主板BIOS技術解析

2020-07-16 19:04:10

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供稿：網友

PC經過20多年的發展，幾乎所有的硬件架構都歷經數次徹頭徹尾革新，但古老而變化有限的BIOS 卻越來越不為用戶重視。隨著電腦朝著功能多樣化的方向發展，如今傳統BIOS也受到來自CSS、UEFI 新一代BIOS技術的挑戰……
BIOS基礎知識
　　BIOS是英文“Basic Input Output System”的縮略語，直譯過來后中文名稱就是“基本輸入輸出系統”。它的全稱應該是ROM－BIOS，意思是只讀存儲器基本輸入輸出系統。其實，它是一組固化到電腦內主板上一個ROM芯片上的程序，它保存著電腦最重要的基本輸入輸出的程序、系統設置信息、開機上電自檢程序和系統啟動自舉程序。
　　有人認為既然BIOS是“程序”，那它就應該是屬于軟件，感覺就像自己常用的Word或Excel。但也很多人不這么認為，因為它與一般的軟件還是有一些區別，而且它與硬件的聯系也是相當地緊密。它負責最低級的、最直接的硬件控制，以及電腦的原始操作，電腦的原始操作都是依照固化在BIOS里的程序來完成的。形象地說，BIOS應該是連接軟件程序與硬件設備的一座“橋梁”，負責解決硬件的即時要求。
　　有了BIOS，PC廠商在硬件規格改變時，只需要更改BIOS程序內部即可，而操作系統層級的軟件仍然靠呼叫相同BIOS功能就能完成任務，操作系統完全不需跟隨硬件修改。另一方面， IBM預見硬件各種頻率有需要調校的可能性，因此BIOS也負責針對這些電氣特性作初始化、設定與調整。一塊主板性能優越與否，很大程度上就取決于 BIOS程序的管理功能是否合理、先進。
　　主板上ROM芯片(Read Only Memory，只讀存儲器)是記錄BIOS程序的載體，讀數據與RAM芯片一樣，但寫數據要用特殊手段，如高電壓寫，BIOS程序就是由它來保存的。 ROM芯片一個特點是沒電時，它里面的信息也不會丟失。ROM芯片從最初的不可刷發展到了電可刷新芯片，叫EEPROM,通常是5V刷新電壓，CIH病毒就使用BIOS芯片電可刷新原理，往BIOS芯片寫一堆垃圾，使得電腦BIOS程序被破壞，電腦無法啟動。而我們平時說刷BIOS就是使用刷新程序或編程器把新版本的BIOS程序寫進ROM芯片，以增加主板功能和提高主板穩定性。
　　自從PC引入南、北橋芯片架構后，BIOS就成為一種跟隨主板制化的固件，不再像286之前任一樣BIOS安裝在任何主板上都可以執行的狀況。而在 Win98/SE時代，BIOS開始遵循APM標準，此時的BIOS稱為APM BIOS，提供關于CPU及各種周邊的電源管理能力。到WinMe之后，BIOS開始支持由 Intel、Microsoft、HP和Toshiba主導、功能更完整的ACPI標準，控制包括電源、電源狀態、溫度等項目，稱為ACPI BIOS。
　　BIOS掌握著系統的啟動、部件之間的兼容和程序管理等多項重任。只要按下電源開關啟動主機后，BIOS就開始接管主板啟動的所有自檢工作，系統首先由 POST (Power On Self Test,上電自檢) 程序來對內部各個設備進行檢查。通常完整的POST自檢將包括對CPU、基本內存、1MB以上的擴展內存、ROM、主板、CMOS存儲器、串并口、顯示卡、軟硬盤子系統及鍵盤進行測試，一旦在自檢中發現問題，系統將給出提示信息或鳴笛警告。
　　然后BIOS就按照系統CMOS設置中保存的啟動順序搜尋軟驅、IDE設備和它們的啟動順序，讀入操作系統引導記錄，最后將系統控制權交給引導記錄，并最終完全過渡到操作系統的工作狀態。一旦出現故障，就會有蜂鳴器發出報警。不過BIOS在電腦啟動過程中的工作實際上遠比我們介紹的要復雜得多。中間任何一個小的步驟出錯都會導致系統無法啟動，崩潰，而且BIOS設置不當也會給系統造成隱患。有經驗的老鳥可以通過BIOS啟動時候的聲音來判斷故障，而一般用戶可以通過查看Debug卡的檢錯信號，了解POST停滯在哪個階段。
　　值得一提的是，雖然過去如Linux等系統是完全取代BIOS，在Linux電腦系統里BIOS幾乎只在POST階段發揮作用，但由于ACPI架構帶來更多方便性，現在的Linux也開始支持ACPI技術。對Linux來說，支持ACPI可以提高其兼容性，也能減少系統開發的復雜度，但另一方面當然也使其核心的精簡度喪失。從系統架構的整體觀點來看，這是個選擇性的問題，并沒有絕對的優與劣。
　　如今ACPI已發展到3.0版，并在2004年9月公開其技術規格。完整的ACPI 3.0規格表多達600余頁，定義各個系統的工作目標和內容、接口規范，以及ACPI Tables、Registers等。
BIOS與CMOS的概念區別
　　談到BIOS，隨便解釋一下COMS與BIOS的關系，因為有不少朋友往往將兩者混為一談。
　　我們常說的CMOS卻是指主板上一塊可讀寫的存儲芯片，也稱之為“CMOS RAM”。那么，CMOS與BIOS到底有什么關系呢？CMOS是存儲芯片，當然是屬于硬件，它的作用是具有數據保存功能，但它也只能起到存儲的作用，而不能對存儲于其中的數據進行設置，要對CMOS中各項參數的設置就要通過專門的設置程序。
　　現在多數廠家將CMOS的參數設置程序做到了BIOS 芯片中，在電腦打開電源時按特殊的按鍵進入設置程序就可以方便地對系統進行設置。也就是說BIOS中的系統設置程序是完成CMOS參數設置的手段，而 CMOS RAM是存放設置好的數據的場所，它們都與電腦的系統參數設置有很大關系。正因如此，便有“CMOS設置”和“BIOS設置”兩種說法。
　　一般來說，通過固化在ROM BIOS的軟件進行BIOS參數的調整過程就稱之為BIOS設置，而通過BIOS設置中的"標準CMOS設置"調試CMOS參數的過程就稱為CMOS設置。我們平常所說的CMOS設置與BIOS設置只是其簡化說法，所以在一定程度上造成兩個概念的混淆。
傳統的BIOS的不足
　　作為連接操作系統和硬件體系之間的橋梁，BIOS(Basic Input Output System，基本輸入輸出系統)為PC的發展做出了重要的貢獻，但也存在許多天生架構的限制。例如，不能完全達到即插即用，需要對硬件的驅動和IO資源進行調整，而這一切操作不是必須在操作系統中完成，尤其是對中斷分配這個技術環節上，必須進入BIOS手動進行調整，這往往令初學者感到困難；字符化的 BIOS設置界面把很多人搞得一頭霧水，更為夸張的是當出現某些新硬件的時候，為了達到支持新硬件的目的，必須要手動刷新BIOS的版本，雖然有不少圖形界面更新BIOS版本的工具，但并不是每一塊主板都支持此功能，許多初學者甚至沒有接觸過DOS，刷新BIOS如何談起？
　　此外， ACPI BIOS所支持的即插即用也遠非完美。通過硬件及系統廠商的不斷努力，如今要讓一塊硬件正常運轉起來，所花費的時間已經比以往減少了很多，但這遠非完美。很多時候我們仍然會遭遇硬件之間的沖突，而此時就要進行硬件驅動及分配資源的手動調整，沒有一定專業知識的人根本無從做起。
　　一般來說，只有當今所謂電腦高手才利用BIOS來對硬件性能做些超頻調校，除了專業人士外，已經很少有人再利用BIOS進行低端工作。因為硬件發展迅速，傳統式BIOS成為進步的包袱。因此，考慮到硬件環境已大幅改變，并考慮未來技術發展的前提下，BIOS的確有需要改革。

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