第04章BIOS-new

第4章BIOS4.1BIOS基本概念通常人们很难理解PC系统中的硬件和软件的区别，因为它们在系统设计、系统构造和系统操作中紧密结合在一起。理解它们之间的区别有利于理解PC系统中BIOS的功能。BIOS，是BasicInput／OutputSystem（基本输入／输出系统）的缩写，它是系统中硬件与软件之间的连接纽带。BIOS描述了一组驱动程序，这组驱动程序协同工作，为系统硬件向操作系统软件提供接口。从广义上讲，计算机系统一般包括三类BIOS。一类BIOS为主板BIOS，即BIOS的核心部分，它们被写入ROM芯片中，它们只可读而不能被改变，即当电源断开后，这部分信息也不会被自动抹去。第二类BIOS为适配器插卡BIOS，位于适配卡中的ROM芯片。当系统启动时，适配器插卡BIOS对应的设备驱动程序将被自动加载。第三类BIOS为从磁盘上加载的设备驱动程序。主板BIOS和一些适配器插卡BIOS有时也被称为“固件”，指的是存在于芯片中的软件。在我们日常工作中提到的BIOS一般单指主板BIOS，这是一种狭义BIOS。本章在介绍了BIOS的基本概念之后，主要讨论主板BIOS及其操作方法。系统中的BIOS实现了对硬件层的屏蔽。也就是说，系统BIOS为操作系统提供对不同硬件平台的统一操作接口，因此我们可在不同类型的PC机上运行同样的操作系统。例如，可以在两台具有不同类型的处理器、硬盘和视频适配器的PC机上都运行WindowsXP。WindowsXP在两个不同硬件平台上的运行状况没有什么分别，这是因为硬件生产商提供的设备驱动程序为不同的硬件向操作系统提供相同的基本操作接口。形象地说，BIOS在一端可适应某一类型硬件，在另一端则向操作系统表现出相同的属性。4.1.1主板BIOS的功能所有主板都包含BIOSROM。这一种ROM芯片包含系统的启动程序以及系统启动时必须活跃的硬件设备的驱动程序和作为基本硬件接口的设备驱动程序。当系统启动时，BIOS进行通电自检，检查系统的基本部件，系统启动程序将系统配置参数写入CMOSRAM中。CMOS(ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor)的中文意思是互补金属氧化物半导体，早期一般是主板上的单独一块芯片，现在大多被集成到了芯片组的南桥或ICH中。CMOSRAM通常也被称为NVRAM（不可变随机存储器），芯片的能量来自主板上的锂电池，因为其运行时的电流只有几微安，因此仅使用一个很小的锂电池就可长久地保存数据。BIOS是嵌入在一个或多个芯片中的一组程序的集合，BIOS具体包含哪些程序则依赖于计算机系统的设计。当系统初启时首先应装载入这一组程序，接着再装载操作系统。简单地说，在大多数PC机中的BIOS有以下四种基本功能：·通电自检功能。通电自检时，检查计算机的处理器、存储器、芯片组、视频适配器、磁盘控制器、磁盘驱动器、键盘以及系统的其他一些关键部件。·BIOSSETUP程序用于系统初启时的系统设置和系统初始化，也可以用于修改系统配置参数，并将这些配置写入CMOSRAM中。BIOS与CMOSRAM实际上是计算机中两个完全不同的部件。要启动BIOSSETUP，需要在系统通电自检过程中，按下一个特殊的功能键，即可启动这个程序，它是一个菜单驱动的程序。这一程序可用于用户设置主板、芯片组、磁盘驱动器和系统其他基本部件的运行参数；可设置系统日期、时间、密码等；可以控制系统BIOS从启动驱动器的启动顺序（即在系统初启时，硬盘驱动器、软盘驱动器、光盘驱动器等设备之间的启动顺序）；还可调节系统运行时的功率。·引导程序用于读取磁盘，查找主引导扇区。若查找到一扇区以字节55AAh结束，则此扇区即为主引导扇区。主引导扇区程序可装载操作系统引导扇区继续引导过程，从操作系统引导扇区可将操作系统内核文件引导入系统。·包含用于操作系统与系统硬件设备之间通信的基本接口的一组驱动程序。当系统运行在DOS下或在Windows的安全模式下，没有驱动程序从磁盘上导入，系统仅运行在基于ROM的BIOS驱动程序上。ROMBIOS中包含的驱动程序有：键盘、软盘驱动器、硬盘驱动器、并行和串行端口等。ROM是一种速度较慢的存储器芯片，它的平均访问时间约150纳秒与DRAM的访问时间10纳秒（或更少）相比要慢得多。正因为如此，在所有系统中ROM被屏蔽，所谓屏蔽，即在系统启动时它们被拷贝进DRAM芯片中，这种方法可提高ROM的访问速度。在ROM屏蔽过程中，ROM被拷贝入RAM中，在RAM中给ROM分配与原来相同大小的地址空间，真正的ROM被禁用。这使得ROM的访问时间缩小为RAM的访问时间。从ROM屏蔽法获得的性能提高通常非常少，并且当系统配置不恰当时会出现问题。所以，在大多数情况下，只屏蔽主板BIOS，或许还可屏蔽视频卡BIOS，但其他硬件设备BIOS就不会被屏蔽。通常，屏蔽法仅在16位操作系统（如DOS、Windows3.x）中有用。在32位操作系统（如Windows9x、WindowsMe、Windows2000、WindowsNT或WindowsXP）下无用，因为它们在运行时不使用16位ROM编码。32位操作系统将32位驱动程序装载入RAM中来代替仅在系统初启阶段使用的16位BIOS编码。4.1.2主板BIOS芯片的类型ROM在微机的发展初期，BIOS都存放在ROM（ReadOnlyMemory，只读存储器）中。ROM内的数据是在ROM的制造工序中，在工厂里用特殊的方法被烧录进去的，其中的内容只能读不能写，一旦烧录进去，只能验证写入的数据是否正确，不能再作任何修改。图4-1展示的是8088主板上的BIOSROM芯片。图4-1ROM芯片EPROM由于ROM制造和升级的不便，后来人们发明了PROM（ProgrammableROM，可编程ROM）。最初从工厂中制作完成的PROM内部并没有数据，客户可以使用专用的编程器将数据写入，但是这种机会只有一次，一旦写入后也无法修改。PROM的特性和ROM相同，但是其成本比ROM高，而且写入资料的速度比ROM的量产速度要慢，一般只适用于少量需求的场合或是ROM量产前的验证。EPROM（ErasableProgrammableROM，可擦除可编程ROM）芯片可重复擦除和写入，解决了PROM芯片只能写入一次的弊端。EPROM芯片有一个很明显的特征，在其正面的陶瓷封装上，开有一个玻璃窗口，透过该窗口，可以看到其内部的集成电路，紫外线透过该孔照射内部芯片就可以擦除其内的数据，完成芯片擦除的操作要用到EPROM擦除器，EPROM内数据的写入要用专用的编程器，并且往芯片中写数据时必须要加一定的编程电压。EPROM芯片在写入数据后，要以不透光的贴纸或胶布把窗口封住，以免受到周围的紫外线照射而使数据受损。EPROM常见的型号27系列。图4-2展示了一块典型的EPROM芯片。图4-2EPROM芯片EEPROMEPROM虽然已具备了可重复写入的能力，可是还要借助于EPROM擦除器和专用编程器擦除与写入数据，在使用时既费时又不便。鉴于EPROM操作的不便，主板的BIOSROM芯片开始采用EEPROM（ElectricallyErasableProgrammableROM，电可擦除可编程ROM）。EEPROM（参见图4-3）的擦除不需要借助于其它设备，而且是以Byte为最小修改单位，不必将数据全部洗掉才能写入，彻底摆脱了EPROMEraser和编程器的束缚。EEPROM在写入数据时，仍要利用一定的编程电压，此时，只需用厂商提供的专用刷新程序就可以轻而易举地改写内容，所以，它属于双电压芯片。借助于EEPROM芯片的双电压特性，可以使BIOS具有良好的防毒功能，在升级时，把跳线开关打至“ON”的位置，即给芯片加上相应的编程电压，就可以方便地升级；平时使用时，则把跳线开关打至“OFF”的位置，防止CIH类的病毒对BIOS芯片的非法修改。所以，至今仍有一些主板采用EPROM作为BIOS芯片并作为自己主板的一大特色。EEPROM常见的型号有28F系列。图4-3展示了一块典型的EEPROM芯片。图4-3EEPROM芯片FlashROMFlashROM（快闪ROM）则属于真正的单电压芯片，在使用上类似EEPROM，但二者还是有差别的。FlashROM芯片的读和写操作都是在单电压下进行，不需跳线，只利用专用程序即可方便地修改其内容；FlashROM的存储容量普遍大于EEPROM。近年来FlashROM已逐渐取代了EEPROM，广泛用于主板的BIOSROM。EEPROM常见的型号有29、39、49系列。图4-4展示了一块典型的FlashROM芯片。图4-4FlashROM芯片4.1.3主板BIOS芯片的封装主板BIOS芯片的封装主要有以下两种：·DIP（DualInlinePackage）双列直插式封装。DIP封装方式的两侧有针脚，需要插入到具有DIP结构的芯片插座上。当然，也可以根据其针脚直接插在有相同焊孔数和几何排列的电路板上进行焊接。DIP封装适合PCB（印刷电路板）上穿孔焊接，易于对PCB布线、操作方便等优点，缺点是芯片面积与封装面积比值较大。一般DIP封装的BIOS芯片是采用的是28或32脚。·PLCC（PlasticLeadedChipCarrier）塑料有引线芯片载体封装。PLCC封装方式从外形呈正方形，四周都有引脚，外形尺寸比DIP封装小得多，具有外形尺寸小、可靠性高的优点。一般PLCC封装的BIOS芯片是采用的32脚。早期的BIOS芯片大多采用DIP形式的封装，随着半导体封装技术的发展，目前的主板为节省空间，采用了PLCC形式的封装。为了方便更换BIOS芯片，部分主板上还安装有插座，使用工具可以取下、更换BIOS芯片。图4-5展示了PLCC封装的BIOS芯片。图4-5PLCC封装的BIOS芯片4.1.4主板BIOS芯片的容量在BIOS芯片的容量方面，现在主板上常用的FlashROM的容量一般多为1Mb、2Mb以及4Mb。在486时代，一般只用512Kb的BIOSROM，从Pentium时代开始就主要采用1Mb的BIOSROM了，随着BIOS的功能越来越强，支持的硬件越来越多，因此程序码也越来越长，1Mb的容量已不够使用，目前新主板上大多采用2M甚至4Mb的容量。4.2BIOS生产商目前大多数主板所使用的主板BIOS，其原码都来自于AMI公司、Award公司和Phoenix公司这样三大BIOS生产商。而主板生产商对这些公司的BIOS进行定制后，使用在自己特定的主板中。这就是说，不同主板生产商的不同型号的主板的BIOS是不通用的，同时由BIOS原码生产商生产的同型号的BIOS虽然可用在不同主板生产商生产的主板中，但会失去特定主板的特有功能。1998年底，Phoenix公司购买了Award公司，因此Award公司的新产品将归于Phoenix公司名下。这就是说，三家最大的BIOS制造商目前已减少为两家——Phoenix公司和AMI公司·AMI公司虽然AMI公司为每个特定类型的系统定制ROM代码，但他并不将ROM代码卖给初始设备生产商。每个初始设备生产商在ROM新版本出现时必须通过注册来获得AMIBIOS的新版本。因为AMIBIOS的配置程序具有高灵活性，所以AMIBIOS新版本又称为Hinex。AMIHi-FlexBIOS在Intel公司、AMI公司，以及其他厂商生产的主板上使用。AMI公司的另一个特点是他在第三方BIOS生产商中惟一一个自己生产主板的公司。在系统加电过程中，AMIBIOS标识符显示在屏幕的左下角。这一字符串描述了BIOS版本信息及其内置安装程序的一些配置参数。你也可以从AMI的网站下载AMIMotherboardIDUtility程序（AMIMBID），运行之就可以确定BIOS标识符。AMIBIOS内置有一个BIOSSETUP程序，在系统启动的头几秒钟内若按下Delete或Esc键，则此程序被激活。一些AMIBIOS版本除了BIOSSETUP程序外，还包括内置的、基于菜单的诊断程序包，主要是一些独立的