Các kiến thức căn bản về BIOS (Phần 1)

Thường rất khó cho mọi người hiểu rõ sự khác biệt giữa phần cứng và phần mềm trong một hệ thống máy tính cá nhân. Sự khác biệt là do cả hai có nhiều sự đan xen vào nhau trong thiết kế, cấu tạo và vận hành hệ thống. Hiểu rõ những sự khác biệt này là cơ bản để hiểu được vai trò của BIOS trong hệ thống.

BIOS là hệ thống nhập xuất cơ bản (basic inpuưoutput system), bao gồm phần mềm cấp thấp kiểm soát phần cứng hệ thống và đóng vai trò như giao diện chung giữa hệ điều hành và phần cứng. Nhiều người biết thuật ngữ BIOS bằng tên khác — những trình điều khiển thiết bị (device driver), hoặc những trinh điều khiển (driver). Nói một cách khác, BIOS là những trình điều khiển theo đúng nghĩa của nó. BIOS về cơ bản là sự kết nối giữa phần mềm và phần cứng trong một hệ thống.

BIOS chạy trong bộ nhớ bao gồm tất cả trình điều khiển khác nhau cho phần cứng đối với hệ điều hành. BIOS được so sánh với phần mềm bình thường trong đó một số trình điều khiển được cài trước vào bộ nhớ chỉ đọc (ROM: read-only memory) và một sổ được cài vào RAM từ đĩa.

BIOS trong một PC đến từ ba nguồn có thể:

■ ROM bo mạch chủ.

■ Những ROM card thiết bị tiếp hợp (như là cái được tìm thấy trên card video)

■ Được cài vào RAM từ đĩa (những trình điều khiển thiết bị)

Khi một máy tính cá nhân được giới thiệu đầu tiên, phần mềm BIOS chứa đựng tất cả trình điều khiển thiết bị cho toàn bộ hệ thống được ghi chung vào một hay nhiều chip nhớ chỉ đọc (ROM) ổn định (Nonvolatile nghĩa là chúng duy trì dữ liệu ngay cả khi nguồn bị tắt) và được đặt trên bo mạch chủ. Về bản chất, các trình điều khiển này độc lập, được nạp trước vào bộ nhớ và có thể truy xuất bất cứ khi nào máy tính khởi động.

Các chip ROM này cũng chứa đựng chương trình tự kiểm tra khi bật nguồn (POST: power- on self test) và bộ nạp chương trình tự mồi (bootstrap loader). Chương trình tự mồi này được thiết kế để khởi động việc tải một hệ điều hành bằng cách kiểm tra và đọc rãnh ghi khởi động (boot sector) từ một ổ đĩa mềm. Nếu không thực hiện được thì dùng ổ đĩa cứng. Sau khi hệ điều hành được tải, nó có thể gọi ra những thường trình cấp thấp (những trình điều khiển thiết bị) trong BIOS để tương tác với phần cứng hệ thống. Ngay lúc ban đầu, tất cả trình điều khiển thiết bị cần thiết trong BIOS được chứa trong ROM bo mạch chủ. Nó bao gồm những trình điều khiển thiết bị cho bàn phím, các thiết bị tiếp hợp MDA/CGA. Các cổng serial/parallel, bộ điều khiển ổ đĩa mềm, bộ điều khiển ổ đĩa cứng, cần điều khiển và đồng hồ.

Khi hệ điều hành đã được tải về, bạn không cần phải nạp thêm trình điều khiển để tương tác với các phần cứng vì các trình điều khiển đã được nạp trước trong ROM. Hệ thống sẽ vận hành tốt miễn là bạn không thêm bất kỳ một phần cứng mới nào không có sẵn trình điều khiển trên ROM. Nếu làm điều đó bạn sẽ có hai sự lựa chọn. Nếu phần cứng thêm vào là một card tiếp hợp, card này có thể có một ROM trên bo mạch chủ chứa những trình điều khiển thiết bị cần thiết. ROM bo mạch chủ (motherboard ROM) đã được lập trình để quét ở vùng bộ nhớ định sẵn để tìm ROM của card tiếp hợp và nếu tìm được thì mã của ROM bị quản lý, cơ bản thêm chức năng của ROM vào BIOS hiện hành, về bản chất thì ROM bo mạch chủ “đồng hóa” bất kỳ ROM card tiếp hợp nào, thêm vào chức năng “tập trung”.

Phương pháp thêm vào các tình điều khiển chỉ quy định cho số mục nhất định như card video cần thực hiện chức năng ngay lập tức khi máy tính được bật nguồn. Mã BIOS trên ROM bo mạch chủ có những trình điều khiển chỉ dành cho những card video bộ điều hợp hiển thị đơn sác (MDA: monochrome display adapter) và bộ điều hộp hiển thị đồ họa màu (CGA: color graphics adapter) của IBM. Nếu bạn thêm bất kỳ card video nào khác các card này thì các trình điều khiển trên ROM bo mạch chủ sẽ không hỗ trợ nó. Sẽ không là vấn đề nếu card video mới có sẵn những trình điều khiển trong ROM trên bo của chính nó, được kết nối vào BIOS ngay lập tức vào lúc mở nguồn.

Nếu thiết bị không có ROM trên bo kết nối với bus hệ thống chính, có một cách khác để thêm trình điều khiển cần thiết này vào BIOS. Một sự phối hợp được hình thành qua đó trong suốt giai đoạn đầu quá trình nạp các tệp tin khởi động MS-DOS (10. SYS) kiểm tra một tập tin cấu hình (gọi là CONFIG. SYS) định rõ bất kỳ trình điều khiển nạp thêm nào để hỗ trợ phần cứng mới. Tệp tin CONFIG. SYS này, cùng với bất kỳ trình điều khiển nào được chỉ định, được đặt trên ổ đĩa khởi động. Khi khởi động, chương trình 10. SYS sẽ tải những trình điều khiển này vào bộ nhớ và kết nối chúng vào phần còn lại của BIOS, một lần nữa thêm chức năng của chúng vào chức năng tập trung, về bản chất, các tình điều khiển này đã được nạp từ đĩa vào RAM và nối kết BIOS, do đó chúng có thể được gọi ra khi cần thiết.

Tại thời điểm này, BIOS đã đầy đủ từ được chứa đựng toàn bộ trong ROM bo mạch chủ, đến có những tình điều khiển thêm vào của ROM card tiếp hợp, đến thậm chí có nhiều trình điều khiển thêm vào sau khi được nạp vào RAM trong suốt quy trình khởi động. Ngày nay BIOS được cấu tạo bởi những chương trình được đặt ở ba vị trí vật lý khác nhau trong hệ thống, và nó có chức năng như một thực thể đơn bởi vỉ tất cả các chương trình này được kết nối với nhau qua thường trình con của BIOS gọi là những ngắt phần mềm hệ thống (system-of software interrupts). Hệ điều hành hay một chương trình ứng dụng cần thiết sẽ làm việc với một phần cứng cụ thể (cho ví dụ, đọc từ ổ đĩa CD-ROM) tạo thành một cuộc gọi đến một ngắt phần mềm cụ thể. Và sau đó bằng vector ngắt dẫn cuộc gọi tới phần cụ thể của BIOS (nghĩa là trình điều khiển cụ thể) cho chính thiết bị được gọi. Không thành vấn đề nếu trình điều khiển này nằm trên ROM bo mạch chủ, ROM card tiếp hợp. hay RAM. Miễn là trong phạm vi chịu ảnh hưởng của hệ thống, bộ nhớ là bộ nhớ. Và miễn là thường trình tồn tại một địa chỉ của bộ nhớ được biết, nó có thể được gọi. Sự kết hợp của ROM bo mạch chủ, BIOS card tiếp hợp và các trình điều khiển thiết bị được nạp từ dĩa vào RAM đóng góp cho BIOS như một tổng thể. Phần BIOS được chứa đựng trong những chip ROM trên bo mạch chủ và trên một vài card tiếp hợp, đôi khi được gọi là chương trình cơ sở (firmware), là tên đặt cho phần mềm được chứa trong các chip ROM hơn la trên đĩa. Hiên nhiên, sau khi bạn tắt hệ thống, những trình điều khiển trên ROM ổn định sẽ giữ nguyên vẹn, nhưng những cái trên ROM không ổn định sẽ bị xóa bỏ tức thời. Tuy nhiên đó không phải là vấn đề bởi vì lần sau hệ thống bật nguồn lại, đi qua quy trình khởi động và lần nữa lại nạp các trình điều khiển cần thiết từ đĩa.

Cùng với sự phát triển của máy tính cá nhân, càng nhiều phụ kiện và phần cứng mới thêm vào hệ thống. Điều này đồng nghĩa với càng nhiều trình điều khiển được nạp để hỗ trợ cho phần cứng mới. Việc thêm vào những trình điều khiển mới vào ROM bo mạch chủ thì khó khăn do các chip ROM bị khá cố định (khó thay đổi) và khoảng bộ nhớ bị giới hạn. Kiến trúc của máy tính cá nhân chỉ cho phép 128KB cho ROM bo mạch chủ, và phần lớn kiến trúc được sử dụng bởi các trình điều khiển hiện hữu, POST, chương trình BIOS Setup và tất nhiên có bộ nạp chương trình tự mồi (Bootstrap loader). Đặt những trình điều khiển trên các ROM card tiếp hợp cũng mắc tiền, và chỉ có 128KB được chỉ định cho tất cả ROM card tiếp hợp, không kể đến trên thực tế card video chiếm 32KB. Do đó. hầu hết các công ty phát triển phần cứng mới cho máy tính cá nhân chỉ đơn giản viết những trình điều khiển được thiết kế để nạp vào RAM trong suốt quy trình khởi động

Đón đọc phần 2!