新一代主板BIOS技術

　　隨著電腦朝著功能多樣化的方向發展，如今傳統BIOS也受到來自CSS、UEFI 新一代BIOS技術的挑戰……

　　一、什么是BIOS?它在電腦中有何作用?

　　BIOS是英文“Basic Input Output System”的縮略語，直譯過來后中文名稱就是“基本輸入輸出系統”。它的全稱應該是ROM-BIOS，意思是只讀存儲器基本輸入輸出系統。其實，它是一組固化到電腦內主板上一個ROM芯片上的程序，它保存著電腦最重要的基本輸入輸出的程序、系統設置信息、開機上電自檢程序和系統啟動自舉程序。

　　有人認為既然BIOS是“程序”，那它就應該是屬于軟件，感覺就像自己常用的Word或Excel。但也很多人不這么認為，因為它與一般的軟件還是有一些區別，而且它與硬件的聯系也是相當地緊密。它負責最低級的、最直接的硬件控制，以及電腦的原始操作，電腦的原始操作都是依照固化在BIOS里的程序來完成的。形象地說，BIOS應該是連接軟件程序與硬件設備的一座“橋梁”，負責解決硬件的即時要求。

　　有了BIOS，PC廠商在硬件規格改變時，只需要更改BIOS程序內部即可，而操作系統層級的軟件仍然靠呼叫相同BIOS功能就能完成任務，操作系統完全不需跟隨硬件修改。另一方面，IBM預見硬件各種頻率有需要調校的可能性，因此BIOS也負責針對這些電氣特性作初始化、設定與調整。一塊主板性能優越與否，很大程度上就取決于BIOS程序的管理功能是否合理、先進。

　　主板上ROM芯片(Read Only Memory，只讀存儲器)是記錄BIOS程序的載體，讀數據與RAM芯片一樣，但寫數據要用特殊手段，如高電壓寫，BIOS程序就是由它來保存的。ROM芯片一個特點是沒電時，它里面的信息也不會丟失。ROM芯片從最初的不可刷發展到了電可刷新芯片，叫EEPROM,通常是5V刷新電壓，CIH病毒就使用BIOS芯片電可刷新原理，往BIOS芯片寫一堆垃圾，使得電腦BIOS程序被破壞，電腦無法啟動。而我們平時說刷BIOS就是使用刷新程序或編程器把新版本的BIOS程序寫進ROM芯片，以增加主板功能和提高主板穩定性。

　　自從PC引入南、北橋芯片架構后，BIOS就成為一種跟隨主板制化的固件，不再像286之前任一樣BIOS安裝在任何主板上都可以執行的狀況。而在Win98/SE時代，BIOS開始遵循APM標準，此時的BIOS稱為APM BIOS，提供關于CPU及各種周邊的電源管理能力。到WinMe之后，BIOS開始支持由 Intel、Microsoft、HP和Toshiba主導、功能更完整的ACPI標準，控制包括電源、電源狀態、溫度等項目，稱為ACPI BIOS。

　　BIOS掌握著系統的啟動、部件之間的兼容和程序管理等多項重任。只要按下電源開關啟動主機后，BIOS就開始接管主板啟動的所有自檢工作，系統首先由POST (Power On Self Test,上電自檢) 程序來對內部各個設備進行檢查。通常完整的POST自檢將包括對CPU、基本內存、1MB以上的擴展內存、ROM、主板、CMOS存儲器、串并口、顯示卡、軟硬盤子系統及鍵盤進行測試，一旦在自檢中發現問題，系統將給出提示信息或鳴笛警告。

　　然后BIOS就按照系統CMOS設置中保存的啟動順序搜尋軟驅、IDE設備和它們的啟動順序，讀入操作系統引導記錄，最后將系統控制權交給引導記錄，并最終完全過渡到操作系統的工作狀態。一旦出現故障，就會有蜂鳴器發出報警。不過BIOS在電腦啟動過程中的工作實際上遠比我們介紹的要復雜得多。中間任何一個小的步驟出錯都會導致系統無法啟動，崩潰，而且BIOS設置不當也會給系統造成隱患。有經驗的老鳥可以通過BIOS啟動時候的聲音來判斷故障，而一般用戶可以通過查看Debug卡的檢錯信號，了解POST停滯在哪個階段。

　　值得一提的是，雖然過去如Linux等系統是完全取代BIOS，在Linux電腦系統里BIOS幾乎只在POST階段發揮作用，但由于ACPI架構帶來更多方便性，現在的Linux也開始支持ACPI技術。對Linux來說，支持ACPI可以提高其兼容性，也能減少系統開發的復雜度，但另一方面當然也使其核心的精簡度喪失。從系統架構的整體觀點來看，這是個選擇性的問題，并沒有絕對的優與劣。

　　如今ACPI已發展到3.0版，并在2004年9月公開其技術規格。完整的ACPI 3.0規格表多達600余頁，定義各個系統的工作目標和內容、接口規范，以及ACPI Tables、Registers等。

　　提示：談到BIOS，隨便解釋一下COMS與BIOS的關系，因為有不少朋友往往將兩者混為一談。

　　我們常說的CMOS卻是指主板上一塊可讀寫的存儲芯片，也稱之為“CMOS RAM”。 那么，CMOS與BIOS到底有什么關系呢?CMOS是存儲芯片，當然是屬于硬件，它的作用是具有數據保存功能，但它也只能起到存儲的作用，而不能對存儲于其中的數據進行設置，要對CMOS中各項參數的設置就要通過專門的設置程序。

　　現在多數廠家將CMOS的參數設置程序做到了BIOS芯片中，在電腦打開電源時按特殊的按鍵進入設置程序就可以方便地對系統進行設置。也就是說BIOS中的系統設置程序是完成CMOS參數設置的手段，而CMOS RAM是存放設置好的數據的場所，它們都與電腦的系統參數設置有很大關系。正因如此，便有“CMOS設置”和“BIOS設置”兩種說法。

　　一般來說，通過固化在ROM BIOS的軟件進行BIOS參數的調整過程就稱之為BIOS設置，而通過BIOS設置中的"標準CMOS設置"調試CMOS參數的過程就稱為CMOS設置。我們平常所說的CMOS設置與BIOS設置只是其簡化說法，所以在一定程度上造成兩個概念的混淆。

　　二、傳統的BIOS有何不足?

　　作為連接操作系統和硬件體系之間的橋梁，BIOS(Basic Input Output System，基本輸入輸出系統)為PC的發展做出了重要的貢獻，但也存在許多天生架構的限制。例如，不能完全達到即插即用，需要對硬件的驅動和IO資源進行調整，而這一切操作不是必須在操作系統中完成，尤其是對中斷分配這個技術環節上，必須進入BIOS手動進行調整，這往往令初學者感到困難;字符化的BIOS設置界面把很多人搞得一頭霧水，更為夸張的是當出現某些新硬件的時候，為了達到支持新硬件的目的，必須要手動刷新BIOS的版本，雖然有不少圖形界面更新BIOS版本的工具，但并不是每一塊主板都支持此功能，許多初學者甚至沒有接觸過DOS，刷新BIOS如何談起?

　　此外，ACPI BIOS所支持的即插即用也遠非完美。通過硬件及系統廠商的不斷努力，如今要讓一塊硬件正常運轉起來，所花費的時間已經比以往減少了很多，但這遠非完美。很多時候我們仍然會遭遇硬件之間的沖突，而此時就要進行硬件驅動及分配資源的手動調整，沒有一定專業知識的人根本無從做起。

　　一般來說，只有當今所謂電腦高手才利用BIOS來對硬件性能做些超頻調校，除了專業人士外，已經很少有人再利用BIOS進行低端工作。因為硬件發展迅速，傳統式BIOS成為進步的包袱。因此，考慮到硬件環境已大幅改變，并考慮未來技術發展的前提下，BIOS的確有需要改革。

　　三、BIOS的新挑戰者—CSS與EFI(UEFI)新一代BIOS技術

　　雖然BIOS一路演進到具有ACPI支持能力，但本質上的變化并不大，業界也一直醞釀著要做改變的聲音。不過，BIOS由于在業界已經根深蒂固、并不能說改就改，因此，直到近年來才有所謂的 CSS (Core System Software)和EFI(UEFI)。

　　1、CSS技術

　　CSS是在2003時由 微軟和BIOS供貨商Phoenix共同制定，當時號稱所謂真正圖形接口BIOS，被譽為將取代傳統BIOS的新希望。從本質上，CSS是直接嵌入微軟操作系統中的軟件，微軟長久以來就一直希望能跳過BIOS直接控制硬件，但從來沒有真的成功過。就算Window NT已將許多BIOS工作納入核心，但像磁盤控制等功能，仍然無法不靠BIOS來完成。通過直接納入Windows底層的CSS BIOS，上層圖形接口用戶就可以直接訪問并管理所有硬件資源。

　　從技術角度來看，CSS在操作系統高度和硬件結合的優勢下，比傳統BIOS具有較佳數字安全、網絡管理等好處;Phoenix在CSS架構下建立了許多現在頗為熱門的信賴式運算與核心碼，就是一種與操作系統結合的軟件。正因為CSS BIOS是操作系統的一部分，所以包括病毒攻擊等防護，都可以靠系統中的防毒軟件來完成。在微軟的理想中，CSS BIOS將融入數字版權管理系統，自動對軟件的版權直接進行檢測，以此防止軟件盜版。

　　而對用戶來說，CSS的最大好處在于將電腦操作變得更加簡單可靠，同時擁有著更高的安全性能。例如，CSS BIOS軟件檢測到病毒復制，修改硬件資源的時候會發出警報來通知上層界面，而上層界面就可以通過操作來進行調整或修復起到防止病毒的作用。除此以外，CSS技術將具有更強的可維護性，配置管理界面都有大幅度的改善，這樣的BIOS或者只是Windows中的一個組件，只需要打開控制面板做出相應的調整就可以簡單明了地調整硬件設置，并且即時生效。此外，微軟官方表示CSS BIOS還將集成數字版權管理系統(DRM)，在此功能上，BIOS將自動對軟件的版權直接進行檢測，也是防止盜版的重要手段之一。

　　雖然聽起來不錯，但CSS也有許多缺點。首先，CSS只是把放在Flash等非揮發內存中的固件，換成軟件的型式存在操作系統中，本質上的變革有限。其次，操作系統直接包含BIOS能力固然可強化對硬件的控制能力，但假若惡意程序取得操作系統掌控權，就能直接對系統安全做出更具破壞力的動作，或更容易對電腦使用者的動作進行監視、竊取數據。同時CSS BIOS技術賦予管理者的權限過大，使得通過電腦偷窺用戶如何使用電腦在技術上成為簡單的事情，而且就算是用戶使用盜版軟件，對用戶進行懲罰的也應該是執法或相應的部門，而不是操作系統。

　　當然，CSS BIOS能否成為BIOS的最大挑戰者，在于整個市場的接受力度。盡管Phoenix是目前最大的BIOS供貨商，但在包括Intel、微軟、其它BIOS業者和軟/硬件制造商都表態支持UEFI的狀態下，CSS也許只能成為Phoenix BIOS的一種特色，而無法成為標準。

　　2、EFI/UEFI技術

　　EFI的出現第一次被正式提出，是在2000年的Intel春季IDF上，經過幾次修訂，現在已經到了EFI 1.10版，而2.0版正由UEFI這個組織制定中(故EFI也現稱為UEFI)。EFI早在2000年時由Inetl提出的標準，從某個角度來講，Intel在當時推出EFI主要為將來電腦固件能兼容于各種不同架構平臺布局;例如EFI可運用在Itanium、Pentium甚至XScale平臺上。最初，共同發展EFI的業者包括Intel、AMI和***業者Insyde，后來由于EFI確實具有足夠的前瞻性，產業間成立了UEFI(Unified EFI)論壇，共同開發適用于各平臺的PC固件標準?；旧?，UEFI是基于原有的EFI 1.10為基礎，正在進行UEFI 2.0的制定工作。

　　在UEFI的架構中間綠色的H型區塊部分，包括平臺驅動程序、UEFI驅動程序、兼容性支持模塊和最底層"準UEFI模塊"等，就是BIOS業者所提供的程序范圍。在Intel的定義里，準UEFI模塊即與現有BIOS相當。

　　UEFI的最大特點，采用模塊化設計的UEFI BIOS，基本上區分成硬件控制和OS軟件兩大模塊，前者只要是相同版本的UEFI BIOS，就會有相同的功能，后者則是給廠商用C語言撰寫應用功能的開放接口。通過這個開放接口，廠商就可以自行編寫出各種功能的插件(Plug-in)，像是類似Ghost的系統備份/還原插件、類似IE的瀏覽器插件、類似Anti-Virus的防病毒插件等功能來增加自家產品的功能特色。從前面的內容來看，UEFI BIOS完全不同于傳統BIOS的樣貌，幾乎就是一個專用的微型操作系統。而隨著UEFI BIOS內建功能的多樣化，它的數據體積自然是不容小視，再加上擴展性的需要，UEFI BIOS將不再是存放在主板上的只讀存儲器中，而是在硬盤劃分出一塊FAT 32格式的扇區(ESP;UEFI BIOS System Partition)，來存放UEFI BIOS的相關數據。

　　可以說，UEFI系統的固件就相當于一個簡單的操作系統，在開機程序完成后，使用者可選擇執行UEFI Shell當做命令接口，或指定任一其它操作系統。這種情形就有點像早期的DOS一樣，Windows只是另一個使用者接口系統。包括AMI和Insyde，現在的UEFI BIOS都是以Intel所撰寫的UEFI功能核心Framework(開發代號為Tiano)為基礎，再加掛其編寫的架構模塊。甚至于微軟的下一代操作系統Longhorn，也在IDF中宣布支持UEFI，按照微軟的計劃，未來所有新的操作系統都將支持UEFI。在模塊化分工的概念下，加入一個新的中介接口的確能將系統變動帶來的其它改變減至最少。

　　因為UEFI的這種架構特性，所以很多人認為在UEFI成為電腦固件后，對BIOS廠商和微軟都是威脅----BIOS業者將不再有絕對的主控地位，而用戶在開機后執行系統的選擇性增加，就不見得一定得依賴微軟的Windows了。不過，UEFI BIOS也象CSS一樣存在不少缺點。比如真正的UEFI是在硬盤中隔離出一個區域來作為存儲空間的，如果硬盤這一小塊空間出現物理損壞，后果怎樣?由于UEFI更像是種軟件，所以對病毒、外部程序侵入的防御能力就比傳統的BIOS削弱了不少。再說，現在會用C語言來編程的人不少，可能很多人都可以很容易破譯UEFI，這對UEFI的安全性提出了更高的要求。

　　從傳統BIOS的角度來看，目前市場上并不需要所謂的圖形化接口BIOS;主要原因是現有BIOS改成圖形接口須做的工太多太復雜，且圖形接口占用額外的內存空間，以使用率來講并不符合效益。對于BIOS的未來發展方向，從電腦應用趨勢變化的觀點思考，BIOS能做且應該做的事遠超過現有產品。

　　至于CSS、UEFI對產業來說還是一個發展中的技術。不過，與需要重新開發新技術的CSS BIOS比較起來不需要投入太大資本的UEFI BIOS更加讓硬件廠商動心，安全角度來分析，也是UEFI BIOS更具有優勢和安全性，而且Intel官方宣布微軟的下一個操作系統將會支持UEFI BIOS，與遙遙無期的CSS BIOS相比，真正取代傳統BIOS的技術UEFI BIOS已經快要到來了。