Общие сведения

• Что такое BIOS
• Особенности взаимодействия отдельных компонентов компьютера

Прежде чем говорить о конкретных версиях BIOS, о возможных опциях BIOS Setup, необходимо осветить основные вопросы функционирования компьютера. Дело в том, что многие опции BIOS Setup позволяют оптимизировать работу апаратных компонентов, но указать нужные значения возможно, только зная, как работает тот или иной компонент. Не лишним будет и рассказ о назначении и функциях BIOS.

Что такое BIOS

BIOS (Basic Input/Output System, базовая система ввода-вывода) — специальная программа, хранящаяся в микросхеме ПЗУ.

Примечание. ПЗУ расшифровывается как Постоянное Запоминающее Устройство. Вы также можете встретиться с англоязычным обозначением этого типа памяти — ROM (Read Only Memory).

Примечание. На практике уже давно вместо обычного ПЗУ используется Flash-память (перезаписываемая память), что дает возможность пользователям самим обновлять версии BIOS.

Функции BIOS

Функции этой программы весьма обширны. Во-первых, сразу после включения питания компьютера получает управление именно BIOS. Она выполняет начальное тестирование всех компонентов компьютера. Если все в порядке, то управление передается программе, находящейся в Boot-секторе (загрузочном секторе) загрузочного диска (это может быть дискета, жесткий диск, компакт-диск). Та, в свою очередь, загружает операционную систему.

Примечание. Процедура начального тестирования называется POST — Power-On Self Test (самотестирование после включения питания).

Во-вторых, BIOS хранит в специальной микросхеме CMOS-памяти аппаратную конфигурацию компьютера. При включении питания текущая конфигурация сравнивается с сохраненной. Если найдены отличия, то содержимое CMOS-памяти обновляется и, если это необходимо, предлагается вызвать подпрограмму BIOS Setup для указания параметров вновь обнаруженных компонентов (об этом чуть позже). Если же отличий в конфигурациях нет, или же обновление конфигурации выполнено без участия пользователя, то осуществляются необходимые настройки (конфигурирование) аппаратных компонентов компьютера.

Примечание. Микросхема CMOS-памяти (Complementary Metal Oxide Semiconductor) представляет собой небольшую, по своему объему, оперативную память (ОЗУ или RAM — Random Access Memory). Поскольку информация, в ней должна сохраняться и после выключения питания, микросхема CMOS-памяти питается от своей собственной батарейки. Наличие батарейки порождает свои проблемы. После нескольких лет эксплуатации (обычно не менее 5-6 лет) батарейка уже не способна обеспечить питание микросхемы CMOS-памяти, и сохраненная информация начинает теряться. К счастью, достаточно заменить батарейку на новую, и проблем — как не бывало.

В-третьих, с помощью специальной.подпрограммы BIOS Setup пользователю предоставляется возможность указать параметры и режимы функционирования отдельных компонентов компьютера. Там же, при необходимости, можно часть оборудования и отключить.

И в-четвертых, собственно то, ради чего в свое время разрабатывалась BIOS — обработка операций ввода-вывода. Например, дисковод понимает только простейшие команды типа: поместить головку на такую-то дорожку, считать сектор и т.п. Если бы все программы содержали в себе инструкции подобного рода, то они занимали бы много места, да и работали весьма и весьма неэффективно. Кроме этого, при появлении новых устройств все существующие программы приходилось бы модифицировать. Чтобы избежать подобных проблем, большую часть работы по обработке операций ввода-вывода переложили на BIOS. Это, конечно, не решило всех проблем, но по меньшей мере значительно упростило их решение.

Примечание. Справедливости ради надо отметить, что современные операционные системы практически не используют (Windows 95/Windows 98/Windows Me) или вообще не используют (Windows NT/Windows 2000/Windows XP) возможности BIOS no обработке операций ввода-вывода. Определяющее значение эти функции имели во времена операционной системы MS-DOS.

Здесь обязательно надо отметить, что сказанное выше во многом условно — на самом деле все эти задачи выполняются совместно, функционально дополняя друг друга.

BIOS Setup

Рядовой пользователь чаще всего сталкивается с частью BIOS, называемой BIOS Setup. Это специальная подпрограмма, позволяющая настроить работу отдельных аппаратных компонентов компьютера. Основная ее сложность — непонятные названия опций, мало что говорящие не слишком искушенному пользователю. Проблему усугубляет практически полное отсутствие справочных сведений. В остальном ничего особенного в BIOS Setup нет, можно выделить только несколько архаичный интерфейс.

Все значения, установленные пользователем, хранятся в микросхеме CMOS-памяти наряду с информацией об аппаратной конфигурации компьютера.

Особенности взаимодействия отдельных компонентов компьютера

Прежде чем говорить о тех или иных опциях BIOS Setup стоит рассмотреть, как работает персональный компьютер, из каких аппаратных компонентов он состоит, как происходит их взаимодействие.

Рис. 1.1. Функциональная схема работы компьютера

Функциональная схема работы компьютера

Наглядное представление об устройстве компьютера и взаимодействии отдельных компонентов дает приведенная на рис. 1.1 блок-схема. На ней показаны только устройства, находящиеся в системном блоке, серым цветом отмечены компоненты, являющиеся частью материнской (основной) платы компьютера.

Чтобы синхронизировать работу всех частей компьютера, обмен данными между ними осуществляется с фиксированными частотами — по тактам. Так, системная шина современного компьютера функционирует на частотах 66, 100 или 133 МГц, одна из этих частот используется и при обмене с памятью. Шина PCI в штатном режиме работает на частоте 33 МГц, а шина AGP — на частоте 66 МГц.

Все эти частоты жестко связаны друг с другом. Проиллюстрируем это на примере. Пусть частота системной шины равна 133 МГц. При использовании оптимальной, с точки зрения производительности, оперативной памяти частота шины памяти будет равна частоте системной шины. При этом частота шины PCI будет равна 1/4 от частоты системной шины, а частота шины AGP — 1/2 от частоты системной шины. Естественно, все эти частоты задаются одним-единственным тактовым генератором, а нужное значение получается с помощью программируемых делителей. Таким образом, если повысить (или понизить) частоту системной шины, соответствующим образом изменятся и все остальные частоты.

Примечание. Немного другая картина будет наблюдаться при частоте системной шины 100 МГц. Частота шины PCI в этом случае будет равна 1/3 от частоты системной шины, а частота шины AGP — 2/3 от частоты системной шины. Достигается это использованием других коэффициентов в соответствующих делителях частоты. При частоте системной шины 66 МГц шина PCI функционирует на половинной частоте системной шины, а AGP — на полной.

Многие современные компоненты способны передавать за такт не одно значение, а два (процессоры Athlon и Duron, память DDR SDRAM), или даже четыре (процессор Pentium 4). Таким образом, скажем, для процессора Pentium 4 при частоте системной шины 100 МГц скорость обмена данными будет составлять 400 МГц. Очень важно различать эти два понятия.

Центральный процессор, кэш-память и системная шина

Главным компонентом компьютера, безусловно, является центральный процессор. Он управляет работой всех частей компьютера, производит все вычисления, определяет общее быстродействие. Как правило, это самый высокоскоростной компонент — частота работы современного процессора может достигать 2 ГГц.

«Общение» с остальными устройствами процессор осуществляет посредством системной шины. К сожалению, все остальные компоненты способны вести обмен данными со скоростями, заметно меньшими, чем допускает вычислительная мощность процессора, это и обуславливает намного более низкую частоту системной шины. Чтобы избежать непродуктивных задержек, в процессоре имеется высокоскоростная кэш-память. Она содержит наиболее часто использовавшиеся за последнее время данные и инструкции, в результате обращение к ним практически не вызывает дополнительных тактов ожидания. И только если необходимые данные или инструкции отсутствуют, они запрашиваются из оперативной памяти или других устройств.

В большинстве случаев (а это все современные модели процессоров) кэш-память является двухуровневой: сверхбыстрая кэш-память небольшого объема первого уровня и несколько более медленная, но и заметно большего объема кэш-память второго уровня. И если обращение к первой действительно происходит без каких-либо задержек, то получение данных или инструкций из кэш-памяти второго уровня сопряжено пусть с небольшими, но все же простоями процессора. Но все равно это заметно быстрее, чем запрашивать данные из оперативной памяти.

Поскольку связка процессор — кэш-память — системная шина во многом определяет быстродействие компьютера, то при конфигурировании BIOS Setup необходимо обратить особое внимание на те опции, которые позволяют настроить частоту системной шины процессора и выбрать режимы функционирования кэш-памяти. Часто можно указать и коэффициент умножения процессора (отношение частоты функционирования процессора к частоте системной шины), но полезность этой опции весьма сомнительна — у всех современных процессоров коэффициент умножения заблокирован.

Чипсет

Важную роль в работе компьютера играет набор системных микросхем материнской платы (иначе — чипсет). Это своего рода интеллектуальная «прокладка» между всеми компонентами.

В большинстве случаев чипсет состоит из двух основных микросхем: системного контроллера (часто называемого северным мостом) и функционального контроллера (называемого южным мостом). Еотественно, этими двумя микросхемами дело не ограничивается, и в чипсет входит еще множество более мелких составляющих. Просто две эти микросхемы — основа чипсета.

К системному контроллеру через системную шину подключается процессор, а через шину памяти — оперативная память. Видеокарта подключается через свою собственную шину — AGP.

Функциональный контроллер соединяется с системным посредством внутренней высокоскоростной шины.

Примечание.В большинстве случаев (за исключением новейших сверхбыстрых чипсетов) соединение системного и функционального контроллеров осуществляется с помощью шины PCI. Это позволяет упростить чипсет и сделать его более дешевым.

Сам функциональный контроллер обеспечивает управление шинами PCI и ISA (если последняя есть), работу жестких дисков, CD-ROM, дисковода, портов ввода-вывода. Помимо этого, функциональный контроллер с помощью BIOS обеспечивает инициализацию и начальную загрузку компьютера после включения питания или перезагрузки.

Поскольку функции, выполняемые чипсетом, весьма обширны, всевозможным настройкам его работы посвящена добрая половина опций BIOS Setup. Это и порядок функционирования шин PCI, AGP, ISA, это и работа встроенного в южный мост контроллера IDE. Большое количество настроек посвящено и портам ввода-вывода.

Оперативная память

В оперативной памяти хранятся все данные и инструкции, с которыми в данный момент работает процессор. Оперативная память работает весьма и весьма быстро (конечно медленнее кэш-памяти, но зато быстрее всех остальных устройств) и в значительной стедени определяет общее быстродействие всего компьютера.

Модули памяти организованы в виде матрицы, состоящей из отдельных ячеек памяти. Для того, чтобы получить содержимое конкретной ячейки, необходимо указать строку и столбец, на пересечении которых она находится. Вначале на выводы модуля памяти подается номер строки, о чем свидетельствует активный сигнал RAS (Row Access Strobe — сигнал доступа к строкам памяти). Затем — номер столбца, о чем будет свидетельствовать активный сигнал CAS (Column Access Strobe — сигнал доступа к столбцам памяти). После этого на выводах модуля памяти появятся запрошенные данные. Запись в ячейку происходит аналогично.

Но это еще не все. Если к ячейке памяти не происходит обращения, ее необходимо время от времени регенерировать, т.е. считывать находящееся там значение и записывать его обратно. Если этого не сделать, данные могут быть потеряны. Регенерация содержимого памяти выполняется целыми строками, для выбора очередной строки используется внутренний счетчик в модуле памяти, а о том, что необходимо выполнить регенерацию, сообщает установка вначале сигнала CAS, а затем RAS. Если компьютер перешел в энергосберегающий режим, регенерация выполняется микросхемами памяти автоматически, поскольку внешние сигналы отсутствуют.

Примечание. При чтении (и, естественно, записи) данных ячейки памяти обновляются (регенерируются) автоматически.

BIOS Setup позволяет указать задержки между выдачей тех или иных сигналов при обращении к памяти и ее регенерации, часто можно указать и частоту шины памяти. Поскольку все современные модули памяти (SDRAM, DDR SDRAM, RDRAM) имеют в своем составе микросхему SPD (Serial Presence Detect), содержащую информацию о типе модуля и возможных режимах его работы, то эта задача во многом упрощается. Но если вы хотите добиться от компьютера максимальной производительности, многие опции лучше устанавливать самостоятельно, не полагаясь на «автоматику».

Примечание. Здесь важно не переусердствовать. Если вы установите значения, при которых модули памяти не способны, нормально функционировать, стабильность работы компьютера заметно снизится, постоянно начнут появляться сообщения об ошибках.

Примечание. Нестабильная работа компьютера возможна и при использовании низкокачественной «левой» памяти. В этом случае часто помогает установка заведомо больших задержек, чем это необходимо по спецификации. За счет некоторого падения быстродействия надежность работы компьютера, возможно, повысится.

Примечание. Раньше, во времена памяти FPM и EDO, при установке задержек ориентировались на время доступа и тип памяти.

Видеокарта

Видеокарта формирует изображение, которое вы видите затем на экране монитора. Поскольку объем данных, перекачиваемых между видеокартой и остальными устройствами очень большой, для подключения видеокарты применяется специальная шина с высокой пропускной способностью — AGP.

Примечание. Еще не так давно видеокарты подключались к шине PCI, да и сейчас в продаже еще можно встретить такие видеокарты.

Естественно, в BIOS Setup вы можете указать режимы функционирования шины AGP, включить перенос BIOS видеокарты в оперативную память компьютера для ускорения обращения к видеокарте, изменить другие параметры.

Примечание. Видеокарта, как и многие другие «умные» устройства, имеет свой собственный BIOS. В нем содержатся инструкции для графического процессора видеокарты, шрифты, требуемые в некоторых режимах для вывода изображения на монитор и т.п.

Шины PCI и ISA, карты расширения

Самое, главное достоинство современного персонального компьютера — открытая архитектура. На практике это означает, что вы можете самостоятельно подобрать конфигурацию конкретного экземпляра компьютера под ваши нужды. И такой компьютер будет максимально приспособлен для решения именно ваших задач и лишен ненужного балласта в виде неиспользуемых компонентов.

Достигается это за счет возможности установить в компьютер ту или иную карту (плату) расширения. Например, если вы занимаетесь видеомонтажом, то просто устанавливаете карту ввода-вывода видео (видеомонтажа); если несколько компьютеров объединяются в сеть, вы устанавливаете в каждом из них сетевую карту и т.п.

Большинство карт расширения для связи с остальными компонентами компьютера используют шину PCI. Физически это означает, что карта устанавливается в специальный разъем — слот — шины PCI на материнской плате.

Еще недавно была весьма распространена шина ISA, скорость работы которой весьма невелика, но ее вполне хватало для карт расширения, не требующих фантастического быстродействия (модемов, звуковых карт). Популярность этой шины объяснялась принципом совместимости — можно было установить в компьютер карты расширения, выпущенные и несколько лет назад. Но в настоящий момент все большее количество персональных компьютеров не имеют шины ISA.

Рассмотрим, как происходит взаимодействие карт расширения с остальными компонентами компьютера. Основную роль здесь играют прерывания (IRQ — Interrupt ReQuest). Если какой-либо карте необходимо передать или получить данные, она выставляет выделенное ей прерывание в активное состояние, «сообщая» таким образом процессору о своих «потребностях». Процессор, обнаружив активное прерывание, прерывает обработку текущих данных и выполняет обработку запроса карты расширения, после чего «возвращается» к прерванной задаче.

Всего имеется 16 прерываний. Часть из них жестко назначена определенным устройствам, остальные же могут использовать карты расширения. Современные карты расширения, как, впрочем, и многие аппаратные компоненты компьютера, способны разделять одну линию прерывания с другими устройствами, поэтому часто на одном прерывании «сидит» несколько устройств.

Еще один механизм, который может применяться картой расширения, называется прямым доступом к памяти (DMA — Direct Memory Access). Он позволяет карте обмениваться данными с оперативной памятью напрямую, минуя процессор. Всего имеется 8 каналов, так же, как и в случае с прерываниями, один канал может использоваться несколькими устройствами.

BIOS Setup позволяет выбрать режимы функционирования шин, например, указать возможность одновременного обращения к PCI и ISA, вручную назначить прерывание и канал прямого доступа к памяти для карты, вставленной в определенный слой и т.д.

Жесткий диск

Жесткий диск предназначен для долговременного хранения программ и данных. Действительно, при выключении питания данные в оперативной памяти теряются и их нужно где-то сохранять. Да и объем оперативной памяти явно недостаточен, чтобы содержать все используемые программы и данные. Для связи жесткого диска с функциональным контроллером в большинстве случаев используется интерфейс IDE (называемый также E-IDE или АТА).

В BIOS Setup можно указать и режим функционирования жесткого диска (режим обмена данными).

Дисковод

Дисковод — наследство самых первых персональных компьютеров. Он позволяет записывать на дискеты небольшие, по нынешним меркам, объемы информации. Его популярность объясняется вопросами совместимости — дисковод есть на любом компьютере.

Из параметров, относящихся к дисководу, в BIOS Setup, как правило, можно запретить запись на дискеты.

Привод чтения компакт-дисков, дисков DVD

Все современные компьютеры оборудованы приводом чтения компакт-дисков или CD-ROM. Все большее количество персональных компьютеров вместо привода чтения компакт-дисков оснащаются устройствами чтения DVD-дисков — DVD-ROM. Так же, как и жесткий диск, оба эти устройства для связи с функциональным контроллером обычно используют интерфейс IDE (спецификация ATAPI).

Порты ввода-вывода

Порты ввода-вывода нужны для подключения принтера, сканера, внешних устройств хранения информации. Клавиатура и мышь также подключаются каждая к своему порту. Таким образом современный персональный компьютер имеет:

• по одному порту клавиатуры и мыши, к которым подключены клавиатура и мышь соответственно;
• один параллельный порт — к нему обычно подключают принтер, возможно сканер (если они рассчитаны на использование этого порта);
• два последовательных порта, один из которых как правило свободен, а ко второму часто подключают внешний модем;
• от двух до шести USB-портов — к ним подключают самое разнообразное оборудование: от принтеров и сканеров с соответствующим интерфейсом до внешних жестких дисков, CD-ROM и подобных устройств; существуют даже USB-клавиатуры и USB-мыши.

Естественно, BIOS Setup позволяет задать параметры портов, а если часть из них не нужны, неиспользуемые порты можно отключить, освободив таким образом ресурсы для других устройств.

Пора перейти к рассмотрению конкретных версий BIOS, наиболее распространенных в настоящее время. Хотя задачи, выполняемые BIOS одинаковы вне зависимости от их производителя и версии BIOS, различия все же имеются. Самое главное из них — интерфейс. Так что, прежде чем говорить о конкретных опциях, необходимо остановиться на производителях и версиях BIOS, отличиях в их интерфейсе, способе управления.