主板BIOS技術(shù)解析

2020-07-16 19:04:10

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供稿：網(wǎng)友

PC經(jīng)過20多年的發(fā)展，幾乎所有的硬件架構(gòu)都?xì)v經(jīng)數(shù)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(fā)展，如今傳統(tǒng)BIOS也受到來自CSS、UEFI 新一代BIOS技術(shù)的挑戰(zhàn)……
BIOS基礎(chǔ)知識(shí)
　　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(tǒng)”。它的全稱應(yīng)該是ROM－BIOS，意思是只讀存儲(chǔ)器基本輸入輸出系統(tǒng)。其實(shí)，它是一組固化到電腦內(nèi)主板上一個(gè)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(tǒng)設(shè)置信息、開機(jī)上電自檢程序和系統(tǒng)啟動(dòng)自舉程序。
　　有人認(rèn)為既然BIOS是“程序”，那它就應(yīng)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(rèn)為，因?yàn)樗c一般的軟件還是有一些區(qū)別，而且它與硬件的聯(lián)系也是相當(dāng)?shù)鼐o密。它負(fù)責(zé)最低級(jí)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(yīng)該是連接軟件程序與硬件設(shè)備的一座“橋梁”，負(fù)責(zé)解決硬件的即時(shí)要求。
　　有了BIOS，PC廠商在硬件規(guī)格改變時(shí)，只需要更改BIOS程序內(nèi)部即可，而操作系統(tǒng)層級(jí)的軟件仍然靠呼叫相同BIOS功能就能完成任務(wù)，操作系統(tǒng)完全不需跟隨硬件修改。另一方面， IBM預(yù)見硬件各種頻率有需要調(diào)校的可能性，因此BIOS也負(fù)責(zé)針對(duì)這些電氣特性作初始化、設(shè)定與調(diào)整。一塊主板性能優(yōu)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(jìn)。
　　主板上ROM芯片(Read Only Memory，只讀存儲(chǔ)器)是記錄BIOS程序的載體，讀數(shù)據(jù)與RAM芯片一樣，但寫數(shù)據(jù)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(gè)特點(diǎn)是沒電時(shí)，它里面的信息也不會(huì)丟失。ROM芯片從最初的不可刷發(fā)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(dòng)。而我們平時(shí)說刷BIOS就是使用刷新程序或編程器把新版本的BIOS程序?qū)戇M(jìn)ROM芯片，以增加主板功能和提高主板穩(wěn)定性。
　　自從PC引入南、北橋芯片架構(gòu)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(zhí)行的狀況。而在 Win98/SE時(shí)代，BIOS開始遵循APM標(biāo)準(zhǔn)，此時(shí)的BIOS稱為APM BIOS，提供關(guān)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(dǎo)、功能更完整的ACPI標(biāo)準(zhǔn)，控制包括電源、電源狀態(tài)、溫度等項(xiàng)目，稱為ACPI BIOS。
　　BIOS掌握著系統(tǒng)的啟動(dòng)、部件之間的兼容和程序管理等多項(xiàng)重任。只要按下電源開關(guān)啟動(dòng)主機(jī)后，BIOS就開始接管主板啟動(dòng)的所有自檢工作，系統(tǒng)首先由 POST (Power On Self Test,上電自檢) 程序來對(duì)內(nèi)部各個(gè)設(shè)備進(jìn)行檢查。通常完整的POST自檢將包括對(duì)CPU、基本內(nèi)存、1MB以上的擴(kuò)展內(nèi)存、ROM、主板、CMOS存儲(chǔ)器、串并口、顯示卡、軟硬盤子系統(tǒng)及鍵盤進(jìn)行測(cè)試，一旦在自檢中發(fā)現(xiàn)問題，系統(tǒng)將給出提示信息或鳴笛警告。
　　然后BIOS就按照系統(tǒng)CMOS設(shè)置中保存的啟動(dòng)順序搜尋軟驅(qū)、IDE設(shè)備和它們的啟動(dòng)順序，讀入操作系統(tǒng)引導(dǎo)記錄，最后將系統(tǒng)控制權(quán)交給引導(dǎo)記錄，并最終完全過渡到操作系統(tǒng)的工作狀態(tài)。一旦出現(xiàn)故障，就會(huì)有蜂鳴器發(fā)出報(bào)警。不過BIOS在電腦啟動(dòng)過程中的工作實(shí)際上遠(yuǎn)比我們介紹的要復(fù)雜得多。中間任何一個(gè)小的步驟出錯(cuò)都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)無法啟動(dòng)，崩潰，而且BIOS設(shè)置不當(dāng)也會(huì)給系統(tǒng)造成隱患。有經(jīng)驗(yàn)的老鳥可以通過BIOS啟動(dòng)時(shí)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(cuò)信號(hào)，了解POST停滯在哪個(gè)階段。
　　值得一提的是，雖然過去如Linux等系統(tǒng)是完全取代BIOS，在Linux電腦系統(tǒng)里BIOS幾乎只在POST階段發(fā)揮作用，但由于ACPI架構(gòu)帶來更多方便性，現(xiàn)在的Linux也開始支持ACPI技術(shù)。對(duì)Linux來說，支持ACPI可以提高其兼容性，也能減少系統(tǒng)開發(fā)的復(fù)雜度，但另一方面當(dāng)然也使其核心的精簡度喪失。從系統(tǒng)架構(gòu)的整體觀點(diǎn)來看，這是個(gè)選擇性的問題，并沒有絕對(duì)的優(yōu)與劣。
　　如今ACPI已發(fā)展到3.0版，并在2004年9月公開其技術(shù)規(guī)格。完整的ACPI 3.0規(guī)格表多達(dá)600余頁，定義各個(gè)系統(tǒng)的工作目標(biāo)和內(nèi)容、接口規(guī)范，以及ACPI Tables、Registers等。
BIOS與CMOS的概念區(qū)別
　　談到BIOS，隨便解釋一下COMS與BIOS的關(guān)系，因?yàn)橛胁簧倥笥淹鶎烧呋鞛橐徽劇?br />　　我們常說的CMOS卻是指主板上一塊可讀寫的存儲(chǔ)芯片，也稱之為“CMOS RAM”。那么，CMOS與BIOS到底有什么關(guān)系呢？CMOS是存儲(chǔ)芯片，當(dāng)然是屬于硬件，它的作用是具有數(shù)據(jù)保存功能，但它也只能起到存儲(chǔ)的作用，而不能對(duì)存儲(chǔ)于其中的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，要對(duì)CMOS中各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)置就要通過專門的設(shè)置程序。
　　現(xiàn)在多數(shù)廠家將CMOS的參數(shù)設(shè)置程序做到了BIOS 芯片中，在電腦打開電源時(shí)按特殊的按鍵進(jìn)入設(shè)置程序就可以方便地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置。也就是說BIOS中的系統(tǒng)設(shè)置程序是完成CMOS參數(shù)設(shè)置的手段，而 CMOS RAM是存放設(shè)置好的數(shù)據(jù)的場(chǎng)所，它們都與電腦的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置有很大關(guān)系。正因如此，便有“CMOS設(shè)置”和“BIOS設(shè)置”兩種說法。
　　一般來說，通過固化在ROM BIOS的軟件進(jìn)行BIOS參數(shù)的調(diào)整過程就稱之為BIOS設(shè)置，而通過BIOS設(shè)置中的"標(biāo)準(zhǔn)CMOS設(shè)置"調(diào)試CMOS參數(shù)的過程就稱為CMOS設(shè)置。我們平常所說的CMOS設(shè)置與BIOS設(shè)置只是其簡化說法，所以在一定程度上造成兩個(gè)概念的混淆。
傳統(tǒng)的BIOS的不足
　　作為連接操作系統(tǒng)和硬件體系之間的橋梁，BIOS(Basic Input Output System，基本輸入輸出系統(tǒng))為PC的發(fā)展做出了重要的貢獻(xiàn)，但也存在許多天生架構(gòu)的限制。例如，不能完全達(dá)到即插即用，需要對(duì)硬件的驅(qū)動(dòng)和IO資源進(jìn)行調(diào)整，而這一切操作不是必須在操作系統(tǒng)中完成，尤其是對(duì)中斷分配這個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)上，必須進(jìn)入BIOS手動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，這往往令初學(xué)者感到困難；字符化的 BIOS設(shè)置界面把很多人搞得一頭霧水，更為夸張的是當(dāng)出現(xiàn)某些新硬件的時(shí)候，為了達(dá)到支持新硬件的目的，必須要手動(dòng)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(xué)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(yuǎn)非完美。通過硬件及系統(tǒng)廠商的不斷努力，如今要讓一塊硬件正常運(yùn)轉(zhuǎn)起來，所花費(fèi)的時(shí)間已經(jīng)比以往減少了很多，但這遠(yuǎn)非完美。很多時(shí)候我們?nèi)匀粫?huì)遭遇硬件之間的沖突，而此時(shí)就要進(jìn)行硬件驅(qū)動(dòng)及分配資源的手動(dòng)調(diào)整，沒有一定專業(yè)知識(shí)的人根本無從做起。
　　一般來說，只有當(dāng)今所謂電腦高手才利用BIOS來對(duì)硬件性能做些超頻調(diào)校，除了專業(yè)人士外，已經(jīng)很少有人再利用BIOS進(jìn)行低端工作。因?yàn)橛布l(fā)展迅速，傳統(tǒng)式BIOS成為進(jìn)步的包袱。因此，考慮到硬件環(huán)境已大幅改變，并考慮未來技術(shù)發(fā)展的前提下，BIOS的確有需要改革。

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