Что такое BIOS. Определение и состав

Введение.

В данной курсовой работе я освещаю для теоретической части тему «Базовая система ввода/вывода». Я с удовольствием и при всем желании постараюсь полностью раскрыть данную мне тему. При этом я построюсь максимально подробно, внятно, понятно, расширенно и полноценно разъяснить ее. 

История появления BIOS

В конце семидесятых годов двадцатого века некоторые компании и даже частные предприниматели начали изготовлять и распространять «домашние компьютеры». Однако, на тот момент никто не мог предсказать и даже представить, чем станут в будущем распространяющиеся «Домашние компьютеры» или как их сейчас называют «Персональные компьютеры». Однако компания IBM, связи с быстрым ростом спроса и ничтожным ростом предложения, увидела в персональных компьютерах потенциал для небольшого бизнеса и в 1981 году компания IBM выпустила свой персональный компьютер IBM-PC. Им нужна была своя собственная система для подключения всех частей компьютера и работы с ними, и они создали базовую систему ввода\вывода и назвали её BIOS. И тут и начинается история BIOS, однако это еще не всё. Хотя IBM и хотели, чтобы другие производители создавали подключаемые платы для IBM-PC, они хотели по-прежнему оставаться единственными изготовителями PC. Поэтому они выложили в открытый доступ исходный код BIOS. Это означало, что любой человек с достаточным количеством знаний мог создать устройство, которое можно или даже должно быть присоединено к компьютеру. Таким устройством может быть, например, мышь. Однако лицензия BIOS запрещает имитацию или дублирования её. Это был очень хитрый ход – с одной стороны они теперь не обязаны создавать специальные дополнительные устройства для своих персональных компьютеров. Вместо них это делали другие предприниматели и компании. А конкурентов появиться не могло, ведь на тот момент конкурентоспособных аналогов IBM-PC и тем более BIOS не существовало, а благодаря этой лицензии появление конкурента для последнего, в обозримом на тот, бедующем не могло и появиться. 

Что такое BIOS. Определение и состав.

Начнем с определения того, что сам по себе BIОS. На английском языке BIОS можно расшифровать как - «Bаsic Input/Оutput System», что переводя на наш родной русский язык значит - «базовая система ввода / вывода». BIОS - это уникальная и необходимая система для персональных компьютеров, служащая для первоначального запуска персонального компьютера, настройки оборудования и обеспечения функций ввода/ вывода. Программа настройки базовой системы ввода / вывода может называться «BIОS Setup Utilitу» или «CМОS Setup Utilitу», к счастью имеется сокращение данной системы, например, BIOS Setup или, очень часто встречающиеся в персональных компьютерах, просто Setup. Большинство пользователей персонального компьютера, отказываясь признавать и не понимая свою не правоту, называют эту систему просто BIOS, но это в большинстве своем это не правильно и неточно, так как Bios Setup - это одна из составляющих самой системы BIОS, пускай важная, но все же составляющая. BIOS встречается в основном на всех персональных компьютерах, однако, зачастую пользователи не знают о нем и не понимают за чем он нужен, даже не осознавая, что это колоссально необходимая вещь для любого персонального компьютера, связи с тем, что именно BIOS производит настройку компьютера, что соответственно необходимо для работы компьютера. Так же сам интерфейс BIOS разнообразен, так как все зависит от фирмы, которая произвела, разработала и выпустила использующуюся в этой персональной электронно-вычислительной машине материнскую плату. Явным примером может быть, то что большинство интерфейсов BIOS у персональных компьютеров представляет из себя консоль, с функцией выделения настроек, а более современные и сильные компьютеры имеют и графический интерфейс с поддержкой координатного ввода/вывода устройства служащее для управления курсором, далее именуемым как «мышь», и возможность пользователем самостоятельно настроить, ту часть настроек, которая сильно не повлияет на функциональность компьютера. Такими настройками могут быть представлены: режимом работы кулера, разнообразной опции процессора и так далее. Список настраиваемых пользователем данного персональное компьютера может продолжатся бесконечно, ведь все зависит от функционала компьютера, его комплектующих и степени доверия разработчиков и фирм производителей данной персональной электронно-вычислительной машины. Однако не смотря на все разнообразие настроек варьирующиеся своим количеством и функционалом от каждого персональному компьютеру к каждому, главные настройки всегда схожи. Таким образом пользователь может настроить для себя скорость работы кулера, что сказывает на громкость работы компьютера, или поменять выбранную встроенную видео карту, на дополнительную видеокарту, если она имеется в персональном компьютере.

Невозможно не сказать, что физически, служащая для первоначального запуска персонального компьютера, настройки оборудования и обеспечения функций ввода/ вывода, системная BIOS 	по сути является микросхемой или укомплектованием микросхем для постоянной памяти устройства, так называемой ПЗУ или ROM, что расшифруется на английском языке как «Read Only Memory» и переводится аналогично ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) расположенную на важнейшем компоненте персонального компьютера - материнской плате. Поэтому такую микросхему обычно называют ROM BIOS, но еще чаще исключительно ROM, а саму программу системной BIOS – BIOS материнской платы. ROM BIOS – это вмонтированная в панель, важнейшей части персональной электронно-вычислительной машины - материнской платы микросхема с 28 или 32 контактами; она обеспеченна голографической наклейкой и надписью-логотипом фирмы производителя данной BIOS, например, «AMI», которая основанная в 1985 году и являющаяся лидером среди фирм производителей, чьё название расшифровывается на английском языке как «American Megatrends, Inc.», AWARD Software и FirmWorks. Так же в большинстве случаев можно наблюдать, что микросхемы интегрированы прямо вместе с самой системной платой. При всем выше перечисленном не мало важно упомянуть о довольно важной особенности в понятии постоянной памяти устройства: микросхемы ROM BIOS могут иметь разнообразный размер памяти, однако в большинстве случает в нашей жизни мы можем наблюдать лишь то, что размер данной памяти в старых персональных компьютерах составляет может составлять 64 Кб, а в большинстве современных персональных компьютерах встречаются ПЗУ, память которых может быть от 2 Гб и более.

Стоит заметить, что также рядом с микросхемой ROM BIOS находится еще либо никель-кадмиевый аккумулятор, либо литиевый элемент, которые питают микросхему CMOS, чье неприметное название является сокращением и расшифровывается как «Complementary Metal-Oxide-Semiconductor» и переводится с английского языка как: «комплементарный метало-оксидный полупроводник», и постоянно подзаряжаемый во время функционирования персонального компьютера. Данные питающие элементы инициализируются для того, чтобы сохранять информацию в микросхемах постоянной памяти устройства после остановки подачи питания для персонального компьютера. Связи с данным фактом, многие зачастую могут называть микросхему постоянную память устройства «энергонезависимыми», но это не совсем верно, правильно и корректно, ведь микросхемы постоянной памяти устройства персонального компьютера, так или иначе, сами по себе нуждаются в автономном электропитании, а, следовательно, из этого память таких микросхем следовало бы и более верно и точно было бы называть памятью с автономным питанием.

Базовая система ввода\вывода которая хранится в постоянной памяти устройства персональной электронно-вычислительной машины предназначена для выполнения основных аппаратных функций с учетом особенностей аппаратной части конкретной персональной электронно-вычислительной машины. Она подключает другие встроенные устройства, загружает для них драйвера и установленную на персональный компьютер операционную систему. Этим как раз и обеспечивается независимость операционной системы и прикладных программ от индивидуальных особенностей каждой персональной электронно-вычислительной машины, на которой они функционируют.

Базовая система ввода\вывода, помимо всего остального, что было выше перечислено, так же включает в себя программную поддержку, находящуюся в нем для функционирования и использования базовых ресурсов персональной электронно-вычислительной машины, а также для диагностики аппаратных средств, а также их настройки и вызов загрузчика операционной системы, например, такие как Mac, Unix или же Windows. Обычно базовая система ввода\вывода привязана исключительно к определенному типу соответствующей ей системной платы, или, как ее чаще всего называют пользователи персонального компьютера, материнской платы, на которой базовая система ввода\вывода и функционирует.

В наше время базовую систему ввода\вывода зачастую хранят во Flash памяти, дарующей разработчикам различных систем и приложений и персональным компьютерам возможность перезаписи своего содержимого. Это позволяет обновлять версии базовой системы ввода\вывода, но другой стороной монеты можно назвать возможность ПК из рабочего состояния из-за порчи базовой системы ввода\вывода при неправильной его перезаписи или под воздействием вирусных программ.

Для обновления базовой системы ввода\вывода новые версии и обновления лучше всего брать их у изготовителей материнской платы или с веб-сайтов, на которых хранятся такие версии. Потому что каждый производитель персонализирует каждый BIOS для своей «Родной» материнской платы, что делает фактически невозможной установкой другой базовой системы ввода/вывода на материнскую плату компьютера. Собственно говоря, производители базовой системы ввода\вывода, представленные выше перечисленными фирмами, под конкретные платы их не настраивают: Этой настройкой, или как её еще называют «доработкой», базовых версий базовой системы ввода\вывода и занимаются изготовители материнских плат.

Функции базовой системы ввода\вывода делятся на следующие группы:

Установка и тестирование аппаратных средств по включении питания сокращенно с английского языка как POST

Настройка аппаратных средств и системных ресурсов – BIOS Setup

Загрузка операционной системы – Bootstrap Loader

Обслуживание аппаратных прерываний от системных устройств – BIOS Hardware Interrupts

Отладка базовых функций программных обращений к системным устройствам –BIOS Services

Данные функции выполняются благодаря системному модулю System BIOS, находящийся в микросхеме постоянной памяти устройства или же во флэш-памяти, установленной на материнской плате.

Система CMOS (энергозависимая память CМОS). Специфика этой памяти состоит в том, что она питается не только от самого персонального компьютера, но и от специального источника питания, независимо включения или выключения основной источник питания, как было уже упомянуто выше. В ней хранятся данные о гибких и жёстких дисках, процессоре, а также показания системных часов.

POST, что переводится с английского как Power On Self Test — это самотестирование после включения персональной электронно-вычислительных машины. Проверка аппаратного обеспечения персональной электронно-вычислительной машины, выполняемая при включении. Выполняется программой базовой системы ввода\вывода материнской платы. Тест включает в себя:

Тестирование целостности программы базовой системы ввода\вывода. На этом этапе проверяются есть ли комплектующие аппаратные и машинные устройства и какие, а также тестируется их работа способность.

Поиск и установка основных системных шин и устройств и выполнение программ, заложенных в устройствах и обеспечивающих их возможность самостоятельной установки.

Определение размера оперативной памяти и тестирования первых шестидесяти четырёх килобайт.

Полный регламент работы POST:

Проверка регистров процессора, являющиеся блоками ячеек памяти, образующие сверхоперативную память процессора;

Проверка контрольной суммы ПЗУ. Для данного этапа в «прошивке» хранится контрольная сумма (КС), которая выходит из сложения всех байт прошивки. В прошивке КС хранится вместе с собственным «зеркалом», то есть с байтами, при суммировании с которыми итоговая сумма будет равна нулю. Данный факт не обходим для того чтобы значение контрольной суммы не могло повлиять на результат исчисления КС программой электронного блока управления. Электронный блок управления при включении персонального компьютера рассчитывает значение КС и сравнивает результат с результатом, находящимся в прошивке. Если данные не совпадают, то высвечивается «Ошибка Персонального Запоминающего Устройства» и включается лампа индикации ошибок «Check Engine». В современном ПО используется двойная проверка контрольной суммы персонального запоминающего устройства. Вместе с выше упомянутым алгоритмом используется еще и алгоритм, который не связан с маской ошибок, работающий перорально с основным. Теоретически возможно синхронное применение неограниченного количества как полноценных проверок содержимого постоянной памяти, так и частичных.

Проверка порта звуковой сигнализации 8255 и системного таймера;

Тест контроллера непосредственного доступа к памяти (DMA);

Тест регенератора оперативной памяти;

Тест нижней области оперативной памяти для проецирования резидентных программ в базовой системе ввода-вывода персональных электронно-вычислительных машин;

Загрузка резидентных программ;

Тест стандартного графического адаптера (VGA);

Тест оперативного запоминающего устройства или как его еще называют «оперативной памяти»;

Тест основных устройств ввода, которые не являются манипуляторами. Например, мышь, тачпад или клавиатура;

Тест CMOS

Тест основных портов LPT и портов COM;

Тест накопителей на гибкие магнитные диски;

Тест накопителей на жесткие магнитные диски или как их еще называют «Винчестеры»;

Самодиагностика функциональных подсистем базовой системы ввода-вывода персональных электронно-вычислительных машин;

Передача управления загрузчику BOOTStrap, так же называемому «Начальный загрузчик», который обнаруживает устройства, соответствующие для загрузки, и загружает их со специализированного раздела выбранного устройства. Говоря простым языком просто на просто начинается загрузка операционной системы.

У большей части персональных электронно-вычислительных машин, при условии успешного тестирования системный динамик издаёт один короткий звуковой сигнал (beep), а при наличии ошибки — разнообразные последовательности звуковых сигналов, благодаря которым можно определить причины сбоя. Так же стоит упомянуть, что генерируется код ошибки, который можно узнать с помощью POST Card— платы, которая вставляется в слот расширения и отображает код на установленном на ней индикаторе. О том какой конкретный звуковой сигнал означает какой код POST и о причине ошибки можно узнать из документации по базовой системе ввода/вывода персональной электронно-вычислительной машины, а также из документации по системной плате.

Понятие о многозадачности.

Многозадачность, что на английском называется multitasking, это свойство ОС или среды программного обеспечения, которое обеспечивает возможность параллельной, или же псевдопараллельной, работы нескольких процессов. Настоящая многозадачность операционной системы возможна исключительно в распределённых вычислительных системах. 

Многозадачная среда имеет следующие свойства:

Примитивные многозадачные среды имеют возможность обеспечивать чистое «разделение ресурсов», когда за каждой определенной задачей закрепляется индивидуальный участок в памяти, и задача активизируется в строго определённые интервалы времени.

В более развитых многозадачных системах проводят распределение ресурсов динамически, когда задача появляется в памяти или покидает память в зависимости от её приоритета и от стратегии системы. Такая многозадачная среда обладает следующими особенностями:

Любая задача имеет свой приоритет, в зависимости от которого она получает процессорное время и память

Система организует очереди так, чтобы все задачи получили ресурсы, в зависимости от приоритетов и стратегии системы, организует обработку прерываний, по которым задачи могут активироваться, деактивироваться и удаляться

По завершению положенного кванта времени ядро временно переносит задачу из состояния выполнения в состояние готовности, отдавая приоритет ресурсов другим задачам. При недостатке памяти на странице не выполняющихся задач могут быть вытеснены на диск, а после этого, через определённое системой время, восстанавливаться в памяти.

Основной сложностью реализации многозадачной среды заключается в её надёжности, которая выражается в защите памяти, обработке сбоев и прерываний, предохранении от зависаний и тупиковых ситуаций.

Кроме надёжности, многозадачная среда должна быть эффективной, что означает, то, что затраты ресурсов среды на её поддержание не должны: мешать проходить процессам, замедлять работу процессов и резко ограничивать память.

Типы псевдопараллельной многозадачности:

Не вытесняющая многозадачность

Тип многозадачности, в котором операционная система одновременно загружает в память не менее двух приложений, но процессорное время предоставляется исключительно основному приложению. Для выполнения фонового приложения оно должно быть активным.

Кооперативная или совместная многозадачность

Тип многозадачности, при котором следующая задача выполняется исключительно после завершения и объявлении о готовности текущей задачи отдать процессорное время другим задачам. Как частный случай, можно легко понять, что попытка захвата уже занятого объекта mutex, уже подразумевает такое объявление, а также при ожидании поступления следующего сообщения из подсистемы пользовательского интерфейса, чему было место в Windows версий до 3.x включительно, а также 16-битные приложения в Windows 95/98/Me.

Вытесняющая или приоритетная многозадачность, так же называемая режимом реального времени.

Разновидность многозадачности, при котором операционная система сама предоставляет управление от одной выполняемой программы другой, если произойдет завершение операций ввода-вывода, возникновения событий в аппаратуре персональной электронно-вычислительной машины, истечений таймеров и времени, или же поступлений тех или иных сигналов от одной программы к другой. В этом типе многозадачности процессор может быть переключен с исполнения исполняемой программы на исполнение другой без всякого пожелания первой программы и буквально между абсолютно любыми двумя инструкциями в ее коде. Распределение процессорного времени осуществляется планировщиком процессов. К тому же для каждой задачи может быть назначен пользователем или самой ОС определенный приоритет, благодаря чему обеспечивается гибкое управление распределением процессорного времени между задачами. Например, можно уменьшить приоритет задачи, требующей много ресурсов, программы, но уменьшив тем самым скорость ее работы, зато увеличив производительность фоновых процессов. Этот вид многозадачности обеспечивает более быстрый отклик на действие пользователя персонального компьютера.

Проблемные ситуации в многозадачных системах:

Голодание

Гонка

Инверсия приоритета

Рассмотрим подробнее каждую ситуацию.

Голодание – это задержка времени от пробуждения потока до его вызова на процессор, во время которой он находится в списке потоков, готовых к исполнению. Оно возникает по причине присутствия потоков с большими или равными приоритетами, которые исполняются все это время. Негативным эффектом является то, что возникает задержка времени от пробуждения потока до исполнения им следующей операции, что создает задержку для исполнения этой операции, а следом за ней работу других компонентов. Голодание создает узкое место в системе, а также не даёт выжать системы максимальную производительность, ограничиваемую исключительно аппаратнообусловленными узкими местами.

Гонка, что на английском языке звучит как «race condition» - это определенный порядок исполнения двух путей кода, работающих с абсолютно одними и теми же данными и исполняемыми в двух разных нитях, что приводит к зависимости порядка и правильности исполнения от случайных факторов.

Инверсия приоритета – это смена приоритета в многозадачных системах. Предположим, что поток L имеет низкий приоритет, поток M — средний, поток H — высокий. Поток L захватывает mutex, и, во время выполнения с удержанием mutex’а, преемптивно прерывается потоком M, который пробудился по некой причине, и имеет более высокий приоритет, чем поток H пытается захватить mutex. В данной ситуации поток H ожидает завершения текущей работы потоком M, так как пока поток M исполняется, низкоприоритетный поток L не получает управления и не может освободить mutex.




Литература:

http://www.chiptuner.ru/faq.php?id=21

https://studfiles.net/preview/1555487/page:4/

https://studopedia.ru

https://biograf.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/60053#.D0.93.D0.BE.D0.BB.D0.BE.D0.B4.D0.B0.D0.BD.D0.B8.D0.B5_.28starvation.29.......................