问题

既然bios只是一个基本的输入输出系统,为什么进入操作系统之后,ide/sata设置还是有效的呢?

回答
你这个问题问得非常有意思,触及了计算机底层工作原理的核心。很多人都有类似的疑惑:BIOS 看起来好像只是开机时的一点点程序,一旦操作系统接管了硬件,BIOS 的作用就结束了,那为什么我们电脑里那些关于硬盘接口(IDE/SATA)的设置,依然能影响到操作系统呢?

这里需要理解几个关键点。首先,BIOS 并不是“只”是一个基本的输入输出系统,它的作用要比这更深远一些。BIOS 的全称是 Basic Input/Output System,虽然名字里有“输入输出”,但它更像是计算机硬件和操作系统之间的“桥梁”或者说是“启动引导程序”。

在计算机刚通电的那一刻,CPU 并没有操作系统,它不知道如何与内存、硬盘、键盘这些硬件打交道。BIOS 就是烧录在主板上的一块芯片(通常是ROM或Flash ROM),它里面存储着一套最基础的硬件驱动程序和一套引导流程。当计算机通电后,CPU 会被设计成直接去执行 BIOS 的代码。BIOS 的首要任务是进行 POST(PowerOn SelfTest),也就是开机自检,它会检查CPU、内存、显卡、键盘等关键硬件是否正常工作。

然后,BIOS 的一个极其重要的功能就是初始化和配置硬件。它会读取主板上的各种硬件信息,并根据用户在 BIOS 设置中(我们常说的“进BIOS设置”就是在这个阶段)所做的选择,来为这些硬件分配资源,并设置它们的基本工作模式。

这里就涉及到你提到的 IDE/SATA 设置了。IDE(Integrated Drive Electronics)和 SATA(Serial ATA)是硬盘的接口标准。当 BIOS 启动时,它会检测到连接到主板上的硬盘。BIOS 需要知道这些硬盘的类型、连接方式,以及最关键的——它们是以何种模式工作的。

在你进入 BIOS 设置时,你会看到诸如“AHCI”(Advanced Host Controller Interface)、“IDE Compatibility Mode”或者“RAID”这样的选项。这些选项就是 BIOS 在为 SATA 控制器(或者老式的 IDE 控制器)设置工作模式。

AHCI 模式是现代 SATA 硬盘的主流工作模式,它提供了更好的性能,支持热插拔(即在电脑运行时插入或拔出硬盘)以及 NCQ(Native Command Queuing)等高级功能。
IDE 兼容模式是为了兼容那些更老旧的操作系统或者硬件,它提供了一个较低级的接口,性能相对较差,也不支持 AHCI 的一些高级特性。
RAID 模式则是用于将多个硬盘组成一个逻辑卷,以提高性能或冗余度。

BIOS 在这里的作用是,告知主板的存储控制器(SATA/AHCI/RAID 控制器)以何种模式来管理连接的硬盘。它会把这些配置信息写入到主板上的特定寄存器中,或者通过某种方式传递给硬件控制器。

那么,为什么操作系统接管后,这些设置依然有效呢?

这是因为 BIOS 的初始化和配置,是为硬件本身打下了基础。操作系统并不是从零开始控制硬件的。当操作系统开始加载(通常也是通过 BIOS 引导过程找到启动设备,然后加载操作系统的引导加载程序),它会继续使用 BIOS 已经为你配置好的硬件基础。

你可以这样理解:BIOS 就像是给你的汽车发动机设定了“燃油喷射模式”或者“点火时序”。当你启动汽车,并且最终开上路(进入操作系统)时,发动机还在按照之前设定的模式工作。操作系统接管后,它会通过自己的驱动程序来精细地控制发动机,但这个“基本工作模式”是由 BIOS 最初设定的。

操作系统启动后,它会去检测系统中的硬件。当它发现一个 SATA 硬盘控制器时,它会去读取这个控制器当前的状态和配置。而这个状态和配置,很大程度上就是 BIOS 在启动时已经设定好的。操作系统会识别出控制器是 AHCI 模式、IDE 模式还是 RAID 模式。然后,操作系统会加载相应的驱动程序来与这个控制器进行交互。

如果 BIOS 设置的是 AHCI 模式,操作系统就会尝试加载 AHCI 驱动,以便充分利用 AHCI 的特性。反之,如果 BIOS 设置成了 IDE 兼容模式,操作系统也只会以一种兼容的方式去访问硬盘。

事实上,有些操作系统在安装过程中,如果发现 BIOS 的 SATA 设置和操作系统期望的不一致(例如,操作系统期望 AHCI,但 BIOS 设置成了 IDE 兼容模式),就可能无法正常启动,或者根本无法识别硬盘。反过来,如果你在操作系统安装完成后,再去 BIOS 里修改 SATA 模式(比如从 AHCI 改成 IDE 兼容模式),很有可能导致操作系统启动时蓝屏或无法加载,因为它加载的驱动程序是基于 AHCI 的,却发现硬件工作在 IDE 模式,两者不匹配。

所以,BIOS 对 IDE/SATA 设置的生效,并不是它一直“在运行”并“控制”着硬盘,而是它在计算机启动的初始阶段,对硬件控制器进行了配置和初始化。这些配置,就像是给硬件设备设定了一个“基础工作协议”或“身份信息”,操作系统在后续的工作中,就是基于这个已经建立起来的协议来与之通信和协作的。BIOS 做的,是为操作系统后续对硬件的精细控制“铺设了道路”。

网友意见

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BIOS只是在初始化硬件的时候写了一些配置寄存器来调整硬件的行为模式(是模拟IDE表现还是AHCI表现)。只要硬件允许二次配置,操作系统层面完全可以把这些配置改回来。

说到底其实是BIOS和操作系统之间的Interface规范明确划分了什么应该由BIOS做,什么应该由操作系统做,所以在具体实现中可以各自只做好各自的功能。不然如果二者做的事情互相冲突的话很容易造成混乱。这样的规范也是保证x86(IBM-PC)兼容机一直保持一定程度前向兼容性的基石。

回到IDE和AHCI上,为什么会有IDE和AHCI的区别呢?是因为当时IDE控制器的实现在业界已经形成了共识,也就是说大家做出来的IDE控制器都可以用差不多的驱动,操作系统只需要按规范实现一个统一驱动。后来SATA硬盘横空出世,IDE的控制器模型并不能最大化的利用SATA硬盘的新特性。于是业界又定义了AHCI规范。但是当时大量的操作系统(Windows XP, DOS)并没有AHCI支持。没有硬盘驱动,操作系统几乎不可能正常运行。于是大家在做SATA控制器的时候,都加入了兼容模式,也就是为那些老系统模拟了一个IDE控制器接口。在兼容模式下虽然不能最大化利用SATA特性,但是老的操作系统也可以正常运行。操作系统在发布之后不可能去修改已经分发的安装盘的代码,所以这个功能的开关不可能由操作系统来控制而只能放在后来随硬件分发的BIOS里。

在x86乃至整个计算机体系架构里有很多类似的东西。后来者为了兼容性而不得不去做“无用功”。保证兼容性的解决方案也有很多,比较典型的有:

  • 向下兼容 (eg: PCIe总线作为PCI的继承者,从总线结构到协议都已经翻天覆地,但还是保持了PCI总线时代的Config Space, BAR等寄存器,在此基础上扩展出各种链路控制 MSI中断 PME电源管理等功能)
  • 除旧迎新 (AHCI和IDE就是很好的例子,厂商知道总有一天市面上所有的操作系统都会兼容AHCI,于是就在早期提供一个类似于IDE兼容模式的解决方案,待上下游完全接受新方案之后抛弃旧方案。)
  • 按兵不动 (eg: 早期的IBM-PC使用8042键盘控制器芯片的一个输出端口来控制系统重启,在8042不复存在,ACPI大行其道的今天,所有的IBM-PC兼容机还模拟了8042芯片以及这个Reset输出。)

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