BIOS之定義與解釋

1、.：.；第三節(jié) BIOS的定義與解釋BIOS ROMBIOS CMOS MemoryBIOS程式(4)Firmware Hub訊號(hào)說(shuō)明:FWH3:0FWH4第三節(jié) BIOS的定義與解釋 大約二十年前(1981)，當(dāng)時(shí)在資訊界被稱為藍(lán)色巨人的IBM，在規(guī)劃第一部個(gè)人電腦-IBM PC時(shí)，他們的工程師把將一些開(kāi)機(jī)時(shí)的硬體啟始/檢測(cè)碼(Initial Code)，從軟碟或硬碟載入作業(yè)系統(tǒng)、完成開(kāi)機(jī)程序的前導(dǎo)程式碼，以及一些最根本的周邊I/O處理的副程式碼(如螢?zāi)伙@示、磁碟機(jī)驅(qū)動(dòng)、搖桿控制等等)，統(tǒng)統(tǒng)擠入在一顆大約32KB大小的PROM(Programmable ROM)，可程式化唯讀記憶體)。這個(gè)程

2、式碼就叫做BIOS(Basic Input/Output System)。 BIOS內(nèi)部的幾個(gè)元件包括了兩大部分，首先是BIOS程式的所在部分-BIOS ROM，接著就是紀(jì)錄BIOS設(shè)定資料的BIOS CMOS部分，最後則是BIOS功能的中心軟體-紀(jì)錄在ROM中的BIOS程式。一、BIOS ROM 所謂的ROM，全名是Read Only Memory，也就是唯讀記憶體，正如其名字普通，普通來(lái)說(shuō)ROM這種IC晶片中所儲(chǔ)孝的資料，根本上是不能隨便更動(dòng)的，與我們相當(dāng)熟知的系統(tǒng)記憶體(RAM，Random Access Memory-隨機(jī)存取記憶體)正好相反。ROM這種IC結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，除了資料的不易變

3、動(dòng)性外，此外就是存取速度較慢。這是由於ROM的本錢較低，而且大部分用途定位在穩(wěn)定的資料儲(chǔ)存單位，因此在速度上的需求就不如普通供系統(tǒng)運(yùn)算運(yùn)作所運(yùn)用的RAM來(lái)的快。 而由於BIOS內(nèi)部程式講究穩(wěn)定、不常變動(dòng)、低負(fù)載量的特性，因此在個(gè)人電腦的設(shè)計(jì)中，採(cǎi)用ROM唯讀記憶體作為儲(chǔ)存BIOS程式的媒介。也正因?yàn)锽IOS程式儲(chǔ)存在這樣不易變動(dòng)的媒介中，因此並不能明顯地定義BIOS程式能否屬於設(shè)備方面的硬體(Hardware)，還是屬於資料方面的軟體(Software)，這也就是為甚麼我們稱BIOS程式為韌體(Firmware)的緣由。 傳統(tǒng)的個(gè)人電腦中，由於大部分的設(shè)計(jì)都是由廠商將整套電腦系統(tǒng)組裝完畢，也因

4、此系統(tǒng)的升級(jí)或更新不像目前模組化設(shè)計(jì)普通的方便，這同時(shí)也表示，傳統(tǒng)個(gè)人電腦BIOS程式的內(nèi)容，根本上也不太能夠由於升級(jí)等等緣由而有所變動(dòng)，也因此BIOS程式的內(nèi)容可以儲(chǔ)存在最傳統(tǒng)的ROM晶片中，而永遠(yuǎn)不需求更動(dòng)。假設(shè)因?yàn)樯?jí)的需求等等要素，可再更換另一顆ROM晶片即可，這樣的設(shè)計(jì)在變動(dòng)性不大的舊時(shí)就已經(jīng)相當(dāng)?shù)淖銐颉?但是隨著個(gè)人電腦系統(tǒng)的演進(jìn)，系統(tǒng)所提供的功能也越來(lái)越為繁複，這同時(shí)也表示說(shuō)，運(yùn)用者對(duì)於許多的功能，必須要具備有讓運(yùn)用者自行更動(dòng)設(shè)定的機(jī)制，才干夠滿足現(xiàn)階段的需求。同時(shí)，由於BIOS程式必須負(fù)責(zé)的作業(yè)越來(lái)多、與模組化的電腦系統(tǒng)元件設(shè)計(jì)也使得BIOS程式必須面臨更多的挑戰(zhàn)，BIOS程式

5、內(nèi)容由於新功能或是舊的問(wèn)題而產(chǎn)生了必須更新、更動(dòng)的狀況。假設(shè)每次更新、更動(dòng)BIOS程式的內(nèi)容時(shí)，就必須更換新的BIOS晶片，勢(shì)必會(huì)呵斥很大的額外負(fù)擔(dān)。這也就表示說(shuō)，我們需求更有彈性的BIOS程式儲(chǔ)存媒介，因應(yīng)這樣的需求，BIOS ROM的儲(chǔ)存媒介，開(kāi)始採(cǎi)用PROM(可程式唯讀記憶體)以及其他延伸的ROM設(shè)備。PROM:PROM的全名是Programmable Read Only Memory，中文名稱為可程式唯讀記憶體，這是一種可以更改其內(nèi)容的ROM設(shè)備。這類ROM在由工廠製作完畢時(shí)，其中還沒(méi)有任何的資料，一但我們決定了所要儲(chǔ)存的內(nèi)容後，更可以利用特殊的儀器將所需求的內(nèi)容寫(xiě)入PROM之中。寫(xiě)入

6、資料後，由於其中的內(nèi)容無(wú)法消去，這也就表示並無(wú)法更改其內(nèi)容。運(yùn)用這類產(chǎn)品作為BIOS程式的儲(chǔ)存媒介時(shí)，主要的優(yōu)點(diǎn)在於可以很快的由店家燒錄一個(gè)新的BIOS ROM以便安裝在系統(tǒng)中，而不需求送回工廠來(lái)處理。EPROM:比PROM略微再有彈性一點(diǎn)的產(chǎn)品，也就是接下來(lái)介紹的EPROM。EPROM的全名是Erasable Programmable Read Only Memory，中文名稱為可消去唯讀記憶體。這類記憶體可以將其中的資料利用儀器加以消除，再將新的資料寫(xiě)入其中。運(yùn)用這類產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)運(yùn)用者必須更新BIOS程式的內(nèi)容時(shí)，只消將帶往店家利用儀器消除內(nèi)容再重新寫(xiě)入，而要額外再花費(fèi)一個(gè)BIOS的本

7、錢。不過(guò)當(dāng)然對(duì)地這類產(chǎn)品的本錢略微較PROM來(lái)的高。EEPROM:這是目前BIOS最常用的儲(chǔ)存媒介，而運(yùn)用上的彈性也是這幾大類ROM設(shè)備中最為方便的。EEPROM的全名是Electrically Erasable Programmable Read Only Memory，這是一種可直接用電力消去內(nèi)容資料的唯讀記憶體。當(dāng)運(yùn)用者必須更新其中的內(nèi)容時(shí)，只需在電腦系統(tǒng)中執(zhí)行某個(gè)更新程式，這時(shí)主機(jī)板便可以利用簡(jiǎn)單的裝置將其中的內(nèi)容消去，而再寫(xiě)入新的程式內(nèi)容。運(yùn)用者甚至不需求到店家修繕或進(jìn)行此類動(dòng)作，而要在網(wǎng)路上獲得BIOS程式的新內(nèi)容就可以自行更新。 目前大部分的系統(tǒng)所用的BIOS ROM，大多採(cǎi)用最

8、後的EEPROM，雖然本錢略微昂貴，但由於提供了良好的彈性與升級(jí)性，對(duì)於主機(jī)板廠商而言確實(shí)也是提高服務(wù)品質(zhì)、產(chǎn)品效能等等的優(yōu)良設(shè)計(jì)。 而B(niǎo)IOS程式儲(chǔ)存在這些ROM之中，所扮演的角色在於系統(tǒng)開(kāi)機(jī)初期，維持整個(gè)電腦系統(tǒng)的根本運(yùn)作，以便由作業(yè)系統(tǒng)接手進(jìn)行更精細(xì)的任務(wù)。二、BIOS CMOS Memory BIOS既然處理整個(gè)電腦系統(tǒng)在一開(kāi)機(jī)時(shí)的初始狀態(tài)設(shè)定等等，那麼對(duì)於系統(tǒng)的一些根本組態(tài)，像是硬碟機(jī)種類，系統(tǒng)時(shí)間等等，都必須要能夠有所了解。但是不同的電腦系統(tǒng)在這些方面的設(shè)定能夠有所不同，而B(niǎo)IOS卻又不能夠針對(duì)不同的電腦系統(tǒng)就設(shè)計(jì)一套不同的晶片，否則本身的成因此過(guò)分提高。這也就是說(shuō)，BIOS的內(nèi)部

9、設(shè)計(jì)必須預(yù)留一部份可供運(yùn)用者調(diào)整的設(shè)定，這樣才干讓BIOS針對(duì)不同系統(tǒng)進(jìn)行不同的開(kāi)機(jī)初始化設(shè)定等等。 假設(shè)每次開(kāi)機(jī)時(shí)，都必須要求運(yùn)用者先進(jìn)行電腦狀態(tài)的設(shè)定，運(yùn)用電腦將成為繁複且令人生厭的不快經(jīng)驗(yàn)。這表示我們要想辦法將設(shè)定的狀態(tài)儲(chǔ)存起來(lái)，運(yùn)用者只在須要更改的狀況時(shí)，才重新輸入或更動(dòng)設(shè)定的內(nèi)容?？墒俏覀兿惹霸?jīng)提過(guò)，BIOS程式本身儲(chǔ)存在不能恣意更動(dòng)的ROM之中，即使是目前最常用的EEPROM，也只能利用特定程式來(lái)將其中的內(nèi)容覆寫(xiě)成新版BIOS，而無(wú)法恣意更改。那麼這些可隨時(shí)更改的BIOS設(shè)定內(nèi)容，勢(shì)必?zé)o法儲(chǔ)存在BIOS ROM資料區(qū)中。也就是說(shuō)，BIOS必須設(shè)計(jì)另一個(gè)儲(chǔ)存區(qū)域，方能將這些設(shè)定資料

10、放入並隨時(shí)更改。這也就是我們接下來(lái)要介紹的，BIOS CMOS區(qū)域。 CMOS也就是Complementary Metal Oxide Semiconductor，這種技術(shù)廣泛的運(yùn)用在微處理器、晶片組、DRAM記憶體等等。這類線路的設(shè)計(jì)所耗費(fèi)的電力相當(dāng)小，而這裡所用的CMOS Memory就是利用此種技術(shù)完成。這樣一來(lái)我們只需求主機(jī)板上放置簡(jiǎn)單的小型鋰電池，就可以將BIOS的設(shè)定資料儲(chǔ)存起來(lái)。在BIOS中的CMOS資料區(qū)域通常不大，這樣子主機(jī)板電池可以延續(xù)幾乎數(shù)年的時(shí)間。由於普通的印象中CMOS技術(shù)常用在BIOS設(shè)定資料的儲(chǔ)存，因此普通提到CMOS時(shí)大多表示BIOS中的CMOS Memory。

11、 普通CMOS的設(shè)計(jì)中，都會(huì)參與偵測(cè)錯(cuò)誤用的error-detect-ing碼。每次更改設(shè)定時(shí)，就會(huì)重新計(jì)算checksum值，也就是將整個(gè)CMOS中其他Byte的值累加起來(lái)，並將checksum值寫(xiě)入CMOS中。每次系統(tǒng)開(kāi)機(jī)時(shí)，便會(huì)檢查目前CMOS中儲(chǔ)存的資料之checksum值能否與先前紀(jì)錄的相符。這樣一來(lái)便可確認(rèn)系統(tǒng)的完好性，防止設(shè)定資料被不當(dāng)?shù)母鼊?dòng)而呵斥系統(tǒng)的錯(cuò)誤。一現(xiàn)不相符時(shí)，系統(tǒng)便發(fā)出CMOS Checksum Error的錯(cuò)誤訊息。 除了我們這裡提到的CMOS記憶區(qū)域之外，目前較新的BIOS，皆援助新型的隨插即用硬體，而這類的BIOS必須紀(jì)錄目前系統(tǒng)中的硬體組態(tài)，也就是Exten

12、d System Configuration Data資料區(qū)。這是除了標(biāo)準(zhǔn)CMOS記憶區(qū)外的另一個(gè)重要紀(jì)錄區(qū)。IBM在主機(jī)板上運(yùn)用一顆編號(hào)MC 146818的CMOS參數(shù)記錄/計(jì)時(shí)晶片，能儲(chǔ)存的資料大小才64bytes，而且要扣掉一些固定來(lái)記錄系統(tǒng)日期/時(shí)間的欄位。 當(dāng)電腦電源關(guān)閉時(shí)，這顆IC會(huì)改由電池供電以維持電腦的設(shè)定記錄值。由於CMOS製作的記憶體耗電量很低，就算電腦一、兩年都不開(kāi)電源，CMOS記憶體內(nèi)的記錄值也一樣完好的保管。 這種晶片起初被稱為RTC/CMOS RAM，後來(lái)被簡(jiǎn)稱為CMOS晶片。隨著PC工業(yè)蓬勃發(fā)展，也有廠商規(guī)劃出不同類型的CMOS晶片。筆者記得早期主機(jī)板，CMOS晶

13、片旁有像啤酒桶般的電池，而設(shè)計(jì)往往隨著時(shí)間一久，電池內(nèi)部的電解質(zhì)液體流出，呵斥主機(jī)板電路被腐蝕。隨也有廠商運(yùn)用一種整合電池與CMOS RAM於一體的晶片，它被設(shè)計(jì)成IC插座的類型，而且體積(或者說(shuō)厚度)比較大，這類整合電池的CMOS晶片也曾流行一時(shí)。 隨後主機(jī)板的線路逐漸整合、簡(jiǎn)化，這種RTC/CMOS RAM硬體架構(gòu)被保管並整合到像是Super I/O晶片甚至南橋晶片(South Bridge)等，內(nèi)容也不再只需64bytes(能夠到128bytes，甚至更多)，而供應(yīng)電力的電路則拉到晶片外頭，另外搭配鋰電池來(lái)供電，旁邊僅保管CMOS放電的Jumper，供廠商或客戶可以去除CMOS記錄值。

14、所以今日的主機(jī)板，除了電池與CMOS放電的Jumper以外，已經(jīng)看不到所謂的CMOS晶片。對(duì)於BIOS而言，它依舊存在，但對(duì)於主機(jī)板或客戶而言，它已經(jīng)成為南橋晶片的一部份。三、BIOS程式 程式就是設(shè)備中負(fù)責(zé)讓系統(tǒng)執(zhí)行各項(xiàng)根本作業(yè)的最重要軟體單位。要讓電腦系統(tǒng)發(fā)揮功用，就必須有些程式碼讓中央處理器執(zhí)行，並藉此協(xié)調(diào)各項(xiàng)配備進(jìn)行特定的任務(wù)。而在開(kāi)機(jī)之時(shí)，由於各項(xiàng)硬體，例如硬碟等等，還沒(méi)有適當(dāng)?shù)膯?dòng)與初始化，這時(shí)還不能夠由這些磁碟讀入任何的程式以供執(zhí)行，而必須有另外的設(shè)備來(lái)幫助系統(tǒng)對(duì)這些硬體進(jìn)行初始化動(dòng)作，才干夠進(jìn)行接下來(lái)的動(dòng)作。而B(niǎo)IOS程式也就是負(fù)責(zé)提供這些初始化程式的單位。 在程式被中央處理器

15、執(zhí)行之前，這些程式碼的內(nèi)容必須被載入到記憶體之中，但是在隨機(jī)存取記憶體中的資料，一但關(guān)機(jī)就會(huì)消逝，因此我們必須把這些程料寫(xiě)入某個(gè)固定的硬體裝置中，而且每次關(guān)機(jī)也不會(huì)消逝，這也就是BIOS程式被紀(jì)錄在ROM中的緣由，除此之外，開(kāi)機(jī)程式通常也不會(huì)輕易變動(dòng)，這樣我們更可以明白BIOS程式紀(jì)錄在ROM之中的緣由。 而在設(shè)計(jì)中央處理器與BIOS的廠商之間則遵照一樣的協(xié)定，這個(gè)協(xié)定的內(nèi)容是，當(dāng)開(kāi)機(jī)程序進(jìn)行時(shí)，中央處理器會(huì)到記憶體中的特定位置尋找開(kāi)機(jī)初始化所需的程式，也就是BIOS程式。 在個(gè)人電腦系統(tǒng)中，BIOS程式在記憶體中的位置是固定的，通常系統(tǒng)中最根本的1 Mega Bytes的最後64KB的區(qū)域便

16、用來(lái)放置BIOS程式。某些BIOS程式大於64KB，大部分不是我們這裡主要討論的系統(tǒng)BIOS，而是例如顯示卡，SCSI卡上的BIOS，這類程式則有其他的方法來(lái)載入記憶體。當(dāng)電腦從開(kāi)機(jī)的一瞬間，硬體特性就是設(shè)計(jì)成CPU從主機(jī)板的BIOS晶片內(nèi)獲得程式碼，BIOS由內(nèi)部的程式碼獲得控制權(quán)並且發(fā)揮作用，從CPU內(nèi)外部的檢測(cè)設(shè)定、啟動(dòng)DRAM、針對(duì)晶片組與周邊做初值化設(shè)定之後，最後驅(qū)動(dòng)軟碟或硬碟機(jī)，把作業(yè)系統(tǒng)(如DOS、Win98/NT、Linux)載入之後，BIOS的開(kāi)機(jī)引導(dǎo)任務(wù)就此告一段落，改為從事幕後的援助、協(xié)調(diào)任務(wù)，並幫助作業(yè)系統(tǒng)或應(yīng)用程式，來(lái)處理周邊裝置溝通的細(xì)部執(zhí)行動(dòng)作。 事實(shí)上除了主機(jī)板

17、上有BIOS之外，另外像是顯示卡、SCSI控制卡、磁碟附加卡或高階網(wǎng)路卡也都有本人的BIOS晶片。設(shè)計(jì)在主機(jī)板上、負(fù)責(zé)整個(gè)主機(jī)板運(yùn)作的BIOS，普通我們以System BIOS或Mainboard BIOS稱呼之。 假設(shè)要更明晰的定義何謂BIOS，我們可以從某家BIOS研發(fā)廠商的技術(shù)訓(xùn)練文件中，對(duì)於BIOS的敘述，他們是這麼說(shuō)明的:A Firmware program(一種屬於韌體的程式碼)，儲(chǔ)存在ROM、EPROM或FlashROM記憶體內(nèi)，提供最根本的硬體初始化(initialize)、周邊控制的必要程式碼。通常由組合語(yǔ)言(Assembly Language)所寫(xiě)成。 BIOS平時(shí)是設(shè)定成

18、唯讀的狀態(tài)，除了特殊工式或特殊方式之外，任何應(yīng)用程式都沒(méi)辦法加以修正或抹除。以前的修正方式比較複雜，假設(shè)是Mask-ROM或PROM，幾乎得重新?lián)Q一顆空白R(shí)OM的晶片，然後燒錄進(jìn)去，到了EPROM時(shí)代，可以用紫外線照射其窗口一段時(shí)間，重新抹除其內(nèi)部的一切資料之後，再以EPROM燒錄器將BIOS資料燒錄進(jìn)去。 當(dāng)Windows 95流行之後，由於Plug and Play(PnP)與ACPI、DMI協(xié)定的需求，主機(jī)板需求有一個(gè)可以記錄周邊裝置資源的異動(dòng)情形，卻又不會(huì)被其他程式破壞的記憶體區(qū)域，F(xiàn)lashROM對(duì)於韌體程式碼的更新也比EPROM還要方便，所以到後來(lái)，主機(jī)板BIOS，以致於顯示卡、與各周邊界面卡儲(chǔ)存BIOS的記憶體晶片，幾乎都是Flash ROM的天下。 對(duì)主機(jī)板BIOS而言，它最重要的任務(wù)有以下幾點(diǎn):POST(Power On Self Test，開(kāi)機(jī)自我測(cè)試)一開(kāi)機(jī)時(shí)系統(tǒng)將控制權(quán)交給BIOS時(shí)，它會(huì)針對(duì)CPU各項(xiàng)暫存器、旗號(hào)等先檢查能否運(yùn)作正常，接下來(lái)會(huì)檢查像是8254 timer(可程式化周邊計(jì)時(shí)晶片)、8259A(可程式化中斷器)、8237DMA controller