BIOS

BIOS (от англ. Basic Input/Output System — базовая система ввода-вывода) — это микропрограмма, хранящаяся в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) материнской платы компьютера, которая обеспечивает начальную загрузку и тестирование аппаратного обеспечения (процессора, оперативной памяти, накопителей, контроллеров), а также предоставляет низкоуровневый интерфейс для взаимодействия операционной системы с оборудованием. BIOS является первой программой, выполняемой при включении питания компьютера, и выполняет функции инициализации и конфигурирования аппаратных компонентов до передачи управления загрузчику операционной системы.

История развития

Предшественники и появление

До появления BIOS загрузка компьютеров требовала ручного ввода начального кода через переключатели на передней панели (например, на Altair 8800) или использования перфолент. В 1975 году компания IBM выпустила компьютер IBM 5100, в котором использовалась простая микропрограмма, но стандартизация BIOS началась с IBM PC в 1981 году. Разработчики IBM под руководством Дэвида Брэдли создали BIOS для IBM PC, который включал функции самотестирования (POST) и базовые драйверы для дискет, клавиатуры и дисплея. Этот BIOS был записан в ПЗУ на материнской плате и стал эталоном для совместимых компьютеров.

Эра Award, Phoenix и AMI

В 1980-х и 1990-х годах рынок BIOS контролировали три основные компании: Award Software (позже часть Phoenix Technologies), American Megatrends Inc. (AMI) и Phoenix Technologies. Award BIOS (позже Award Modular BIOS) был широко распространён в материнских платах для процессоров Intel и AMD, отличался простотой настройки и поддержкой большого числа аппаратных конфигураций. AMI BIOS (American Megatrends Inc.) использовался в серверных решениях и некоторых потребительских материнских платах, а Phoenix BIOS — в ноутбуках и корпоративных системах. Каждый производитель выпускал свои версии с уникальным интерфейсом настройки (Setup Utility), но все они следовали спецификациям IBM PC.

Переход к UEFI

К середине 2000-х годов традиционный BIOS столкнулся с ограничениями: 16-битный режим работы, адресация дисков до 2,2 ТБ (из-за MBR) и медленная загрузка. В 2005 году Intel, Microsoft и другие компании разработали спецификацию UEFI (Unified Extensible Firmware Interface), которая постепенно заменила BIOS в большинстве компьютеров, начиная с 2010-х годов. Однако термин «BIOS» часто используется как общее название для прошивки материнской платы, включая UEFI, из-за исторической преемственности. В современных системах UEFI эмулирует режим совместимости с BIOS (CSM — Compatibility Support Module) для загрузки старых операционных систем.

Функции и задачи

POST (Power-On Self-Test)

При включении питания BIOS выполняет самотестирование (POST), проверяя работоспособность ключевых компонентов: процессора, оперативной памяти, видеокарты, накопителей и контроллеров ввода-вывода. Если обнаруживается критическая ошибка (например, отсутствие оперативной памяти или неисправность видеокарты), BIOS генерирует звуковые сигналы (коды ошибок POST) или выводит сообщение на экран. Успешное завершение POST обычно сопровождается одним коротким звуковым сигналом.

Инициализация оборудования

BIOS настраивает параметры работы аппаратных компонентов: тактовую частоту процессора, тайминги оперативной памяти, режимы работы шин (PCI, SATA, USB), порядок загрузки устройств. Эти настройки хранятся в энергонезависимой памяти CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor), питаемой от батарейки на материнской плате. Пользователь может изменять их через интерфейс BIOS Setup (обычно вызывается нажатием клавиш Del, F2, F10 или Esc при загрузке).

Загрузка операционной системы

После POST и инициализации BIOS ищет загрузочное устройство (жёсткий диск, SSD, DVD-привод, USB-накопитель) в порядке, заданном пользователем. На найденном устройстве BIOS считывает первый сектор (главную загрузочную запись, MBR) и передаёт управление загрузчику операционной системы (например, GRUB, NTLDR, bootmgr). В случае UEFI загрузка происходит через EFI-системный раздел (ESP) с использованием загрузчика, совместимого с протоколом UEFI.

Низкоуровневый интерфейс

BIOS предоставляет операционной системе набор прерываний (int 10h для видео, int 13h для дисков, int 16h для клавиатуры), которые позволяют работать с оборудованием без прямого доступа к регистрам устройств. В современных ОС (Windows, Linux) эти функции используются только на этапе начальной загрузки; после загрузки драйверов ОС берёт управление оборудованием на себя.

Структура и хранение

ПЗУ и CMOS

BIOS хранится в микросхеме ПЗУ (ROM, EPROM, EEPROM или Flash-память) на материнской плате. В современных компьютерах используется Flash-память, которую можно перепрограммировать (перепрошить) для обновления BIOS. Параметры конфигурации (дата, время, порядок загрузки, настройки оборудования) хранятся в отдельной микросхеме CMOS, питаемой от батарейки (обычно CR2032). При разряде батарейки настройки сбрасываются на заводские значения.

Размер и версии

Традиционный BIOS занимает от 64 КБ до 1 МБ памяти (адресное пространство F0000h–FFFFFh). Версии BIOS различаются по производителю материнской платы и модели; обновления (прошивки) выпускаются для исправления ошибок, поддержки новых процессоров и улучшения совместимости. Процесс обновления называется «перепрошивка BIOS» и требует осторожности, так как сбой может привести к неработоспособности материнской платы.

Интерфейс настройки

BIOS Setup Utility

Пользовательский интерфейс BIOS Setup представляет собой текстовое меню, управляемое клавиатурой (стрелки, Enter, Esc, F10 для сохранения). Основные разделы:

• Main — дата, время, информация о процессоре и оперативной памяти.
• Advanced — настройки процессора (разгон, напряжение), контроллеров SATA, USB, встроенной звуковой карты.
• Boot — порядок загрузки устройств (Boot Priority), включение/отключение быстрой загрузки (Fast Boot).
• Security — установка пароля на вход в BIOS или загрузку системы.
• Exit — сохранение изменений, выход без сохранения, загрузка стандартных настроек.

Разгон и тонкая настройка

В BIOS для энтузиастов (например, на материнских платах ASUS ROG, MSI MEG, Gigabyte AORUS) доступны расширенные опции разгона: изменение множителя процессора, напряжения ядра (Vcore), частоты и таймингов оперативной памяти, настройки шины BCLK. Эти функции позволяют повысить производительность, но требуют знаний и могут привести к нестабильности или повреждению оборудования при неправильной настройке.

Недостатки и ограничения

16-битный режим

Традиционный BIOS работает в реальном режиме процессора (16-бит), что ограничивает адресацию памяти первыми 1 МБ (из которых доступно около 640 КБ для пользовательских программ). Это наследие архитектуры IBM PC, которое снижает производительность и усложняет поддержку современных устройств.

Ограничение размера дисков

BIOS использует главную загрузочную запись (MBR), которая поддерживает диски объёмом до 2,2 ТБ (при размере сектора 512 байт). Для дисков большего объёма требуется использование GPT (GUID Partition Table), что возможно только в UEFI или через эмуляцию CSM.

Медленная загрузка

Процесс POST и инициализации оборудования в BIOS может занимать несколько секунд, особенно на системах с большим количеством устройств. UEFI с быстрой загрузкой (Fast Boot) сокращает это время до долей секунды.

Отсутствие графического интерфейса

Текстовый интерфейс BIOS Setup неудобен для настройки сложных параметров и не поддерживает мышь. UEFI предлагает графические меню с поддержкой мыши, локализацией и возможностью обновления через интернет.

Современное состояние

Замена на UEFI

Начиная с 2011 года (выход Windows 8), большинство производителей материнских плат перешли на UEFI. UEFI поддерживает 32- и 64-битный режимы, адресацию дисков до 9,4 ЗБ (через GPT), графический интерфейс, сетевую загрузку (PXE), безопасную загрузку (Secure Boot) и модульную архитектуру (возможность добавления драйверов и приложений). Несмотря на это, термин «BIOS» продолжает использоваться в обиходе для обозначения прошивки материнской платы.

Эмуляция BIOS (CSM)

В UEFI предусмотрен режим совместимости (CSM — Compatibility Support Module), который эмулирует традиционный BIOS для загрузки операционных систем, не поддерживающих UEFI (например, Windows 7, старые версии Linux). Однако многие современные системы (начиная с Windows 11) требуют отключения CSM и включения Secure Boot.

Безопасность

BIOS и UEFI являются потенциальными целями для атак, так как вредоносное ПО может внедриться в прошивку (например, bootkit). Производители внедряют защиту: Secure Boot (проверка цифровой подписи загрузчика), Intel Boot Guard, AMD Platform Security Processor (PSP). Обновления прошивки (BIOS/UEFI) должны загружаться только с официальных сайтов производителей материнских плат.

Интересные факты

• Первый IBM PC BIOS был написан на ассемблере и занимал 8 КБ ПЗУ.
• Некоторые производители (например, Dell, HP) используют собственные, сильно модифицированные версии BIOS, несовместимые со стандартными настройками.
• В 1990-х годах существовали «пиратские» версии BIOS, которые позволяли разгонять процессоры без поддержки производителя.
• Батарейка CMOS (CR2032) обычно служит 3–5 лет; её замена не требует перепрошивки BIOS, но сбрасывает настройки.
• В серверных системах (например, Supermicro) BIOS может поддерживать удалённое управление через IPMI (Intelligent Platform Management Interface).

Источники

• IBM PC Technical Reference Manual (1981)
• Intel Platform Innovation Framework for EFI Specification (2005)
• UEFI Specification, версия 2.10 (2023)
• Материалы сайтов производителей материнских плат: ASUS, MSI, Gigabyte, ASRock
• «BIOS Disassembly Ninjutsu Uncovered» — Darmawan Salihun (2006)
• Статьи на ресурсах Tom's Hardware, AnandTech, Overclockers.ru