Tại sao máy tính phải có BIOS?

Phần mềm BIOS được tích hợp vào PC và là mã đầu tiên được chạy bởi PC khi được bật ('firmware firmware'). Khi PC khởi động, công việc đầu tiên của BIOS là tự kiểm tra bật nguồn, khởi tạo và xác định các thiết bị hệ thống như CPU, RAM, thẻ hiển thị video, bàn phím và chuột, ổ đĩa cứng, ổ đĩa quang và phần cứng khác. Sau đó, BIOS định vị phần mềm bộ tải khởi động được giữ trên một thiết bị ngoại vi (được chỉ định là 'thiết bị khởi động'), chẳng hạn như đĩa cứng hoặc CD / DVD, tải và thực thi phần mềm đó, cho phép nó kiểm soát PC. [2] Quá trình này được gọi là khởi động, hoặc khởi động lên, viết tắt của bootstrapping.

Những điều cần thiết nào xác định rằng một hệ thống máy tính phải có BIOS được cài đặt trên nó?

Tại sao Hệ điều hành thực sự không thể làm tất cả các BIOS hoạt động?

BIOS là một đoạn mã phụ thuộc vào phần cứng được lưu trữ trên chính bo mạch chủ. Mỗi bo mạch chủ khác nhau đều cần một BIOS tùy chỉnh được viết cho nó, vì vậy không thể có một BIOS / OS chung chung (mặc dù BIOS về mặt kỹ thuật chỉ là mã được lưu trữ, vì vậy về mặt lý thuyết bạn có thể viết một HĐH cho một bo mạch chủ cụ thể) . Như bạn đã đề cập, mục đích của BIOS là làm như sau:

Khi PC khởi động, công việc đầu tiên của BIOS là tự kiểm tra bật nguồn, khởi tạo và xác định các thiết bị hệ thống như CPU, RAM, thẻ hiển thị video, bàn phím và chuột, ổ đĩa cứng, ổ đĩa quang và phần cứng khác.

Lưu ý rằng bạn vẫn có thể khởi động máy tính mà không cần bất kỳ bộ nhớ ngoài nào - đó là lý do tại sao BIOS là một yêu cầu cho máy tính. Nói cách khác, BIOS cung cấp một giao diện phần mềm chung để cho phép một chương trình máy tính được lưu trữ giao tiếp với các thiết bị phần cứng khác nhau được kết nối với bo mạch chủ.

Ví dụ: nếu tôi có hai bo mạch chủ khác nhau với hai bộ điều khiển SATA khác nhau, BIOS cho phép tôi viết một đoạn mã có thể hoạt động với cả hai, mà tôi không biết về cách bo mạch chủ thực sự gửi lệnh đến thiết bị SATA. Tôi chỉ cần nói với máy tính "đọc sector X từ thiết bị SATA này" và BIOS chịu trách nhiệm thực sự gửi các lệnh đó đến phần cứng.

Trường hợp thực sự lấy thông tin "đọc khu vực X" là một chương trình được lưu trữ trong BIOS, thường hướng máy tính bắt đầu đọc từ bộ tải khởi động được lưu trữ ở một vị trí chung. Các vị trí phổ biến này được các nhà phát triển phần mềm và phần cứng khác nhau đồng ý và thường được cung cấp cho công chúng để cho phép tương thích nhiều hơn giữa các hệ thống.

Khi mức độ giao tiếp cơ bản (một lần nữa, giao tiếp logic thông qua phần mềm) được thiết lập, hệ điều hành sẽ tự xây dựng giao diện chung với các thiết bị phần cứng khác nhau của bạn (thường bằng cách sử dụng "trình điều khiển thiết bị") và sau đó hệ điều hành có thể điều khiển phần cứng.

Cuối cùng, cần lưu ý rằng BIOS cũng được sử dụng để sửa đổi cấu hình phần cứng máy tính và lưu trữ chúng trong EEPROM trên máy bay (để máy tính của bạn ghi nhớ các thay đổi vào lần tới khi bạn khởi động nó). Tuy nhiên, như tôi đã nói trước đây, một khi hệ điều hành được tải, nó có toàn quyền điều khiển máy tính.

Điều này cho phép các nhà sản xuất bo mạch chủ phát triển phần mềm cho phép bạn thực hiện những thay đổi này từ bên trong hệ điều hành của mình, trái ngược với việc phải khởi động lại vào BIOS. Một lần nữa, điều này phụ thuộc rất nhiều vào phần cứng và phần mềm, nhưng sẽ cho thấy rằng tất cả các giao diện máy tính là tương đối. BIOS chính xác như tên gọi của nó - một hệ thống đầu vào / đầu ra cơ bản, để cho phép giao diện phần mềm chung cho một chương trình tiên tiến hơn ("hệ điều hành") kiểm soát máy.

Hệ điều hành của bạn nằm trên đĩa cứng, nếu bạn bật máy tính, nó sẽ không bắt đầu đọc một cách kỳ diệu từ đĩa cứng đó. Đó là BIOS tải bộ tải khởi động từ đĩa cứng , cũng như thực hiện một số thử nghiệm và cho phép bạn định cấu hình một số cài đặt nhất định của BIOS.

Hệ điều hành của bạn không thể làm điều đó vì nó nằm trên đĩa cứng chứ không phải trong ROM của bạn.

Do đó, bạn cần có BIOS hoặc công nghệ tương tự (nhưng khác) như EFI ...

Nhà sản xuất có thể đưa một phần của HĐH lên ROM (chịu trách nhiệm tải bộ tải khởi động của HĐH) của nhà sản xuất; tuy nhiên, điều này không được áp dụng rộng rãi và dù sao cũng có sẵn BIOS hoặc EFI.

Không có lý do hợp lý thực sự. Đó là một vấn đề di sản và lịch sử.

1. Không có điều kiện cần thiết là máy tính phải được cài đặt BIOS. Đó là di sản từ IBM PC. Mặc dù điều này đã được chứng minh là một ý tưởng tốt

2. Có hệ điều hành làm điều đó sẽ không thực sự thay đổi bất cứ điều gì bởi vì nó vẫn sẽ làm một cái gì đó giống như BIOS. Tất nhiên HĐH sẽ cần phải có trong ROM chứ không phải trên thiết bị I / O. Vấn đề có thể phát sinh đối với các vấn đề độc quyền khi nhà xây dựng hệ điều hành quyết định làm cho BIOS hệ điều hành của anh ta không tương thích với các hệ điều hành khác. Việc các nhà sản xuất BIOS tách biệt khỏi HĐH sẽ cải thiện sự tự do đối với phần mềm nào có thể chạy.

Cần phải có một cái gì đó để khởi động Hệ điều hành. Nếu HĐH có thể phù hợp với một số bộ nhớ không bay hơi thì có thể khởi động trực tiếp, nhưng với các HĐH có đầy đủ tính năng như Windows, OSX hoặc Linux thì điều này là không thể.

Điều cần thiết là một "HĐH" nhỏ nhẹ có thể được tải khi khởi động, thực hiện những việc cơ bản như truy cập bộ nhớ và ổ đĩa và sau đó tải Hệ điều hành. Mặc dù đây có thể là một phần của chính HĐH và không phải là một thực thể riêng biệt, có những lý do khác khiến bạn muốn một quá trình khác bắt đầu trước:

1. Cập nhật - nếu HĐH được sửa như thế này thì sẽ khó cập nhật nếu có bất kỳ bản vá bảo mật nào. Nó có thể được thực hiện - các bản cập nhật firmware luôn luôn xảy ra với các thiết bị như bộ định tuyến, v.v. nhưng chúng có cài đặt hệ điều hành tương đối đơn giản.
2. Tính linh hoạt - máy tính là một máy đa năng và cùng một phần cứng có thể chạy một số hệ điều hành khác nhau. Có một BIOS sau đó tải HĐH từ đĩa có nghĩa là bạn có thể chọn cái nào để chạy - thậm chí bạn có thể đi xa hơn khi có một vài cài đặt cạnh nhau.

Quá trình này được gọi là bootstrapping .

Khái niệm BIOS PC được tạo ra từ CP / M, một hệ điều hành phổ biến trên các máy tính dựa trên bus 8 bit Z-80 "S-100" trước khi PC của IBM tiếp quản.

CP / M dự kiến ​​các chức năng phụ thuộc phần cứng sẽ có trong ROM (BIOS). Một phần khác, được tải ra khỏi đĩa bởi bộ tải khởi động, là phần mềm hỗ trợ hệ thống tập tin CP / M (BDOS) và sau đó kéo dài bộ xử lý lệnh hoặc "shell" (CCP). Phần cứng mà CP / M dự kiến ​​sẽ hỗ trợ không nhiều: ổ đĩa, màn hình hiển thị, cổng nối tiếp hoặc hai (cổng COM hoặc AUX) có thể có máy in hoặc modem.

BIOS PC đã thực hiện chức năng bootstrapping cơ bản tương tự như cách CP / M đã làm và DOS đã sử dụng các chức năng BIOS để thực hiện đầu vào và đầu ra cơ bản, như dự định. Các lập trình viên cuối cùng đã bỏ qua các chức năng này vì chúng chậm. Điều này dẫn đến việc các nhà sản xuất máy nhái PC vào giữa những năm 80 tái tạo lại toàn bộ nền tảng (dễ dàng như IBM đã ghi lại PC gốc rất tốt từ trong ra ngoài), thay vì chỉ cung cấp BIOS với các giao diện tương thích, mặc dù họ cũng phải làm điều đó.

Tại thời điểm này, chúng ta có thể nói, đối với một hệ điều hành hiện đại, BIOS không thực sự cần thiết ngoài việc khởi động hệ thống. Tuy nhiên ...

Bắt đầu từ đầu những năm 90, khái niệm quản lý năng lượng đã được giữ vững và BIOS được giao nhiệm vụ này. APM hoạt động tốt với một HĐH hoạt động đơn lẻ như DOS, nhưng không phải với các HĐH đa nhiệm thực sự như Windows hay Linux. Trong khoảng thời gian này, 386 đã hoạt động mạnh mẽ, CPU Intel hỗ trợ đa nhiệm thực sự. DOS và BIOS không được cập nhật để đáp ứng với các khả năng mới của CPU này, chủ yếu là do tất cả các CPU Intel vẫn sẽ chạy ở chế độ tương thích 16 bit cũ mà PC-BIOS gốc được thiết kế. Vì vậy, các hệ điều hành hiện đại bỏ qua khá nhiều / bỏ qua tất cả các chức năng đầu vào / đầu ra giống như CP / M của BIOS trừ khi có thể trong các giai đoạn khởi động sớm.

Cuối cùng ACPI đã được phát triển, chủ yếu là một phần của BIOS, hỗ trợ quản lý năng lượng và cấu hình của những thứ cụ thể (thường là máy tính xách tay). ACPI cũng xử lý trạng thái chuyển đổi năng lượng cuối cùng của ngủ đông, ngủ hoặc tắt máy.

Vì vậy, ngày nay, đó là ACPI và là người kế nhiệm của nó, EFI, giữ cho thứ gì đó giống như BIOS là một điều cần thiết của PC. Khái niệm bao trùm là ACPI là giao diện giữa nền tảng mọi thứ hoặc bo mạch chủ và HĐH, do đó, một hệ điều hành riêng biệt không phải được thực hiện cho mọi loại bo mạch chủ khác nhau.

Các ban phát triển chứa CPU ARM chạy Linux (cũng như phần cứng điện thoại di động) có vấn đề này. Thông thường, chúng sẽ đi kèm với phần sụn chỉ dành cho bộ tải khởi động, chẳng hạn như U-boot, nhưng khá nhiều hệ điều hành phải hỗ trợ mỗi bảng như một nền tảng riêng.

Theo một nghĩa nào đó, bạn đã đúng. BIOS và HĐH một phần làm những việc tương tự. Sự tách biệt trong BIOS và HĐH chỉ dành cho sự linh hoạt.

BIOS thường được tạo bởi một nhà sản xuất phần cứng. Phần cứng phải đảm bảo rằng có một chức năng cơ bản , ví dụ như có thể đọc được ổ đĩa và hiển thị cơ bản cho chẩn đoán và lỗi được hiển thị. Do đó, tên "Hệ thống đầu ra đầu vào cơ bản".

Điều này có thể được thực hiện, ở một mức độ nào đó, mà không cần biết thêm về các thành phần thực sự có mặt trên hệ thống cụ thể, vì tất cả chúng đều phải hỗ trợ một tiêu chuẩn BIOS nhỏ nhất định. Điều này cho phép các nhà cung cấp tùy chỉnh xây dựng một hệ thống hoàn chỉnh. BIOS chỉ cần làm đủ để khởi động HĐH. Có một số quy ước về điểm bắt đầu này, vì vậy nó chỉ thử lần lượt từng điểm một. Điều này cũng cho phép sử dụng các hệ điều hành khác nhau trên cùng một phần cứng. (có tính linh hoạt, một lần nữa)

Khi hệ thống hoạt động (hoặc ít nhất là bộ tải khởi động) được tìm thấy và khởi động bởi BIOS, bản thân BIOS trở nên lỗi thời. Hệ điều hành hiện đại sử dụng rất ít hoặc không có gì của BIOS một cách chức năng sau khi tải.

Nếu bạn muốn làm cho HĐH thực hiện tất cả công việc bạn phải đặt HĐH ở nơi có thể truy cập bằng phần cứng mà không cần sự trợ giúp sơ bộ của phần mềm (ROM). Điều này có thể có thể đối với một số hệ thống khép kín, nơi mà tính linh hoạt không phải lo ngại. Nếu bạn nghĩ về việc xây dựng hỗ trợ phần cứng vào một số phần cứng khác, về cơ bản bạn sẽ xây dựng lại một loại BIOS ...

Một mối quan tâm khác là kích thước bộ nhớ và chi phí. Các hệ điều hành đầy đủ tính năng rất lớn và cố gắng đưa một hệ điều hành nhiều gigabyte vào ROM rất tốn kém, bên cạnh các vấn đề tiếp theo là vá và cập nhật nó.

Vì vậy, không có lý do kỹ thuật, nhưng nhiều lý do thực tế, đặc biệt là cho nền tảng PC linh hoạt.

Để chạy chương trình trên PC hiện đại, bạn phải có chương trình đang chạy để bắt đầu biết cách vận hành phần cứng và tải chương trình vào bộ nhớ. Vấn đề trứng gà này được giải quyết bằng cách cấy một chương trình cơ bản vào chính phần cứng.

Hệ thống đầu vào / đầu ra cơ bản (BIOS) này rất nhỏ và rất hạn chế về phạm vi, nhưng cung cấp đủ nền tảng để các bộ tải khởi động giai đoạn hai, như GRUB hoặc NTLDR , có thể được tải và chạy. Các trình tải giai đoạn hai này tinh vi hơn chương trình BIOS cho phép chúng cung cấp một nền tảng mạnh mẽ hơn cho hệ điều hành thích hợp để tải và kiểm soát.

Nếu CPU có khả năng xử lý trực tiếp ổ cứng, mà không cần dựa vào BIOS, hoặc EFI hoặc mã khác trong ROM (hoặc NVRAM hoặc những gì có bạn), thì theo lý thuyết, CPU có thể tải HĐH từ đĩa vào RAM và bắt đầu thực hiện nó

Trên thực tế, về mặt lý thuyết, một CPU như vậy thậm chí có thể thực hiện các hướng dẫn mà không cần tải chúng vào RAM. Không có lý do lý thuyết nào cho thấy máy tính không thể sử dụng ổ cứng làm bộ lưu trữ chính. Nhưng điều này sẽ rất, rất chậm.

Điều này có nghĩa là có thêm mã trong CPU để truy cập vào đĩa và nối cứng một số khái niệm về đĩa, như bảng phân vùng và hệ thống tệp vào CPU. CPU ngày nay đủ lớn để làm điều này, nhưng nó sẽ không phải là một cách tiếp cận rất linh hoạt hoặc hiệu quả để thiết kế CPU.

Nó không cần nó!

Cái thường được gọi là BIOS là một bộ gồm 3 thứ.

• Một bộ tải khởi động
• Một công cụ cấu hình: bây giờ chủ yếu là lỗi thời, ngoại trừ thứ tự khởi động và đồng hồ. Hầu hết phần còn lại nên được tự động hoặc thiết lập bởi nhà sản xuất.
• BIOS: một thư viện các thói quen đầu ra đầu vào để giúp hệ điều hành giao tiếp với phần cứng. Thật không may, bios là 16 bit, lỗi thời và không thể được sử dụng bởi các hệ điều hành hiện đại, do đó phần lớn bị bỏ qua.