基本輸入輸出系統

基本輸入輸出系統(BIOS)是一種位于計算機只讀存儲器(ROM)中的固件，負責計算機啟動時的硬件初始化，并在操作系統運行過程中提供運行時服務。因為BIOS存儲在ROM中，所以有時也叫“ROM BIOS”。

BIOS的出現可以追溯到1975年。Gary Kldal在Intel 8008的基礎上開發的一個管理程序和數據控制程序，就是現代BIOS的雛形。1981年，IBM開發了第一個PROM(可編程只讀存儲器)，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(可擴展固件接口)。為了制定統一的標準，2005年，英特爾聯合微軟、AMD等11家公司制定了統一的EFI標準，即UEFI標準。

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

背景起源

基本輸入輸出系統的出現可以追溯到1975年Gary Kldal開發的PL/M操作系統。根據馮·諾依曼原理，計算機可分為五部分，即控制器、運算器、存儲器、輸入設備和輸出設備。如果想讓這些部分協調工作，就需要一個操作系統，負責計算機中各種硬件資源的分配和調度。起初，為了操作計算機，通常只有手工操作。程序員首先要把程序和數據對應的穿孔紙帶裝入輸入機；然后啟動輸入機將程序和數據輸入電腦內存，再通過控制臺開關啟動程序對數據運行；計算結束后，打印機輸出計算結果。這種循環效率相當低。

1971年，英特爾開發了第一款微處理器——4004。加里·基爾達爾(Gary kildall)想用這種芯片為他的父親制作一個導航計算器。但由于Intel4004的指令集不足，1973年，英特爾交出了自己的新產品Intel 8008。kildare花了幾個月的時間開發了一種微處理器編程語言——PL/m，通過這種語言，在DEC公司的TOP-10大型機上成功開發出了管理程序和數據的控制程序，并于1974年發布了其第一個版本CP/M1.3(控制程序/微處理器微機)。此后，它也出現在基于英特爾芯片的微型計算機上。直到1975年，他才完成了CP/M的完整應用系統，包括用于復制文件的PIP(外圍交換程序)。CP/M的底層是基本輸入輸出系統——BIOS，由I/O驅動組成，是與硬件的接口。

傳統BIOS

在計算機發展的早期，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程序中發現了BUG，就只能丟棄。

1981年，IBM在開發第一代個人電腦IBM PC時，工程師們把硬件檢測代碼，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。)和操作系統的主要程序代碼存儲到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在內的接口規范，進一步推動了其他廠商對BIOS的開發。

大約在20世紀90年代，Intel與Compaq和Phoenix Technology一起制定了BIOS引導規范和即插即用BIOS規范，這成為業界事實上的標準。

EFI和UEFI

1998年，英特爾推出了專為IA-64處理器設計的英特爾啟動計劃(Intel Boot Initiative project)，后來更名為EFI(可擴展固件接口)。

1999年4月26日，CIH病毒大規模爆發，全球6000多萬臺電腦癱瘓。當時，中國只有146萬臺聯網計算機。當這種病毒爆發時，它會調用CPU的最高權限，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。這也促進了BIOS的升級。

2003年，電噴正式登上舞臺。同年，為了競爭，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軟件(CSS)。2005年，英特爾聯合微軟、AMD等11家公司成立了統一EFI論壇，負責制定統一的EFI標準，即UEFI標準。UEFI標準逐漸成為整個行業事實上的BIOS標準。AMI、Insvde、百教等BIOS廠商都基于UEFI打造了自己的產品。

2006年，Byosoft成立，2008年從Intel獲得中國BIOS獨家技術授權，從而可以獲得除開源內核以外的其他閉源芯片的初始化代碼。從而成為全球第四，中國第一家也是唯一一家獨立的BIOS供應商。

2007年左右，PC操作系統逐漸支持UEFI。微軟推出了64位X86版本的Windows Vista Service Pack 1系統，支持UEFI啟動。2011年，英特爾推出Sandy Bridge處理器，PC硬件開始向UEFI轉移。2020年5月，由中國電子技術標準化研究院和華為技術有限公司牽頭的《服務器BIOS通用技術規范》(CESA-2020-2-012)獲批立項。2022年5月，微星發布了新的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：開機自檢(POST)是BIOS開機后啟動的第一個程序。電腦開機時，BIOS會先進行自檢，檢查硬件設備是否正常。

崗位自檢分為兩部分:POST首先檢查計算機系統的關鍵部件(CPU、顯卡、BIOS可以訪問的初始64KB內存區域)是否存在，能否正常工作。因為這個過程是在系統BIOS初始化顯卡之前，所以如果在檢測中發現故障和錯誤(都被認為是致命錯誤)并且無法通過顯示設備顯示出來，系統BIOS就要通過聲音報警來表示。經過檢查，如果CPU、顯卡、第一個64KB內存塊都正常，系統可以正常啟動。

執行啟動自檢。首先初始化顯卡，屏幕上顯示自檢畫面。

初始化硬件設備：自檢完成后，BIOS會根據預設的配置信息初始化硬件設備。它會初始化動態內存(DRAM)、主板芯片組、顯卡以及相關外設寄存器，檢查是否能正常工作。所謂初始化設置，就是根據芯片組的技術文檔做一些寄存器填充和復位，使主板/芯片組的內存和I/O功能能夠正常工作。

引導加載程序啟動：完成以上操作后，它會為操作系統創建一些參數，比如ACPI表，選擇引導設備，從設備加載bootlloader，然后啟動操作系統。當設備通過測試后，搜索引導驅動程序(如硬盤、光驅、網絡服務器等。)根據BIOS中設置的引導順序，獲取第一個引導設備的代碼，讀取第一個引導設備的主引導記錄(MBR)中引導加載程序的引導信息，從MBR加載引導管理器(GRUB)并運行引導管理。

硬件檢測：BIOS的硬件檢測包括自檢、硬件識別和硬件監控。

自檢:內存測試通過后，BIOS會開始檢測系統中安裝的一些標準硬件設備，如硬盤、CDROM、通訊口等設備。在此過程中，大多數較新的BIOS版本還會主動檢測和設置定時參數、硬盤參數和內存訪問模式。

硬件識別:檢測到標準設備后，BIOS開始檢測并配置系統中安裝的即插即用設備。每個設備找到后，BIOS會在屏幕上顯示設備的名稱和型號，并為設備分配中斷、DMA通道、IO口等資源。

硬件監控:通過BIOS可以監控主板、CPU和電源的溫度，還可以設置穩壓器的電壓輸出電平和每個風扇的轉速。當啟動過程中發現上述監控功能異常時，系統會提示并暫停運行。

系統配置：通過BIOS，可以設置參數，優化系統。

參數設置:新電腦必須設置BIOS參數，提高整個電腦系統的配置。即使是具有PnP(即插即用設備)功能的系統，也只能識別部分電腦外設，當前日期、時鐘等基本信息必須由用戶自己設置。

系統優化:系統本身的BIOS設置參數對系統來說并不是最優的，比如內存讀寫的等待時間，硬盤的數據傳輸方式。需要多次實驗才能達到最佳的性能組合。另外，內部/外部緩存的使用、節能保護、電源管理甚至啟動順序都對電腦的性能有一定的影響，這些也必須通過BIOS來設置。

開始管理：在啟動時，BIOS可以提示啟動順序和啟動過程中出現的錯誤。

引導順序:BIOS系統根據系統CMOS設置中的引導順序，搜索硬盤、光驅、網絡服務器等有效的引導驅動程序，讀入操作系統引導程序，然后將系統控制權交給引導程序。操作系統從引導程序的執行開始逐步完成操作系統內核的加載和初始化，完成系統的啟動。

錯誤提示:啟動失敗時，BIOS會發出提示音，根據提示音的不同可以判斷故障。之后，當啟動時的語音提示信息完成后，屏幕上會出現文字提示信息。文本中顯示的錯誤信息屬于非關鍵性錯誤，暫時不會對硬件系統造成損害，但如果不排除，系統將無法正常啟動。

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

在電源管理中，一般有四種模式:全開模式、待機模式、掛起模式和打盹模式。

BIOS擴展和更新：BIOS的擴展和更新包括BIOS中的新設備、網絡啟動(PXE)、RAID功能和自更新。BIOS擴展:許多新添加或更新的設備可能無法被計算機識別，因此必須通過BIOS設置通知它。此外，新設備和原設備之間的IRQ和DMA沖突通常通過BIOS設置來消除。

網絡引導(PXE): PXE是一種廣泛應用于遠程喚醒領域的技術。PXE(pre boot execution environment)是Intel公司推出的網絡協議，可用于無盤和無盤聯網。它可以使計算機通過網絡啟動，協議分為客戶端和服務器端。PXE客戶端在網卡的ROM中。當計算機啟動時，BIOS將PXE客戶端調入內存執行，并顯示命令菜單。用戶選擇后，PXE客戶端通過網絡將放置在遠端的操作系統下載到本地操作。使用PXE功能首先需要客戶端網卡的支持，其次服務器端必須有支持該協議的網管軟件。

RAID功能:硬件RAID是RAID(獨立磁盤冗余陣列)的一種形式，在主板或獨立的RAID卡上完成處理。獨立的RAID控制器配備了自己的CPU和高速緩存。因此，硬件RAID設備充當微型獨立計算機，有助于保持性能，但與僅基于軟件設置RAID陣列相比，它們是更昂貴的選擇。這些控制器安裝在服務器中，并在操作系統啟動前通過BIOS或可選ROM(識別卡并對其進行初始化的固件)進行配置。

升級BIOS:升級BIOS的作用是增加主板對新硬件的支持和識別能力，更好的解決硬件之間的兼容性，提高BIOS的調整功能。然而，升級BIOS是危險的。如果沒有必要，盡量不要升級BIOS。首先要確認主板的BIOS是否可以升級，然后根據不同BIOS廠商確定的BIOS類型，獲取相應的BIOS升級程序。

操作系統支持：BIOS可以調節操作系統的啟動和加載過程。引導過程和操作系統加載:完成開機自檢和設備配置后，BIOS開始引導過程。BIOS嘗試按照配置的優先級順序從第一個設備啟動。如果有一個有效的設備，固件將從MBR引導扇區讀取一個名為boot loader的簡短可執行代碼，并給予它控制權。此時，BIOS固件已經被執行，并且在系統操作期間不再是活動的。引導加載程序初始化加載并啟動操作系統。

高級配置選項：BIOS的高級配置包括CPU超頻設置、內存時序配置、軟件抽象和兼容性。CPU超頻設置:一般主板都會讓用戶設置CPU的外接頻率。當設置超過標準外部頻率時，就是超頻。在BIOS中，您可以通過更改電壓和頻率等設置來手動超頻CPU。主要步驟是通過BIOS界面進入CPU時鐘選項，選擇更高的外部頻率。

內存時序配置:在計算機中，內存等重要設備的參數對系統的運行效率和穩定性影響很大。為了達到最佳的工作狀態，BIOS可以反復調整內存時序等選項，在保證穩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備驅動程序和計算機硬件之間。BIOS隱藏了計算機最低總線接口、內存空間等硬件細節。BIOS為操作系統內核提供了硬件抽象接口，便于操作系統移植到不同的計算機上。

非易失性存儲器：非易失性存儲器是一種斷電后仍能長時間保存數據的電子設備。與易失性存儲器相比，非易失性存儲器具有成本相對較低、存儲容量大的特點，但其寫入速度普遍較慢，在寫入時也有先天的局限性。經過一定次數的寫操作后，存儲器會達到自己的容忍極限而失效。

基本輸入輸出系統

互補型金屬氧化物半導體：互補金屬氧化物半導體(CMOS)是指主板上的一個讀寫RAM芯片，用來保存當前系統的硬件配置和用戶對一些參數的設置。當系統通電并啟動時，應讀取CMOS信息以初始化機器各部分的狀態。它由系統電源或備用電池供電，斷電信息不會丟失。CMOS RAM是存儲系統參數的地方，BIOS中的系統設置程序是完成參數設置的手段。所以準確的說法應該是通過BIOS設置程序來設置CMOS參數。

跳線和DIP開關：跳線和DIP開關是用于連接或斷開網絡適配器卡或其它設備上的電路的兩種物理方法。跳線主要用于設置硬件的工作狀態，如CPU的核心(內核)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置方式，讓用戶可以輕松設置主板上各個元件的工作模式。但隨著技術的發展，目前采用無跳線技術，主板上除了一個清除BIOS設置參數的跳線外，沒有任何跳線。只要插上CPU，就能自動識別和設定頻率和工作電壓。也可以通過BIOS設置參數改變主頻、工作頻率和電壓，不需要使用專門的硬件跳線。DIP開關(雙列直插式封裝)與普通跳線相同，只是小跳線做成開關。DIP開關是一排塊式或滑塊式開關，開關很小，需要用油筆尖或鑷子撥動。使用DIP開關，可以更直觀、更容易地設置硬件的工作狀態。新電腦的系統配置是通過設置程序設置的，DIP開關很少使用。

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，它會影響整個計算機系統的性能。BIOS固化在電腦主板上的一塊ROM芯片上，存儲著電腦中最重要的基本輸入/輸出程序、系統設置信息、開機后自檢程序和系統自啟動程序。