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 NỘI

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Nhóm thực hiện: 15

Nguyễn Quang Thắng Nguyễn Khắc Trường Lại Trọng Cảnh Nguyễn Thành Luân Đoàn Mạnh Cường

Hà Nội, Tháng 1 năm 2024

LỜI NÓI ĐẦU

Trong thời đại hiện đại, khi công nghệ máy tính ngày càng tiến bộ, chúng tathường xuyên tập trung vào những thành tựu mới và sự đổi mới liên quan đến hệ điềuhành, phần cứng và các ứng dụng công nghệ với Tuy nhiên, giữa những điểm nhấnnày, 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 làBIOS ROM(Basic Input/Output System Read-Only Memory)

Chúng ta thường ít chú ý đến BIOS trong những cuộc thảo luận về công nghệhiện đại, nhưng nó là linh hồn của mọi máy tính, điều khiển quá trình khởi động vàtương tác giữa hệ điều hành và phần cứng Dể hiểu rõ hơn về tầm quan trọng củaBIOS ROM và những thách thức, cơ hội mà nó mang lại, chúng ta cần xâm nhập sâuvào 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 của BIOS 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 quan trong của BIOS ROM trong máy tính Chúng em hy vọng rằng bài nghiên cứu này sẽ mang lại cái nhìn toàn diện về BIOS Rom, từ những khía cạnh kỹ thuật đến 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 thốngnhập xuất cơ bản và còn được biết đến với những cái tên khác là System BIOS, ROMBIOS, 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 loạisản phẩm điện tử khác: VCR, bảng điều khiển trò chơi và radio trên ô tô đều sử dụngROM để hoàn thành các chức năng của chúng một cách trơn tru Các chip ROM đượctích 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 khôngbay 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 chipROM trên bo mạch chủ

Thuật ngữ này xuất hiện lần đầu trong hệ điều hành CP/M, là phần CP/M được tảilên trong suốt quá trình khởi động, tương tác trực tiếp với phần cứng (các máy CP/Mthường có duy nhất một trình khởi động trong ROM) Các phiên bản nổi tiếng củaDOS có một tập tin gọi là "IBMBIO.COM" hay "IO.SYS" có chức năng giống nhưBIOS 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 chipROM trên bo mạch chủ Cho nên, nội dung của BIOS không bị mất khi không cóđiện

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

- BIOS được chứa sẵn (thường ở dạng nén dữ liệu) trong các con chip như làPROM, EPROM hay bộ nhớ flash của bo mạch chính Khi máy tính được mở quacông tắc bật điện hay khi được nhất nút reset, thì BIOS được khởi động vàchương trình này sẽ tiến hành các thử nghiệm khám nghiệm trên các ổ đĩa, bộnhớ, 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 mỗikhi khởi động máy hoặc chương trình Loại ROM này không thể xóa hay viết lạicác 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 lậptrình 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 bêntrong (cầu chì hoặc antifuses) trong chip Do đó, một PROM chỉ có thể được lậptrình 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 trúcbán dẫn tương tự EPROM, nhưng cho phép xóa toàn bộ nội dung của nó, sau đóviết lại bằng điện, và chúng không bị xóa khỏi máy tính khi mất điện Đặc điểmkhác biệt duy nhất so với EPROM là có thể ghi và xóa thông tin lại nhiều lầnbằng phần mềm thay vì phần cứng

Trong các hệ thống máy tính hiện đại, nội dung BIOS được lưu trữ trên chipnhớ 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 tínhnăng mới hoặc sửa lỗi, nhưng có thể khiến máy tính dễ bị tấn công rootkit Vềmặt 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 kíchthước nhỏ, nhưng BIOS điều khiển nhiều những chức năng của máy tính, vd: tổhợp 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 khiểnmáy 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 bảoquá 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: thờigian 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 phầncứng trên máy tính của bạn

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

Mục đích cơ bản của BIOS trong máy tính hiện đại là để khởi tạo và kiểm tracác 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 cácphần cứng, tức là, một cách phù hợp cho các chương trình ứng dụng và hệ điềuhành 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 làhình 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 chínhgặp 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

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 vụcủa hệ thống Phần cuối cùng là phần mã đặc thù của chương trình BIOS, được thihành tuỳ theo trình trạng của máy và các hoạt động của nó tại một thời điểm xácđịnh 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 độngcủa 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 đốivới các thành phần xử lý chính, kể cả các chương trình ROM và RAM hệthống 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 thiếtlập 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 chovùng 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 lượngRAM CMOS nhỏ và cần có một đoản trình (hay thủ tục) CMOS SETUP chophép truy cập các thông tin cấu hình của máy Các máy i286, i386 đời cũ cungcấp chương trình CMOS SETUP dưới dạng một tiện ích riêng biệt, được bánkèm theo máy trên một đĩa mềm Trong hầu hết các trường hợp chương trìnhCMOS SETUP được tích hợp trong BIOS của bo mạch chính Chương trìnhCMOS SETUP do các nhà chế tạo máy và bo mạch chính khác nhau tạo ra chonên sẽ có sự khác nhau về các chương trình CMOS SETUP, cho nên không cómột tiêu chuẩn chung nào về những thông số được thiết lập trong trong CMOSSETUP (các thông số có thể khác nhau về tên gọi,chức năng và bố cục sắpxếp)

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 thịloại 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 hìnhhiển 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 nhớRAM, 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 liênquan 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 - BIOSservice) là một bộ các chức năng riêng rẽ hình thành nên lớp đệm giữa phầncứng và hệ điều hành Các dịch vụ này được gọi đến thông qua việc sử dụngngắt (interrupt) nào đó Thực chất tác dụng của ngắt là khiến CPU tạm dừngcông việc nó đang làm lại rồi gởi quyền điều khiển chương trình đến một địachỉ 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 bỏngang lúc ngắt mới xảy ra Có rất nhiều ngắt dành cho CPU và các ngắt đó cóthể được tạo ra từ 3 nguồn chính : Bản thân CPU, trạng thái phần cứng, phầnmềm BIOS được dùng trong một máy có thể cung cấp nhiều hoặc ít chứcnăng 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 thườngcủa 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 cho0”

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 bằngcách yêu cầu một mức độ logic trên đường dây ngắt vật lý (IRQ) CPU sẽdừng tác vụ hiện tại và thực hiện trình quản lý quắt Khi lệnh ngắt được thựchiện 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 (IRQ1) 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 đượckiểm tra hoặc điều khiển bởi CPU Nút “Print screen” là một ví dụ của ngắtphần 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