Ubuntu探秘之一：BIOS到底干啥用？

学习linux很长时间了，一直没有时间把经验和挖掘的一些技巧整理出来，这个暑假在家没事，整理了一些与大家分享。由于都是自己的理解和实验产物，所以肯定有些不当之处，期待交流指正！这个系列文章将以Ubuntu探秘命名，内容涉及到整个开机流程及GNOME桌面的hack. 

  今天发表第一篇心得：BIOS到底干啥用？
    BIOS(basic input/output system,基本输入输出系统)是一组被固化到电脑中，为电脑提供最低级、最直接的硬件控制的程序，它是连接软件程序和硬件设备的枢纽。          
    BIOS存在的目的包括：检测硬件、初始化硬件、分配资源(如IO地址、IRQ号、DMA通道等)以及协助加载操作系统。
    首先了解两个概念：北桥(north bridge)、南桥(south bridge).        
    北桥和南桥组成了主板上的芯片组。北桥主要控制CPU和内存，是系统总线和一级PCI总线的桥接设备，也称host bridge ；南桥负责PCI,PCI-E,USB,VGA等外围总线设备，这些外围设备挂在PCI总线上，通过各自的控制器与PCI总线接口，不同类型的总线通过bridge接口。                 
    在内存的低端640KB地址空间被称为基本内存，一般用于固定用途，如A0000H～BFFFFH保留 给显卡的显存使用，C0000H～C7FFFH为显卡的BIOS，C0000H～FFFFFH保留给系统中各设备的BIOS，IDE，SATA等BIOS 也都在这一段空间中，其中" 系统BIOS"一般占用最后的64KB或更多。(这些信息可以用 cat /proc/iomem | head 查看到)              
    通常，计算机的启动过程是在主板的BIOS控制下进行的，这个BIOS也称为“系统BIOS”，它的内容在南桥芯片的一块特殊区域CMOS中，主板上的电池就是为CMOS保存资料而提供电源的。除了这个“系统BIOS”以外，各PCI设备也都提供各自的 BIOS，它们的功能是直接访问所在设备的PCI配置寄存器，以获得PCI设备的信息、配置PCI设备的参数、完成PCI设备的初始化等。系统BIOS在激活时会校验CMOS中的资料是否正确，若正确则会将这些资料和已找到的硬件信息整合成一张表格，写到内存中，也就是所谓的SMBIOS(System Management BIOS)，若错误则用默认的值取代CMOS提供的资料。SMBIOS扮演的主要角色是将主板或X86架构的系统通过BIOS呈现在用户面前。通过 dmidecode命令可以查看该表格，其中有许多Type，每个Type代表一类信息，可以在dmidecode的man page中找到相关定义。            
    当计算机电源开关被按下时，电源就开始向主板和其它设备供电，此时电压还不稳定，主板控制芯片组(北桥芯片)会向CPU发出一个Reset信号，让CPU复位初始化。当电源开始稳定供电后，芯片组便撤去Reset信号，CPU马上开始从地址FFFF0H处 执行指令，这个地址在“系统BIOS”的地址范围内，放在这里的一般是一个跳转指令，跳到系统BIOS的真正开始代码处。        
    从主机上电到加载bootloader这个过程中，系统BIOS主要经历了三个阶段：Pown On ，POST ,加载bootloader .
Pown On 阶段       
    这一阶段从上电开始到屏幕出现信息结束，也就是所谓的激活电源阶段。这一阶段的主要任务是校验CMOS中的内容是否正确、检查主机上某些硬件的状态以确定下一步的自检，因此，用户无法在屏幕上看到BIOS信息(要等硬件确认后才激活VGA) ，若这个阶段出现错误一般都是致命的(通常为黑屏)，只能通过喇叭声来判断错误类型。这个阶段只是检查系统上都有哪些设备，并不初始化。
POST(power on self test)阶段      
    检查一些关键设备如内存、显卡能否正常工作，并提供简易的内存测试，只要测试没问题，就在屏幕上显示该硬件的基本信息。这个阶段的基本过程如下：系统BIOS查找显卡的BIOS，存放显卡BIOS的ROM芯片的起始地址通常在C0000H处，然后调用其初始化代码，由显卡的BIOS完成显卡的初始化，然后屏幕就可以显示信息了，大多数的显卡会在这时显示显卡的一些信息，但是通常只是一闪而过。依次类推，系统BIOS调用在前一个阶段找到的设备的BIOS代码，以完成相应设备的初始化。查完其它所有设备后，BIOS将显示自己的启动画面，接着检查CPU的类型和工作频率、主机的内存容量，然后系统BIOS开始测试和配置系统中安装的一些标准硬件设备如硬盘、光驱、COM口、并口等，然后BIOS开始检查并配置系统中的即插即用设备。开机时和开机后所有需要用到的设备都是在这个阶段被激活的。
加载bootloader阶段      
    当所有的硬件都检测完毕并没有问题后，BIOS退居幕后的办法是将加载OS的主控权交给硬盘的主引导扇区MBR即硬盘的物理扇区0柱0面1扇区上的内容，让藏匿于此的开机管理程序(bootloader)将指针带到系统核心的地方。linux常见的开机管理程序为Grub.(以后会分享grub的配置及除错方法^_^)
    综上，系统激活流程为：打开电源开关—CPU初始化—BIOS激活—读取并校验CMOS资料、检测硬件状态(此时BIOS代码在flash memo中运行)—生成SMBIOS表格—检测、配置并初始化各硬件—加载bootloader
    另外查看系统BIOS信息的命令主要有两个：dmidecode 和 biosdecode   .它们可以显示cpu 、内存、主板型号、OEM信息、主板插槽等信息，这些信息对于查看系统硬件配置非常有用。