计算机的 BIOS 程序是怎么开发出来的？

BIOS（Basic Input/Output System，基本输入输出系统）是计算机系统中一个重要的固件，它在系统启动时初始化硬件，并为操作系统和应用程序提供底层接口。开发 BIOS 是一项复杂且专业的工作，涉及到硬件编程、底层系统编程以及对计算机体系结构的深入理解。以下是关于 BIOS 开发的详细介绍，包括基本概念、开发流程和具体实例。

BIOS 的基本概念

BIOS 是嵌入在计算机主板上的固件，存储在 EEPROM 或 Flash 存储器中。它在计算机启动时首先执行，负责进行硬件初始化、自检（POST，Power-On Self-Test）以及引导操作系统。BIOS 还提供了一组低级别的 API，用于操作系统和应用程序访问硬件设备。

BIOS 开发的基本流程

硬件设计

开发 BIOS 的第一步是理解目标硬件平台的设计和架构。这包括 CPU、内存、总线系统、外围设备等。硬件设计文档通常由硬件工程师提供，详细描述了各个组件的功能和接口。

例子：假设我们要为一个基于 x86 架构的计算机开发 BIOS，首先需要了解 CPU 的指令集、内存映射、I/O 地址空间等。

编写引导代码

BIOS 开发的核心是编写引导代码，这段代码在计算机加电后首先执行。引导代码通常用汇编语言编写，因为它需要直接操作硬件寄存器和内存。

引导代码的主要任务包括：

1. 初始化 CPU 寄存器和内存控制器。
2. 设置堆栈指针。
3. 进行基本的硬件自检（POST）。
4. 初始化关键的硬件设备，如显示器、键盘、存储设备等。
5. 加载和执行引导加载程序（Boot Loader）。

进行硬件初始化

硬件初始化是 BIOS 开发中的重要步骤。在这一步，开发者需要编写代码来初始化系统的各个硬件组件。例如，初始化内存控制器以配置内存映射，设置 I/O 设备的中断向量，配置 PCI 设备等。

例子：在 x86 平台上，BIOS 通常需要初始化内存控制器（如 Intel 的 MCH 或 AMD 的 AGESA），以便系统能够正确访问内存。

自检（POST）

自检是 BIOS 的一个重要功能，用于在系统启动时检查硬件的完整性和功能。POST 过程中，BIOS 会检测 CPU、内存、显示器、键盘等设备的状态，并通过蜂鸣器或显示屏报告错误。

例子：如果内存检测失败，BIOS 可能会通过蜂鸣器发出特定的错误代码，提示用户内存模块有问题。

引导加载程序

引导加载程序是 BIOS 在完成硬件初始化和自检后执行的下一步任务。它负责加载操作系统的内核并将控制权交给操作系统。引导加载程序通常存储在硬盘的主引导记录（MBR）或 EFI 系统分区中。

例子：在传统的 BIOS 系统中，引导加载程序会读取硬盘的 MBR，并根据分区表信息加载操作系统内核。在 UEFI 系统中，引导加载程序通常存储在 EFI 系统分区，并由 EFI 引导管理器加载。

提供系统服务

BIOS 还提供了一组系统服务，供操作系统和应用程序调用。这些服务包括：

1. 中断服务例程（ISR）：例如，INT 10h 提供视频服务，INT 13h 提供磁盘服务。
2. 硬件抽象层（HAL）：屏蔽底层硬件差异，为操作系统提供统一接口。
3. 电源管理：支持 ACPI（高级配置与电源接口），提供电源管理功能。

例子：操作系统在启动时，可能会调用 BIOS 提供的 INT 13h 服务，读取引导分区的数据，以加载内核映像。

BIOS 开发实例

假设我们要为一个新的 x86 计算机系统开发 BIOS，以下是一个简化的开发过程示例。

设置开发环境

开发 BIOS 需要特定的硬件和软件工具。常用的开发工具包括：

1. 汇编语言编译器（如 NASM）。
2. C 语言编译器（如 GCC）。
3. 链接器和构建工具。
4. 硬件仿真器或调试器（如 QEMU）。
5. EEPROM 编程器，用于将 BIOS 固件写入硬件。

编写引导代码

; 简化的 x86 引导代码示例

org 0x7C00              ; BIOS 加载的内存地址
mov ax, 0x07C0
mov ds, ax
mov es, ax
mov ss, ax
mov sp, 0x7BFF

cli                     ; 禁用中断
cld                     ; 清除方向标志
sti                     ; 启用中断

; 显示 "Hello, BIOS!" 消息
mov si, msg
call print_string

jmp $

msg db 'Hello, BIOS!', 0

print_string:
    lodsb
    or al, al
    jz .done
    mov ah, 0x0E
    int 0x10
    jmp print_string
.done:
    ret

times 510-($-$$) db 0   ; 填充到 510 字节
dw 0xAA55               ; 引导扇区标记

这段代码是一个简单的引导代码示例，它在启动时显示“Hello, BIOS!”消息。

初始化硬件

初始化硬件需要了解具体硬件的寄存器和配置方法。例如，初始化内存控制器可能需要设置相关寄存器，以便正确配置内存映射。

// 简化的内存控制器初始化代码示例
#include <stdint.h>

#define MCH_BASE 0xFED14000

void init_memory_controller() {
    volatile uint32_t* mch = (volatile uint32_t*)MCH_BASE;
    mch[0] = 0x00000001; // 设置内存控制器寄存器
}

编写 POST 代码

POST 代码用于检测硬件设备的状态，并报告错误。

; 简化的 POST 代码示例

org 0x7C00

mov ax, 0x07C0
mov ds, ax
mov es, ax
mov ss, ax
mov sp, 0x7BFF

cli
cld
sti

; 内存检测示例
mov ax, 0x0000
mov es, ax
mov di, 0x0000
mov cx, 0xFFFF
rep stosw             ; 清除内存
; 检查是否成功写入
mov ax, 0x1234
mov es:[0x0000], ax
cmp es:[0x0000], ax
jne .memory_error

jmp $

.memory_error:
; 报告内存错误
mov si, mem_err_msg
call print_string
jmp $

mem_err_msg db 'Memory Error!', 0

print_string:
    lodsb
    or al, al
    jz .done
    mov ah, 0x0E
    int 0x10
    jmp print_string
.done:
    ret

times 510-($-$$) db 0
dw 0xAA55

这段代码检测内存是否正常工作，如果检测失败，显示“Memory Error!”消息。

编写引导加载程序

引导加载程序负责加载操作系统的内核，并将控制权交给操作系统。

; 简化的引导加载程序示例

org 0x7C00

mov ax, 0x07C0
mov ds, ax
mov es, ax
mov ss, ax
mov sp, 0x7BFF

cli
cld
sti

; 读取磁盘中的引导扇区
mov ah, 0x02
mov al, 0x01
mov ch, 0x00
mov cl, 0x02
mov dh, 0x00
mov dl, 0x80
mov bx, 0x8000
int 0x13

; 检查读取是否成功
jc .disk_error

; 跳转到加载的引导扇区代码
jmp 0x8000:0x0000

.disk_error:
; 报告磁盘错误
mov si, disk_err_msg
call print_string
jmp $

disk_err_msg db 'Disk Error!', 0

print_string:
    lodsb
    or al, al
    jz .done
    mov ah, 0x0E
    int 0x10
    jmp print_string
.done:
    ret

times 510-($-$$) db 0
dw 0xAA55

这段代码从磁盘读取引导扇区，并跳转到加载的代码执行。

测试和

调试

开发 BIOS 需要在实际硬件上进行测试，但在早期开发阶段，通常会使用硬件仿真器（如 QEMU）进行测试和调试。仿真器允许开发者在虚拟环境中运行和调试 BIOS 代码，快速发现和修复问题。

使用 QEMU 进行测试的示例如下：

qemu-system-x86_64 -bios bios.bin

这条命令将启动 QEMU，加载并运行编译好的 BIOS 镜像 bios.bin。

现代 BIOS 开发：UEFI

现代计算机系统逐渐采用 UEFI（Unified Extensible Firmware Interface）取代传统 BIOS。UEFI 提供了更丰富的功能和更高的灵活性，同时简化了开发过程。

UEFI 开发通常使用 C 语言和 EDK II（UEFI Development Kit II）工具包。以下是一个简单的 UEFI 程序示例：

#include <Uefi.h>
#include <Library/UefiLib.h>
#include <Library/UefiBootServicesTableLib.h>

EFI_STATUS
EFIAPI
UefiMain (
    IN EFI_HANDLE        ImageHandle,
    IN EFI_SYSTEM_TABLE  *SystemTable
    )
{
    Print(L"Hello, UEFI!\n");
    return EFI_SUCCESS;
}

编译和运行这个程序，将在 UEFI 环境中显示 Hello, UEFI! 消息。

结论

BIOS 的开发是一项复杂且高度专业的工作，需要深入理解计算机硬件和底层系统编程。通过详细介绍 BIOS 的基本概念、开发流程和具体实例，可以看到 BIOS 开发涉及硬件初始化、自检、引导加载以及提供系统服务等多个方面。现代 BIOS 开发逐渐向 UEFI 过渡，提供了更强大的功能和更高的灵活性，简化了开发过程。希望这些详细的介绍和实例能够帮助更好地理解和应用 BIOS 开发技术。