溃的故障时间必须保持最小。

高级配置和电源接口(ACPI)规范可以减小启动时间，但是即使执行这种规范的系统通常也需要用户等待至少30秒才能使用计算机。

发明目的

本发明的目的是提供一种启动计算机系统的方法和设备，其至少有助于克服现有技术的缺点，或者至少向公众提供一种有效的选择。

可选择地，本发明的目的是提供一种启动计算机系统的方法和设备，其将减小现有系统启动所需的时间。

发明内容

本发明提供了一种启动数字处理设备的方法，例如计算机系统。所述系统有一个工作存储器，并且所述方法包括提供系统工作存储器内容的存储镜像以及将该存储镜像装载至非易失可重编程存储器的步骤。当系统需要启动时，来自非易失可重编程存储器的存储镜像被加载到系统工作存储器中，因此，在非常短的一段时间就可以启动系统。

在一个优选的具体实施例中，适配所述系统从非易失可重编程存储器启动或者从系统硬盘驱动器启动。使用任一种方法系统都会将来自非易失可重编程存储器的存储镜像加载到RAM中，将操作系统恢复为先前的工作状态。

优选地，所需操作系统的配置程序另外建立压缩存储镜像(CMI)，所述的压缩存储镜像包含当前储存在RAM中所有数据的压缩镜像，例如目前在ACPI 2.0a规范中执行为State S4系统环境文件。这个文件被储存在非易失可重编程存储器中，但是配置程序不会象目前ACPI 2.0a规范中State S4系统环境文件的创建那样关闭计算机，而是遵从其已编制的关机程序。

当用户重启计算机，例如通过按“开机”按钮，BIOS或者到非易失可重编程存储器中查看启动信息，或者在硬盘上查看启动信息。然后计算机根据正常的上电自检(POST)启动方式进行启动，于是已修改的操作系统引导装载程序将来自非易失可重编程存储器的事先已创建的压缩存储镜像(CMI)解压缩并传递至主存储器或工作存储器(RAM)中。这可有效地使计算机恢复到原先的开机状态，用户只要输入他或她的密码(如果需要)并且开始正常地使用计算机。

当用户希望关闭计算机系统，操作系统首先检查是否对计算机的配置进行了重大的改变。如果没有重大的改变，操作系统仅仅以与所知的关闭程序类似的方式关闭计算机，但是并不保存任何新的系统配置数据。如果进行了重大的改变，那么在一个优选的具体实施例中，操作系统将当前存储在RAM的所有数据保存并且压缩为位于非易失可重编程存储器内的一个新的CMI，并且保存先前的存储镜像以便恢复和故障诊断。

本发明进一步提供了包含非易失可重编程存储器的计算机系统，所述非易失可重编程存储器包括了系统工作存储器内容的存储镜像。

存储镜像可以是用户所需的某种状态下的系统工作镜像，包括引导后即刻的状态，或者某些应用程序开启时的状态。存储镜像也可以只是操作系统的影像或者部分镜像。优选地，存储镜像为已压缩的存储镜像(CMI)，在将其加载到系统工作存储器时或者之前进行解压缩。

在一个优选的形式中，所述存储镜像包括一个已压缩的存储镜像。而且，所述的系统包括磁盘驱动器或者其它存储设备，其至少包括一个存储镜像或已压缩存储镜像的存档备份。

本发明也提供了一种关闭计算机系统的方法，其包括把存储在RAM中所有当前数据的压缩镜像存储为非易失可重编程存储器中的压缩存储镜像(CMI)的步骤，并且把CMI的一个或多个存档备份存储在另一个存储设备上，例如本地系统硬盘驱动器。

优选的非易失可重编程存储器是闪存(FLASH)存储器。

优选地，通过闪存转换层(Flash Translation Layer，FTL)修改操作系统源代码以在内部支持闪存文件系统(Flash File System，FFS)，例如Intel特有的FTL规范。

(http://www.intel.com/design/flcomp/applnots/297816.html)

优选地，利用闪存文件系统(FFS)和闪存转换层(FTL)修改计算机系统的BIOS以从非易失可重编程存储器启动。

由于先前的关机程序，压缩存储镜像(CMI)方便地拥有当前储存在RAM中所有数据的压缩版，这与目前ACPI 2.0a规范中的State S4关机程序类似。

在最优实施例中，将所述的先前的CMI存档在已安装且非易失可重编程存储器中以用作“已知最近正确的”CMI。

附图说明

图1是根据关于操作系统驱动计算机的本发明的的计算机启动或者开机过程的流程图。

图2是根据关于BIOS驱动计算机的本发明的计算机启动或开机过程的流程图。

图3根据本发明的关机过程的流程图。

图4是计算机系统的图形表示，包括用于进程图中启动过程和关机过程的非易失可重编程存储器。

具体实施方式

下面所述示例涉及使用本发明启动个人计算机和涉及一种具有配置用于有效启动该计算机的非易失可重编程存储器的个人计算机。然而，本发明也可应用于其它只需加载操作系统以备使用的数字处理设备，例如，计算机游戏机，商用机和电信设备。

参照图1，根据本发明举例说明了计算机系统启动和开机过程流程图。

参照图1的所述方法假定正在进行“冷”启动或“硬”启动。所述技术领域内的熟练人员将了解到所述方法在“热”启动或“软”启动情况下同样适用。

参照图1，例如，在步骤1中用户激活系统电源按钮。这是将电源施加至该系统，在通常情况下，BIOS软件会初始化启动程序。因此在步骤2中，BIOS被激活，完成它通常的上电自检(POST)初始化程序，然后做下面两件事中的一件。BIOS或者：a)查找系统硬盘驱动器的操作系统引导装载程序，如同在现有启动程序中发生的一样；或者：b)可选择地，所述BIOS查看在计算机系统中提供的非易失可重编程存储器。即使BIOS首先查找硬盘驱动器的操作系统引导装载程序，所述引导装载程序仍然引导系统从非易失可重编程存储器下载存储镜像，就像下面进一步所述，尽管这可能是有条件的，需要用户输入存储在BIOS中的密码。

非易失可重编程存储器被提供作为集成电路，其可访问计算机系统，例如将其提供在个人计算机主板上。或者，其被提供作为PCI内插卡以更新一台现有机器。也可以其它方式提供非易失可重编程存储器，只要满足访问系统的需要，使得系统能充分快速地读取其内容从而使本发明的启动方法值得做。

现在转到步骤3，因此操作系统引导装载程序开始启动过程，或者直接从非易失可重编程存储器的内容或者从系统硬盘驱动器。

非易失可重编程存储器器包括RAM内容的存储镜像，当加载到系统存储器时，其足以使计算机系统处于用户可使用的状态，即启动计算机系统。

根据用户需要，在非易失可重编程存储器中捕捉到和提供的存储镜像可以有多种形式。例如，非易失可重编程存储器可以包括引导后系统工作存储器(即RAM)内容的存储镜像。

例如，另一个选择是加载非易失可重编程存储器，它具有当前存储在RAM中所有数据的优选的压缩存储镜像。在一个优选形式中，在先前的关机程序之后存储这一压缩存储镜像，该关机程序类似于目前ACPI 2.0a规范中的State S4关机程序。这包括计算机系统的计算机和/或操作系统的设置，其中，所述计算机系统处于以备用户使用的状态，并且最好提供给一个用户以恢复系统的使用，当该系统处于与用户开始关机时相同或大致相同的情况下。

标准的ACPI S4关机细节可以从目前ACPI规范，修正版2.0(http://www.acpi.info)中找到。

存储镜像也可以是系统存储器的部分镜像。因此，例如，所述镜像可以包括涉及大多数操作系统的数据，用来构造或建立系统工作存储器所必需的剩余信息可以从另一个诸如系统硬盘的记忆存储设备加载到工作存储器中。在非易失可重编程存储器的大小要受到限制的情况下，例如由于成本的约束，这种配置是较好的，但是本发明仍然值得做，因为与熟知的启动过程相比，完成启动过程所花费的全部时间仍然显著减少。

存储镜像可以最初创建于操作系统建立的过程中，或者无论任何时候用户对计算机配置进行重大改变，存储镜像都会被替换。另外，每次用户开始一个关机程序时，存储镜像也会被捕捉到。参照图2对这些选项进行更深入的讨论。

优选地，将该存储镜像进行压缩，这样将一个压缩的存储镜像(CMI)存储在所述非易失可重编程存储器中，并且在需要的时候可以从非易失可重编程中重新找回。压缩可以节省大量的存储器空间，而解压过程并没有显著增加由本发明所得到的已减少的启动时间。可能会使用诸如在开放源Zlib压缩库中得到的压缩算法。

除了压缩之外，还可以对存储镜像进行与硬盘驱动器同样标准加密，以阻止企图从存储器中恢复信息，当携带同样数据的硬盘驱动器受到保护时。

图1中，当已确定存在一个压缩的存储镜像时，用户按提示输入密码(步骤7)并且输入之后(步骤9)，位于非易失可重编程中的CMI会被解压缩，并且所述的计算机系统设置和全部存储器内容从解压缩的CMI中(步骤18)加载到RAM中。如果提供一个错误的密码(步骤8)则登陆失败(步骤10)并且计算机关机(步骤13)，同时可选择地删除已压缩的存储镜像(步骤12)。如果删除了CMI，下一次启动将是一个正常的启动程序(步骤4-6，23-24)。

一旦密码通过验证，操作系统检查是否对硬件配置进行了大的改动(步骤14)，如果有大的改动(步骤16)则执行正常启动(步骤23-24)。假定主要的组件没有改变开机(步骤15)应用程序，就会从RAM(步骤19)加载服务和设备驱动器。然后检查额外的基础硬件，如果任何一个有问题，则将其标记以提示随后保存配置。较快速的启动过程就此完成。

因为存储器内容非常快速地从非易失可重编程存储器加载到RAM中，而不是从系统硬盘寻找和传送，所以显著减少了启动过程所需的时间。

以启动一个使用Microsoft Windows^TM操作系统的个人电脑为例，BIOS首先检查非易失可重编程存储器中的启动信息，并且将窗口启动文件和内核加载到存储器中。如果空间允许则会创建注册表并将其存储在非易失可重编程存储器中，或将其创建并存储在本地硬盘驱动器中，就像现有系统一样。当加载Windows时，设备驱动器将从非易失可重编程存储器中加载到RAM中。服务和第三方启动应用程序将从本地硬盘驱动器中预先加载。一个典型的个人计算机可通过提供附加到机器主板上的64兆或64兆字节以上的非易失可重编程存储器芯片，进行物理修改来实现这个过程。利用对闪存文件系统(FFS)和闪存转换层(FTL)的内部支持，修改PC上的BIOS以允许从非易失可重编程存储器启动。MicrosoftWindows^TM，例如Windows XP可以通过内部驱动器(即FAT16/32，NTFS和FFS/FTL)或第三方驱动器予以修改来支持FFS/FTL。通过基于外插式PCI的产品可以提供硬件支持。窗口启动文件和设备驱动器被增添到非易失可重编程存储器中，并且第三方启动程序被物理移动到硬盘驱动器开始处。

在另一个使用Windows操作系统的示例中，BIOS从非易失可重编程存储器中启动，并且加载和解压缩存储镜像到RAM中。存储镜像在RAM中后，微小的环境改变都会在硬盘驱动器开始处予以加载和创建。包括(但不局限于此)下面：

应用程序安装

非关键启动应用程序

注册表

页面文件(虚拟内存)

对一个运行Microsoft Windows操作系统的典型个人电脑所做的物理改变与上述示例中涉及的内容基本相似，然而，在Windows启动过程中创建一个用户，所述用户定制128兆字节(一直到1GB)压缩的Windows存储镜像，并存储在非易失可重编程存储器中。进一步的定制设置存储在硬盘驱动器的开始处。

图2表示那些计算机的替换程序，所述计算机使用BIOS检查组件改变。这个程序与图1中程序的唯一区别是ZBIOS执行了硬件配置检查而不是使用提供检查的操作系统。

现在转到图3，用图形举例说明了一个根据本发明的计算机系统的关机过程。所述过程从步骤26开始，用户选择操作系统的关机命令。然后操作系统检查步骤27中的更改标志，作为关机过程的一部分。无论任何时候对所述计算机配置进行了重大的改动，所述操作系统将所述更改标志置1。一个重大的改动可以包括(不限于此)下列：

(a)新应用程序安装

(i)一旦操作系统启动，应用程序安装就需要加载组件。

(b)注册表的改动

(c)设备驱动器升级

(d)服务包/补丁安装

(e)服务修改

(f)用户环境定制

(i)桌面

(ii)壁纸

(iii)主题

(iv)声音

(v)图标

(vi)色彩方案

所以，在启动以后任何一个新的用户会话，都将修改标志置为假。那么，当发生重大改变时，例如上述所列的改变，那么将所述标志置为真。上述提供的重大改变的列表用于清楚的说明，而非穷举。而且，用户可能希望从上述提供的表中排除某些行为。

返回到图3，如果更改标志如步骤28所示为假，那么操作系统关闭所有打开的文件，设备和服务，但是不保存任何系统配置数据，因为如步骤29所示，在此范围内没有作任何改动。然后操作系统继续正常的关机过程，即步骤30中，目前在ACPI 2.0a规范中执行为State S5关机。然后，计算机处于某种状态，或者在步骤31中自行关机或者提示用户关闭机器。

如果如图3中步骤32所示更改标志为真，那么将“已知最近一次正确的”(LKG)压缩存储镜像存档到一个适当的存储装置，例如系统的本地硬盘驱动器。这会发生在步骤33中。

然后，在步骤34中，用于最后启动系统的CMI，即有效的CMI，被用作LKG CMI。

然后，操作系统初始化已改动的关机程序，如步骤35所示。

在步骤36中，使用适当的压缩算法将目前存储在RAM中的所有数据进行压缩并加载到非易失可重编程存储器中，成为新的有效的CMI。任何需要的存储镜像加密可以在这个阶段执行。然后，参照如上步骤15所述，操作系统完成所述修改的关机过程。

根据图3中的所示方法，可以了解到用于启动系统的压缩存储镜像的存档被保留下来。因此，如果用户进行了对机器操作有害即不需要的重大改变，或者如果系统崩溃，用户将总有一个压缩的存储镜像，可用来重新启动机器。

现在转向图4，根据本发明，计算机系统示例中的基本处理器和存储组件如图所示。对于本发明涉及的技术领域内的熟练人员，存储设备的其它的布置和通信路径也是可能的。所述系统有一个中央处理单元(CPU)401，在其中提供了一个控制单元402。提供如随机存取存储器(RAM)的形式的工作存储器，同样也提供非易失可重编程存储器404。数据总线405允许在控制单元402控制下经由地址数据控制总线406实现数据在RAM403和CPU401之间相互交换。类似地，数据总线407允许在控制单元402控制下经由地址数据控制总线408实现数据在非易失可重编程存储器403和CPU之间相互交换。因此，总线407允许包含有整个存储内容的RAM中信息被传送到非易失可重编程存储器404中。总线405和407可以组成系统总线。而且，RAM403的内容也许已经是压缩的，借此压缩镜像可以经由总线407传送以存储在非易失可重编程存储器404中。那么，当需要时，存储在非易失可重编程存储器404的存储镜像可以直接传送给RAM403，或者首先被压缩然后在RAM403中安装。

非易失可重编程存储器404的优点是，其本质上是一个非易失的稳态设备，所以当停止计算机系统电源供应时，非易失可重编程存储器的内容仍然保留。然而，本技术领域中的熟练人员将理解到本文件中所提及的非易失可重编程存储器包括闪存RAM的使用，即非易失可重编程存储器的形式，其需要诸如电池的外部电源来维持存储内容。

根据本发明，例如，非易失可重编程存储器设备可提供作为在系统主板上集成电路，或者在单独的板或卡上。具体地说，如果需要，非易失可重编程存储器可提供在卡上，例如参考那些商标为SmartMedia或CormpactFlash的卡。

目前可用的某些非易失可重编程存储器产品具有比硬件驱动器更快速的加载时间量级，所以，可以了解到根据本发明的所述方法和系统与先前的技术系统相比，在启动时间方面提供了极大的优势。

其它类型的非易失存储器和稳态磁盘可以用于或者取代闪存存储器，例如磁性随机存取存储器(Magnetic RAM，MRAM)，其自夸读操作和写操作的传送速度以指数倍快于闪存。MRAM有望在2005年批量生产。

而且，因为非易失可重编程存储器产品正在以合理的价格应用，将会看到本发明提供一个相对价格低廉易于安装的系统，无论作为现有产品还是新产品的更新系统，都不需要对用户习惯做任何改变。

本文件中提及的计算机系统通常包括数字数据处理系统。

本说明书全部的描述和权利要求中，单词“comprise”和其变化形式，例如“comprises”和“comprising”无意排除其它的附加，组件，整体或步骤。

工业实用性

本发明提供一种使计算机启动显著快于标准的硬盘启动的方法，因此提供了减少用户等待计算机加载软件的时间花费，这段时间用户可执行有用的工作。另外提供了在安全模式下做此项工作。

Claims

1.一种启动计算机系统的方法，所述计算机系统由至少一个中央处理单元和可加载的操作系统组成，并且具有系统工作存储器，所述系统工作存储器用于接收所述可加载的操作系统到所述可加载的操作系统被完全加载的水平，所述方法包括下面的步骤：

提供所述系统工作存储器所需内容的所存储的、加密的存储镜像，

加载所存储的、加密的存储镜像至非易失可重编程存储器中，

并且一旦所述系统需要启动，则将来自所述非易失可重编程存储器的所述存储镜像加载或重新加载到所述系统工作存储器中，

其特征在于当加载或重新加载所述存储镜像时，装载程序识别在所述计算机系统中的、与所述存储镜像的部分不兼容的被改变的硬件，并返回到正常的启动顺序，提供在关机之前必须创建所述系统工作存储器的所述所需内容的新的存储镜像的指示。

2.如权利要求1所述方法，特征在于其包括以下步骤：加密和压缩所述存储镜像并将已加密的、压缩的所述存储镜像加载到所述非易失可重编程存储器中，并且在重新加载时，解压缩和解密已压缩的所述存储镜像，以便将解压缩的所述存储镜像加载到所述工作存储器中。

3.如权利要求1所述方法，特征在于所述存储镜像包括来自虚拟存储器或易失性页面文件的页。

4.如权利要求1所述方法，特征在于提供所述存储镜像的步骤最初是通过在所述操作系统建立过程中创建所述存储镜像来实现的。

5.如权利要求1所述方法，特征在于其包括响应所述系统的配置的重大改变来进行更新所述存储镜像的步骤。

6.如权利要求5所述方法，特征在于所述更新步骤包括存档已知最近正确的存储镜像的步骤。

7.如权利要求5所述方法，特征在于当关机时不需要对存储镜像进行改变时，就不保存系统配置改变。

8.如权利要求1所述方法，特征在于所述非易失可重编程存储器是闪存存储器，并且所述方法包括修改所述操作系统源代码以支持闪存文件系统和/或闪存转换层的步骤。

9.如权利要求1所述方法，特征在于其包括修改BIOS以从所述非易失可重编程存储器启动的步骤。

10.如权利要求9所述方法，特征在于从所述存储镜像启动需要BIOS密码。

11.如权利要求10所述方法，其中，提交正确密码失败会删除所有所存储的存储镜像。

12.如权利要求1所述方法，特征在于所述存储镜像是包括所有系统设置和与已登录用户相关的存储内容的镜像。

13.一种计算机系统，包括：

数字处理装置，

用于所述数字处理装置的工作存储器，

用于所述数字处理装置的可加载的操作系统，其加载到系统工作存储器中，

非易失可重编程存储器，其包括所述系统工作存储器和存储器其它部分的所需内容的加密的存储镜像，所述非易失可重编程的加密的存储器镜像可被传送到所述系统工作存储器，以便启动所述计算机系统，

其特征在于所述存储镜像包括硬件配置信息，并且当所述计算机系统的硬件配置从所述存储镜像的所述硬件配置信息改变时，识别这种区别，激励正常的启动过程，并且产生在下一次关机之前更新所述存储镜像的指示。

14.如权利要求13所述计算机系统，特征在于所述系统包括磁盘驱动器或其它记忆存储设备，所述记忆存储设备包括至少一个所述存储镜像的存档备份。

15.如权利要求13所述计算机系统，特征在于所述存储镜像是现有工作存储器所需引导后内容的镜像。

16.如权利要求13所述计算机系统，特征在于所述存储镜像包括在所述计算机系统被关机之前存储在所述系统工作存储器中的所有数据的镜像。

17.如权利要求13所述计算机系统，特征在于所述存储镜像是最初在所述计算机系统的操作系统建立过程中被创建的。

18.如权利要求13所述计算机系统，特征在于所述系统包括磁盘驱动器或其它记忆存储设备，所述记忆存储设备包括至少一个“已知最近正确的”存储镜像备份。

19.如权利要求13所述计算机系统，特征在于所述非易失可重编程存储器使用闪存存储器。

20.如权利要求13所述的计算机系统，其中当关机时没有要求创建存储镜像的指示时，所述计算机被依照ACPI S4关机程序而关机。