计算机BIOS:信创领域的“山海关”,CPU唤醒的“第一句话”

智能计算芯世界 2022-08-26 00:00

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BIOS 是服务器、PC 和 IoT 等计算设备均需要安装的固件,服务器则还需安装BMC 固件以配合 BIOS 固件工作。

BIOSBasic Input Output System)是计算机启动时 CPU 加载的第一个软件,通过连接软件和硬件的方式,令 CPU 识别出加载于主板的重要元件,并按照预设顺序读取存储器上的操作系统引导文件(如 WindowsLinux 等)。在计算机中,BIOS 是被固定在主板 ROM 芯片上的一段系统程序,一般被设置为只读,其配置被储存在可读写芯片 CMOS 上,用户通过 CMOS 来对 BIOS 进行配置。1999年之前的 BIOS 版本被称作 Legacy BIOS,如今被更高效的 UEFI BIOS 替代,该类型由 Intel 公司开发并推广,被广泛应用于 X86 架构的计算机上。


BMCBaseboard Manager Controller)则是计算机的平台管理系统,通过不同的接口与系统组件进行连接,可以实现监测系统温度、电压,调节风扇、电源,以及对 CPU 的重启等功能,以保证系统硬件的健康运行。BMC 一般与 BIOS操作系统进行交互,在负载较高的服务器系统中,BMC 不可或缺。


BIOSBMC 是连接芯片与操作系统的关键环节,在信创中具有非常重要的地位,可类比于信创领域的“山海关”。BIOS 为例,由于 BIOS 先于操作系统启动且具有高级访问权限,若其存在安全漏洞,则无法被安全软件监测到,而且即使重装系统也无法清除。1998 年,中国台湾的黑客曾经开发出一款病毒,对计算机BIOS 进行攻击,造成了大规模的破坏;2017 年,安全厂商 Cylance 的研究团队也演示过被植入到 UEFI BIOS 中的勒索软件程序。因此目前,在常规状态下,BIOS 会被开发者设置为只读模式,无法进行代码篡改,但若其本身就存在安全漏洞,则后果将非常严重。因此,BIOSBMC 在信创中具有非常重要的地位。

从全球市场来看:BIOSBMC 的整体市场空间超过百亿元。近年来,以 PC、服务器和 IoT 设备为代表的设备出货量不断增长,为 BIOS BMC 固件市场规模扩张奠定了良好的基础。

从全球市场来看,主流 BIOS 厂家包括 AMI(美国)、Phoenix(美国)、Insyde(中国台湾)、南京百敖(Byosoft,卓易信息全资子公司)。除此外,中电科技北京(中电科十五所控股 40%)也在国内从事国产化领域的 BIOS 业务。目前,南京百敖是大陆地区唯一具有 X86 架构的 BIOS BMC 固件供应商,在BIOS 固件产品开发领域居于国内领先地位,并具备与国际厂商同台竞争的能力。


AMIAmerican Megatrends Inc.):BIOS 领导者

AMI 公司 1985 年成立于美国亚特兰大,创始人为 Pat Sarma SubramonianShankarAMI 起初主要生产完整主板,服务定位于高端客户,其第一名客户为PCs Ltd,即现在的 Dell 公司,是世界上最先推出适用于 Intel 386 处理器主板的公司。由于主板制造产业逐渐往中国台湾转移,AMI 则将业务聚焦于 OEMODM(主要为 BIOS 固件)技术。目前 AMI 在全球拥有近 1500 名员工,其中 85% 工程开发相关人员。

AMI 主要产品线有 UEFI BIOS 固件与控制器(EC)、MegaRAC 远程固件管理解决方案、AMI 背板控制器产品系列、诊断实用程序和工程服务。其中,Aptio VAMI 的最新一代 UEFI BIOS 固件,可满足所有平台(X86 与非 X86)的需求。Aptio 4 则从传统 BIOS 演化而来,同样符合 UEFI 规范。在针对 UEFI 支持服务方面,AMIDiag 是目前市场上唯一可用的硬件诊断解决方案。



PhoenixPhoenix technologies Ltd.):BIOS 先行者

1979 9 月,Phoenix 在美国马萨诸塞州波士顿成立,总部位于加利福尼亚州帕萨迪纳。Phoenix 率先开创了净室设计(也称防火墙技术),通过逆向工程克隆出了自有 BIOSPhoenix 依托自主知识产权进入了发展的黄金期。1988 年,Phoenix 成功 IPO 上市(PTEC),并于 20 世纪 90 年代收购 Quadtel Award两家实力 BIOS 厂商,逐渐成为当时 BIOS 产业的龙头,产品涵盖了高端到低端的各类市场。

21 世纪初,受 PC 市场衰退影响,BIOS 固件单价下滑,公司采取了一次性授权BIOS 的方式,以提高公司短期收入。此外,不成熟的并购和市场探索也导致了Phoenix 经营状况恶化,公司于 2006 年出现巨亏。2010 8 月,美国投资公司Marlin Equity Partners 1.39 亿美元收购了 Phoenix 流通股,Phoenix 宣布退市,同时也逐渐剥离了非 BIOS 业务群。

Insyde(系微):BIOS 后起之秀

1998 年,Insyde 通过收购美国系腾科技(SystemSoft)成立,并于 2003 年在中国台湾上市(6231.TWO)。不同于 AMI PhoenixInsyde 在切入 BIOS 领域之时就着眼于 UEFI,其业务高度集中于 BIOS/BMC 技术,覆盖 IntelAMD微软等大厂。受益于中国台湾 PC 市场发展和 Intel UEFI BIOS 强制推广,Insyde 快速跃居至 BIOS 市场第二把交椅。

BIOS BMC 核心固件的市场规模与服务器和 PC 机正相关,随着服务器与 PC 机出货量增长,核心固件市场空间也将不断成长。目前,卓易信息是大陆地区唯一一家具备Intel授权的X86架构BIOSBMC 生产的厂商,将充分享受到 X86 整机市场扩张带来的成长红利。

BIOS 全称为"基本输入/ 输出系统",它是存储在主板 ROM里的一组程序代码,这些代码包括∶1)加电自检程序,用于开机时对硬件的检测。2)系统初始化代码,包括硬件设备的初始化、创建 BIOS 中断向量等。口基本的外围I/O 处理的子程序代码。3)CMOS 设置程序。



BIOS 程序运行在16 位实模式下,实模式下最大的寻址范围是 1MB,0xOC0000~0xOFFFFF保留给 BIOS 使用。开机后,CPU 跳到 0xOFFFF0处执行,一般这里是一条跳转指令,跳到真正的 BIOS入口处执行。BIOS代码首先做的是"加电自检"(Power On Self Test,POST),主要是检测关机设备是否正常工作,设备设置是否与 CMOS 中的设置一致。如果发现硬件错误,则通过喇叭报警。


POST检测通过后初始化显示设备并显示显卡信息,接着初始化其他设备。设备初始化完毕后开始检查 CPU 和内存并显示检测结果。内存检测通过以后开始检测标准设备,例如硬盘、光驱、串口设备、并口设备等。然后检测即插即用设备,并为这些设备分配中断号、I/O 端口和 DMA 通道等资源。如果硬件配置发生变化,那么这些变化的配置将更新到CMOS 中。


随后,根据配置的启动顺序从设备启动,将启动设备主引导记录的启动代码通过 BIOS 中断读入内存,然后控制权交到引导程序手中,最终引导进入操作系统。


下载链接:
《绿色计算服务器基本输入输出系统(BIOS)技术要求.pdf》
《深耕十五载,国产BIOS扛旗者.pdf》
UEFI技术和基础知识
《UEFI技术和基础知识》
《UEFI安全启动技术手册》
开源芯片:处理器芯片发展新趋势
华大九天:国产替代叠加景气下游,国产EDA龙头未来可期(2022)
《EDA行业研究框架(2022)》
Chiplet延续摩尔定律—先进制程替代之路
半导体材料系列报告(上): 国产替代正当时,把握扩产窗口期
半导体材料系列报告(下):Chiplet引领封测行业新机遇
图解数据中心基础设施:PCIe总线和NVMe SSD测试
PCIe Gen 4&5总线协议分析和SSD测试工具白皮书
异构芯片研究框架合集
《国产操作系统专题(3)》
《国产操作系统专题(2)》
《国产操作系统专题(1)》
《信创专题合集》
1、信创专题(二).pdf
2、信创专题(一).pdf
操作系统产业完全解析
机器人操作系统的实践与思考
中兴新支点桌面操作系统用户手册


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