January 24, 2026

Note | BIOS Introduction

BIOS 全名為 (Basic Input/Output System)，負責在電腦開機時初始化硬體並呼叫 Bootloader 來載入作業系統。

PC 電源按下去難道 OS 會自己飛進 DRAM 自己啟動嗎？當然不會，這時間點 DRAM 還沒初始化也無法使用，這時候就需要 BIOS 做最初的初始化工作。

1. PC Architecture Overview

通常 Computer Introduction 或者 Computer Architecture 會把這部分講的很詳細， 這裡還是整理一下簡單複習，算盤本通常會更加強調硬體架構與運作原理。

在開始介紹 BIOS 之前我們應該要先清楚現代電腦的基本架構，以下是一個簡化的 Notebook / Desktop 架構圖：

這張圖蠻難得把 BIOS 跟南北橋都畫出來的，現代架構通常會把北橋整合進 CPU 裡面，或不畫出 Flash ROM。

CPU Level

  1. CPU (Central Processing Unit)：負責執行程式指令與處理資料，是電腦的核心運算單元。
  2. Register：CPU 內部的高速儲存單元，用於暫存指令與資料。
  3. Cache：位於 CPU 與主記憶體之間的高速緩存，用於加速資料存取。
    • L1、L2、L3 Cache：即使是 Cache 也有分層，L1 最快但容量最小，L3 最慢但容量最大。

Memory Hierarchy

  1. 主記憶體 (RAM)：用於暫存正在執行的程式與資料，速度較快但斷電後資料會消失。
  2. 次級儲存裝置 (SSD/HDD)：用於長期儲存資料，速度較慢但容量較大且斷電後資料不會消失。
  3. ROM / Flash Memory：用於儲存韌體 (Firmware)，如 BIOS，資料在斷電後仍然保留。
    • ROM 就真的是 Read-Only Memory，無法寫入資料。
    • 但 BIOS 通常會使用 Flash Memory，可以透過韌體更新來修改 BIOS 內容。

Bus Architecture / Chipset

  1. 數據匯流排 (Data Bus)：用於傳輸資料的通道，連接 CPU、記憶體與周邊裝置。
  2. 地址匯流排 (Address Bus)：用於傳輸記憶體地址的通道，CPU 使用地址匯流排來定位記憶體位置。
  3. 控制匯流排 (Control Bus)：用於傳輸控制訊號的通道，協調各個元件之間的操作。

Chipset

  1. 北橋 (Northbridge)：負責連接 CPU、記憶體與高速周邊裝置，如顯示卡。
  2. 南橋 (Southbridge)：負責連接較慢的周邊裝置，如硬碟、USB 裝置與音效卡。

現代架構通常把 北橋整合進 CPU 裡面，這很合理因為北橋控制的基本上就是 CPU 相關的高速周邊元件， 而南橋則通常較複雜，會負責更多週邊裝置的管理。

Bus 定義了系統中資料、位址與控制訊號的傳輸規範與通道，而 Chipset 則是實體硬體，負責解碼、仲裁並實作這些 Bus 間的連接與轉換。

I/O Devices

剩餘的就是各種周邊 I/O 裝置 (Input/Output Devices)，像是鍵盤、滑鼠、顯示器、網路卡、音效卡等等。

2. BIOS Overview

BIOS (Basic Input/Output System)

現代 PC 通常運行在 OS 環境下執行程式，OS 同時也是一個程式，在 Von Neumann 架構下， 程式必須先被載入到記憶體中才能執行，在 OS 載入之前，PC 就是一個沒有作業系統的硬體平台， 此時運行的第一個程式就是 BIOS。

因此 BIOS 需要在開機後尚未載入 OS 之前，完成硬體初始化與檢測，其包含以下主要功能：

  1. 硬體初始化 (Hardware Initialization)：
    BIOS 在電腦開機時會初始化 CPU、記憶體、顯示卡等硬體元件，確保它們能正常運作。
  2. 自檢程序 (Power-On Self Test, POST)：
    BIOS 會執行一系列的自檢程序，檢查硬體是否正常運作，若有問題會發出錯誤訊號或顯示錯誤訊息。
  3. 引導程序 (Bootloader)：
    BIOS 會尋找並載入作業系統的引導程式，通常是從硬碟、SSD 或其他可引導裝置中尋找，並將控制權交給作業系統。
  4. 硬體設定 (Hardware Configuration)：
    BIOS 提供一個介面讓使用者可以設定硬體參數，如系統時間、啟動順序等。
  5. 提供基本 I/O 服務 (Basic I/O Services)：
    BIOS 提供一組基本的輸入/輸出服務，這樣在 OS 載入之前，程式仍然可以透過 BIOS 來存取硬體資源。

BIOS/UEFI 的主要任務是在系統開機時初始化硬體、建立啟動環境，並將控制權交給 bootloader，由 bootloader 載入並啟動作業系統。

BIOS 的執行階段是沒有 DRAM 可以使用的，此時 PC 上的唯一可用記憶體是 CPU 內部的 Register 與 Cache， 指令與資料都必須從 Flash ROM 中讀取，因此 BIOS 程式碼通常會被設計得非常精簡，以確保能在有限的資源下順利執行。

這與我們所認知的 C 執行環境有很大差異，因此幾乎沒有或者非常少的 Stack 可以使用，不使用 Heap， 這階段叫做 Cache-as-RAM (CAR)，BIOS 會把 CPU Cache 當作暫時的記憶體來使用。

直到 BIOS 初始化完畢並啟動 DRAM 後，才會切換到正常的記憶體環境，此時才會有完整的 Stack 與 Heap 可用。

這裡會依照 BIOS 的實作不同而有所差異，但大致上都是這樣的流程。

BIOS 作為 PC 架構中的關鍵韌體，扮演著硬體與作業系統之間的橋樑。在 PC 開機的最初階段， BIOS 必須在極度受限的環境下完成硬體初始化與自檢程序，為作業系統的載入建立起必要的執行環境。

這樣就大致說明了 BIOS 的基本概念與功能，接下來有興趣再進一步探討 BIOS 的工作流程與技術細節。

3. UEFI Stages Overview

UEFI (Unified Extensible Firmware Interface) 是較於 Legacy BIOS 更加現代化的韌體介面。

Reference: UEFI Specification

Leagcy BIOS 的執行環境都是在 16-bit 下運行，因此即使 CPU 支援 64-bit 還是必須額外實作 16-bit 的執行環境來支援 BIOS， 因此廠商開始想改變這個狀況。16-bit 的 Memory Addressing 極限就是 1MB，這就大大限制了 BIOS 可以做的事情。 並且對開發者來說 Legacy BIOS 的開發多以 Assembly 為主，開發難度較高且不易維護。

當然 UEFI 作為現代化的韌體介面，當然要劃分多個 Phase 來處理不同的任務，以下是 UEFI 的主要階段：

SEC (Security Phase)：

  • 主要功能:
    • UEFI 的第一個階段，在 Power 或者 Reset 後執行
    • 這個階段的主要任務驗證 Firmware 的完整性與安全性，確保韌體未被篡改
    • 建立最小的執行環境，初始化 CPU 基本狀態
    • 傳遞控制權到下一個階段 PEI
  • 執行環境:
    • 在這個階段必須建立一塊臨時的記憶體區域 (Temporary RAM)
      • 通常使用 CAR (Cache-as-RAM) 或者 SRAM
    • 此時的執行代碼位於 ROM 中，並且只能使用非常有限的資源
    • CPU 從 Reset Vector (0xFFFFFFF0) 開始執行，這是 CPU 啟動後的預設位置

SEC 階段最初是用 Assembly 編寫的，CPU 在剛啟用時只能運行 Real Mode

PEI (Pre-EFI Initialization Phase)：

  • 主要功能:
    • DRAM 初始化，這樣才能在 DEX 階段使用 DRAM
      • 通常 DRAM init 會由 Vendor 提供的程式碼來完成
    • CPU 初始化，將記憶體控制器 (Memory Controller) 設定好
      • 重新指向 Stack，設定 Exception
    • Chipset 初始化，設定南北橋等晶片
    • DXE 會被解壓縮搬移到 DRAM 中
    • 透過 Hand-off Block (HOB) 傳遞系統資訊到 DXE 階段
  • 執行環境:
    • 在這個階段之後都是用 C 作為主要編寫語言
    • 在這個階段還是沒有 DRAM 可用，因此必須繼續使用 CAR

這些 Init 基本上都是由 PEI Module (PEIM) 來完成，PEI Code 負責管理

PEI 最主要的目的是初始化 DRAM，這樣後續的階段才能使用記憶體支援

The design for the Pre-EFI Initialization (PEI) phase of a PI Architecture-compliant boot is as an essentially miniature version of the DXE phase of the PI Architecture and addresses many of the same issues.

可以說 PEI 是為了進入 DXE 階段的一個不得已而為之的妥協，其目標是為了準備好 DXE 階段的執行環境

DXE (Driver Execution Environment Phase)：

  • 主要功能:
    • DXE 階段才真正的初始化大部分的硬體元件
    • 載入並執行各種驅動程式 (Driver) 來支援不同的硬體
      • GPU、NIC、SATA/NVMe Controller、USB Controller …
    • 建立 UEFI Boot Services 與 Runtime Services
      • 提供一組標準化的服務介面給後續的 Bootloader 與 OS 使用
    • 建立 ACPI Table、SMBIOS Table 等系統資訊

Boot Services 提供在 OS 載入前使用的服務，而 Runtime Services 則是在 OS 載入後仍然可用的服務

  • 執行環境:
    • 在這個階段已經可以使用 DRAM，因此可以使用完整的 C 執行環境
    • 可以使用 Stack 與 Heap，並且可以使用標準的 C 函式庫

DXE 可以說是 BIOS 的主戰場，在這個階段可以進行大量的硬體初始化與設定

BDS (Boot Device Selection Phase)：

  • 主要功能:
    • 根據 Boot Order 選擇開機裝置
    • 嘗試從選定的裝置載入 Bootloader (GRUB、Windows Boot Manager …)
      • 可載入的 EFI 並不限於 OS Bootloader，也可以是其他的 EFI 應用程式
      • UEFI Shell, Firmware Update Utility, Diagnostics Tool …
    • 這個階段就提供使用者 Boot Menu 來選擇開機裝置
  • 執行環境:
    • 繼續使用 DXE 階段建立的執行環境

BDS 是使用者與 UEFI 互動的主要階段，包括 BIOS Setup 介面、Boot Menu 都在這裡處理

TSL (Transient System Load Phase)：

  • 主要功能:
    • Bootloader 已經被 BDS 載入並執行
    • 將控制權交給 Bootloader，但在這個階段 UEFI Boot Services 仍然可用
    • 為 OS 準備好啟動環境

在這個階段 Bootloader 可以透過 UEFI 提供的 Boot Services 來存取硬體資源， 並建立 OS 所需的啟動環境，例如 Memory Map、ACPI Table 等。

此階段的關鍵是當 ExitBootServices() 被呼叫後，至此進入 Runtime Phase，由作業系統接管系統控制權。

在這個階段是 Bootloader 執行期間、ExitBootServices 之前的過渡階段，其實就是 BIOS 與 OS kernel 的交接點。

RT (Runtime Phase)：

  • 主要功能:
    • OS 已經被載入並執行，在這個階段 UEFI Boot Services 不再可用
    • 但 UEFI Runtime Services 仍然可用，提供一些系統資訊與服務給 OS 使用
      • UEFI Variable Services: 某些廠商的特殊功能變數 (RGB LED Control …)
      • RTC (Real-Time Clock) Read/Write
  • 執行環境:
    • 由 OS 接管系統控制權，UEFI 僅提供 Runtime Services

在 ExitBootServices() 被呼叫後 BIOS 在 DRAM 中的區塊會被釋放，僅保留 Runtime Services 所需的部分

RT 階段基本上就是 OS 執行期間，UEFI 僅提供有限的 Runtime Services 給 OS 使用

AL (After Life Phase)：

  • 主要功能:
    • 處理 OS 的關機或重啟請求
    • S3 / S4 / S5 等電源狀態管理
    • 在這個階段 UEFI 會協助 OS 進行系統關機或重啟
  • 執行環境:
    • 由 OS 控制系統電源狀態

AL 階段主要是處理系統關機或重啟的相關工作，只負責 Reset 或 Power Off，為下一次開機做準備

以上說明了一個 BIOS 在 PC 中的主要腳色與 UEFI 的各個階段功能概述，後續要研究的話可以從各個階段的細節開始著手， 了解每個階段的工作流程與技術細節。

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01-24-2026 18:36

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