Báo cáo thực nghiệm môn kiến trúc máy tính và hệ điều hành nghiên cứu về bios rom trong máy tính

Tuy nhiên, giữa những điểm nhấn này, một thành phần cơ bản nhưng quan trọng không kém đã tồn tại, man theo nó lịch sử và vai trò quyết định trong việc khởi động mỗi hệ thống máy tính – đ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘIKHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

-🙞🙜🕮🙞🙜 -BÁO CÁO THỰC NGHIỆM

MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH VÀ HỆ ĐIỀU HÀNH

Đề Tài: Nghiên cứu về BIOS ROM trong máy

LỜI NÓI ĐẦU

Trong thời đại hiện đại, khi công nghệ máy tính ngày càng tiến bộ, chúng ta thường xuyên tập trung vào những thành tựu mới và sự đổi mới liên quan đến hệ điều hành, phần cứng và các ứng dụng công nghệ với Tuy nhiên, giữa những điểm nhấn này, một thành phần cơ bản nhưng quan trọng không kém đã tồn tại, man theo nó lịch sử và vai trò quyết định trong việc khởi động mỗi hệ thống máy tính – đó chính là BIOS ROM(Basic Input/Output System Read-Only Memory).

Chúng ta thường ít chú ý đến BIOS trong những cuộc thảo luận về công nghệ hiện đại, nhưng nó là linh hồn của mọi máy tính, điều khiển quá trình khởi động và tương tác giữa hệ điều hành và phần cứng Dể hiểu rõ hơn về tầm quan trọng của BIOS ROM và những thách thức, cơ hội mà nó mang lại, chúng ta cần xâm nhập sâu vào nghiên cứu và phân tích các khía cạnh của nó.

Trong bài này, chúng em sẽ tìm hiểu về đặc điểm, chức năng tổng quát củaBIOS ROM, nhận diện BIOS ROM trên máy tính, nội dung của BIOS ROM,hoạt động của chương trình POST trong BIOS ROM để thấy được tầm quantrong của BIOS ROM trong máy tính Chúng em hy vọng rằng bài nghiên cứunày sẽ mang lại cái nhìn toàn diện về BIOS Rom, từ những khía cạnh kỹ thuậtđến tầm quan trọng trong thế giới ngày ngay của công nghệ thông tin.

I CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ BIOS ROM

- BIOS là viết tắt của cụm từ "Basic Input/Output System" có nghĩa là Hệ thống nhập xuất cơ bản và còn được biết đến với những cái tên khác là System BIOS, ROM BIOS, BIOS ROM hoặc là PC BIOS.

- Bộ nhớ chỉ đọc (ROM), là một loại bộ nhớ điện tử được tích hợp sẵn trong thiết bị trong quá trình sản xuất Bạn sẽ tìm thấy chip ROM trong máy tính và nhiều loại sản phẩm điện tử khác: VCR, bảng điều khiển trò chơi và radio trên ô tô đều sử dụng ROM để hoàn thành các chức năng của chúng một cách trơn tru Các chip ROM được tích hợp vào một bộ phận bên ngoài như ổ đĩa flash và các thiết bị bộ nhớ phụ khác -hoặc được lắp vào phần cứng của thiết bị trên một chip có thể tháo rời Bộ nhớ không bay hơi như ROM vẫn tồn tại ngay cả khi không có nguồn điện.

Như vậy, BIOS ROM là một chương trình được cài đặt sẵn, được lưu trữ trên chip ROM trên bo mạch chủ.

Thuật ngữ này xuất hiện lần đầu trong hệ điều hành CP/M, là phần CP/M được tải lên trong suốt quá trình khởi động, tương tác trực tiếp với phần cứng (các máy CP/M thường có duy nhất một trình khởi động trong ROM) Các phiên bản nổi tiếng của DOS có một tập tin gọi là "IBMBIO.COM" hay "IO.SYS" có chức năng giống như BIOS CP/M.

II BIOS ROM

1 Đặc điểm của ROM BIOS

- BIOS ROM là một chương trình được cài đặt sẵn, được lưu trữ trên chip ROM trên bo mạch chủ Cho nên, nội dung của BIOS không bị mất khi không có điện.

- BIOS là chương trình vào ra cơ sở Đây là chương trình máy tính chạy đầu tiên khi mới bật nguồn, chứa các lệnh cơ bản nhất để giúp máy khởi động và kiểm tra sơ bộ các chi tiết phần cứng.

- BIOS được chứa sẵn (thường ở dạng nén dữ liệu) trong các con chip như là PROM, EPROM hay bộ nhớ flash của bo mạch chính Khi máy tính được mở qua công tắc bật điện hay khi được nhất nút reset, thì BIOS được khởi động và chương trình này sẽ tiến hành các thử nghiệm khám nghiệm trên các ổ đĩa, bộ nhớ, các con chip có chức năng riêng khác và các phần cứng còn lại.

- Các chương trình này được mã hóa trong ROM và được gọi là phần mềm (firmware).

 Phân loại ROM:

- Masked ROM: Đây là loại cơ bản nhất với việc chip ROM sử dụng dữ liệu

đã được lập trình sẵn từ đầu và chỉ việc chạy chương trình và lấy dữ liệu ra mỗi khi khởi động máy hoặc chương trình Loại ROM này không thể xóa hay viết lại các chương trình trong đó.

- PROM (Programmable Read-Only Memory): Bộ nhớ chỉ đọc có thể lập

trình (PROM) hoặc ROM lập trình một lần (OTP), có thể được ghi vào hoặc lập trình lại thông qua một thiết bị đặc biệt gọi là lập trình PROM Thông thường, thiết bị này sử dụng điện áp cao để phá hủy vĩnh viễn hoặc tạo các liên kết bên trong (cầu chì hoặc antifuses) trong chip Do đó, một PROM chỉ có thể được lập trình một lần.

- EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory): Bộ nhớ chỉ đọc

có thể lập trình lại (EPROM) bằng cách tiếp xúc với ánh sáng cực tím

mạnh(thường trong 10 phút hoặc lâu hơn), sau đó viết lại với quy trình cần điện áp cao hơn thông thường.

- EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory):

Bộ nhớ chỉ đọc có thể lập trình được bằng điện tử (EEPROM) dựa trên cấu trúc bán dẫn tương tự EPROM, nhưng cho phép xóa toàn bộ nội dung của nó, sau đó viết lại bằng điện, và chúng không bị xóa khỏi máy tính khi mất điện Đặc điểm khác biệt duy nhất so với EPROM là có thể ghi và xóa thông tin lại nhiều lần bằng phần mềm thay vì phần cứng.

Trong các hệ thống máy tính hiện đại, nội dung BIOS được lưu trữ trên chip nhớ flash để có thể ghi lại nội dung mà không cần tháo chip khỏi bo mạch chủ Điều này cho phép phần mềm BIOS dễ dàng được nâng cấp để thêm các tính năng mới hoặc sửa lỗi, nhưng có thể khiến máy tính dễ bị tấn công rootkit Về mặt kỹ thuật thì bộ nhớ flash có thể được dùng như một loại EEPROM mà ở đó nó có thể được đọc/ghi bằng điện và không mất dữ liệu khi ngừng cung cấp điện.

2 Chức năng của tổng quát của BIOS ROM

BIOS là một phần mềm được xây dựng sẵn ở trong máy tính Mặc dù có kích thước nhỏ, nhưng BIOS điều khiển nhiều những chức năng của máy tính, vd: tổ hợp phím ngắt( Ctrl + Alt+ Delete), điều khiển in ký tự lên màn hình… Dưới đây là những chức năng tổng quát của BIOS mà BIOS thực hiện:

- Bootstrap Loader: làm tiền đề và xác định hệ điều hành Khi BIOS xác định

được hệ điều hành đã được cài đặt trong máy, nó sẽ nhượng quyền điều khiển máy tính cho hệ điều hành đó.

- POST: chịu trách nhiệm kiểm tra và rà soát lại hệ thống máy tính khi mới

khởi động Chức năng này có tác dụng kịp thời phát hiện lỗi nếu có và đảm bảo quá trình hoạt động của máy tính không gặp phải vấn đề phức tạp.

- Thiết lập BIOS hoặc CMOS: chức năng này của BIOS có nghĩa là hỗ trợ

các bạn xác định cấu hình cài đặt của phần cứng bao gồm những cài đặt như: thời gian ngày giờ, mật khẩu của máy tính,…

- Chức năng cuối cùng là trình điều khiển BIOS: với chức năng này, BIOS

sẽ giúp máy tính có thể kiểm soát được những hoạt động cơ bản đối với phần cứng trên máy tính của bạn.

Các chương trình phần mềm của BIOS giúp cho máy tính có thể hoạt động được trong môi trường không có hệ điều hành, ví dụ: Khi ta sử dụng máy tính trong màn hình thiết lập CMOS SETUP

Mục đích cơ bản của BIOS trong máy tính hiện đại là để khởi tạo và kiểm tra các thành phần phần cứng của hệ thống, và để tải một bộ nạp khởi động hoặc một hệ điều hành từ một ổ đĩa chung BIOS cung cấp thêm một lớp trừu tượng cho các phần cứng, tức là, một cách phù hợp cho các chương trình ứng dụng và hệ điều hành để tương tác với bàn phím, màn hình hiển thị, và các đầu vào / đầu ra (I / O) thiết bị.

3 Nhận diện BIOS ROM

Về hình thù BIOS ROM có hình thù khá đặc trưng, có hình dạng chủ yếu là hình vuông hoặc hình chữ nhật được gắn trên bo mạch chủ bằng các chân.

- Hình chữ nhật gồm 32 chân gắn trong socket hoặc dính vào mainbroard:

Hình 2.3.1: Hình ảnh BIOS ROM.

- Trên máy DELL 310:

Hình 2.3.2: BIOS ROM trên Dell 310.

- Loại dạng flash chip dán 8 chân trên mainboard GIGABYTE B75:

Hình 2.3.3: Flash chip trên mainboard GIGABYTE B75.

- Hiện nay có khá nhiều hãng sãn xuất nổi tiếng: Gigabyte, Intel , Amibios, … và cho ra đời nhiều loại cũng như hình sự thay đổi về hình dáng.

Hình 2.3.4: Một vài hình dạng khác của BIOS ROM.

- Dual BIOS (2 BIOS):1 BIOS chính, 1 BIOS để dự phòng khi BIOS chính gặp sự cố trên mainboard GIGABYTE-H61M-DS2:

Hình 2.3.5: Dual BIOS

Các chip ROM được đặt vào những phần phần khác nhau của bo mạch chủ tùy vào mỗi hãng sản xuất; tuy nhiên, các chip có thể nhận dạng được dựa trên tên hãng sản xuất in trên chip và số lượng chân kết nối mà chúng sử dụng Các chip ROM thường có 28 hoặc 32 chân kết nối trên hai cạnh song song hoặc cả bốn cạnh tương ứng ở những thế hệ cũ, 8 chân kết nối cho thế hệ mới Một số

chip có nhiều chân kết nối hơn và chúng có thể được lắp vào ổ cắm(socket) hoặc hàn vào bảng mạch chủ Mặc dù không có vị trí cụ thể, nhưng các chip ROM thường được đặt gần chip cầu nam / Chipset của bo mạch chủ và các khe cắm thẻ ngoại vi

Về thông số chi tiết

Đây là một ví dụ về thông số: Trên Rom ghi các thông số:

- Tên hãng sãn xuất: AMIBIOS (american megatrends)

- năm phát bắt đầu sản xuất của hãng: 1999 - số seri của chip: 686

- năm sản xuất chip: 2011

III NỘI DUNG CỦA BIOS ROM

Một ROM BIOS tiêu biểu thuờng chiếm 128KB trong vùng bộ nhớ trên (Upper Memory Area - UMA), từ E0000h -> FFFFFh (bên trong MB đầu tiên của bộ nhớ PC) BIOS chứa nhiều chương trình riêng lẻ tương đối nhỏ BIOS thường có 3 phần sau : bộ đoản trình POST, trình CMOS Setup và các đoản trình dịch vụ của hệ thống Phần cuối cùng là phần mã đặc thù của chương trình BIOS, được thi hành tuỳ theo trình trạng của máy và các hoạt động của nó tại một thời điểm xác định nào đó.

Hình 3: Các thành phần chính của 1 BIOS tiêu biểu.

1 Bộ đoản trình POST (Power On Self Test)

Post có chức năng kiểm tra hệ thống, quản lý toàn bộ giai đoạn khởi động của hệ thống POST xử lý hầu như tất cả những hoạt động khởi sự của máy PC Nó thực hiện một cuộc kiểm tra độ tin cậy và chuẩn đoán ở mức thấp đối với các thành phần xử lý chính, kể cả các chương trình ROM và RAM hệ thống Nó kiểm tra CPU, khởi động bộ chipset của bo mạch chính, kiểm tra 128 bytes trong CMOS xem có những dữ liệu gì về cấu hình hệ thống và thiết lập một bảng chỉ mục vector ngắt dành cho CPU trong vùng từ 000h đến

02FFh của bộ nhớ hệ thống Sau đó POST thiết lập một vùng ngăn xếp (Stack) cho BIOS trong vùng bộ nhớ thấp từ 0300h đến 03FFh, nạp nội dung cho vùng dữ liệu (Data) của BIOS trong vùng bộ nhớ thấp từ 0400h đến 04FFh, phát hiện mọi ROM BIOS bổ sung (các adapter BIOS) có mặt trong hệ thống và tiến hành khởi động hệ thống.

2 Trình CMOS SETUP

Cấu hình của bất kỳ máy tính nào cũng được lưu giữ trong một lượng RAM CMOS nhỏ và cần có một đoản trình (hay thủ tục) CMOS SETUP cho phép truy cập các thông tin cấu hình của máy Các máy i286, i386 đời cũ cung cấp chương trình CMOS SETUP dưới dạng một tiện ích riêng biệt, được bán kèm theo máy trên một đĩa mềm Trong hầu hết các trường hợp chương trình CMOS SETUP được tích hợp trong BIOS của bo mạch chính Chương trình CMOS SETUP do các nhà chế tạo máy và bo mạch chính khác nhau tạo ra cho nên sẽ có sự khác nhau về các chương trình CMOS SETUP, cho nên không có một tiêu chuẩn chung nào về những thông số được thiết lập trong trong CMOS SETUP (các thông số có thể khác nhau về tên gọi,chức năng và bố cục sắp xếp)

Hình 3.2.1: Trình CMOS SETUP.

Hình 3.2.2: Trình CMOS SETUP.

Danh sách mục và chức năng của PHOENIX BIOS:

- Main: Đây là mục lưu trữ các thông tin cơ bản của máy tính

Hình 3.2.3: Bảng Main của PHONENIX BIOS.

 System time : hiển thị giờ của đồng hồ hệ thống  System date : hiển thị ngày của hệ thống.

 Legacy diskette A : cho biết thông số của ổ đĩa mềm, nếu có sẽ hiển thị loại ổ mềm hiện đang dung.

 Legacy diskette B : không sử dụng sẽ hiển thị dòng None hoặc Disabled  Primary Master : cho biết thông tin về ổ đĩa chính gắn trên IDE1.

 Primary Slave : cho biết thông tin về ổ đĩa phụ gắn trên IDE1  Secondary Master : cho biết thông tin về ổ đĩa chính gắn trên IDE2.

 Secondary Slave : cho biết thông tin về ổ chính gắn trên IDE2.

 Keyboard Features : Tính năng của bàn phím, cài đặt tự động lặp  System Memory : bộ nhớ hệ thống.

 Extended memory : bộ nhớ mở rộng.

 Boot-time Diagnostic Screen : màn hình chẩn đoán thời gian khởi động.

 Item specific Help : mục trợ giúp.

Nếu chọn những mục Primary/Secondary Master/Slave sẽ ra một màn hình hiển thị chi tiết những thông tin liên quan đến đĩa và những cài đặt liên quan.

- Advanced: Là mục để tinh chỉnh những chức năng nâng cao liên quan đến

hiệu suất của máy tính như Những tinh chỉnh ở mục này nếu không phù hợp có thể làm cho máy tính không hoạt động.

Hình 3.2.4: Bảng Advanced của PHONENIX BIOS.

 Multiprocessor Specification : kỹ thuật đa xử lý để xác định sự tăng tốc

theo tiêu chuẩn mà các nhà sản xuất máy tính.

 Cache Memory : bộ nhớ cache là kiểu bộ nhớ tốc độ cao có bên trong

CPU để tăng tốc độ truy cập cho dữ liệu và các chỉ lệnh được lưu trong bộ nhớ RAM, có thể tùy chọn sử dụng hoặc không.

 I/O Device Configuration : cấu hình thiết bị vào ra, cài đặt liên quan

đến cổng và đường dây ngắt.

 Large Disk Access Mode : chế độ truy cập đĩa lớn.

 Local BUS IDE Adapter : bộ chuyển đổi BUS IDE cục bộ

 Advanced chipset Control : kiểm soát chipset nâng cao, cài đặt liên quan đến chu kì đường dây, bộ nhớ của đồ họa.

- Security: Cài đặt liên quan đến bảo mật Người dùng có thể thiết lập mật

khẩu cho máy tính.

Hình 3.2.5: Bảng Security của PHONENIX BIOS.

 Supervisor Password : mật khẩu bảo vệ CMOS, nếu không có sẽ hiện

Clear

 User Password : mật khẩu người dùng, nếu không có sẽ hiện Clear

 Set User Password : thiết lập mật khẩu người dung

 Set Supervior Password : thiết lập mật khẩu giám sát

 Password on Boot : mật khẩu khi khởi động.

- Boot: Thiết lập thiết bị để tìm kiếm và nạp hệ điều hành được kết nối với

máy tính.

Hình 3.2.6: Bảng Boot của PHONENIX BIOS.

 Removable Devices : thiết bị di động

 Hard drive : ổ đĩa cứng sẽ khởi động, thông thường máy tính sẽ ưu tiên

khởi động từ hệ điều hành cài đặt trên ổ cứng

- CD – ROM Drive : khởi động từ CD – ROM

- Network Boot from + tên thương hiệu (AMD/Intel) + hậu tố : khởi

động máy tính từ mạng kết nối với máy tính.

- Exit: Tùy chọn thoát khỏi trình CMOS lưu thay đổi hoặc không lưu thay đổi, khôi phục trạng thái ban đầu.

Hình 3.2.7: Bảng Exit của PHONENIX BIOS.

 Exit Saving Charge : thoát vào lưu thiết lập.

 Exit Discarding Charge : thoát ra bỏ đi thiết lập đã chỉnh

 Load Setup Defaults : tải thiết lập mặc định

 Discarding Charge : bỏ đi thiết lập

 Save Charges : lưu lại các thiết lập.3 Các thủ tục dịch vụ của hệ thống

Các dịch vụ của hệ thống (còn được gọi là dịch vụ của BIOS - BIOS service) là một bộ các chức năng riêng rẽ hình thành nên lớp đệm giữa phần cứng và hệ điều hành Các dịch vụ này được gọi đến thông qua việc sử dụng ngắt (interrupt) nào đó Thực chất tác dụng của ngắt là khiến CPU tạm dừng công việc nó đang làm lại rồi gởi quyền điều khiển chương trình đến một địa chỉ khác trong bộ nhớ Sẽ có một chương trình con được thiết kế đặc biệt để xử lý ngắt này, khi chương trình con xử lý hoàn tất tình trạng của CPU sẽ

được khôi phục lại và quyền điều khiển được trả lại nơi mà hệ thống đã bỏ ngang lúc ngắt mới xảy ra Có rất nhiều ngắt dành cho CPU và các ngắt đó có thể được tạo ra từ 3 nguồn chính : Bản thân CPU, trạng thái phần cứng, phần mềm BIOS được dùng trong một máy có thể cung cấp nhiều hoặc ít chức năng tuỳ thuộc vào nhà sản xuất.

Hình 3.3.1: Một số lệnh ngắt.

Ngắt được tạo bởi CPU gọi là ngắt vi xử lý thường là kết quả bất thường của chương trình Ví dụ, nếu có một chương trình thực hiện phép chia cho 0, CPU sẽ tạo lệnh ngắt INT 00h, lệnh ngắt này sẽ đưa ra thông báo lỗi “chia cho 0”

Ngắt bởi phần cứng được tạo ra khi có một thiết bị cần tài nguyên của CPU để thực hiện một công việc nào đó Ngắt bởi phần cứng được thực hiện bằng cách yêu cầu một mức độ logic trên đường dây ngắt vật lý (IRQ) CPU sẽ dừng tác vụ hiện tại và thực hiện trình quản lý quắt Khi lệnh ngắt được thực hiện xong,CPU tiếp tục hoạt động bình thường Ví dụ, mỗi lần một phím được ấn, bộ đệm bàn phím yêu cầu một đường dây logic trao đổi đến INT 9h (IRQ 1) Điều này sẽ kích hoạt một lệnh trình quản lý ngắt bàn phím

Ngắt bởi phần mềm được tạo ra khi có một thiết bị phần cứng phải được kiểm tra hoặc điều khiển bởi CPU Nút “Print screen” là một ví dụ của ngắt phần mềm khi nút này được ấn, một lệnh ngắt INT 0h được tạo ra.

IV HOẠT ĐỘNG CỦA CHƯƠNG TRÌNH POST

POST (Tự kiểm tra khi bật nguồn) là bước đầu tiên của trình tự khởi động Không quan trọng nếu bạn vừa khởi động lại máy tính của mình hay bạn mới bật