BIOS 系统研究

一句话定义

BIOS 是固化在计算机主板 ROM/Flash 芯片上的一组底层固件程序，是个人电脑启动时加载的第一个软件，负责为操作系统与硬件之间提供最底层、最直接的接口，充当「软件与硬件之间的转换器」。术语最早于 1975 年出现在 CP/M 操作系统中。（来源：百度百科、科普中国）

BIOS 主要包含两大部分：

自检及初始化
- 加电自检（POST，Power-On Self Test）：开机时检测 CPU、内存、ROM、CMOS、串并口、显卡、磁盘子系统、键盘等硬件是否正常；发现问题时给出提示信息或蜂鸣警告
- 初始化：创建中断向量、设置寄存器、初始化外部设备；读取 CMOS 中的硬件参数并与实际硬件比较
- 引导程序：从启动设备（软盘/硬盘）读取引导记录（MBR），找到后把控制权交给引导记录，由其加载操作系统
程序服务处理与硬件中断处理
- 为应用程序和操作系统提供 I/O 服务（读磁盘、打印输出等）
- 处理硬件中断；现代操作系统大多会绕过 BIOS 抽象层直接控制硬件

权威流程（NIST SP 800-147）：

BIOS 固件存储在非易失性存储器中（断电不丢失）：

阶段	芯片类型	特点
早期	ROM（只读存储器）	出厂编程，无法更改
中期	EPROM	紫外线擦除后可重编程，通常被不透明封装密封视为永久
后期	EEPROM	可电擦写，无需从主板取下
现代	NOR Flash（SPI 接口）	速度更快、密度更高，尺寸小（固件通常仅几 MB）；USB 盘/SSD 同族技术

CMOS 是保存 BIOS 配置参数（系统时间、启动顺序、硬件参数等）的存储器，靠主板上的 CMOS 电池（纽扣电池）在断电时维持数据
进入 BIOS 设置：开机时按厂商设定的按键——F2 / F10 / F12 / F1 / Del 等；开机太快时可通过 Windows「高级启动 → 恢复设置 → UEFI 固件设置」进入
常见设置：启动顺序、启停硬件组件、系统时间日期、内存/CPU 参数、电源管理等
BIOS 更新（刷写/Flash）：从厂商获取新固件刷入 Flash 芯片，修复漏洞、提升兼容性

维度	传统 BIOS	UEFI（统一可扩展固件接口）
分区表	MBR，32 位 LBA，最大约 2.2TB	GPT，理论最大 9.4ZB，当前硬件实际无限
启动方式	顺序硬件探测 + 中断调用，慢	直接读 EFI System Partition（ESP，FAT32），硬件初始化并行化，更快
运行模式	16 位实模式，x86-32	32/64 位模式，为 64 位系统设计；ARM（Apple Silicon 等）只用 UEFI
界面	文本菜单 + 键盘	支持鼠标、图形界面、网络启动、HTTP/HTTPS 固件更新
安全	无密码学验证	Secure Boot：用公钥密码学验证引导程序签名，阻止 bootkit/rootkit
大容量盘	无法处理 3TB+ 驱动器	支持 NVMe 与大容量存储

BIOS/固件是病毒木马的目标，一旦被破坏后果严重
经典案例：CIH 病毒（1998 年）——首个能破坏硬件的病毒，擦除 BIOS Flash 内容 + 用垃圾数据覆盖硬盘引导区和分区表，「固件破坏 + 数据破坏」双管齐下；当时多数受害芯片本身完好，重刷 BIOS 即可修复
现代硬件防护升级：
- 固件改存 SPI NOR Flash，由芯片组（PCH）内 SPI 控制器管理，CPU 不能直接访问；受保护寄存器（Protected Range Register）可锁定固件区读写权限
- Intel Boot Guard / AMD Platform Secure Boot：CPU 微码层验证固件引导块签名，篡改则拒绝执行
- UEFI Secure Boot：验证引导加载程序签名，签名不对拒绝执行
- 固件更新签名强制 + 防回滚机制（Bootloader 校验固件包签名与哈希，禁止刷入有漏洞旧版本）
- Windows 10/11 默认开启内核隔离、内存完整性（HVCI）、驱动签名强制
可信计算：BIOS Boot Block 作为 CRTM（Core Root of Trust for Measurement），是启动测量链的信任起点