基本輸入輸出系統(tǒng)

基本輸入輸出系統(tǒng)(BIOS)是一種位于計(jì)算機(jī)只讀存儲(chǔ)器(ROM)中的固件，負(fù)責(zé)計(jì)算機(jī)啟動(dòng)時(shí)的硬件初始化，并在操作系統(tǒng)運(yùn)行過程中提供運(yùn)行時(shí)服務(wù)。因?yàn)锽IOS存儲(chǔ)在ROM中，所以有時(shí)也叫“ROM BIOS”。

BIOS的出現(xiàn)可以追溯到1975年。Gary Kldal在Intel 8008的基礎(chǔ)上開發(fā)的一個(gè)管理程序和數(shù)據(jù)控制程序，就是現(xiàn)代BIOS的雛形。1981年，IBM開發(fā)了第一個(gè)PROM(可編程只讀存儲(chǔ)器)，稱為程序代碼的集合BIOS。由于BIOS本身的缺陷，2003年，英特爾推出了EFI(可擴(kuò)展固件接口)。為了制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，2005年，英特爾聯(lián)合微軟、AMD等11家公司制定了統(tǒng)一的EFI標(biāo)準(zhǔn)，即UEFI標(biāo)準(zhǔn)。

BIOS的工作原理包括上電自檢、硬件設(shè)備初始化和啟動(dòng)boot loader，其核心功能包括硬件檢測(cè)、系統(tǒng)配置、啟動(dòng)順序設(shè)置和電源管理。隨著技術(shù)的發(fā)展，BIOS的安全性也因固件攻擊和兼容性問題受到挑戰(zhàn)，逐漸被UEFI取代。

背景起源

基本輸入輸出系統(tǒng)的出現(xiàn)可以追溯到1975年Gary Kldal開發(fā)的PL/M操作系統(tǒng)。根據(jù)馮·諾依曼原理，計(jì)算機(jī)可分為五部分，即控制器、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。如果想讓這些部分協(xié)調(diào)工作，就需要一個(gè)操作系統(tǒng)，負(fù)責(zé)計(jì)算機(jī)中各種硬件資源的分配和調(diào)度。起初，為了操作計(jì)算機(jī)，通常只有手工操作。程序員首先要把程序和數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的穿孔紙帶裝入輸入機(jī)；然后啟動(dòng)輸入機(jī)將程序和數(shù)據(jù)輸入電腦內(nèi)存，再通過控制臺(tái)開關(guān)啟動(dòng)程序?qū)?shù)據(jù)運(yùn)行；計(jì)算結(jié)束后，打印機(jī)輸出計(jì)算結(jié)果。這種循環(huán)效率相當(dāng)?shù)汀?/p>

1971年，英特爾開發(fā)了第一款微處理器——4004。加里·基爾達(dá)爾(Gary kildall)想用這種芯片為他的父親制作一個(gè)導(dǎo)航計(jì)算器。但由于Intel4004的指令集不足，1973年，英特爾交出了自己的新產(chǎn)品Intel 8008。kildare花了幾個(gè)月的時(shí)間開發(fā)了一種微處理器編程語(yǔ)言——PL/m，通過這種語(yǔ)言，在DEC公司的TOP-10大型機(jī)上成功開發(fā)出了管理程序和數(shù)據(jù)的控制程序，并于1974年發(fā)布了其第一個(gè)版本CP/M1.3(控制程序/微處理器微機(jī))。此后，它也出現(xiàn)在基于英特爾芯片的微型計(jì)算機(jī)上。直到1975年，他才完成了CP/M的完整應(yīng)用系統(tǒng)，包括用于復(fù)制文件的PIP(外圍交換程序)。CP/M的底層是基本輸入輸出系統(tǒng)——BIOS，由I/O驅(qū)動(dòng)組成，是與硬件的接口。

傳統(tǒng)BIOS

在計(jì)算機(jī)發(fā)展的早期，主板BIOS程序是固化在ROM芯片中的，這些BIOS程序是在ROM芯片開發(fā)過程中通過廠商特有的方法燒錄的，燒錄在主板ROM芯片中的BIOS程序不能升級(jí)或修改，只能讀取。也就是說，如果在燒錄到ROM芯片中的BIOS程序中發(fā)現(xiàn)了BUG，就只能丟棄。

1981年，IBM在開發(fā)第一代個(gè)人電腦IBM PC時(shí)，工程師們把硬件檢測(cè)代碼，最基本的外圍I/O處理程序(如屏幕顯示、鍵盤控制、磁盤控制等)擠到了一起。)和操作系統(tǒng)的主要程序代碼存儲(chǔ)到32KB PROM(可編程ROM)中。這些程序代碼的集合稱為BIOS。之后IBM還公開了包括BIOS在內(nèi)的接口規(guī)范，進(jìn)一步推動(dòng)了其他廠商對(duì)BIOS的開發(fā)。

大約在20世紀(jì)90年代，Intel與Compaq和Phoenix Technology一起制定了BIOS引導(dǎo)規(guī)范和即插即用BIOS規(guī)范，這成為業(yè)界事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。

EFI和UEFI

1998年，英特爾推出了專為IA-64處理器設(shè)計(jì)的英特爾啟動(dòng)計(jì)劃(Intel Boot Initiative project)，后來更名為EFI(可擴(kuò)展固件接口)。

1999年4月26日，CIH病毒大規(guī)模爆發(fā)，全球6000多萬(wàn)臺(tái)電腦癱瘓。當(dāng)時(shí)，中國(guó)只有146萬(wàn)臺(tái)聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)。當(dāng)這種病毒爆發(fā)時(shí)，它會(huì)調(diào)用CPU的最高權(quán)限，試圖將垃圾信息寫入硬盤和BIOS。一旦成功，BIOS將完全不起作用，只能更換BIOS芯片或主板。這也促進(jìn)了BIOS的升級(jí)。

2003年，電噴正式登上舞臺(tái)。同年，為了競(jìng)爭(zhēng)，鳳凰科技和微軟在10月宣布推出新一代BIOS，并將其命名為核心系統(tǒng)軟件(CSS)。2005年，英特爾聯(lián)合微軟、AMD等11家公司成立了統(tǒng)一EFI論壇，負(fù)責(zé)制定統(tǒng)一的EFI標(biāo)準(zhǔn)，即UEFI標(biāo)準(zhǔn)。UEFI標(biāo)準(zhǔn)逐漸成為整個(gè)行業(yè)事實(shí)上的BIOS標(biāo)準(zhǔn)。AMI、Insvde、百教等BIOS廠商都基于UEFI打造了自己的產(chǎn)品。

2006年，Byosoft成立，2008年從Intel獲得中國(guó)BIOS獨(dú)家技術(shù)授權(quán)，從而可以獲得除開源內(nèi)核以外的其他閉源芯片的初始化代碼。從而成為全球第四，中國(guó)第一家也是唯一一家獨(dú)立的BIOS供應(yīng)商。

2007年左右，PC操作系統(tǒng)逐漸支持UEFI。微軟推出了64位X86版本的Windows Vista Service Pack 1系統(tǒng)，支持UEFI啟動(dòng)。2011年，英特爾推出Sandy Bridge處理器，PC硬件開始向UEFI轉(zhuǎn)移。2020年5月，由中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院和華為技術(shù)有限公司牽頭的《服務(wù)器BIOS通用技術(shù)規(guī)范》(CESA-2020-2-012)獲批立項(xiàng)。2022年5月，微星發(fā)布了新的BIOS 300系列主板，支持Zen3處理器，改善了啟用fTPM的間歇性性能卡頓問題。

通電自檢：開機(jī)自檢(POST)是BIOS開機(jī)后啟動(dòng)的第一個(gè)程序。電腦開機(jī)時(shí)，BIOS會(huì)先進(jìn)行自檢，檢查硬件設(shè)備是否正常。

崗位自檢分為兩部分:POST首先檢查計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件(CPU、顯卡、BIOS可以訪問的初始64KB內(nèi)存區(qū)域)是否存在，能否正常工作。因?yàn)檫@個(gè)過程是在系統(tǒng)BIOS初始化顯卡之前，所以如果在檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)故障和錯(cuò)誤(都被認(rèn)為是致命錯(cuò)誤)并且無法通過顯示設(shè)備顯示出來，系統(tǒng)BIOS就要通過聲音報(bào)警來表示。經(jīng)過檢查，如果CPU、顯卡、第一個(gè)64KB內(nèi)存塊都正常，系統(tǒng)可以正常啟動(dòng)。

執(zhí)行啟動(dòng)自檢。首先初始化顯卡，屏幕上顯示自檢畫面。

初始化硬件設(shè)備：自檢完成后，BIOS會(huì)根據(jù)預(yù)設(shè)的配置信息初始化硬件設(shè)備。它會(huì)初始化動(dòng)態(tài)內(nèi)存(DRAM)、主板芯片組、顯卡以及相關(guān)外設(shè)寄存器，檢查是否能正常工作。所謂初始化設(shè)置，就是根據(jù)芯片組的技術(shù)文檔做一些寄存器填充和復(fù)位，使主板/芯片組的內(nèi)存和I/O功能能夠正常工作。

引導(dǎo)加載程序啟動(dòng)：完成以上操作后，它會(huì)為操作系統(tǒng)創(chuàng)建一些參數(shù)，比如ACPI表，選擇引導(dǎo)設(shè)備，從設(shè)備加載bootlloader，然后啟動(dòng)操作系統(tǒng)。當(dāng)設(shè)備通過測(cè)試后，搜索引導(dǎo)驅(qū)動(dòng)程序(如硬盤、光驅(qū)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等。)根據(jù)BIOS中設(shè)置的引導(dǎo)順序，獲取第一個(gè)引導(dǎo)設(shè)備的代碼，讀取第一個(gè)引導(dǎo)設(shè)備的主引導(dǎo)記錄(MBR)中引導(dǎo)加載程序的引導(dǎo)信息，從MBR加載引導(dǎo)管理器(GRUB)并運(yùn)行引導(dǎo)管理。

硬件檢測(cè)：BIOS的硬件檢測(cè)包括自檢、硬件識(shí)別和硬件監(jiān)控。

自檢:內(nèi)存測(cè)試通過后，BIOS會(huì)開始檢測(cè)系統(tǒng)中安裝的一些標(biāo)準(zhǔn)硬件設(shè)備，如硬盤、CDROM、通訊口等設(shè)備。在此過程中，大多數(shù)較新的BIOS版本還會(huì)主動(dòng)檢測(cè)和設(shè)置定時(shí)參數(shù)、硬盤參數(shù)和內(nèi)存訪問模式。

硬件識(shí)別:檢測(cè)到標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備后，BIOS開始檢測(cè)并配置系統(tǒng)中安裝的即插即用設(shè)備。每個(gè)設(shè)備找到后，BIOS會(huì)在屏幕上顯示設(shè)備的名稱和型號(hào)，并為設(shè)備分配中斷、DMA通道、IO口等資源。

硬件監(jiān)控:通過BIOS可以監(jiān)控主板、CPU和電源的溫度，還可以設(shè)置穩(wěn)壓器的電壓輸出電平和每個(gè)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。當(dāng)啟動(dòng)過程中發(fā)現(xiàn)上述監(jiān)控功能異常時(shí)，系統(tǒng)會(huì)提示并暫停運(yùn)行。

系統(tǒng)配置：通過BIOS，可以設(shè)置參數(shù)，優(yōu)化系統(tǒng)。

參數(shù)設(shè)置:新電腦必須設(shè)置BIOS參數(shù)，提高整個(gè)電腦系統(tǒng)的配置。即使是具有PnP(即插即用設(shè)備)功能的系統(tǒng)，也只能識(shí)別部分電腦外設(shè)，當(dāng)前日期、時(shí)鐘等基本信息必須由用戶自己設(shè)置。

系統(tǒng)優(yōu)化:系統(tǒng)本身的BIOS設(shè)置參數(shù)對(duì)系統(tǒng)來說并不是最優(yōu)的，比如內(nèi)存讀寫的等待時(shí)間，硬盤的數(shù)據(jù)傳輸方式。需要多次實(shí)驗(yàn)才能達(dá)到最佳的性能組合。另外，內(nèi)部/外部緩存的使用、節(jié)能保護(hù)、電源管理甚至啟動(dòng)順序都對(duì)電腦的性能有一定的影響，這些也必須通過BIOS來設(shè)置。

開始管理：在啟動(dòng)時(shí)，BIOS可以提示啟動(dòng)順序和啟動(dòng)過程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤。

引導(dǎo)順序:BIOS系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)CMOS設(shè)置中的引導(dǎo)順序，搜索硬盤、光驅(qū)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等有效的引導(dǎo)驅(qū)動(dòng)程序，讀入操作系統(tǒng)引導(dǎo)程序，然后將系統(tǒng)控制權(quán)交給引導(dǎo)程序。操作系統(tǒng)從引導(dǎo)程序的執(zhí)行開始逐步完成操作系統(tǒng)內(nèi)核的加載和初始化，完成系統(tǒng)的啟動(dòng)。

錯(cuò)誤提示:啟動(dòng)失敗時(shí)，BIOS會(huì)發(fā)出提示音，根據(jù)提示音的不同可以判斷故障。之后，當(dāng)啟動(dòng)時(shí)的語(yǔ)音提示信息完成后，屏幕上會(huì)出現(xiàn)文字提示信息。文本中顯示的錯(cuò)誤信息屬于非關(guān)鍵性錯(cuò)誤，暫時(shí)不會(huì)對(duì)硬件系統(tǒng)造成損害，但如果不排除，系統(tǒng)將無法正常啟動(dòng)。

電源管理：APM(Advanced Configuration and Power Interface)是一種基于BIOS的系統(tǒng)電源管理方案，可以通過BIOS序列碼為CPU和設(shè)備提供電源管理，通過設(shè)備的超時(shí)設(shè)置決定何時(shí)將設(shè)備切換到低能耗狀態(tài)。大多數(shù)操作系統(tǒng)都提供了支持APM的節(jié)能模式。

在電源管理中，一般有四種模式:全開模式、待機(jī)模式、掛起模式和打盹模式。

BIOS擴(kuò)展和更新：BIOS的擴(kuò)展和更新包括BIOS中的新設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)(PXE)、RAID功能和自更新。BIOS擴(kuò)展:許多新添加或更新的設(shè)備可能無法被計(jì)算機(jī)識(shí)別，因此必須通過BIOS設(shè)置通知它。此外，新設(shè)備和原設(shè)備之間的IRQ和DMA沖突通常通過BIOS設(shè)置來消除。

網(wǎng)絡(luò)引導(dǎo)(PXE): PXE是一種廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程喚醒領(lǐng)域的技術(shù)。PXE(pre boot execution environment)是Intel公司推出的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可用于無盤和無盤聯(lián)網(wǎng)。它可以使計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)，協(xié)議分為客戶端和服務(wù)器端。PXE客戶端在網(wǎng)卡的ROM中。當(dāng)計(jì)算機(jī)啟動(dòng)時(shí)，BIOS將PXE客戶端調(diào)入內(nèi)存執(zhí)行，并顯示命令菜單。用戶選擇后，PXE客戶端通過網(wǎng)絡(luò)將放置在遠(yuǎn)端的操作系統(tǒng)下載到本地操作。使用PXE功能首先需要客戶端網(wǎng)卡的支持，其次服務(wù)器端必須有支持該協(xié)議的網(wǎng)管軟件。

RAID功能:硬件RAID是RAID(獨(dú)立磁盤冗余陣列)的一種形式，在主板或獨(dú)立的RAID卡上完成處理。獨(dú)立的RAID控制器配備了自己的CPU和高速緩存。因此，硬件RAID設(shè)備充當(dāng)微型獨(dú)立計(jì)算機(jī)，有助于保持性能，但與僅基于軟件設(shè)置RAID陣列相比，它們是更昂貴的選擇。這些控制器安裝在服務(wù)器中，并在操作系統(tǒng)啟動(dòng)前通過BIOS或可選ROM(識(shí)別卡并對(duì)其進(jìn)行初始化的固件)進(jìn)行配置。

升級(jí)BIOS:升級(jí)BIOS的作用是增加主板對(duì)新硬件的支持和識(shí)別能力，更好的解決硬件之間的兼容性，提高BIOS的調(diào)整功能。然而，升級(jí)BIOS是危險(xiǎn)的。如果沒有必要，盡量不要升級(jí)BIOS。首先要確認(rèn)主板的BIOS是否可以升級(jí)，然后根據(jù)不同BIOS廠商確定的BIOS類型，獲取相應(yīng)的BIOS升級(jí)程序。

操作系統(tǒng)支持：BIOS可以調(diào)節(jié)操作系統(tǒng)的啟動(dòng)和加載過程。引導(dǎo)過程和操作系統(tǒng)加載:完成開機(jī)自檢和設(shè)備配置后，BIOS開始引導(dǎo)過程。BIOS嘗試按照配置的優(yōu)先級(jí)順序從第一個(gè)設(shè)備啟動(dòng)。如果有一個(gè)有效的設(shè)備，固件將從MBR引導(dǎo)扇區(qū)讀取一個(gè)名為boot loader的簡(jiǎn)短可執(zhí)行代碼，并給予它控制權(quán)。此時(shí)，BIOS固件已經(jīng)被執(zhí)行，并且在系統(tǒng)操作期間不再是活動(dòng)的。引導(dǎo)加載程序初始化加載并啟動(dòng)操作系統(tǒng)。

高級(jí)配置選項(xiàng)：BIOS的高級(jí)配置包括CPU超頻設(shè)置、內(nèi)存時(shí)序配置、軟件抽象和兼容性。CPU超頻設(shè)置:一般主板都會(huì)讓用戶設(shè)置CPU的外接頻率。當(dāng)設(shè)置超過標(biāo)準(zhǔn)外部頻率時(shí)，就是超頻。在BIOS中，您可以通過更改電壓和頻率等設(shè)置來手動(dòng)超頻CPU。主要步驟是通過BIOS界面進(jìn)入CPU時(shí)鐘選項(xiàng)，選擇更高的外部頻率。

內(nèi)存時(shí)序配置:在計(jì)算機(jī)中，內(nèi)存等重要設(shè)備的參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性影響很大。為了達(dá)到最佳的工作狀態(tài)，BIOS可以反復(fù)調(diào)整內(nèi)存時(shí)序等選項(xiàng)，在保證穩(wěn)定性的前提下盡可能提高效率。

硬件抽象和兼容性:硬件抽象接口位于設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和計(jì)算機(jī)硬件之間。BIOS隱藏了計(jì)算機(jī)最低總線接口、內(nèi)存空間等硬件細(xì)節(jié)。BIOS為操作系統(tǒng)內(nèi)核提供了硬件抽象接口，便于操作系統(tǒng)移植到不同的計(jì)算機(jī)上。

非易失性存儲(chǔ)器：非易失性存儲(chǔ)器是一種斷電后仍能長(zhǎng)時(shí)間保存數(shù)據(jù)的電子設(shè)備。與易失性存儲(chǔ)器相比，非易失性存儲(chǔ)器具有成本相對(duì)較低、存儲(chǔ)容量大的特點(diǎn)，但其寫入速度普遍較慢，在寫入時(shí)也有先天的局限性。經(jīng)過一定次數(shù)的寫操作后，存儲(chǔ)器會(huì)達(dá)到自己的容忍極限而失效。

基本輸入輸出系統(tǒng)

互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體：互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)是指主板上的一個(gè)讀寫RAM芯片，用來保存當(dāng)前系統(tǒng)的硬件配置和用戶對(duì)一些參數(shù)的設(shè)置。當(dāng)系統(tǒng)通電并啟動(dòng)時(shí)，應(yīng)讀取CMOS信息以初始化機(jī)器各部分的狀態(tài)。它由系統(tǒng)電源或備用電池供電，斷電信息不會(huì)丟失。CMOS RAM是存儲(chǔ)系統(tǒng)參數(shù)的地方，BIOS中的系統(tǒng)設(shè)置程序是完成參數(shù)設(shè)置的手段。所以準(zhǔn)確的說法應(yīng)該是通過BIOS設(shè)置程序來設(shè)置CMOS參數(shù)。

跳線和DIP開關(guān)：跳線和DIP開關(guān)是用于連接或斷開網(wǎng)絡(luò)適配器卡或其它設(shè)備上的電路的兩種物理方法。跳線主要用于設(shè)置硬件的工作狀態(tài)，如CPU的核心(內(nèi)核)電壓、外部頻率和倍頻、主板的資源分配、啟用或禁用部分主板功能等。跳線給了主板更加靈活的設(shè)置方式，讓用戶可以輕松設(shè)置主板上各個(gè)元件的工作模式。但隨著技術(shù)的發(fā)展，目前采用無跳線技術(shù)，主板上除了一個(gè)清除BIOS設(shè)置參數(shù)的跳線外，沒有任何跳線。只要插上CPU，就能自動(dòng)識(shí)別和設(shè)定頻率和工作電壓。也可以通過BIOS設(shè)置參數(shù)改變主頻、工作頻率和電壓，不需要使用專門的硬件跳線。DIP開關(guān)(雙列直插式封裝)與普通跳線相同，只是小跳線做成開關(guān)。DIP開關(guān)是一排塊式或滑塊式開關(guān)，開關(guān)很小，需要用油筆尖或鑷子撥動(dòng)。使用DIP開關(guān)，可以更直觀、更容易地設(shè)置硬件的工作狀態(tài)。新電腦的系統(tǒng)配置是通過設(shè)置程序設(shè)置的，DIP開關(guān)很少使用。

BIOS固件芯片：芯片組是主板的核心部件，幾乎決定了主板的功能，它會(huì)影響整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能。BIOS固化在電腦主板上的一塊ROM芯片上，存儲(chǔ)著電腦中最重要的基本輸入/輸出程序、系統(tǒng)設(shè)置信息、開機(jī)后自檢程序和系統(tǒng)自啟動(dòng)程序。