主板BIOS技术解析

PC经过20多年的发展，几乎所有的硬件架构都历经数次彻头彻尾革新，但古老而变化有限的BIOS 却越来越不为用户重视。随着电脑朝着功能多样化的方向发展，如今传统BIOS也受到来自CSS、UEFI 新一代BIOS技术的挑战……
BIOS基础知识
　　BIOS是英文“Basic Input Output System”的缩略语，直译过来后中文名称就是“基本输入输出系统”。它的全称应该是ROM－BIOS，意思是只读存储器基本输入输出系统。其实，它是一组固化到电脑内主板上一个ROM芯片上的程序，它保存着电脑最重要的基本输入输出的程序、系统设置信息、开机上电自检程序和系统启动自举程序。
　　有人认为既然BIOS是“程序”，那它就应该是属于软件，感觉就像自己常用的Word或Excel。但也很多人不这么认为，因为它与一般的软件还是有一些区别，而且它与硬件的联系也是相当地紧密。它负责最低级的、最直接的硬件控制，以及电脑的原始操作，电脑的原始操作都是依照固化在BIOS里的程序来完成的。形象地说，BIOS应该是连接软件程序与硬件设备的一座“桥梁”，负责解决硬件的即时要求。
　　有了BIOS，PC厂商在硬件规格改变时，只需要更改BIOS程序内部即可，而操作系统层级的软件仍然靠呼叫相同BIOS功能就能完成任务，操作系统完全不需跟随硬件修改。另一方面， IBM预见硬件各种频率有需要调校的可能性，因此BIOS也负责针对这些电气特性作初始化、设定与调整。一块主板性能优越与否，很大程度上就取决于 BIOS程序的管理功能是否合理、先进。
　　主板上ROM芯片(Read Only Memory，只读存储器)是记录BIOS程序的载体，读数据与RAM芯片一样，但写数据要用特殊手段，如高电压写，BIOS程序就是由它来保存的。 ROM芯片一个特点是没电时，它里面的信息也不会丢失。ROM芯片从最初的不可刷发展到了电可刷新芯片，叫EEPROM,通常是5V刷新电压，CIH病毒就使用BIOS芯片电可刷新原理，往BIOS芯片写一堆垃圾，使得电脑BIOS程序被破坏，电脑无法启动。而我们平时说刷BIOS就是使用刷新程序或编程器把新版本的BIOS程序写进ROM芯片，以增加主板功能和提高主板稳定性。
　　自从PC引入南、北桥芯片架构后，BIOS就成为一种跟随主板制化的固件，不再像286之前任一样BIOS安装在任何主板上都可以执行的状况。而在 Win98/SE时代，BIOS开始遵循APM标准，此时的BIOS称为APM BIOS，提供关于CPU及各种周边的电源管理能力。到WinMe之后，BIOS开始支持由 Intel、Microsoft、HP和Toshiba主导、功能更完整的ACPI标准，控制包括电源、电源状态、温度等项目，称为ACPI BIOS。
　　BIOS掌握着系统的启动、部件之间的兼容和程序管理等多项重任。只要按下电源开关启动主机后，BIOS就开始接管主板启动的所有自检工作，系统首先由 POST (Power On Self Test,上电自检) 程序来对内部各个设备进行检查。通常完整的POST自检将包括对CPU、基本内存、1MB以上的扩展内存、ROM、主板、CMOS存储器、串并口、显示卡、软硬盘子系统及键盘进行测试，一旦在自检中发现问题，系统将给出提示信息或鸣笛警告。
　　然后BIOS就按照系统CMOS设置中保存的启动顺序搜寻软驱、IDE设备和它们的启动顺序，读入操作系统引导记录，最后将系统控制权交给引导记录，并最终完全过渡到操作系统的工作状态。一旦出现故障，就会有蜂鸣器发出报警。不过BIOS在电脑启动过程中的工作实际上远比我们介绍的要复杂得多。中间任何一个小的步骤出错都会导致系统无法启动，崩溃，而且BIOS设置不当也会给系统造成隐患。有经验的老鸟可以通过BIOS启动时候的声音来判断故障，而一般用户可以通过查看Debug卡的检错信号，了解POST停滞在哪个阶段。
　　值得一提的是，虽然过去如Linux等系统是完全取代BIOS，在Linux电脑系统里BIOS几乎只在POST阶段发挥作用，但由于ACPI架构带来更多方便性，现在的Linux也开始支持ACPI技术。对Linux来说，支持ACPI可以提高其兼容性，也能减少系统开发的复杂度，但另一方面当然也使其核心的精简度丧失。从系统架构的整体观点来看，这是个选择性的问题，并没有绝对的优与劣。
　　如今ACPI已发展到3.0版，并在2004年9月公开其技术规格。完整的ACPI 3.0规格表多达600余页，定义各个系统的工作目标和内容、接口规范，以及ACPI Tables、Registers等。
BIOS与CMOS的概念区别
　　谈到BIOS，随便解释一下COMS与BIOS的关系，因为有不少朋友往往将两者混为一谈。
　　我们常说的CMOS却是指主板上一块可读写的存储芯片，也称之为“CMOS RAM”。那么，CMOS与BIOS到底有什么关系呢？CMOS是存储芯片，当然是属于硬件，它的作用是具有数据保存功能，但它也只能起到存储的作用，而不能对存储于其中的数据进行设置，要对CMOS中各项参数的设置就要通过专门的设置程序。
　　现在多数厂家将CMOS的参数设置程序做到了BIOS 芯片中，在电脑打开电源时按特殊的按键进入设置程序就可以方便地对系统进行设置。也就是说BIOS中的系统设置程序是完成CMOS参数设置的手段，而 CMOS RAM是存放设置好的数据的场所，它们都与电脑的系统参数设置有很大关系。正因如此，便有“CMOS设置”和“BIOS设置”两种说法。
　　一般来说，通过固化在ROM BIOS的软件进行BIOS参数的调整过程就称之为BIOS设置，而通过BIOS设置中的"标准CMOS设置"调试CMOS参数的过程就称为CMOS设置。我们平常所说的CMOS设置与BIOS设置只是其简化说法，所以在一定程度上造成两个概念的混淆。
传统的BIOS的不足
　　作为连接操作系统和硬件体系之间的桥梁，BIOS(Basic Input Output System，基本输入输出系统)为PC的发展做出了重要的贡献，但也存在许多天生架构的限制。例如，不能完全达到即插即用，需要对硬件的驱动和IO资源进行调整，而这一切操作不是必须在操作系统中完成，尤其是对中断分配这个技术环节上，必须进入BIOS手动进行调整，这往往令初学者感到困难；字符化的 BIOS设置界面把很多人搞得一头雾水，更为夸张的是当出现某些新硬件的时候，为了达到支持新硬件的目的，必须要手动刷新BIOS的版本，虽然有不少图形界面更新BIOS版本的工具，但并不是每一块主板都支持此功能，许多初学者甚至没有接触过DOS，刷新BIOS如何谈起？
　　此外， ACPI BIOS所支持的即插即用也远非完美。通过硬件及系统厂商的不断努力，如今要让一块硬件正常运转起来，所花费的时间已经比以往减少了很多，但这远非完美。很多时候我们仍然会遭遇硬件之间的冲突，而此时就要进行硬件驱动及分配资源的手动调整，没有一定专业知识的人根本无从做起。
　　一般来说，只有当今所谓电脑高手才利用BIOS来对硬件性能做些超频调校，除了专业人士外，已经很少有人再利用BIOS进行低端工作。因为硬件发展迅速，传统式BIOS成为进步的包袱。因此，考虑到硬件环境已大幅改变，并考虑未来技术发展的前提下，BIOS的确有需要改革。



下一代BIOS技术
　　虽然BIOS一路演进到具有ACPI支持能力，但本质上的变化并不大，业界也一直酝酿着要做改变的声音。不过，BIOS由于在业界已经根深蒂固、并不能说改就改，因此，直到近年来才有所谓的 CSS (Core System Software)和EFI(UEFI)。
　　CSS：新一代BIOS？
　　CSS是在2003时由微软和BIOS供货商Phoenix共同制定，当时号称所谓真正图形接口BIOS，被誉为将取代传统BIOS的新希望。从本质上，CSS是直接嵌入微软操作系统中的软件，微软长久以来就一直希望能跳过BIOS直接控制硬件，但从来没有真的成功过。就算Window NT已将许多BIOS工作纳入核心，但像磁盘控制等功能，仍然无法不靠BIOS来完成。通过直接纳入Windows底层的CSS BIOS，上层图形接口用户就可以直接访问并管理所有硬件资源。
　　从技术角度来看，CSS在操作系统高度和硬件结合的优势下，比传统 BIOS具有较佳数字安全、网络管理等好处；Phoenix在CSS架构下建立了许多现在颇为热门的信赖式运算与核心码，就是一种与操作系统结合的软件。正因为CSS BIOS是操作系统的一部分，所以包括病毒攻击等防护，都可以靠系统中的防毒软件来完成。在微软的理想中，CSS BIOS将融入数字版权管理系统，自动对软件的版权直接进行检测，以此防止软件盗版。
　　而对用户来说，CSS的最大好处在于将电脑操作变得更加简单可靠，同时拥有着更高的安全性能。例如，CSS BIOS软件检测到病毒复制，修改硬件资源的时候会发出警报来通知上层界面，而上层界面就可以通过操作来进行调整或修复起到防止病毒的作用。除此以外， CSS技术将具有更强的可维护性，配置管理界面都有大幅度的改善，这样的BIOS或者只是Windows中的一个组件，只需要打开控制面板做出相应的调整就可以简单明了地调整硬件设置，并且即时生效。此外，微软官方表示CSS BIOS还将集成数字版权管理系统(DRM)，在此功能上，BIOS将自动对软件的版权直接进行检测，也是防止盗版的重要手段之一。
　　虽然听起来不错，但CSS也有许多缺点。首先，CSS只是把放在Flash等非挥发内存中的固件，换成软件的型式存在操作系统中，本质上的变革有限。其次，操作系统直接包含BIOS能力固然可强化对硬件的控制能力，但假若恶意程序取得操作系统掌控权，就能直接对系统安全做出更具破坏力的动作，或更容易对电脑使用者的动作进行监视、窃取数据。同时CSS BIOS技术赋予管理者的权限过大，使得通过电脑偷窥用户如何使用电脑在技术上成为简单的事情，而且就算是用户使用盗版软件，对用户进行惩罚的也应该是执法或相应的部门，而不是操作系统。
　　当然，CSS BIOS能否成为BIOS的最大挑战者，在于整个市场的接受力度。尽管Phoenix是目前最大的BIOS供货商，但在包括Intel、微软、其它 BIOS业者和软／硬件制造商都表态支持UEFI的状态下，CSS也许只能成为Phoenix BIOS的一种特色，而无法成为标准。
EFI/UEFI:更具优势？
　　EFI的出现第一次被正式提出，是在2000年的Intel春季IDF上，经过几次修订，现在已经到了EFI 1.10版，而2.0版正由UEFI这个组织制定中(故EFI也现称为UEFI)。EFI早在2000年时由Inetl提出的标准，从某个角度来讲， Intel在当时推出EFI主要为将来电脑固件能兼容于各种不同架构平台布局；例如EFI可运用在Itanium、Pentium甚至XScale平台上。最初，共同发展EFI的业者包括Intel、AMI和台湾业者Insyde，后来由于EFI确实具有足够的前瞻性，产业间成立了UEFI (Unified EFI)论坛，共同开发适用于各平台的PC固件标准。基本上，UEFI是基于原有的EFI 1.10为基础，正在进行UEFI 2.0的制定工作。
　　在UEFI的架构中间绿色的H型区块部分，包括平台驱动程序、UEFI驱动程序、兼容性支持模块和最底层"准UEFI模块"等，就是BIOS业者所提供的程序范围。在Intel的定义里，准UEFI模块即与现有BIOS相当。
　　UEFI的最大特点，采用模块化设计的UEFI BIOS，基本上区分成硬件控制和OS软件两大模块，前者只要是相同版本的UEFI BIOS，就会有相同的功能，后者则是给厂商用C语言撰写应用功能的开放接口。通过这个开放接口，厂商就可以自行编写出各种功能的插件(Plug- in)，像是类似Ghost的系统备份/还原插件、类似IE的浏览器插件、类似Anti-Virus的防病毒插件等功能来增加自家产品的功能特色。从前面的内容来看，UEFI BIOS完全不同于传统BIOS的样貌，几乎就是一个专用的微型操作系统。而随着UEFI BIOS内建功能的多样化，它的数据体积自然是不容小视，再加上扩展性的需要，UEFI BIOS将不再是存放在主板上的只读存储器中，而是在硬盘划分出一块FAT 32格式的扇区(ESP；UEFI BIOS System Partition)，来存放UEFI BIOS的相关数据。
　　可以说，UEFI系统的固件就相当于一个简单的操作系统，在开机程序完成后，使用者可选择执行UEFI Shell当做命令接口，或指定任一其它操作系统。这种情形就有点像早期的DOS一样，Windows只是另一个使用者接口系统。包括AMI和 Insyde，现在的UEFI BIOS都是以Intel所撰写的UEFI功能核心Framework(开发代号为Tiano)为基础，再加挂其编写的架构模块。甚至于微软的下一代操作系统Longhorn，也在IDF中宣布支持UEFI，按照微软的计划，未来所有新的操作系统都将支持UEFI。在模块化分工的概念下，加入一个新的中介接口的确能将系统变动带来的其它改变减至最少。
　　因为UEFI的这种架构特性，所以很多人认为在UEFI成为电脑固件后，对BIOS厂商和微软都是威胁----BIOS业者将不再有绝对的主控地位，而用户在开机后执行系统的选择性增加，就不见得一定得依赖微软的Windows了。不过， UEFI BIOS也象CSS一样存在不少缺点。比如真正的UEFI是在硬盘中隔离出一个区域来作为存储空间的，如果硬盘这一小块空间出现物理损坏，后果怎样？由于 UEFI更像是种软件，所以对病毒、外部程序侵入的防御能力就比传统的BIOS削弱了不少。再说，现在会用C语言来编程的人不少，可能很多人都可以很容易破译UEFI，这对UEFI的安全性提出了更高的要求。
小结
　　从传统BIOS的角度来看，目前市场上并不需要所谓的图形化接口BIOS；主要原因是现有BIOS改成图形接口须做的工太多太复杂，且图形接口占用额外的内存空间，以使用率来讲并不符合效益。对于BIOS的未来发展方向，从电脑应用趋势变化的观点思考，BIOS能做且应该做的事远超过现有产品。
　　至于CSS、UEFI对产业来说还是一个发展中的技术。不过，与需要重新开发新技术的CSS BIOS比较起来不需要投入太大资本的UEFI BIOS更加让硬件厂商动心，安全角度来分析，也是UEFI BIOS更具有优势和安全性，而且Intel官方宣布微软的下一个操作系统将会支持UEFI BIOS，与遥遥无期的CSS BIOS相比，真正取代传统BIOS的技术UEFI BIOS已经快要到来了。