利用BIOS定制實(shí)現(xiàn)嵌入式產(chǎn)品的差異化

BIOS定制是實(shí)現(xiàn)嵌入式產(chǎn)品差異化特性的有效途徑，本文將討論與創(chuàng)建這些定制BIOS相關(guān)的問題，包括快速引導(dǎo)、用戶界面和功能，以及固件應(yīng)用能力等。

許多基于x86的嵌入式解決方案都依賴針對(duì)臺(tái)式計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的BIOS，通過對(duì)BIOS進(jìn)行配置可實(shí)現(xiàn)更高效的、富有成本效益的設(shè)計(jì)，以滿足專用硬件和軟件的需求。

在臺(tái)式機(jī)、服務(wù)器以及筆記本電腦中常見的BIOS(一種專為IT應(yīng)用而設(shè)計(jì)的BIOS)已被設(shè)計(jì)成使這些設(shè)備能像通用計(jì)算機(jī)一樣工作，因此人們能以同樣的方式來使用這些設(shè)備。而諸如網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和自助式信息服務(wù)終端(如kiosk設(shè)備)等基于x86的嵌入式產(chǎn)品，則需要像設(shè)備而不是像通用計(jì)算機(jī)那樣來工作。嵌入式設(shè)備需要使設(shè)備具有獨(dú)特功能的固件，這正是BIOS可發(fā)揮作用的地方。嵌入式固件(即用在x86架構(gòu)上的BIOS)正是實(shí)現(xiàn)嵌入式設(shè)備差異化的基礎(chǔ)。

為嵌入式系統(tǒng)定制BIOS有兩種方法：一種方法是花費(fèi)大量的時(shí)間和精力將臺(tái)式機(jī)和/或服務(wù)器的BIOS改造成可滿足嵌入式系統(tǒng)的要求；另一種方法則是采用一種專為嵌入式市場(chǎng)設(shè)計(jì)的BIOS。后一方法有助于簡(jiǎn)化為嵌入式系統(tǒng)創(chuàng)建定制BIOS的全過程，這既可盡量減少工作量和風(fēng)險(xiǎn)，又能提供強(qiáng)大的固件能力。

用BIOS實(shí)現(xiàn)嵌入式產(chǎn)品差異化

差異化是嵌入式產(chǎn)品獲得成功并走向具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的新方向的一個(gè)關(guān)鍵因素。表1列出的是用BIOS實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能差異化的一些方法。本文將討論與創(chuàng)建這些BIOS有關(guān)的問題，這些BIOS的特點(diǎn)包括：可配置成只包含標(biāo)準(zhǔn)IT BIOS的一部分特性；可定制成包含專用平臺(tái)設(shè)置屏幕、濺射效果屏幕(splash screen)設(shè)置(包括多媒體)以及諸如FPGA初始化代碼等專用代碼；可實(shí)現(xiàn)亞秒級(jí)快速引導(dǎo)的目標(biāo)；提供增強(qiáng)的固件應(yīng)用能力，比如高可用性監(jiān)控和引導(dǎo)安全性等。

表：利用BIOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)嵌入式產(chǎn)品的差異化。

大多數(shù)臺(tái)式機(jī)或服務(wù)器系統(tǒng)都要求將所有的BIOS初始化功能集成到系統(tǒng)中，包括即插即用(PnP)、高級(jí)功率模式(APM)、高級(jí)配置和電源接口(ACPI)、PCI設(shè)備枚舉與資源分配、增強(qiáng)硬盤驅(qū)動(dòng)器(EDD)、系統(tǒng)管理BIOS(SMBIOS)、系統(tǒng)管理總線(SMBUS)以及其它功能等。在使用通用IT BIOS的情況下，這些功能必須全部被構(gòu)建到系統(tǒng)的BIOS中，以便系統(tǒng)能支持所有需要這種支持的軟硬件插件。

但對(duì)大多數(shù)嵌入式應(yīng)用來說，這些功能組件很多都是一些只會(huì)增加設(shè)備加電自檢(POST)時(shí)間和消耗ROM空間的非必要功能。Embedded BIOS 2000等可配置BIOS則能提供800多種配置選項(xiàng)，這些選項(xiàng)用來控制將哪些功能組件包含在BIOS構(gòu)建過程中。特定設(shè)計(jì)不需要的任何功能組件都不會(huì)包含在BIOS二進(jìn)制代碼中。

定制BIOS的用戶界面和功能

嵌入式設(shè)備很少需要標(biāo)準(zhǔn)的BIOS用戶界面。如果設(shè)備是從內(nèi)部硬盤驅(qū)動(dòng)器上引導(dǎo)，則它既不需要配置成從閃存或CDROM上引導(dǎo)，也不需要提供用于非標(biāo)準(zhǔn)CPU或存儲(chǔ)器時(shí)鐘的選項(xiàng)。另外，若專用硬件(如ASIC)需要在引導(dǎo)時(shí)進(jìn)行初始化和配置，則還需要在核心BIOS中包含這種代碼。

取消設(shè)置屏幕可讓BIOS用戶界面采用新的形式，如無(wú)頭設(shè)計(jì)、通過與遠(yuǎn)程終端程序相連的RS232串行電纜實(shí)現(xiàn)的菜單或類似臺(tái)式機(jī)的POST，以及借助以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程登錄對(duì)話，甚至一種可在裝載OS時(shí)顯示由OEM定義的圖形、動(dòng)畫和聲音的圖形化準(zhǔn)操作系統(tǒng)(pre-OS)環(huán)境。

構(gòu)建定制的用戶界面需要BIOS核心功能的支持，這樣用戶界面就能在恰當(dāng)時(shí)候得到控制權(quán)。另外，BIOS鍵盤和視頻調(diào)用需要被路由到新設(shè)備(例如遠(yuǎn)程登錄)上并進(jìn)行適當(dāng)處理。

初始化專用硬件不但需要定制代碼，而且初始化序列也很重要，例如配置ASIC需要在PCI設(shè)備枚舉之前進(jìn)行。對(duì)BIOS用戶來說，能在BIOS引導(dǎo)序列的恰當(dāng)時(shí)候插入定制代碼是非常必要的。如果所有的BIOS代碼都以源代碼的形式提供，則嵌入式BIOS用戶就能在引導(dǎo)序列的任何點(diǎn)上調(diào)用其初始化代碼。此外，可以將這種代碼進(jìn)行打包，這樣就無(wú)需將定制代碼集成到核心BIOS代碼中，從而可將它從一個(gè)平臺(tái)移植到另一個(gè)平臺(tái)。

快速引導(dǎo)

設(shè)備從上電到功能可用的這段時(shí)間的長(zhǎng)短，將影響用戶對(duì)設(shè)備性能和可靠性的看法。引導(dǎo)時(shí)間超過1秒的設(shè)備看起來就像沒有響應(yīng)或者響應(yīng)緩慢。優(yōu)化BIOS引導(dǎo)時(shí)間并不容易，因?yàn)樵贐IOS加電自檢過程中，有許多步驟需要優(yōu)化。

實(shí)現(xiàn)快速引導(dǎo)的一種最佳概念是使用微軟的簡(jiǎn)單引導(dǎo)標(biāo)記增強(qiáng)(simple boot flag enhancement)，它能決定引導(dǎo)時(shí)執(zhí)行哪些POST組件。當(dāng)然，還可在其它地方減少引導(dǎo)時(shí)間。

利用速度標(biāo)記，簡(jiǎn)單引導(dǎo)標(biāo)記以最簡(jiǎn)單的形式被用來控制引導(dǎo)速度。在首次引導(dǎo)過程中，BIOS在非易失性存儲(chǔ)器中設(shè)置引導(dǎo)速度標(biāo)記，然后再執(zhí)行一組完整的診斷測(cè)試。在引導(dǎo)末期，BIOS將控制權(quán)交給OS，如果OS引導(dǎo)沒有任何問題，它便會(huì)清除引導(dǎo)速度標(biāo)記。在下一次重啟時(shí)，BIOS會(huì)看到引導(dǎo)速度標(biāo)記已經(jīng)被清除，然后它會(huì)進(jìn)行一組較短的診斷測(cè)試，從而減少引導(dǎo)時(shí)間。如果BIOS或OS檢測(cè)到任何硬件配置的變化和/或故障，則它們將互相協(xié)調(diào)以確保在下一個(gè)引導(dǎo)周期中執(zhí)行一組完整的診斷測(cè)試。

盡管引導(dǎo)速度的提高主要?dú)w功于采用簡(jiǎn)單引導(dǎo)標(biāo)記，但在其它許多方面也可提高引導(dǎo)速度，包括：視頻ROM擴(kuò)展(大約需要1至3秒)；到屏幕的任何其它BIOS輸出，包括POST及PCI消息等(大約需要100毫秒)；不需要BIOS但需要由OS激活的硬件初始化，如鼠標(biāo)及鍵盤等(大約需要數(shù)秒鐘)；由于大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)具有固定的硬件配置，所以還可利用特定目標(biāo)的優(yōu)化(如經(jīng)過優(yōu)化的內(nèi)存初始化和PCI枚舉)來進(jìn)一步提高引導(dǎo)速度。

通過使用簡(jiǎn)單引導(dǎo)標(biāo)記、消除硬件初始化并使用特定目標(biāo)的優(yōu)化，目前許多平臺(tái)的引導(dǎo)時(shí)間都已可達(dá)亞秒級(jí)。在個(gè)別平臺(tái)上，從復(fù)位到OS加載的時(shí)間可小于100毫秒。

增強(qiáng)的嵌入式固件應(yīng)用能力

嵌入式系統(tǒng)開發(fā)商正日益尋求通過增加更多的特性，來使產(chǎn)品有別于競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品的方法。固件是增強(qiáng)這種特性(特別是那些需要單獨(dú)運(yùn)行平臺(tái)OS的特性)的理想地方，其中一個(gè)例子就是高可用性監(jiān)控與引導(dǎo)安全性。

如果自助式信息服務(wù)終端采用獨(dú)立于OS運(yùn)行的固件，它便能以許多方式檢測(cè)出故障情況，然后采取記錄故障、通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送電子郵件或者重啟等糾正措施。盡管這是一種可見性故障，但無(wú)頭(headless)設(shè)備也同樣容易受到攻擊。

固件是實(shí)現(xiàn)這種監(jiān)控的理想地方，該監(jiān)控獨(dú)立于OS并以系統(tǒng)管理模式(SMM，x86處理器架構(gòu)的第四種模式)與OS并行運(yùn)行。例如，F(xiàn)irmbase SMM操作環(huán)境具有自己的32位SMM操作環(huán)境，以便運(yùn)行用Windows工具構(gòu)建的可移植可執(zhí)行程序。Firmbase應(yīng)用程序駐留在ROM中的BIOS旁邊，在這里它們獨(dú)立于OS運(yùn)行，即使OS已經(jīng)崩潰或丟失。這使BIOS成為對(duì)系統(tǒng)故障進(jìn)行檢測(cè)和響應(yīng)的高可用性監(jiān)控解決方案的最佳實(shí)現(xiàn)地方。

某些情況下，固件可幫助解決終端用戶篡改設(shè)備的問題。投票機(jī)、游戲機(jī)，甚至機(jī)頂盒等都需要一系列建立在應(yīng)用層軟件、固件本身以及平臺(tái)之間的信任。如果沒有這種信任，用戶就可以在硬盤驅(qū)動(dòng)器上修改關(guān)鍵文件，或者用另一塊主板來擾亂輪詢結(jié)果或欺騙主機(jī)。通過與運(yùn)行在Windows或Linux OS下的應(yīng)用程序、以及運(yùn)行在SMM并獨(dú)立于OS的固件建立可重復(fù)性的加密握手，無(wú)論是應(yīng)用程序還是固件都能夠禁用系統(tǒng)，以免系統(tǒng)進(jìn)行誤操作。

過去，將硬件與應(yīng)用程序綁在一起是應(yīng)用程序員的工作。如今，無(wú)論是擴(kuò)展系統(tǒng)的系統(tǒng)管理接口(SMI)處理程序來執(zhí)行握手，還是授權(quán)在固件層具有日志、遠(yuǎn)程管理以及OEM級(jí)配置的引導(dǎo)時(shí)間安全應(yīng)用程序，都變得更加安全和簡(jiǎn)單。

還可通過另外一些方式使用BIOS，以使產(chǎn)品在固件級(jí)上具有差異化并獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。在解決BIOS的功能配置、用戶界面、快速引導(dǎo)以及增加專用功能等問題后，還可考慮其它許多方面。例如，可用ROM、RAM、閃存或USB存儲(chǔ)器棒等固態(tài)媒介來代替硬盤；內(nèi)置診斷可集成到BIOS中以助于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)制造；內(nèi)置調(diào)試程序可加快電路板的推出過程；此外，專用加載程序(比如那些用于Windows CE與EFI的加載程序)還可為未來技術(shù)改進(jìn)提供內(nèi)置路線圖。

由于嵌入式系統(tǒng)之間存在廣泛的應(yīng)用差異性，所以沒有一個(gè)單一的BIOS能對(duì)它們?nèi)窟m用或者有效。為能直接開發(fā)并高效地、富有成本效益地配置嵌入式設(shè)備，用開發(fā)商定制硬件和軟件應(yīng)用的相同方式來定制固件的能力還有待進(jìn)一步提高。

作者：Steve Jones

Nat Hillary

通用軟件公司