BIOS入门篇 | 认识BIOS

每当被问到我是做什么的时候，我都会回答“嗯~ 算程序员吧”，对方又问：什么类型的呢？“一个电脑的开机程序，就是从按下电源键到看到屏幕LOGO这段时间跑的程序”

什么是BIOS

BIOS全称basic input output system，即基本输入输出系统，它是PC主板上的固件，负责初始化硬件资源并引导启动OS，可以说BIOS就是为了启动OS而生。

为什么要用BIOS

实际上启动OS并不一定需要使用BIOS，我们常见的嵌入式设备（如监控机），它们使用BootLoader来引导OS（一般是指Linux），BootLoader相当于BIOS的角色，负责初始化内存，加载OS内核等。由于嵌入式设备的硬件环境各不相同，没有统一的标准，所以在不同嵌入式硬件上运行OS每次都得修改配置BootLoader和内核，比较繁琐。传统的PC设备则不一样，整个硬件系统架构都是有标准的，早期由Intel，IBM，AMD等大厂制定，发展至今已成为一套成熟且统一的系统架构。同样的，既然硬件能统一，OS也可以做到一致。此时，要让OS可以在硬件工作起来，还需要一段引导程序，负责检初始化硬件（如初始化内存），检测硬件资源（如可否正常分配资源）等，前面这些都正常了，说明OS正常运行的条件满足了，此时做最后一步就是引导启动OS了，这一阶段的程序就称为BIOS。

BIOS存在的条件是统一的硬件，像嵌入式这种就完全没有必要了。

代码

BIOS只是一段引导程序，早期由汇编语言编写的。经过多年的发展，硬件可用的资源越来越丰富，BIOS已经无法满足现有的硬件了，此时打造一种新的引导程序便迫在眉睫。2002年12月英特尔发布了一种新的引导程序规范，称为EFI（Extensible Firmware Interface），后交由Unified EFI Forum（统一可扩展固件接口论坛）来推广与发展，并更名UEFI，新的引导程序正式面世了！

UEFI是一套规范，阐述了UEFI需要实现哪些功能，这些功能该怎么实现，实现的时候需要使用什么名称。比如规范中有一个USB相关的定义，有一个USB Host Controller Protocol，用来控制USB控制器，这个Protocol需要由13个函数组成，如下：

每个函数都有详细注明了它的使用方法，传入传出参数，返回值等，但是具体函数内部具体如何实现是不做要求的，只要能实现对应的功能即可。

UEFI的规范可以当做是一套库函数，是用来被调用的，那要怎么去使用这些库呢？整套引导的代码该从哪里写起？这时候一份称为《Platform Initialization Specification》（简称PI Spec）的手册派上用场了。

PI手册定义了UEFI代码的各个启动阶段（除了SEC阶段）的流程，每个阶段需要做哪些操作。此外，还定义了启动过程中使用到的一些机制，如HOB，SMM，S3 Resume等。

UEFI和PI手册定义整个引导程序的启动过程，当进入OS后，UEFI便功成身退了，只留下一些Runtime Service可供OS使用。进入操作系统后，人不可能无时无刻都在使用，当出现空闲状态时还是一直运行或者玩个扫雷就性能全开，就显得有点浪费电量，特别是笔记本电脑，这样的话电池很快就会消耗完。因此，对电脑进行电源的管理是非常有必要的。1997年由Intel、Microsoft、Toshiba共同制定提供操作系统应用程序管理所有电源管理接口称为ACPI（Advanced Configuration and Power Interface），即高级配置与电源接口。目前ACPI手册版本已经更新到6.3了，功能也越来越丰富，现在已经不单单是一个关于如何省电的手册了。在ACPI中，定义了一种用来描述ACPI的语言ASL（ACPI Source Language），由ASL写成的文件是需要包到UEFI固件中的，它编译后会变成AML(ACPI Machine Language)，由OS去解析并处理。

UEFI在初始化阶段，需要与整个硬件系统资源打交道，比如Memory，PCIE，ISA BUS等，它们也都有标准的手册。

整个X86的架构也是有定义的，目前比较权威且完善的就是Intel制定的IA32手册，它是基于Intel自家的产品来写，如果是其他的CPU，如AMD，可能有一些差异，但整体上是一致的。

至此，有了这些规格书，UEFI代码便可以实现了，EDK应运而生！目前最新的代码已经更名为EDK2，是目前所有UEFI固件的基础代码。

EDK2主要是实现手册所定义的各项基本功能，是一套通用的代码，并不能直接拿来使用，还需要根据各个平台的差异做修改或对功能进行扩充，此时就有了做这项工作UEFI代码厂商，他们会整合优化EDK2的基础代码和芯片厂商（Intel、AMD还有中国的龙芯，兆芯等）的核心代码，有些还会加进一些自家的特色功能，让代码使用起来更加便捷。AMI就是比较著名的厂家，他们的代码都进行了深度的定制，很多功能几乎只要改改enable跟disable就可以了。

BIOS SETUP

为了能让普通用户能够对某些功能进行配置，UEFI提供了一个简单人机界面，称为“Setup界面”，也叫“BIOS Setup”。虽然BIOS退出舞台了，但由于习惯的原因，“BIOS”这个叫法一直存留至今。有了这个BIOS SETUP，用户便可以通过它了解一些基本的信息，如CPU，内存大小等，然后还可以设置启用禁用或启用一些功能，比如有些网吧的电脑会关掉USB接口，而普通用户则要启用，此时就可以对它进行配置。

BIOS固件

UEFI代码编译后会生成一个二进制文件，它便是BIOS/UEFI固件。要让CPU可以执行固件，需要把它烧录在CPU或PCH中的SPI Flash（也称BIOS ROM）中，CPU启动的时候便会从Flash中读取固件，执行指令。

NOTE

UEFI、ACPI和PI SPEC都可以在这里下载到：Unified Extensible Firmware Interface Forum

EDK2项目地址：GitHub - tianocore/edk2: EDK II

Intel IA32手册：Intel® 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual...