BIOS - Basic Input/Output System
Die Geschichte des BIOS beginnt mit dem ersten IBM-PC, als IBM und Microsoft Hardware und Software (Betriebssystem) unabhängig voneinander entwickelten. Dabei kam es zu der Frage, wie das Betriebssystem auf die Hardware zugreifen kann. Deshalb wurde eine Schnittstelle zwischen Hardware und Betriebssystem entworfen. Das BIOS ist diese Schnittstelle. Das Betriebssystem greift auf Funktionen im BIOS zurück, um die angeschlossene Hardware anzusprechen.
Das BIOS ist auf einem EEPROM oder Flash gespeichert. Das Bauteil ist auf dem Motherboard fest aufgelötet oder sitzt in einem Sockel.
Heute hat das BIOS nicht mehr die gleiche Bedeutung, wie zu Anfangszeiten des PCs. Moderne Betriebssysteme nutzen nur noch wenige BIOS-Funktionen. Sie sprechen die PC-Hardware mit eigenen Treibern an. Das bedeutet jedoch nicht, dass das BIOS verzichtbar ist.
Funktionsweise des BIOS
Das BIOS nimmt nach dem Einschalten des Computers, also beim Systemstart, die Hardware-Komponenten in Betrieb (POST). Es erzeugt ACPI-Tabellen, mit denen das Betriebssystem später die Energieverwaltung der Hardware steuert. Das BIOS verfügt auch über die Konfigurations- und Hardware-Informationen. So ermittelt das BIOS die Zeitparameter der Speichermodule und Taktfrequenz und Betriebsspannung des Hauptprozessors.
Danach startet das BIOS das Betriebssystem. Während des Boot-Vorgangs wird die Hardware anhand der Einstellungen im BIOS konfiguriert. Die Parameter (Adressen, IRQ, Steckplatz, etc.) werden ganz oder teilweise vom Betriebssystem übernommen und eigenständig verwaltet.
Protected Mode
Mit dem 386-Prozessor (Intel) wurde der Protected Mode für das Windows-Betriebssystem eingeführt. Ab diesem Zeitpunkt war kein Zugriff mehr auf das BIOS möglich. Seitdem muss das Betriebssystem die Hardware mit Hilfe einer Software ansteuern. Diese Software werden Treiber genannt. Sie erfüllen noch heute dieselbe Funktion. Für ihre Entwicklung sind die Hardware-Hersteller selber verantwortlich.
Power-on-self-test (POST)
Wenn ein PC eingeschaltet wird, wird ein elektrisches Signal zum Prozessor geschickt. Dabei werden übrig gebliebene Daten aus den internen Speicher entfernt.
Dieser Vorgang wird Power-on-self-test (POST) genannt und bedeutet: Selbst-Test nach dem Einschalten.
Im Prozessor befindet sich ein Programmzähler, der angibt bei welcher Speicheradresse der nächste Befehl steht, der ausgeführt werden soll. Beim Einschalten des Computers weist der Programmzähler auf eine Speicheradresse in einem ROM-Baustein. Dort ist das BIOS gespeichert.
Benutzt der Prozessor die Adresse, finden eine Reihe von Überprüfungen im System statt:
- Der Prozessor prüft erst sich selbst und das Selbsttest-Programm.
- Dann sendet er Signale über den Systembus, um sicherzustellen, dass alle Komponenten funktionieren.
- Der Prozessor prüft die Systemuhr.
- Der Prozessor untersucht den Speicher auf der Grafikkarte. Danach ist zum Ersten mal etwas auf dem Bildschirm zu sehen.
- Der Selbsttest prüft den Arbeitsspeicher.
- Der Prozessor prüft, ob die Tastatur richtig angeschlossen ist und ob irgendwelche Tasten betätigt sind.
- Der Prozessor schickt Signale zu den verschiedenen Laufwerken, um festzustellen, welche zur Verfügung stehen.
- Wenn der Selbsttest eine neue Hardware gefunden hat, erhält man die Möglichkeit, die Konfiguration entsprechend zu ändern.
- Gibt es Komponenten, die über ein eigenes BIOS verfügen (SCSI, Plug & Play), werden sie in den Selbsttest mit einbezogen.
- Nach dem Selbsttest wird der nächste Schritt ausgeführt: Das Betriebssystem wird von einem Datenträger geladen. Man nennt das Booten.
Booten von der Festplatte oder Diskette
Nachdem der Selbst-Test (POST) durchgeführt wurde, sucht das Boot-Programm im BIOS auf den angeschlossenen Datenträgern nach dem DOS-Boot-Record. Die Reihenfolge der Zugriffe auf die einzelnen Datenträger ist im BIOS gespeichert und kann dort auch geändert werden.
Der Boot-Record befindet sich immer an der selben Stelle und ist nur 512 Byte groß. Er wird in den Arbeitsspeicher geladen. Dort übernimmt er dann die weitere Kontrolle über den Computer. Der DOS-Boot-Record verweist auf zwei versteckte Systemdateien, die je nach Betriebssystem anders heißen. In einem MS-DOS-System werden die Dateien IO.SYS und MS-DOS.SYS geladen.
Nachdem die Datei IO.SYS geladen ist, wird der Boot-Record überflüssig und von anderen Daten im Arbeitsspeicher überschrieben. Dann wird die Datei MS-DOS.SYS in den Arbeitsspeicher geladen. Sie arbeitet mit dem BIOS zusammen, organisiert die Dateien, führt Programme aus und reagiert auf die Signale der Hardware.
Ab hier werden die Gerätetreiber geladen, die den Speicher und die Hardwarekomponenten steuern. Danach werden die verschiedenen Teile des Betriebssystems geladen, die der Anwender zum Arbeiten benötigt.
Dann ist der Boot-Vorgang abgeschlossen.
Booten von ROM-Bausteinen
In speziellen Computern, wo das Betriebssystem nicht groß ist, ist das Betriebssystem in die Hardware eingebaut. Es wird dann von einem ROM-Baustein geladen.
Das ist bei älteren Spiele- und Homecomputern (Atari, Amiga, C64) und auch bei den Videospiele-Konsolen der Fall.
Auch neuere PDAs und Organizer haben ein integriertes Betriebssystem.
Booten von USB-Laufwerken
Eine weitere wichtige Funktion ist die Unterstützung des Boot-Vorgangs von USB-Massenspeicher. Hier fügt das BIOS eine Emulationsschicht ein, damit der Bootloader des Betriebssystems das USB-Laufwerk wie eine Festplatte ansprechen kann.
BIOS-Update
Bei einem BIOS-Update ist Vorsicht geboten. Vor einem BIOS-Update muss man sich genau informieren, wie das Update genau abläuft und was zu tun ist. Geht beim BIOS-Update irgendetwas schief, dann funktioniert der ganze Computer nicht mehr. Und dann muss der BIOS-Speicher ausgetauscht werden. In der Regel haben die Motherboard-Hersteller Sicherheitsvorkehrungen getroffen, damit nichts passieren kann.
Kleiner Tipp am Rande: Vor dem BIOS-Update alle Einstellmöglichkeiten abfotografieren.
UEFI - Unified Extensible Firmware Interface
Das BIOS eines modernen PCs basiert im Prinzip auf dem 1982 eingeführten BIOS. Seit dem wurde es mit Patches und Erweiterungen an die moderne Hardware angepasst. Mit der Zeit entstanden Hardware- und Software-Änderungen, die die Bedeutung des BIOS veränderte. Das Unified Extensible Firmware Interface (UEFI) soll mit verschiedenen Umständen aufräumen und neue Funktionen ermöglichen. Die UEFI-Spezifikation ist ein Embedded-System, das sich einfacher bedienen lässt, hochauflösende Grafikkarten unterstützt und netzwerkfähig ist.
Obwohl ein PC mit einem UEFI startet, spricht man immer noch vom BIOS. Es handelt sich dabei um ein seit Jahrzehnten gelernten und verwendeten Begriff.