專業術語筆記#

硬體#

BMC (Baseboard Management Controller)#

BMC 是一個嵌入在伺服器或工業電腦中的微處理器，主要用於監控與管理硬體狀態，此外也可以監控作業系統的狀態，並執行與電源相關的管理操作。可以把它理解為一顆具備特殊用途的獨立處理器，通常會搭載一個極度輕量化的作業系統，該作業系統中運行著各種用於監控與遠端管理的服務（如硬體感測、遠端開關機、KVM-over-IP 等）。有了 BMC 架構，管理者即使在作業系統關機、當機，甚至尚未安裝 OS 的情況下，也能進行伺服器的遠端管理與故障排除。

GPIO (General Purpose Input/Output)#

GPIO 是一些直接連接到積體電路或開發板的針腳，這些針腳可以由軟體控制，作為輸入或輸出。根據連接對象，可以分成 積體電路 GPIO 與 板級 GPIO。一般在軟體開發中比較常接觸的是 板級 GPIO。每個 GPIO 可以被配置為 input、output、analog 或 alternate function。通常 GPIO 不會有預先固定的功能，開發者可以自定義操作方式及對應功能。

alternate function#

alternate function 指 GPIO 的其他可選功能，例如 I2C, SPI, USART, CCP, PWM, Clock 等。GPIO 如何使用這些功能，取決於外部設備（peripheral）及其驅動程式的配置。

WDT (Watchdog Timer)#

Watchdog timer 是一個用來偵測並修復系統故障的倒數計時器。常見的工作流程是：先設定一個定時器，若系統正常執行，就會定期重置(或關閉)這個定時器以避免觸發 timeout。當 timeout 發生時，WDT 會發送一個 signal，讓系統根據 signal 進行故障通報或修復。Watchdog 通常由硬體實作並整合在晶片中，但也可以透過軟體方式來實作。

常見的 watchdog 操作#

  • Enable / Start: 啟動 timer 開始倒數

  • Kick / Feed: 重置 timer，避免 timeout

  • Disable / Stop: 關閉 timer

  • Set Timeout: 設定多久後發生 timeout

  • Bind Handler / Register Callback: 設定當 timeout 發生後要執行的處理程序

  • Query / Get Status: 查詢 watchdog 目前的狀態

SoC (System on Chip)#

SoC（System on Chip）是一種高度整合的晶片設計，將電腦系統中多個原本需要獨立晶片的功能（如 CPU、GPU、記憶體控制器、I/O 控制器、通訊模組等）整合到單一積體電路上。與傳統電腦系統相比，SoC 透過高度整合達到降低功耗與體積優化的效果。

特點#

  • 高整合度：處理器、圖形處理單元、數位訊號處理器（DSP）、影像訊號處理器（ISP）、記憶體控制器、通訊模組等可整合於單一晶片。

  • 體積小、低功耗：非常適合手機、平板、穿戴式裝置、IoT 等行動裝置。

  • 低成本：減少多顆晶片設計、封裝與主機板佈線需求。

  • 應用特化：可依應用需求設計，例如行動運算、車用電子、人工智慧或嵌入式系統。

缺點#

  • 彈性較低：無法像傳統架構一樣自由更換或升級單一元件（例如 GPU 或網路晶片）。

  • 散熱限制：所有功能集中於單一晶片，功耗與熱設計更具挑戰性。

  • 效能升級困難：若需要更高效能，通常需設計全新 SoC，而非單純替換部分晶片。

PCH (Platform Controller Hub)#

PCH 是 Intel 架構下的一種晶片組。隨著處理器頻率不斷提升，傳統的 FSB 成為瓶頸。為了解決這個問題，Intel 導入 PCH 架構，取代更舊的南北橋架構。

  • 北橋：主要負責高速 I/O，例如處理器與 RAM 之間的存取，以及高速 PCI-E 連線。

  • 南橋：主要負責低速 I/O，例如 SATA, USB, LAN 等。

架構改進#

  • 記憶體控制器, iGPU, 高速 PCI-E 控制器：從北橋轉移並整合到處理器內部。

  • PCH：則承擔原本南橋的功能集（如 SATA, USB, 音效, 網路控制等）。

  • 處理器與 PCH 之間：透過 DMI 連接。DMI 也是早期北橋與南橋之間的連接方式。

總結#

PCH 架構將高速功能集中於處理器，低速周邊功能交由 PCH 負責，成功消除了 FSB 瓶頸，使得 CPU 與記憶體、高速 I/O 之間的效能大幅提升。

PCH 架構圖#

Super I/O (Super Input/Output)#

Super I/O 是主機板上的一顆控制晶片，用來整合傳統的低速 I/O 介面，例如溫度與電壓監控, 風扇轉速偵測, COM Port, PS/2, LPT 等。
Super I/O 並不直接與 CPU 溝通，而是透過 LPC 或 eSPI 介面連接到 PCH，再由 PCH 與 CPU 溝通。

之所以不把這些低速 I/O 介面直接整合進 PCH，是因為這些功能在不同平台上的需求差異很大 (例如伺服器需要完整的監控與 COM Port，但一般筆電可能完全不需要) 。
將這些功能獨立在 Super I/O 晶片裡，可以降低 PCH 的設計複雜度與成本，同時讓主機板廠商依需求選擇不同型號的 Super I/O 晶片。

Automatic Boot Recovery (ABR)#

ABR 是 ASPEED BMC SoC 的 Boot ROM 提供的功能，用來在 Primary flash 異常時系統會自動切換到 Secondary flash 開機。

Note

ABR 是 ASPEED 專門的術語，其他廠牌的 BMC 多數也會提供類似的功能，但可能名稱不一樣

ABR 除了有硬體實做之外也有軟體實做，硬體實做的 ABR 是核心功能，而軟體 ABR 則像是硬體 ABR 的擴充功能。

硬體 ABR 與 軟體 ABR 的比較#

硬體 ABR#

  1. 只做最基本的硬體檢查，例如

    • flash 功能是否正常?

    • Secure Boot 簽章是否正確

  2. 決策點非常的早，用來確保 SoC 可以運作而不是系統本身

  3. 能做的決策很有限

軟體 ABR#

  1. 可以對系統做比較完整的檢查，例如

    • 驗證完整性（SHA, signature）

    • 驗證版本

  2. 決策點比 硬體 ABR 更晚，用來確保系統可以正常運作

  3. 能做的決策比較豐富

  4. 做在 second-stage boot loader 或者 BMC firmware early userspace 裡面

ABR 的開機流程流程#

  1. 硬體 ABR 檢查

  2. 啟動 first-stage boot loader

  3. 啟動 second-stage boot loader

Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory (EEPROM)#

EEPROM 是一種唯讀記憶體，可以用電子的方式做複寫。

一般 EEPROM 主要用於儲存主記憶體的開發者資訊、生產時間、主記憶體資訊、通訊協定、既定主記憶體頻率、供電電壓、供電電流、物理訊息以及主記憶體 XMP 等訊息，且電腦會在開機自檢（Power-On Self-Test；POST）時會讀取這些訊息以保持電腦的正常開機。

軟體#

OpenBMC#

OpenBMC 是一個開源專案，其主要目的是建立一個專為 BMC 硬體設計的 Linux 發行版（Linux distribution），用來提供各種伺服器遠端管理與監控功能。該專案目前由 Linux Foundation 主導與維護，並有多家業界廠商 (例如 IBM, Intel, Facebook, Google 等) 參與貢獻。

U-boot (Universal Boot Loader)#

Das U-Boot: The Universal Boot Loader

U-Boot 是一個開源的、用在嵌入式裝置的 bootloader 。它同時是 first-stage bootloader 與 second-stage bootloader 。在安裝時可以選擇切割成兩個程式來分別扮演不同 stage 的 bootloader 也可以直接用單一程式來提供所有 stage 的功能。 U-Boot 支援了很多不同的平台，例如 M68000, ARM, Blackfin, MicroBlaze, AArch64, MIPS, Nios II, SuperH, PPC, Power ISA, RISC-V, LoongArch 與 x86 等。

bootloader (a.k.a. bootstrap loader)#

bootloader 是一個開機過程中會使用到的小程式，它主要負責的工作是初始化底層硬體以及將作業系統的 kernel 載入與啟動。根據工作的流程通常會把負責初始化底層硬體的部份稱為 first-stage bootloader ，而負責將作業系統的 kernel 載入與啟動的部份稱之為 second-stage bootloader 。這兩個 stage 可以視同一個程式，也可以是兩個不同的程式。常見的 first-stage bootloader 包含 BIOS, UEFI, coreboot, Libreboot 與 Das U-Boot 等。而常見的 second-stage bootloader 則是有 GNU GRUB, rEFInd, BOOTMGR, Syslinux 與 NTLDR 等。

系統架構#

In-band, Side-band and Out-of-band#

用通訊的方式分類#

分類

定義

In-band

與主要資料共用同一物理和邏輯通道

Out-of-band

使用完全獨立的物理和邏輯通道

Side-band

與主要資料共用同一物理通道，但使用不同邏輯通道或協定

Note

物理通道就是實際對應到硬體建立的通道，邏輯通道則是通過軟體控制劃分的方式將物理通道切割產生的通道。

用系統管理的方式分類#

分類

定義

例子

In-band

通過作業系統的主要通道來管理

SSH, RDP, Redfish 等

Out-of-band

通過與作業系統分離的獨立通道來管理

BMC 上的 IPMI, Redfish 等

Side-band

介於兩者之間，與作業系統共用網路介面但由特定的控制器 (例如 BMC) 去管理

Intel 平台的 NC-SI, SMBus 等

技術標準#

PFR (Platform Firmware Resilience)#

PFR 是一個技術標準，由 NIST 在 2018 年發佈，標準編號為 NIST SP 800-193。
該標準的重點分為三個項目：

  • Protection (保護): 提供機制以確保平台韌體與關鍵資料的 完整性 (integrity)，並防止其遭到破壞。例如，確保韌體更新過程的可靠性與完整性。

  • Detection (檢測): 提供機制檢測平台韌體與關鍵資料是否遭到竄改，或是否從授權狀態被更改。

  • Recovery (恢復): 當檢測到韌體或關鍵資料遭到破壞，或透過授權機制強制恢復時，將其修復到具完整性的狀態。恢復範圍僅限於韌體與關鍵資料。

※ 註：這裡的完整性 (integrity) 指的是資料或韌體經過驗證，被認為是可靠且未遭到未授權更改。

實現方式有很多種，目前較常見的作法是利用額外的 FPGA 或 SoC 硬體，搭配特定的軟體來完成。

I²C (Inter-Integrated Circuit) bus#

I²C 是由 Philips Semiconductors（現 NXP Semiconductors）提出的一種 短距離串列通訊協定，用來在單一電路板上連接 處理器、微控制器以及其他低速週邊設備。
它僅需兩條訊號線（SDA：資料線、SCL：時脈線），因此特別適合板內通訊。

特點#

  • 同步架構：由 SCL 提供時脈，所有裝置同步傳輸資料。

  • 主從架構：由主機發起通訊，從機依位址回應。支援多主機設計。

  • 半雙工：資料在 SDA 上單向傳輸，每次僅有一方傳送資料。

  • 多裝置支援：每個從機有唯一位址，可同時掛載多個設備。

  • 速率模式：標準模式 (100 kbps)、快速模式 (400 kbps)、快速模式+ (1 Mbps) 、高速模式 (3.4 Mbps)等。

標準的架構圖如下

LPC (Low Pin Count) bus#

LPC (Low Pin Count) 是一種低速匯流排，主要用於 IBM-compatible PC 架構中，連接 CPU 與各種低速設備。它最早由 Intel 提出，用來取代更古老的 ISA（Industry Standard Architecture）匯流排。

主要應用#

  • BIOS ROM：早期透過 LPC 存取 BIOS，現今逐漸被 SPI/eSPI 標準取代。

  • Legacy I/O device：如序列埠、並列埠、PS/2 等，後來多被整合到 Super I/O、Embedded Controller(CPLD) 或 IPMI 晶片中。

  • Trusted Platform Module (TPM)：安全模組常透過 LPC 連接。

後繼規格#

隨著系統整合度提升與需求變化，LPC 的角色逐漸被 SPI 與 eSPI（Enhanced Serial Peripheral Interface） 取代。

NTP (Network Time Protocol)#

NTP 是一個 透過網路進行時間同步 的通訊協定，屬於 應用層，使用 UDP 123 Port。

特點#

  • Master-Slave、Strata 架構：

    • Stratum 0：高精度時間來源 (例如 GPS、原子鐘)。

    • Stratum 1：直接與 Stratum 0 相連的伺服器。

    • Stratum 2/3…：透過網路層層同步的伺服器與客戶端。

  • 延遲估算與補償：會計算網路延遲，並對本地時鐘做調整，而非直接重設。

  • 高精準度：在理想網路環境可達毫秒 (ms) 級精度；區域網路甚至可達微秒 (µs) 級。

IPMI (Intelligent Platform Management Interface)#

IPMI 是一組開源的電腦介面的規格， 由 Intel 主導，並由 Dell, HP, NEC 等多家廠商共同制定。用來在伺服器或嵌入式系統中進行硬體層級的管理與監控, 例如 CPU, Firmware (BIOS or UEFI)。 它的特點是獨立於 OS ，不只系統本身，電源管理本身也與 OS 獨立。

核心組件#

  • BMC (Baseboard Management Controller)

    • IPMI 的核心晶片，負責收集感測器資料、接收管理指令並執行控制。

    • 通常整合於主機板上，具備獨立網路介面（或共享 LAN port）。

  • Sensors (感測器)

    • 偵測溫度、電壓、風扇轉速、電源狀態等。

    • BMC 會透過 IPMI 報告這些數據。

  • IPMI Interface

    • 管理者與 BMC 的溝通協定。

    • 支援多種通訊方式：

      • KCS (Keyboard Controller Style)：透過 I/O port 與 CPU 溝通，本地管理使用。

      • LAN / RMCP+：遠端網路存取。

      • Serial / USB：某些系統額外提供。

主要功能#

  • 硬體監控

    • 監測 CPU、主機板、電源供應器的溫度、電壓、風扇狀態。

    • 記錄事件（SEL：System Event Log）。

  • 遠端控制

    • Power On / Off / Reset 主機。

    • 進行 硬體層級的 KVM over IP（視 BMC 廠商支援）。

  • 事件與告警

    • 記錄並回報系統異常事件（如過熱、電源異常）。

    • 可透過 SNMP Trap, Email 通知。

  • 系統存取

    • 即使 OS 損壞或無法啟動，仍能透過 IPMI 存取 Console、重新開機或更新 BIOS。

  • Firmware 與 BIOS 更新（視廠商支援）。

Advanced Error Reporting (AER)#

AER 是屬於 PCIe 標準的其中一小部份，用來制定出一個更強健的錯誤回報機制。AER 是屬於硬體層級的錯誤偵測與回報機制。主要用途是：

  • 偵測、分類、記錄並回報 PCIe 裝置 (例如網卡, GPU, NVMe, SSD) 發生的各種錯誤。

  • 幫助系統軟體 (例如 BIOS, OS, BMC) 在硬體層偵測到錯誤時能採取對應動作。

AER 會將錯誤分成下面三大類讓 BIOS / BMC / OS 可以通過透過 PCI subsystem 讀取 AER log 後決定處理策略

  1. Correctable Error

  2. Non-Fatal Error

  3. Fatal Error

Note

想了解的比較深入可以參考 原理PCI Express: Advanced Error Reporting(AER)

資訊安全#

PDoS (Permanent Denial-of-Service Attacks)#

PDoS 也稱作 phlashing，是一種 DoS 攻擊方式，其核心概念是攻擊目標裝置的硬體。這類攻擊並非透過物理方式，而是利用安全性漏洞覆寫負責控制硬體的韌體，進而破壞硬體功能。最著名的案例發生在 2017 年的 BrickerBot 攻擊事件。

商業術語#

Linux distribution#

簡單來說，Linux distribution（發行版）就是將 Linux 核心（Kernel）搭配一系列預先整合好的套件與工具，打包成一個可以安裝使用的作業系統。 這樣使用者就不需要從零開始安裝或設定每個元件，而是可以直接使用一個預設良好的系統環境，再依需求進一步調整。