Разрядные вызовы — BIOS32

Как говорилось ранее, традиционные сервисы BIOS работают в 16-разрядном режиме процессора, и ими можно пользоваться в реальном режиме, в режиме V86 и в малопривлекательном 16-разрядном защищенном режиме. Для процес­соров 386+ оптимальным по эффективности является 32-разрядный защищен­ный режим. Для того чтобы из этого режима можно было пользоваться сервиса­ми BIOS (правда, не всеми) без промежуточных переключений, по инициативе фирмы Phoenix ввели 32-разрядные вызовы BIOS32. Адрес точки входа BIOS-32 заранее не известен, но известен способ его нахождения: в диапазоне адресов памяти OEOOOO-OFFFFFh на границе параграфов (младшие 4 бита адреса нуле­вые) ищется строка-сигнатура «_32_» (число 325F5F33h) заголовка, за которой следует физический адрес точки входа.

Сами сервисы вызываются дальними вызовами точки входа в сервис. Номер, параметры вызываемых функций и результаты передаются в регистрах процес­сора. Функции PCI BIOS вызываются с АХ = Blxx (см. 14.7).

Области данных ROM BIOS — BDA

Помимо векторов прерываний BIOS в оперативной памяти имеет свою область данных — BIOS data area, начинающуюся с адреса 400h (сразу за таблицей пре­рываний). Этот адрес в сегментной модели адресации реального режима может быть представлен как 0000:0400h или 0040:0000h, что указывает на один и тот же физический адрес. BIOS может также использовать и расширенную область данных (Extended BIOS Data Area, EBDA), которая обычно располагается под верхней границей (640 Кбайт) стандартной памяти. На ее положение указывает слово по адресу 40:0Eh, а первый байт этой области идентифицирует ее размер в единицах килобайт. Эта область используется для различных семафоров и указателей, ее размер обычно не превышает 1 Кбайт.

В области памяти ROM BIOS имеется несколько стандартно расположенных ячеек, а также фиксированные точки входа в процедуры BIOS. Положение этих точек искусственно удерживается на тех же местах, где они были при рождении PC, но пользоваться ими как интерфейсом не рекомендуется. Вызов процедур по этим точкам позволяет обойти все перехраты векторов прерывания, в том числе и вирусные.

PnP BIOS

С появлением карт ISA PnP возникла необходимость упорядочивания возмож­ностей их использования, и в 1994 году фирмы Compaq, Phoenix и Intel выпус­тили спецификацию Plug and Play BIOS Specification, описывающую следую­щие расширения возможностей традиционной BIOS:

♦ распределение ресурсов и разрешение конфликтов на этапе выполнения POST;

♦ слежение за перехватом вектора загрузки Int 19h (традиционные ПЗУ рас­
ширения BIOS могли его неконтролируемо переопределять);

♦ введение контролируемого механизма удаленной загрузки (RPL);

♦ поддержка конфигурирования в рабочем режиме;

♦ уведомления о динамическом изменении конфигураций (подключении и от­
ключении устройств).

Флэш-BIOS

Флэш-память широко применяется в качестве носителя BIOS в современных компьютерах. В принципе, это позволяет даже конечному пользователю обнов­лять версию BIOS, не вызывая высокооплачиваемых специалистов и оперативно получая необходимые файлы через Интернет. Наиболее эффективно при­менение флэш-памяти с выделенным блоком загрузчика. Блок загрузчика после программирования может быть аппаратно защищен от перезаписи и ра­ботать в режиме ROM. Это позволяет его использовать как неизменную часть BIOS, обеспечивающую минимальные условия для загрузки утилиты програм­мирования основного блока. Основной блок хранит главную часть BIOS, кото­рая при необходимости может заменяться новыми версиями. В случае некор­ректности новой запрограммированной версии всегда есть путь к отступлению, обеспечиваемый неизменяемым блоком загрузчика.

Микросхемы семейства Boot Block (или другие микросхемы с небольшим раз­мером стираемого сектора) помимо BIOS в блоках параметров могут хра­нить и конфигурационную информацию (ESCD системы РпР, конфигурацию устройств EISA и МСА). Применение микросхем большого объема позволяет помимо кода BIOS хранить и дополнительный резидентный код. В портатив­ных компьютерах во флэш-память может помещаться и ядро ОС, что позволяет экономить энергию за счет сокращения обращений к диску.

Гибкость системы, обретаемая при использовании флэш-памяти как носителя BIOS, имеет и негативные обратные стороны — возможность повреждения в случае неудачной записи или записи неподходящей версии и появление но­вой и достаточно благодатной почвы для вирусов, которые могут незаметно переписать код BIOS в своих диверсионных целях. В связи с этим актуальна за­щита BIOS от несанкционированного изменения. Разные поколения флэш-памя­ти имеют свою специфику организации защиты:

♦ микросхемы Bulk Erase имеют защиту от модификации всего объема пода­
чей напряжения VPP = 5 В (VPP = 0 для микросхем с стиранием 5 В);

♦ микросхемы Boot Block 12 В позволяют иметь дополнительную защиту за­
грузочного блока, управляемую напряжениями на входах VPPP# (табл. 5.4);

♦ микросхемы Boot Block 5/12 В SmartVoltage позволяют управлять защитой
напряжениями на входах VPP и WP# (табл. 5.5), причем при VPP = 5 В стира­
ние и программирование возможны;

♦ аппаратное управление защитой микросхем с одним напряжением питания
осуществляется только сигналами WP#, но у ряда микросхем они отсутству­
ют.

Реальные варианты использования защиты зависят от схемных решений кон­кретной системной платы. Системные платы, допускающие применение в каче­стве BIOS как ПЗУ, так и флэш-памяти (возможно, различных моделей), име­ют набор джамперов, коммутирующих сигналы, поступающие на входы RP#, WP#, Vpp и WE# флэш-памяти. Их применение (и рекомендации по установке, приводимые в документации) не всегда отвечает требованиям безопасности. Системы, ориентированные на защитные свойства блока загрузки, имеют джампер или переключатель для восстановления BIOS (Boot recovery) после неудачной модификации. В зависимости от схемных решений он может либо аппаратно переключать адреса, либо анализироваться программно. В случае с преобразованиями адресов при нормальной работе точка входа по сбросу про­цессора (FFFFOh) попадает в основной блок, а в режиме восстановления точка входа попадает в область блока загрузки. Простейший способ преобразова­ния — инверсия адреса А16 в нормальном режиме и его прямая подача в режи­ме восстановления. В случае программного анализа состояния переключателя блок загрузки всегда находится в верхних адресах, а по результату считывания положения переключателя код основного блока либо получает управление (нормальный режим), либо игнорируется (режим восстановления). Примене­ние микросхем с симметричной архитектурой и небольшим размером сектора (например, SST29EE010) позволяет размещать блок загрузки (группу защи­щенных секторов) в произвольном месте памяти.

Расширения ROM BIOS

Платы адаптеров, устанавливаемые в слоты шин расширения, могут иметь мик­росхемы ПЗУ своей программной поддержки — Additional ROM BIOS (допол­нительные модули ROM BIOS), они же Expansion ROM. Их используют гра­фические адаптеры EGA/VGA/SVGA, некоторые контроллеры жестких дисков, контроллеры SCSI, сетевые адаптеры с удаленной загрузкой и другие периферийные устройства. Для этих модулей в пространстве памяти зарезервирована область C8000h-F4000h. POST сканирует эту область с шагом 2 Кбайт в поисках дополнительных модулей BIOS на завершающем этапе выполнения (после загрузки векторов прерываний указателями на собственные обработчики). Дополнительный модуль BIOS графического адаптера (EGA, VGA, SVGA...) имеет фиксированный адрес С0000 и инициализируется раньше (на шаге ини­циализации видеоадаптера).

Дополнительный модуль ROM BIOS должен иметь заголовок, выровненный по границе 2-килобайтной страницы памяти; формат заголовка ПЗУ приведен в табл. 5.6.

В традиционном заголовке присутствовали только первые 3 поля, указатели на структуры PCI и ISA РпР ввели позже. Корректным считается модуль, начи­нающийся с признака AA55h (значения слова с учетом порядка следования байтов) и нулевой суммой (по модулю 256) всех байтов в объявленной области (реальная длина модуля может превышать объявленную, но байт контрольной суммы, естественно, должен входить в объявленную область).

В случае обнаружения корректного модуля POST дальним вызовом (Call Far) вызывает процедуру инициализации модуля, начинающуюся с 3-го адреса заго­ловка модуля. Ответственность за ее корректность полностью ложится на раз­работчика. Процедура может переопределять векторы прерываний, обслужи­ваемых BIOS. Переопределив на себя Bootstrap (Int 19h), можно получить управление при загрузке, что и использовалось, например, для удаленной за­грузки компьютеров через локальную сеть (remote boot reset). Если стандарт­ное продолжение процедуры загрузки не требуется, а дополнительный модуль представляет собой, например, управляющую программу для какого-либо обо­рудования, вместо процедуры инициализации в ПЗУ может находиться и ос­новная программа, не возвращающая управление системной последовательно­сти POST. С внедрением технологии РпР способ включения устройств с ПЗУ в процесс загрузки упорядочили [6].

Процедура инициализации и программная поддержка устройства в ПЗУ долж­ны быть написаны таким образом, чтобы им были безразличны абсолютные ад­реса, по которым они размещаются в пространстве памяти. На картах расшире­ния, как правило, имеются аппаратные средства изменения базового адреса, а иногда и размера ПЗУ (джамперы или программно-управляемые переключа­тели). Это позволяет бесконфликтно разместить модули ПЗУ нескольких уста­новленных карт.

По сравнению с традиционным способом использования ПЗУ, когда оно, буду­чи разрешенным, постоянно присутствует в области памяти, появился более ра­циональный способ подключения расширений ROM BIOS, основанный на мо­дели DDIM (Device Driver Initialization Model — модель инициализации драйве­ра устройств). Этот способ, а также особенности ПЗУ для карт ISA PnP и PCI описаны в [6].

DMI BIOS

Интерфейс управления настольными компьютерами (Desktop Management In­terface, DMI) служит для удаленного администрирования компьютеров. Под­держка DMI введена в BIOS большинства современных компьютеров.

Идеи централизованного управления рабочими станциями развиваются многи­ми фирмами-производителями компьютеров и сетевого оборудования. В 1992 г. компании Digital, Hewlett-Packard, IBM, Intel, Microsoft, Novell, Sun и Synop­tics организовали группу DMTF (Distributed Management Task Force — рабочая группа для решения задач распределенного управления компьютерами). Позже к ним примкнули фирмы Apple, AST, Compaq, Dell, Symantec и ряд других, и теперь под флагом DMTF объединены более 400 производителей компьюте­ров и программного обеспечения. В 1994 году была выпущена первая специфи­кация интерфейса DMI, которая была сугубо локальной и не предусматривала управления по сети. В 1996 году вышла спецификация DMI 2.0, в которую уже была включена возможность дистанционного управления по сети. Основная идея DMI — всеобщий учет и контроль (в смысле возможности принудительно­го управления).

Настольный компьютер представляет собой набор аппаратных средств (hard­ware), встроенного (firmware) программного обеспечения (например, ROM BIOS) и загружаемого (software) программного обеспечения (операционная система и прикладное ПО). Для того чтобы выполнить какие-либо администра­тивные действия (например, установить или обновить сетевое ПО), в общем случае может понадобиться информация по любому элементу этого набора. Интерфейс DMI позволяет администратору, не подходя к рабочему месту поль­зователя, узнать о его компьютере все. Приведем в качестве примера выдержки из списка параметров, сообщаемых DMI BIOS производства фирмы Award:

♦ ROM BIOS — название, версия, производитель, дата выпуска, размер, под­
держиваемые шины, способ загрузки и т. д.;

♦ система (компьютер) — название, производитель, версия, серийный номер;

♦ системная плата — то же;

♦ корпус (шасси) — производитель, заводской и инвентарный номера;

процессор — тип, семейство, идентификатор, версия, тип сокета, частота ядра
(максимальная и текущая), частота шины;

♦ контроллер памяти — поддерживаемые типы памяти, допустимое количест-
до модулей памяти (слотов), напряжение питания, быстродействие модулей,
методы обнаружения и исправления ошибок;

♦ модули памяти — тип слота, используемые банки, скорость, тип памяти, раз­
мер, контроль/исправление ошибок, наличие обнаруженных ошибок;

♦ кэш-память — тип, размер (допустимый и текущий), скорость, допустимые
типы памяти;

♦ порты (COM, LPT, Mouse...) — логические параметры, а также тип коннек­
торов, внутренних и внешних (DB-9 или DB-25 для СОМ-портов), надпись
на шильдике;

♦ слоты шин расширения — тип (ISA, PCI...), разрядность шины, частота, на­
пряжение, обозначение и т. д.;

♦ встроенная периферия (графический, аудио-, видеоконтроллер) — подроб­
ная информация;

♦ журнал системных событий.

Все устанавливаемые адаптеры и контроллеры должны сообщать подобную де­тальную информацию о себе. Также представляться должны и операционная система со всеми драйверами, и приложения, поддерживающие DMI.

Помимо полной инвентаризации DMI предоставляет возможность дистанцион­ного запуска на пользовательском компьютере процедур, используя протокол RPC (Remote Procedure Call — удаленный вызов процедур). Удаленно могут запускаться, например, утилиты обслуживания дисков, антивирусные програм­мы, но самое заманчивое — удаленный запуск процедур установки и обновле­ния операционных систем и прикладного ПО.

Принудительное дистанционное администрирование желательно производить при отсутствии пользователя (во внерабочее время). Для этого, естественно, необходимо включить его компьютер, что можно сделать, не подходя к компью­теру. Современные сетевые карты (см. 13.2) могут выполнять удаленное пробу­ждение (remote wake up) или пробуждение по сети (wake on LAN). Принуди­тельное администрирование может выполняться в ночные часы или в выходные даже без участия администратора — он может запускать процедуры через пла­нировщик заданий. Пользователь, пришедший на работу на следующий день, получит массу впечатлений от обновленной версии ПО, если, конечно, накану­не он предусмотрительно не обесточит свой компьютер механическим выклю­чателем.

Интерфейс DMI-2 и удаленное пробуждение поддерживают многие сетевые карты, предназначенные для клиентских машин (для серверов такой сервис слишком опасен). В спецификации Microsoft на аппаратные средства (РС99 Hardware Design Guide) интерфейс DMI не упоминается, но там речь идет об инициативе WfM (Wired for Management — подключение проводами для управления), а за подробностями отсылают на сайты http://www.intel.com/ managedpc/spec.htm (версия 1.0) и http://developer.intel.com/ial/wfm/ (вер­сия 2.0).

Интерфейс ACPI

Интерфейс ACPI (Advanced Configuration and Power Interface — расширенный интерфейс конфигурирования и питания) представляет собой довольно слож­ную комбинацию функций, часть из которых раньше возлагались на относи­тельно независимые системы РпР (в части конфигурирования) и АРМ. Специ­фикация ACPI разработана фирмами Compaq, Intel, Microsoft, Phoenix и Toshiba для стандартизации механизмов OSPM (Operating System-directed configura­tion and Power Management), позволяющих операционной системе управлять конфигурированием и энергопотреблением устройств и компьютера в целом. ACPI определяет аппаратные и программные интерфейсы, а также наборы дан­ных (таблицы).

В ACPI различают глобальные состояния системы (global system state) по сле­дующим критериям: работают ли приложения, насколько длительна задержка их реакции на внешние события, каков уровень потребления, требуется ли пе­резагрузка ОС для возврата в рабочий режим, можно ли разбирать компьютер и можно ли входить в это состояние и выходить из него электронным способом (не механическим выключателем):

♦ G3 (Mechanical Off) — механическое отключение. Приложения не работают,
потребления нет (кроме как от батарейки CMOS RTC), для перевода в рабо­
чее состояние требуются механическое включение питания и загрузка ОС.
Компьютер можно смело разбирать только в этом состоянии.

♦ G2/S5 (Soft Off) — программное отключение. Приложения не работают, по­
требление минимально, включиться в рабочее состояние может программно
(и от кнопки), требуется загрузка ОС.

♦ G1 (Sleeping) — «сон», в котором компьютер кажется выключенным. Пользова­
тельские процессы не исполняются, потребление малое, но переход в рабочее
состояние может и не требовать загрузки ОС. Для этого весь контекст компью­
тера (состояние всех устройств и памяти) должен быть сохранен (большая
часть — аппаратно, остальное — программно). Системная плата при этом полу­
чает «дежурное» питание, ее обесточивание ведет к потере контекста.

♦ GO, (Working) — рабочее состояние, в котором компьютер работает на пол­
ную мощность. При этом периферийные устройства могут динамически ме­
нять свое состояние, балансируя потребление в соответствии с требования­
ми по производительности.

Состояния потребления устройств (device power state) различаются по потреб­ляемой мощности, сохраняемой части контекста устройства, действиям драйве­ра, необходимым для приведения устройства в рабочее состояние, и времени перевода в полностью рабочее состояние. За контекст устройства отвечает ОС, которая может восстановить теряемую часть, а то и полностью проинициализи-ровать устройство, выполнив его сброс:

♦________________________________ D3 (Off) — полностью обесточенное и неработающее устройство, не храня­
щее никакого контекста и не декодирующее свой адрес. Для включения тре­
бует полной инициализации.

♦ D2 и D1 — состояния пониженного энергопотребления, специфичные для
каждого класса устройств. Могут выполняться не все функции и сохранять­
ся не весь контекст. В состоянии D2 потребление и объем выполняемых
функций и сохраненного контекста меньше, чем в D1, а время, требуемое
для перевода в рабочий режим — больше.

♦ DO (Fully-On) — полностью рабочее (активное) состояние, в котором уст­
ройство постоянно хранит весь свой контекст.

Глобальное состояние сна (G1) имеет набор градаций «глубины».

♦ S1 — неглубокий сон с быстрым пробуждением, весь контекст хранится
в своих устройствах.

♦ S2 — состояние с почти таким же быстрым пробуждением, но контекст про­
цессора и кэш-памяти в них самих не сохраняется (за его сохранение и вос­
становление отвечает ОС).

♦ S3 — состояние с небольшой задержкой пробуждения, в котором на систем­
ной плате информация сохраняется только в ОЗУ (процессор, кэш, чипсет
и устройства ничего не помнят).

♦ S4 (Non-Volatile Sleep) — энергонезависимый сон. По команде перехода
в это состояние выполняется полное сохранение контекста в файле или
энергонезависимой памяти, сохраняется и маркер-указатель на сохраненный
контекст. Когда устройство переходит в рабочее состояние из состояния G3
или G2, в начале загрузки ОС проверяется, имеется ли корректный сохра­
ненный контекст. Если контекст есть, и конфигурация компьютера не изме­
нилась (не изменился объем ОЗУ и на месте все несъемные устройства), то
вместо перезагрузки выполняется восстановление контекста — все задания
начнут работать с той точки, в которой их «отправили спать». «Спать» ком­
пьютер с сохраненным контекстом может сколь угодно долго (питание вы­
ключено).

♦ S5 (Soft Off) — состояние программного отключения, формально называе­
мое сном, но, в отличие от состояния S4, никакой контекст не сохраняется.
Введение этого состояния используется как признак, по которому при вклю­
чении питания определяется, нужно ли искать сохраненный контекст для
восстановления (после S4) или выполнять полную загрузку ОС (после S5).

Состояния потребления процессора различаются по задержке реакции, хране­нию данных во внутреннем кэше и восприятию внешних циклов слежения за обращениями к памяти (для поддержания когерентности кэша и памяти):

♦ СО — исполнение инструкций на полной скорости.

♦ С1 — понижение потребления с минимальной задержкой отработки обраще­
ний, такое что ОС и приложения не замечают отличия от СО.

♦ С2 — еще большее снижение потребления, задержка отработки обращений
существенна, и для перехода в рабочее состояние требуются средства ACPI.

СЗ — максимальное снижение потребления, состояние кэша сохраняется, но
слежение не выполняется. Для обеспечения когерентности памяти после вы­
хода из этого состояния требуются усилия со стороны ОС.

Для процессора и устройств различают состояния уровня производительности:

♦ РО — состояние максимальной производительности.

♦ Р1... Рп — состояния с убывающим уровнем производительности. Устройст­
ва могут поддерживать различное число уровней (п < 16).

Интерфейс ACPI предоставляет операционной системе возможность прямого (и эксклюзивного) управления потреблением (OSPM) и конфигурированием устройств системной платы. При запуске OSPM забирает эти функции от ста­рых интерфейсов BIOS (АРМ BIOS, PnP BIOS) и берет на себя ответствен­ность за обработку событий конфигурирования устройств системной платы, управление питанием, производительностью и температурным состоянием сис­темы в соответствии с предпочтениями пользователя и требованиями приложе­ний. Ниже перечислены области, охватываемые спецификацией ACPI:

♦ Управление питанием системы (GO ... G2). ACPI определяет механизмы, пере­
водящие компьютер (целиком) в спящее состояние и из него. Также определя­
ется общий механизм, которым любое устройство может разбудить компьютер.

♦ Управление питанием устройств (DO ... D3). Таблицы ACPI описывают уст­
ройства системной платы, их состояния потребления, питание подключен­
ных к ним устройств и управляют переводом устройств в различные состоя­
ния потребления. Это позволяет ОС переводить устройства в состояние малого
потребления в соответствии с используемыми приложениями.

♦ Управление питанием процессора. Когда ОС находится в состоянии ожида­
ния (но не спит), она использует команды ACPI для перевода процессора
в состояние минимального потребления (СО ... СЗ).

♦ Управление производительностью процессора и устройств. Когда система
активна, OSPM управляет переводом устройств и процессора в различные
состояния производительности (РО ... Рп), обеспечивая баланс между произ­
водительностью и энергосбережением с учетом различных требований (аку­
стический шум, видимость изображения).

♦ Plug-and-Play. ACPI определяет информацию, используемую для нумерации
и конфигурирования устройств системной платы. Эта информация органи­
зуется иерархически так, что для событий вроде подключения и отключения
док-станции или съемных устройств ОС точно и заранее узнает, на какие
устройства эти события повлияют.

♦ Системные события. ACPI обеспечивает общий механизм оповещения, ис­
пользуемый для таких событий, как изменение температуры (перегрев ка­
ких-либо устройств), управление потреблением, подключение к док-стан­
ции, установка и снятие съемных устройств и т. п. Механизм гибкий, он не
задает жестких требований к способу сигнализации о событиях ядру логики
чипсета.

Управление батареями. Для этого устройство с батарейным (аккумулятор­
ным) питанием должно иметь специальный интерфейс (Smart Battery или
Control Methood Battery Interface), позволяющий следить за состоянием (уров­
нем зарядки/разрядки) батарей.

♦ Термоконтроль. Поскольку ОС управляет потреблением процессора и уст­
ройств, в ACPI имеется простая (но масштабируемая) модель, позволяющая
разработчику определять температурные зоны со своими индикаторами и ме­
тоды охлаждения этих зон.

♦ Встроенные контроллеры. ACPI определяет стандартные аппаратные сред­
ства и программный интерфейс взаимодействия между шинным нумерато­
ром ОС и встроенными контроллерами1. Таким образом, стандартный драйвер
позволяет ОС и приложениям использовать специфические возможности,
предоставляемые встроенными контроллерами.

♦ Контроллер SMBus (вспомогательной последовательной шины системного
управления). ACPI определяет стандартные аппаратные средства и программ­
ный интерфейс взаимодействия между шинными драйверами ОС и контрол­
лером SMBus. Это позволяет создать для ОС стандартный драйвер, который
непосредственно взаимодействует с устройствами, подключенными к SMBus.
В свою очередь, это дает возможность ОС и приложениям использовать воз­
можности общения с устройствами по SMBus для специфических функций
управления:

В режиме ACPI встроенное ПО устройств (firmware) и другое ПО не должны манипулировать конфигурированием системных ресурсов, потреблением, про­изводительностью и термоконтролем независимо от OSPM. Всю ответствен­ность за координацию в этих областях берет на себя OSPM. Однако для защиты от катастрофического перегрева (если быстродействия OSPM недостаточно) устройства могут иметь и локальные аварийные средства «пожаротушения». Они также должны выдавать сообщения ACPI (если, конечно, будет кому их принять — при катастрофическом перегреве многие процессоры просто автома­тически выключаются).

Еще раз напомним, что требуется для реализации вышеописанных возможно­стей управления.

♦ Системная плата, аппаратно поддерживающая ACPI (естественно, в кон­
структиве АТХ, в котором предусмотрено программное включение-отключе­
ние питания).

♦ BIOS с поддержкой ACPI.

♦ Подключаемые к системной плате устройства, поддерживающие ACPI.

♦ ОС, поддерживающая ACPI (например, Windows 98/ME/2000).

Системные платы и устройства, поддерживающие РпР и АРМ, теперь считают­ся устаревшими.

Поиск по сайту: