BIOS – назначение, функции, особенности аппаратной и программной реализации

В то же время существует целый ряд драйверов, которые  должны быть активны во время начальной  загрузки. Например, как выполнить  загрузку с жесткого диска, если нужные для этого драйверы находятся  именно на нем? Очевидно, что они  должны быть предварительно загружены  из ПЗУ системной платы или  платы адаптера.

Спрашивается, как увидеть  что-либо на экране, если видеокарта не имеет необходимых драйверов  в своем ПЗУ? Естественно, можно  соответствующими драйверами дополнить  ПЗУ материнской платы, однако это  непрактично, поскольку существует великое множество карт видеоадаптеров и каждой из них нужен свой драйвер. Все могло бы закончиться созданием  сотен типов разных ПЗУ, каждое из которых предназначено для определенной видеокарты. Однако когда компания IBM проектировала свой первый персональный компьютер, она использовала другой подход. Она так сконструировала  ПЗУ системной платы, чтобы оно  сканировало все разъемы на предмет  наличия в установленных картах расширения своих ПЗУ. Если такая  плата обнаруживалась, программа, прошитая в ее ПЗУ, выполнялась на этапе  изначальной загрузки компьютера, до загрузки операционной системы с  диска.

Такое распределение BIOS позволяет  избежать необходимости постоянно  модернизировать системную BIOS при появлении новых моделей устройств, особенно устройств, используемых при начальной загрузке компьютера. Собственная BIOS, как правило, устанавливается на следующих платах.

 Видеоадаптеры. Всегда имеют собственную микросхему BIOS.

 Адаптеры SCSI. Эта BIOS не поддерживает все устройства SCSI, т.е. с диска необходимо загружать дополнительные драйверы для накопителей CD-ROM, сканеров и прочих устройств с интерфейсом SCSI. Большинство новых адаптеров SCSI поддерживают загрузку с накопителя SCSI CD-ROM, однако при загрузке с другого диска или устройства все равно понадобятся драйверы.

  Сетевые адаптеры. Платы,  поддерживающие загрузку непосредственно  с файлового сервера; имеют  так называемое загрузочное ПЗУ  (Boot ROM) или модуль IPL ПЗУ (Initial program load — первоначальная загрузка системы), которые необходимы для начальной инициализации устройства либо нормального функционирования в бездисковых рабочих станциях или терминалах.

   Платы контроллеров ATA или дисковода. Платы расширения, позволяющие подключить дополнительные  устройства этого типа к материнской  плате. BIOS материнской платы должны  поддерживать загрузку с таких  устройств.

 

     Контроллеры  RAID-массивов. Адаптеры, позволяющие  подключить к материнской плате  множество дисковых устройств  и организовать их в виде  единого массива. Такой способ  подключения дисков повышает  быстродействие системы и ее  надежность за счет избыточности  хранения данных. Системная BIOS должна  допускать загрузку с таких  устройств.

     Платы Y2K. Платы,  предназначенные для коррекции  байта века в системной BIOS. Они содержат небольшой драйвер, который контролирует переход года с 99 на 00. Когда такой переход выполняется, байт века меняется с 19 на 20, корректируя тем самым так называемую ошибку 2000 года” в старых материнских платах.

 

BIOS и CMOS RAM

 

Иногда пользователи путают BIOS и CMOS RAM. Причиной путаницы является то, что программа настрой-ки BIOS используется для установки и хранения параметров конфигурации в CMOS RAM. Следует заметить, что это совершенно разные компоненты.

Обычно BIOS находится в  отдельной микросхеме системной  платы. Кроме того, на системной плате  расположена так называемая микросхема RTC/NVRAM, содержащая часы истинного времени  и энергонезависимую память. По сути, эта микросхема представляет собой  цифровой датчик времени с несколькими  дополнительными байтами памяти. Обычно она называется CMOS-микросхемой, поскольку создана на основе комплементарных металлооксидных полупроводников (Complementary Metal-Oxide Semiconductor - CMOS).

Микросхема Motorola MC146818, использованная впервые в качестве RTC/NVRAM, содержала 64 байт памяти, из которых 14 байт были выделены для функционирования часов. Несмотря на то что она называется энергонезависимой, при отсутствии электроснабжения параметры времени/даты и данные, находящиеся в памяти, уничтожаются. Микросхема, созданная на основе технологии Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS), имеет пониженное потребление электроэнергии, и для нее вполне достаточно мощности батареи компьютера. Именно поэтому микросхема называется CMOS RAM, хотя с технической точки зрения ее следовало бы назвать микросхемой RTC/NVRAM. Сила тока, потребляемого большинством микросхем RTC/NVRAM, не превышает одного микроампера (миллионной доли ампера), поэтому для их работы достаточно одной небольшой батареи. В течение последних пяти лет для этого использовалась литиевая батарея, при выходе из строя которой вся хранимая в микросхеме информация разрушалась. При загрузке программы BIOS Setup и последующем конфигурировании/сохранении параметров жесткого диска или других устройств установочные параметры системы записываются в соответствующую область памяти RTC/NVRAM (или CMOS RAM). При каждой загрузке системы для определения ее конфигурации проводится считывание параметров, хранящихся в микросхеме CMOS RAM. Несмотря на наличие определенной связи между BIOS и CMOS RAM, это абсолютно разные компоненты.

Некоторые системы использовали особые версии этой микросхемы, выпускаемые  компаниями Dallas Semiconductor, Benchnarq и Odin (например, DS12885 и DS12887), которые объединяли в одном компоненте батарею и RTC/VNRAM, однако сегодня эти модули не так широко распространены. Несмотря на то что компонент CMOS RAM свой путь начинал с отдельной микросхемы, сейчас его функции включаются в южный мост или микросхему Super I/O набора микросхем системной логики. [8]

 

2. Основные компоненты ОС MS DOS

 

 

Дисковая операционная система (DOS — Disk Operating System) — комплекс программ, управляющих работой аппаратуры ПК и прикладных программ. Она была создана в 1981г.

Операционная система  DOS организует диалог пользователя и компьютера, управляет ресурсами компьютера, запускает на выполнение другие программы.

Назначение DOS состоит, прежде всего, в том, чтобы отстранить пользователя от детального управления работой машины, скрыть от него миллионы операций низкого уровня, выполняемые компьютером, освободить от ненужных ему подробностей, предоставив командный интерфейс для работы.

Управление вводом-выводом. Ввод и вывод — это процессы, осуществляющие пересылку входных  и выходных данных. MS DOS предусматривает достаточно сложное программное обеспечение для управления этими процессами по желанию пользователя. Управление данными осуществляется с помощью процедур, называемых направленный ввод и вывод, фильтры и коммуникации.

Стандартные устройства ввода-вывода. Для ввода информации в большинстве  случаев используют клавиатуру. В  результате выполнения большинства  операций полученные данные выводятся на экран дисплея. Поэтому клавиатура считается стандартным устройством ввода, а экран — стандартным устройством вывода.

Запуск вычислительного  процесса в MS DOS осуществляется путем ввода (полностью или частично) спецификаций программного (типа .exe, .com, .bin) или пакетного (.bat) файла, расположенного в текущем каталоге текущего устройства.

 

Состав MS DOS

 

Операционная система  DOS состоит из восьми частей.

1. Базовая система ввода/вывода (BIOS — Basic Input/Output System) — это программы ОС, хранящиеся в ПЗУ компьютера. Программы начинают работать автоматически при включении компьютера и выполняют начальную загрузку операционной системы. Эта часть операционной системы является встроенной в ПЗУ, находящееся на материнской пате компьютера. (см. раздел 1)

Базовая система BIOS выполняет следующие функции:

самотестирование устройств  компьютера при включении питания (Power On Self Test, POST);

предоставление наиболее простых и универсальных услуг, связанных с осуществлением ввода (вывода) информации при обмене между  различными элементами системы, такими как память, диски, монитор;

вызов начального загрузчика операционной системы.

В BIOS любого компьютера хранятся важные установки, описывающие подключенные накопители на жестких магнитных дисках, память, адреса и каналы ввода (вывода), порядок загрузки системы и т.д. Для просмотра или изменения этих установок требуется нажать определенную клавишу или их комбинацию при запуске компьютера. Для большинства BIOS это клавиша [Del].

BIOS находится в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) и эту систему можно рассматривать, с одной стороны, как составную часть аппаратных средств, а с другой — как один из программных модулей DOS.

Основные функции BIOS:

автоматическое тестирование основных аппаратных компонентов при  включении машины, в том числе  оперативной памяти;

вызов блока начальной  загрузки DOS по окончании тестирования. Поскольку DOS состоит из нескольких модулей, загрузка ее в память проходит в два этапа; сначала BIOS загружает с системного диска в оперативную память специальный блок начальной загрузки, а затем уже передает на него управление, а тот, в свою очередь, осуществляет загрузку других модулей DOS;

обслуживание системных  вызовов или прерываний. Системные  вызовы вырабатываются программными или  аппаратными средствами с целью  выполнения различных операций. Для  реализации системных вызовов используется механизм прерываний. Суть этого механизма  заключается в том, что текущая  работа машины может быть приостановлена на короткое время одним из сигналов, который указывает на возникновение  ситуации, требующей немедленной  обработки. Прерывания можно разделить  на три группы: аппаратные, логические и программные. Каждое прерывание имеет  свой уникальный номер и с ним  может быть связана определенная подпрограмма, призванная обслуживать  возникшую ситуацию.

Таким образом, BIOS является своеобразной программной оболочкой аппаратных средств ПК, предоставляя возможность другим программам, в частности самой DOS, обращаться к аппаратным компонентам через механизм прерываний.

2. Начальный загрузчик  операционной системы (Блок начальной  загрузки) Boot Recorder (BR). Это очень короткая программа, находящаяся в первом секторе нулевой дорожки диска с операционной системой DOS (дискеты, жесткого диска, компакт-диска). Функция этой программы заключается в считывании в память еще двух модулей операционной системы.

3. Дисковые файлы IO.SYS и MSDOS.SYS загружаются в память загрузчиком операционной системы и остаются в оперативной памяти компьютера постоянно. Файл IO.SYS представляет собой модуль расширения базовой системы ввода (вывода) в ПЗУ. Файл MSDOS.SYS реализует основные высокоуровневые услуги DOS (организация системы файл—каталог—диск и обработка прерываний).

4. Файл конфигурации операционной  системы CONFIG.SYS. С помощью команд этого файла загружаются драйверы, устанавливаются параметры MS DOS, оптимизируется работа MS DOS.

5. Командный процессор  (интерпретатор команд) COMMAND.COM обрабатывает команды, вводимые пользователем. Командный процессор находится в файле COMMAND.COM на диске, с которого загружается операционная система.

Основные функции командного процессора:

прием и разбор команд, полученных с клавиатуры или из командного файла;

исполнение встроенных (внутренних) команд DOS;

загрузка и исполнение внешних программ DOS и прикладных программ (находящихся в файлах типа . com и . ехе). Запуск прикладной программы осуществляется так же, как и обращение к внешней команде DOS (утилите), поскольку те и другие реализованы одинаково;

исполнение файла автозапуска  autoexec.bat.

Когда в качестве команды  DOS командный процессор встречает имя файла, не совпадающее с именами встроенных команд, производится анализ типа этого файла, указанного в каталоге. Файлы типов . com и . ехе считаются загрузочными и обрабатываются соответствующим образом, а файл типа .bat трактуется как командный.

Исполняемые файлы типа .com не требуют настройки адресов после их загрузки в оперативную память, а программы типа .ехе при загрузке с диска в оперативную память необходимо настроить по месту размещения, т. е. задать соответствующие адреса сегментов.

 

6. Файл автозапуска программ  AUTOEXEC.BAT — текстовый файл, содержащий команды, которые автоматически выполняются операционной системой (MS DOS или Windows) после начальной загрузки.

7. Драйверы устройств.  Это резидентные (постоянно находящиеся в оперативной памяти) программы, которые дополняют систему ввода (вывода) DOS и обеспечивают управление имеющимися периферийными устройствами (мышью, клавиатурой, принтером, сканером, фотоаппаратом и т.д.).

Драйверы загружаются  в оперативную память при загрузке ОС, их имена указываются в специальном  файле CONFIG.SYS. Такая схема облегчает добавление новых устройств и позволяет делать это, не затрагивая системные файлы DOS.

8. Утилиты DOS — «внешние» команды (программы), входящие в стандартный комплект DOS в виде отдельных загрузочных файлов и выполняющие сервисные функции.

В DOS входит более десятка утилит, предназначенных для разных целей.

Достоинством DOS и других операционных систем этого типа является то, что любая программа может играть роль сервисной наравне со стандартными утилитами, поскольку ее запуск не отличается от вызова утилит DOS.

Указанное свойство делает DOS открытой для расширения. Неизменное ядро системы составляет лишь BIOS и основные модули io.sys, msdos.sys, command.com. Общий объем оперативной памяти, занимаемой этими модулями, составляет от 40 до 60 Кбайт в зависимости от конкретной версии системы. [11]

 

3. Распределение оперативной памяти