BIOS的定義與解釋

会员10013

BIOS的定義與解釋

(1)        BIOS ROM
(2)        BIOS CMOS Memory
(3)        BIOS程式
(4)Firmware Hub訊號說明:
大約二十年前，當時在資訊界被稱為藍色巨人的IBM，在規劃第一部個人電腦-IBM PC時，他們的工程師把將一些開機時的硬體啟始/檢測碼(Initial Code)，從軟碟或硬碟載入作業系統、完成開機程序的前導程式碼，以及一些最基本的周邊I/O處理的副程式碼(如螢幕顯示、磁碟機驅動、搖桿控制等等)，通通擠入在一顆大約32KB大小的PROM(Programmable ROM)，可程式化唯讀記憶體)。這個程式碼就叫做BIOS(Basic Input/Output System)。
BIOS內部的幾個元件包括了兩大部分，首先是BIOS程式的所在部分-BIOS ROM，接著就是紀錄BIOS設定資料的BIOS CMOS部分，最後則是BIOS功能的核心軟體-紀錄在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，正如其名字一般，一般來說ROM這種IC晶片中所儲孝的資料，基本上是不能隨便更動的，與我們相當熟知的系統記憶體(RAM，Random Access Memory-隨機存取記憶體)正好相反。ROM這種IC結構的特點，除了資料的不易變動性外，此外就是存取速度較慢。這是由於ROM的成本較低，而且大部分用途定位在穩定的資料儲存單位，因此在速度上的需求就不如一般供系統運算運作所使用的RAM來的快。
    而由於BIOS內部程式講究穩定、不常變動、低負載量的特性，因此在個人電腦的設計中，採用ROM唯讀記憶體作為儲存BIOS程式的媒介。也正因為BIOS程式儲存在這樣不易變動的媒介中，因此並不能明顯地定義BIOS程式是否屬於設備方面的硬體(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)的原因。
    傳統的個人電腦中，由於大部分的設計都是由廠商將整套電腦系統組裝完畢，也因此系統的升級或更新不像目前模組化設計一般的方便，這同時也表示，傳統個人電腦BIOS程式的內容，基本上也不太可能由於升級等等原因而有所變動，也因此BIOS程式的內容可以儲存在最傳統的ROM晶片中，而永遠不需要更動。如果因為升級的需要等等因素，可再更換另一顆ROM晶片即可，這樣的設計在變動性不大的舊時就已經相當的足夠。
    但是隨著個人電腦系統的演進，系統所提供的功能也越來越為繁複，這同時也表示說，使用者對於許多的功能，必須要具備有讓使用者自行更動設定的機制，才能夠滿足現階段的需要。同時，由於BIOS程式必須負責的作業越來多、與模組化的電腦系統元件設計也使得BIOS程式必須面臨更多的挑戰，BIOS程式內容由於新功能或是舊的問題而產生了必須更新、更動的狀況。如果每次更新、更動BIOS程式的內容時，就必須更換新的BIOS晶片，勢必會造成很大的額外負擔。這也就表示說，我們需要更有彈性的BIOS程式儲存媒介，因應這樣的需求，BIOS ROM的儲存媒介，開始採用PROM(可程式唯讀記憶體)以及其他延伸的ROM設備。
1. PROMROM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容的ROM設備。這類ROM在由工廠製作完畢時，其中還沒有任何的資料，一但我們決定了所要儲存的內容後，更可以利用特殊的儀器將所需要的內容寫入PROM之中。寫入資料後，由於其中的內容無法消去，這也就表示並無法更改其內容。使用這類產品作為BIOS程式的儲存媒介時，主要的優點在於可以很快的由店家燒錄一個新的BIOS ROM以便安裝在系統中，而不需要送回工廠來處理。

2. EPROM:比PROM稍微再有彈性一點的產品，也就是接下來介紹的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，再將新的資料寫入其中。使用這類產品的優點是，當使用者必須更新BIOS程式的內容時，只消將帶往店家利用儀器消除內容再重新寫入，而要額外再花費一個BIOS的成本。不過當然對地這類產品的成本稍微較PROM來的高。

3. EEPROM:這是目前BIOS最常用的儲存媒介，而使用上的彈性也是這幾大類ROM設備中最為方便的。EEPROM的全名是Electrically Erasable Programmable Read Only Memory，這是一種可直接用電力消去內容資料的唯讀記憶體。當使用者必須更新其中的內容時，只需在電腦系統中執行某個更新程式，這時主機板便可以利用簡單的裝置將其中的內容消去，而再寫入新的程式內容。使用者甚至不需要到店家修理或進行此類動作，而要在網路上取得BIOS程式的新內容就可以自行更新。
    目前大部分的系統所用的BIOS ROM，大多採用最後的EEPROM，雖然成本稍微昂貴，但由於提供了良好的彈性與升級性，對於主機板廠商而言確實也是提高服務品質、產品效能等等的優良設計。
    而BIOS程式儲存在這些ROM之中，所扮演的角色在於系統開機初期，維持整個電腦系統的基本運作，以便由作業系統接手進行更精密的工作。

二、BIOS CMOS Memory
    BIOS既然處理整個電腦系統在一開機時的初始狀態設定等等，那麼對於系統的一些基本組態，像是硬碟機種類，系統時間等等，都必須要能夠有所了解。但是不同的電腦系統在這些方面的設定可能有所不同，而BIOS卻又不可能針對不同的電腦系統就設計一套不同的晶片，否則本身的成因此過分提高。這也就是說，BIOS的內部設計必須預留一部份可供使用者調整的設定，這樣才能讓BIOS針對不同系統進行不同的開機初始化設定等等。
    如果每次開機時，都必須要求使用者先進行電腦狀態的設定，使用電腦將成為繁複且令人生厭的不快經驗。這表示我們要想辦法將設定的狀態儲存起來，使用者只在須要更改的狀況時，才重新輸入或更動設定的內容。可是我們先前曾經提過，BIOS程式本身儲存在不能任意更動的ROM之中，即使是目前最常用的EEPROM，也只能利用特定程式來將其中的內容覆寫成新版BIOS，而無法任意更改。那麼這些可隨時更改的BIOS設定內容，勢必無法儲存在BIOS ROM資料區中。也就是說，BIOS必須設計另一個儲存區域，方能將這些設定資料放入並隨時更改。這也就是我們接下來要介紹的，BIOS CMOS區域。
    CMOS也就是Complementary Metal Oxide Semiconductor，這種技術廣泛的使用在微處理器、晶片組、DRAM記憶體等等。這類線路的設計所消耗的電力相當小，而這裡所用的CMOS Memory就是利用此種技術完成。這樣一來我們只需要主機板上放置簡單的小型鋰電池，就可以將BIOS的設定資料儲存起來。在BIOS中的CMOS資料區域通常不大，這樣子主機板電池可以延續幾乎數年的時間。由於一般的印象中CMOS技術常用在BIOS設定資料的儲存，因此一般提到CMOS時大多表示BIOS中的CMOS Memory。
    一般CMOS的設計中，都會加入偵測錯誤用的error-detect-ing碼。每次更改設定時，就會重新計算checksum值，也就是將整個CMOS中其他Byte的值累加起來，並將checksum值寫入CMOS中。每次系統開機時，便會檢查目前CMOS中儲存的資料之checksum值是否與先前紀錄的相符。這樣一來便可確認系統的完整性，避免設定資料被不當的更動而造成系統的錯誤。一現不相符時，系統便發出CMOS Checksum Error的錯誤訊息。
    除了我們這裡提到的CMOS記憶區域之外，目前較新的BIOS，皆支援新型的隨插即用<lug and Play>硬體，而這類的BIOS必須紀錄目前系統中的硬體組態，也就是Extend System Configuration Data<ESCD>資料區。這是除了標準CMOS記憶區外的另一個重要紀錄區。
IBM在主機板上使用一顆編號MC 146818的CMOS參數記錄/計時晶片，能儲存的資料大小才64bytes，而且要扣掉一些固定來記錄系統日期/時間的欄位。
    當電腦電源關閉時，這顆IC會改由電池供電以維持電腦的設定記錄值。由於CMOS製作的記憶體耗電量很低，就算電腦一、兩年都不開電源，CMOS記憶體內的記錄值也一樣完整的保存。
    這種晶片起初被稱為RTC/CMOS RAM，後來被簡稱為CMOS晶片。隨著PC工業蓬勃發展，也有廠商規劃出不同類型的CMOS晶片。筆者記得早期主機板，CMOS晶片旁有像啤酒桶般的電池，而設計往往隨著時間一久，電池內部的電解質液體流出，造成主機板電路被腐蝕。隨也有廠商使用一種整合電池與CMOS RAM於一體的晶片，它被設計成IC插座的類型，而且體積(或者說厚度)比較大，這類整合電池的CMOS晶片也曾流行一時。
    隨後主機板的線路逐漸整合、簡化，這種RTC/CMOS RAM硬體架構被保留並整合到像是Super I/O晶片甚至南橋晶片(South Bridge)等，內容也不再只有64bytes(可能到128bytes，甚至更多)，而供應電力的電路則拉到晶片外頭，另外搭配鋰電池來供電，旁邊僅保留CMOS放電的Jumper，供廠商或客戶可以清除CMOS記錄值。
    所以今日的主機板，除了電池與CMOS放電的Jumper以外，已經看不到所謂的CMOS晶片。對於BIOS而言，它依舊存在，但對於主機板或客戶而言，它已經成為南橋晶片的一部份。

会员10013

三、BIOS程式
    程式就是設備中負責讓系統執行各項基本作業的最重要軟體單位。要讓電腦系統發揮功用，就必須有些程式碼讓中央處理器執行，並藉此協調各項配備進行特定的工作。而在開機之時，由於各項硬體，例如硬碟等等，還沒有適當的啟動與初始化，這時還不可能由這些磁碟讀入任何的程式以供執行，而必須有另外的設備來幫助系統對這些硬體進行初始化動作，才能夠進行接下來的動作。而BIOS程式也就是負責提供這些初始化程式的單位。
    在程式被中央處理器執行之前，這些程式碼的內容必須被載入到記憶體之中<一般為隨機存取記憶體>，但是在隨機存取記憶體中的資料，一但關機就會消失，因此我們必須把這些程料寫入某個固定的硬體裝置中，而且每次關機也不會消失，這也就是BIOS程式被紀錄在ROM<唯讀記憶體>中的原因，除此之外，開機程式通常也不會輕易變動，這樣我們更可以明白BIOS程式紀錄在ROM之中的原因。
    而在設計中央處理器與BIOS的廠商之間則遵循相同的協定，這個協定的內容是，當開機程序進行時，中央處理器會到記憶體中的特定位置尋找開機初始化所需的程式，也就是BIOS程式。
    在個人電腦系統中，BIOS程式在記憶體中的位置是固定的，通常系統中最基本的1 Mega Bytes的最後64KB的區域<由F000h到FFFFh>便用來放置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載入記憶體。
當電腦從開機的一瞬間，硬體特性就是設計成CPU從主機板的BIOS晶片內取得程式碼，BIOS由內部的程式碼獲得控制權並且發揮作用，從CPU內外部的檢測設定、啟動DRAM、針對晶片組與周邊做初值化設定之後，最後驅動軟碟或硬碟機，把作業系統(如DOS、Win98/NT、Linux)載入之後，BIOS的開機引導工作就此告一段落，改為從事幕後的支援、協調工作，並幫助作業系統或應用程式，來處理周邊裝置溝通的細部執行動作。
    事實上除了主機板上有BIOS之外，另外像是顯示卡、SCSI控制卡、磁碟附加卡或高階網路卡也都有自己的BIOS晶片。設計在主機板上、負責整個主機板運作的BIOS，一般我們以System BIOS或Mainboard BIOS稱呼之。
    如果要更清晰的定義何謂BIOS，我們可以從某家BIOS研發廠商的技術訓練文件中，對於BIOS的敘述，他們是這麼說明的:
A Firmware program(一種屬於韌體的程式碼)，儲存在ROM、EPROM或FlashROM記憶體內，提供最基本的硬體初始化(initialize)、周邊控制的必要程式碼。通常由組合語言(Assembly Language)所寫成。
    BIOS平時是設定成唯讀的狀態，除了特殊工式或特殊方式之外，任何應用程式都沒辦法加以修改或抹除。以前的修改方式比較複雜，如果是Mask-ROM或PROM，幾乎得重新換一顆空白ROM的晶片，然後燒錄進去，到了EPROM時代，可以用紫外線照射其窗口一段時間，重新抹除其內部的所有資料之後，再以EPROM燒錄器將BIOS資料燒錄進去。
    當Windows 95流行之後，由於Plug and Play(PnP)與ACPI、DMI協定的需要，主機板需要有一個可以記錄周邊裝置資源的異動情形，卻又不會被其他程式破壞的記憶體區域，FlashROM對於韌體程式碼的更新也比EPROM還要方便，所以到後來，主機板BIOS，以至於顯示卡、與各周邊界面卡儲存BIOS的記憶體晶片，幾乎都是Flash ROM的天下。
    對主機板BIOS而言，它最重要的工作有下列幾點:
1. POST(Power On Self Test，開機自我測試)一開機時系統將控制權交給BIOS時，它會針對CPU各項暫存器、旗號等先檢查是否運作正常，接下來會檢查像是8254 timer(可程式化周邊計時晶片)、8259A(可程式化中斷器)、8237DMA controller(DMA控制器)的狀態。
2. Initial–針對動態記憶體(DRAM)、主機板晶片組、顯示卡以及相關周邊的暫存器(register)做初始化(Initialize)的動作，並檢測是否能夠正常工作。
    所謂初始化的動作就是依照該晶片組的技術文件規定，作一些暫存器填值、改位元或旗號的動作，使得主機板/晶片組的記憶體、I/O功能得以正常運作。
3. 記錄系統的設定值，並且儲存在非揮發性記憶體(Non-Volatile RAM，像是CMOS或Flash Memory(的ESCD區域)。
4. 將常駐程式庫常駐於某一段記憶體，提供作業系統或應用程式呼叫。像是Int 10h、Int 13h，Int 15h之類的函式。

会员8384

这么密！！还是繁体的         晕了！！！     


不过还是要感谢楼主。辛苦了。

会员10298

所以没看完,楼主辛苦了,
反正这些东西都知道