바이오스

3. 저장 매체

바이오스를 저장하는 매체로 초기에는 롬이 주로 사용되었으나, 정보화의 발전 속도가 증가하고 새로운 기기나 매체의 발매 주기가 짧아짐에 따라 현재는 플래시 메모리가 주된 저장 매체로 쓰이기 시작했다. 하지만 플래시 메모리를 이용한 편리함은 1990년대 후반에 바이오스를 손상시키는 바이러스의 등장으로 수많은 컴퓨터를 무력화시키는 사태를 겪기도 했다. 대표적인 예로 CIH 바이러스를 들 수 있다. (다만 이 바이러스는 윈도 NT 계열 이후의 운영 체제에서는 동작하지 않으므로 현대에는 큰 문제로 여겨지지 않는다.)

4. 제어

BIOS는 POST(Power On Self Test) 과정에서 어댑터 카드의 펌웨어를 실행하기 위해 메모리를 검사한다.^[60] 0xC0000h부터 0xF0000h까지의 메모리 영역을 2KiB 단위로 나누어 각 부분의 처음 2바이트를 확인한다. 이 값이 0xAA55h이면 실행해야 하는 펌웨어로 간주하고, 4번째 바이트로 이동하여 펌웨어 코드를 실행한다.

과거에는 응용 소프트웨어가 주변 기기를 제어할 때 바이오스가 제공하는 서브루틴을 호출하여 포트를 직접 조작하지 않고도 제어가 가능했다. 그러나 최근에는 운영 체제가 이 역할을 대신 수행하며, 응용 프로그램은 바이오스를 직접 사용하지 않고 운영 체제가 제공하는 API를 통해 바이오스의 기능을 사용한다.^[60]

하드웨어 접근은 주로 입출력 레지스터 조작을 통해 이루어지지만, 하드웨어 종류에 따라 동작 방식과 배치가 다르다. 또한 읽고 쓰는 타이밍과 순서에도 차이가 있다. 이러한 이유로 하드웨어 종류별로 서브루틴을 준비하는 것이 효율적이며, 이것이 BIOS의 역할이다. ISA나 PCI 같은 보드의 ROM에는 BIOS 프로그램이 있으며, 이는 메모리에 로드되어 애플리케이션에서 사용된다. 마더보드의 BIOS를 '''System BIOS'''(시스템 BIOS), 확장 카드의 BIOS를 '''확장 BIOS'''라고 구분하기도 한다.

같은 종류의 하드웨어라도 조작 방법이 다를 수 있다. 이를 위해 BIOS 호출 인터페이스는 공통화되어 있으며, 애플리케이션은 BIOS 서비스를 호출하여 여러 장치에 대응할 수 있다. 이러한 공통 인터페이스를 애플리케이션 바이너리 인터페이스 (ABI)라고 한다.

예를 들어, PC/AT 호환기의 VGA BIOS (Video BIOS)는 공통화된 ABI를 호출하여 하드웨어 차이를 고려하지 않고 문자나 이미지를 표시할 수 있게 한다. 이는 비디오 카드의 ROM에 탑재된 확장 BIOS이다. 하드 디스크, 플로피 디스크, 키보드 등 다양한 입출력 처리를 담당하는 BIOS도 있지만, 이러한 기본적인 BIOS는 System BIOS이며 마더보드의 ROM에 탑재된다.

하지만 위 내용은 OS가 싱글 태스크형인 경우에 유효하며, 멀티태스크 OS에서는 장치 드라이버가 이 처리를 수행한다. 특히 재진입을 고려하지 않은 BIOS^[60]도 있어, 각 애플리케이션이 비동기적으로 BIOS를 호출하면 OS는 하드웨어 리소스 관리에 어려움을 겪는다. 따라서 하드웨어 관리는 장치 드라이버가 일괄적으로 수행하며, 애플리케이션은 OS의 시스템 콜을 사용한다.

BIOS를 꼭 호출해야 하는 경우에는 전용 시스템 콜을 사용할 수 있지만, 해당 하드웨어가 OS에 의해 보호되는 경우에는 작동하지 않을 수 있다.

임베디드 시스템에서는 하드웨어 종류가 적어 BIOS와 같은 중간 계층 인터페이스를 갖지 않는 경우가 많으며, 이를 펌웨어라고 부른다. 마더보드 상의 BIOS는 POST가 완료되면 대부분의 버전에서 옵션 ROM 모듈(BIOS 확장 ROM)을 찾아 실행한다.

BIOS는 "상위 메모리 영역"(x86 리얼 모드에서는 0xA0000 이상의 주소 공간)을 스캔하여 발견된 ROM의 코드를 순차적으로 실행한다. ISA 카드 상의 ROM을 찾을 때, BIOS는 0x0C0000부터 0x0F0000까지의 공간을 2 KiB 단위로 스캔하여 "0x55""0xAA"라는 연속된 2바이트의 ''시그니처''를 찾는다. 이를 통해 ROM 프로그램의 진입점을 파악하고, 첫 512바이트 블록의 체크섬을 계산하여 ROM의 체크섬과 일치하면 해당 진입 주소로 제어를 넘긴다. 그러면 BIOS 확장 ROM은 확장 기능 초기화 루틴을 실행한다.

이때 확장 ROM은 실행을 넘겨받아 대상 하드웨어의 테스트 및 초기화, 부팅 후 애플리케이션에서 사용하는 인터럽트 벡터 등록 등을 수행한다. 확장 ROM은 사용자 설정 인터페이스(진단 정보 표시 등)나 필요한 동작을 위해 BIOS 및 이전에 로드된 BIOS 확장 ROM의 서비스를 이용할 수 있다.

옵션 ROM은 초기화 프로세스가 완료되면 BIOS로 제어를 반환한다. 제어를 반환받은 BIOS는 추가 옵션 ROM이 있는지 메모리 공간 끝까지 탐색하고, 발견된 순서대로 호출하는 과정을 반복한다.

5. BIOS 외의 펌웨어 실행

BIOS는 컴퓨터의 기본적인 하드웨어 장치(키보드, 플로피 디스크, 하드디스크)에 접근하고 제어할 수 있다. 그러나 일부 플러그인 어댑터(SCSI, NIC, 비디오 카드 등)는 BIOS 대신 독자적인 펌웨어를 장치에 포함시켜 해당 장치를 제어하는데, 이를 옵션 롬이라고 부른다.^[9]

주변 장치 카드(예: 하드 디스크 드라이브 호스트 버스 어댑터, 비디오 카드)는 자체 펌웨어를 가지며, BIOS 확장 옵션 롬 코드는 확장 카드 펌웨어의 일부일 수 있다. 이 코드는 BIOS에 추가 기능을 제공하며, BIOS가 대용량 저장 장치에서 운영 체제를 부팅하기 전에 실행된다. 확장 ROM은 하드웨어를 테스트 및 초기화하고, 새로운 BIOS 서비스를 추가하거나 기존 서비스를 대체한다. 예를 들어, SCSI 컨트롤러에는 일반적으로 해당 컨트롤러를 통해 연결된 하드 드라이브를 지원하는 BIOS 확장 ROM이 있다.^[10] 확장 ROM은 운영 체제를 포함하거나 네트워크 부팅과 같은 다른 부팅 프로세스를 구현할 수도 있다. IBM 호환 컴퓨터 시스템은 BIOS 확장 ROM을 포함하는 어댑터 카드(또는 ROM 칩)를 제거/삽입하여 작동을 변경할 수 있다.^[11]

마더보드 BIOS는 통합 디스플레이 및 스토리지를 초기화하고 부트스트랩하는 코드를 포함한다. 플러그인 어댑터 카드(SCSI, RAID, 네트워크 인터페이스 카드, 비디오 카드 등)는 자체 BIOS(예: 비디오 BIOS)를 포함하여 시스템 BIOS 코드를 보완하거나 대체할 수 있다. 마더보드에 내장된 장치도 이 방식으로 작동할 수 있으며, 해당 option ROM은 마더보드 BIOS의 일부일 수 있다.

애드인 카드가 마더보드 BIOS에서 지원되지 않고 운영 체제를 로드하기 전에 초기화되거나 BIOS 서비스를 통해 접근해야 하는 경우(일반적으로 부팅 프로세스에 필요한 경우) option ROM이 필요하다. 초기 PC 시스템(특히 IBM PCjr)에서 ROM은 주 시스템 RAM보다 빨랐다. (현대 시스템에서는 BIOS ROM 코드가 RAM에 복사("섀도잉")되어 더 빠르게 실행된다.)

6. 운영 체제 서비스

BIOS는 주변 장치(예: 키보드, 기본적인 텍스트 및 그래픽 디스플레이 기능 등)를 작동시키기 위한 기본 입/출력 기능의 작은 라이브러리를 제공한다. MS-DOS를 사용할 때, BIOS 서비스는 응용 프로그램(또는 MS-DOS)에서 디스크 기능에 접근하기 위해 인터럽트 13h 인터럽트 명령어를 실행하거나, 비디오 디스플레이, 키보드, 카세트 및 기타 장치 기능에 접근하기 위해 여러 다른 문서화된 BIOS 인터럽트 호출 중 하나를 실행하여 접근할 수 있었다.^[1]

BIOS ROM은 특정 제조업체의 하드웨어에 맞춰져 있어, 운영 체제를 포함한 프로그램에 표준화된 방식으로 하위 수준 서비스(예: 키 입력을 읽거나 디스크에 데이터 섹터를 쓰는 등)를 제공할 수 있다. 예를 들어, IBM PC는 흑백 또는 컬러 디스플레이 어댑터(다른 디스플레이 메모리 주소 및 하드웨어 사용)를 가질 수 있지만, 텍스트 모드 또는 그래픽 모드에서 화면의 지정된 위치에 문자를 표시하기 위해 단일 표준 BIOS 시스템 호출을 호출할 수 있다.

MS-DOS와 같은 구형 운영 체제는 PC 내에서 대부분의 입출력 작업을 수행하기 위해 BIOS에 의존했다. 이러한 기본 펌웨어 기능을 대체하도록 설계된 운영 체제와 실행 소프트웨어는 응용 소프트웨어에 대한 대체 소프트웨어 인터페이스를 제공한다. 응용 프로그램도 이러한 서비스를 자체적으로 제공할 수 있다.

현대 운영 체제 (예: Windows 및 리눅스)를 실행하는 현대 PC에서, BIOS 인터럽트 호출은 부팅 및 운영 체제의 초기 로딩 중에만 사용된다. 운영 체제의 첫 번째 그래픽 화면이 표시되기 전에, 입출력은 일반적으로 BIOS를 통해 처리된다. 사용자가 부팅할 운영 체제를 선택하거나, 안전 모드로 부팅하거나, 마지막으로 알려진 정상 구성을 사용하도록 허용하는 Windows의 텍스트 메뉴와 같은 부팅 메뉴는 BIOS를 통해 표시되고 BIOS를 통해 키보드 입력을 받는다.^[1]

리얼 모드 BIOS 서비스를 직접 호출하는 것은 보호 모드(및 롱 모드) 운영 체제에 비효율적이다. BIOS 인터럽트 호출은 최신 멀티태스킹 운영 체제에서 초기 로드 이후에는 사용되지 않는다.

7. 구성

초기 IBM PC와 XT의 바이오스에는 사용자 인터페이스가 없었으며, 옵션은 메인보드와 확장 카드의 DIP 스위치와 점퍼로 설정되었다. 1990년대 중반부터는 바이오스 ROM에 특정 키 시퀀스를 통해 시스템 전원을 켤 때 접근할 수 있는 ''바이오스 구성 유틸리티''(BCU^[8]) 또는 "바이오스 설정 유틸리티"가 포함되는 것이 일반적이었다. 이 프로그램은 사용자가 키보드를 통해 제어되는 대화형 메뉴 시스템을 통해 시스템 구성 옵션을 설정할 수 있게 했다.

IBM AT를 포함한 IBM 호환 PC는 배터리 백업 RAM에 구성 설정을 저장하고, ROM이 아닌 플로피 디스크의 부팅 가능한 구성 프로그램을 사용하여 이 메모리에 포함된 구성 옵션을 설정했다. EISA 버스를 가진 컴퓨터에도 일반적으로 적용되었으며, 구성 프로그램은 EISA 구성 유틸리티(ECU)라고 불렸다.

현대 윈텔 호환 컴퓨터는 1990년대 후반의 ROM 상주 바이오스 설정 유틸리티와 본질적으로 동일한 설정 루틴을 제공한다. 사용자는 키보드와 비디오 디스플레이를 사용하여 하드웨어 옵션을 구성할 수 있다. 현대 윈텔 머신은 바이오스 자체를 담고 있는 것과 같은 플래시 ROM에 바이오스 구성 설정을 저장할 수 있다.

• 하드웨어 구성 요소 구성, 활성화 및 비활성화
• 시스템 시간 설정
• 부팅 순서 설정
• BIOS 사용자 인터페이스에 대한 액세스를 보호하고 악의적인 사용자가 무단 휴대용 저장 장치에서 시스템을 부팅하는 것을 방지하기 위한 암호 또는 시스템 부팅 암호와 같은 다양한 암호 설정

7. 1. 하드웨어 모니터링

7. 2. 재프로그래밍 (플래싱)

8. 하드웨어

초창기 IBM PC BIOS (및 카세트 BASIC)는 마스크 프로그래밍된 읽기 전용 메모리(ROM) 칩에 저장되어 마더보드 소켓에 삽입되었다. ROM은 사용자가 교체할 수 있었지만^[41] 변경할 수는 없었다. 업데이트를 위해 많은 호환 컴퓨터들이 EPROM, EEPROM, 이후에는 플래시 메모리(일반적으로 NOR 플래시) 같은 재프로그래밍 가능한 BIOS 메모리 장치를 사용했다. BIOS 제조업체 Micro Firmware의 사장인 Robert Braver에 따르면, '''플래시 BIOS''' 칩은 전기적으로 지울 수 있는 PROM(EEPROM) 칩이 표준 자외선으로 지울 수 있는 PROM(EPROM) 칩보다 저렴하고 프로그래밍하기 쉬워 1995년경에 널리 사용되었다. 플래시 칩은 회로 내에서 프로그래밍(및 재프로그래밍)되는 반면, EPROM 칩은 재프로그래밍을 위해 마더보드에서 제거해야 한다. BIOS 버전은 최신 버전의 하드웨어를 활용하고 이전 BIOS 개정판의 버그를 수정하기 위해 업그레이드된다.

IBM AT부터 PC는 BIOS를 통해 설정 가능한 하드웨어 시계를 지원했다. 여기에는 2000년이 되었을 때 세기를 수동으로 변경할 수 있는 세기 비트가 있었다. 1995년에 만들어진 대부분의 BIOS 개정판과 1997년의 거의 모든 BIOS 개정판은 시계가 1999년 12월 31일 자정을 넘을 때 세기 비트를 자동으로 설정하여 2000년을 지원했다.

첫 번째 플래시 칩은 ISA 버스에 부착되었다. 1998년부터 BIOS 플래시는 "펌웨어 허브"(FWH)로 알려진 새로운 표준 구현에 따라 LPC 버스로 이동했다. 2005년에는 BIOS 플래시 메모리가 SPI 버스로 이동했다.^[42]

BIOS의 크기와 BIOS가 저장될 수 있는 ROM, EEPROM 또는 기타 미디어의 용량은 코드에 새로운 기능이 추가됨에 따라 시간이 지나면서 증가했다. 현재 BIOS 버전은 최대 32MB의 크기로 존재한다. 반면, 원래 IBM PC BIOS는 8 KB 마스크 ROM에 포함되었다. 일부 최신 마더보드는 전체 소형 운영 체제(예: 일부 리눅스 배포판)를 저장할 수 있는 더 큰 NAND 플래시 메모리 IC를 보드에 포함하고 있다. 예를 들어, 일부 ASUS 노트북에는 Splashtop OS가 NAND 플래시 메모리 IC에 내장되어 있다. 그러나 PC의 ROM에 BIOS와 함께 운영 체제를 포함한다는 아이디어는 새로운 것이 아니다. 1980년대에 Microsoft는 MS-DOS용 ROM 옵션을 제공했으며 Tandy 1000 HX와 같은 일부 PC 클론의 ROM에 포함되었다.

또 다른 유형의 펌웨어 칩은 IBM PC AT 및 초기 호환 장치에서 발견되었다. AT에서 키보드 인터페이스는 자체 프로그래밍 가능한 메모리가 있는 마이크로컨트롤러로 제어되었다. IBM AT에서는 40핀 소켓 장치였으며 일부 제조업체는 EPROM과 비슷한 이 칩의 EPROM 버전을 사용했다. 이 컨트롤러에는 1MB 범위를 초과하는 메모리를 관리하기 위해 A20 게이트 기능도 할당되었다. 상위 메모리를 사용할 수 있는 소프트웨어를 활용하기 위해 이 "키보드 BIOS"를 업그레이드해야 하는 경우가 있었다.

BIOS에는 메모리 참조 코드(MRC) 같은 구성 요소가 포함될 수 있으며, 이는 메모리 초기화(예: SPD 및 메모리 타이밍 초기화)를 담당한다.

최신 BIOS^[43]에는 인텔 관리 엔진 또는 AMD 플랫폼 보안 프로세서 펌웨어가 포함되어 있다.

9. 공급 업체 및 제품

과거 주요 BIOS 공급 업체로는 아메리칸 메가트렌드(AMI), 어워드 소프트웨어, 피닉스 테크놀로지스 등이 있었다. 이들은 "독립 BIOS 공급업체" (IBV)로 불렸으며, 많은 PC 마더보드 제조업체에 BIOS "코어" 및 툴킷을 라이선스 형태로 제공했다. 마더보드 제조업체는 이를 기반으로 자체 하드웨어에 맞게 BIOS를 수정했다. 따라서 업데이트된 BIOS는 일반적으로 마더보드 제조업체를 통해 얻어야 했다.

Microid Research와 어워드 소프트웨어는 1998년에 피닉스 테크놀로지스에 인수되었다. 피닉스는 이후 Award 브랜드 이름을 단계적으로 폐지했지만, 최신 AwardBIOS 버전과 UEFI 펌웨어에서는 여전히 Award Software가 언급되고 있다. 제너럴 소프트웨어는 2007년 피닉스에 인수되었으며, 인텔 프로세서 기반 임베디드 시스템용 BIOS를 판매했다.

SeaBIOS는 오픈 소스 BIOS 구현이다.

10. 오픈 소스 BIOS 대체

오픈 소스 커뮤니티는 독점적인 바이오스(BIOS)와 미래의 파생 제품을 오픈 소스 대안으로 대체하기 위한 노력을 강화했다. 오픈 펌웨어는 부팅 펌웨어에 대한 개방형 사양을 만들기 위한 초기 시도였다. 이 기술은 처음에 IEEE에서 ''IEEE 1275-1994'' 표준으로 승인되었지만 2005년에 철회되었다.^[46][47] 이후의 예로는 OpenBIOS, coreboot, libreboot 프로젝트가 있다. AMD는 coreboot를 사용하는 일부 칩셋에 대한 제품 사양을 제공했으며, 구글은 이 프로젝트를 후원하고 있다. 메인보드 제조업체인 Tyan은 자사의 Opteron 라인업 메인보드와 함께 표준 바이오스(BIOS) 외에 coreboot를 제공한다.

11. 보안

BIOS 재기록은 컴퓨터를 사용할 수 없게 만들 수 있는 위험한 작업이다. 특히, 재기록 중 정전 등으로 인해 실패하면 컴퓨터가 전혀 부팅되지 않을 수 있다. 이러한 위험을 줄이기 위해, 일부 마더보드는 BIOS 손상으로부터 복구하기 위한 백업 BIOS를 제공하는 듀얼 바이오스 방식을 사용한다.^[48]

BIOS를 공격하는 바이러스도 알려져 있다. 대표적인 예로, 1998년에 등장한 CIH 바이러스(체르노빌 바이러스)는 호환 가능한 칩셋에서 플래시 ROM BIOS 내용을 지워 컴퓨터를 부팅 불능 상태로 만들 수 있었다.^[48] 하지만 최신 시스템은 CIH에 취약하지 않은 칩셋과 플래시 ROM IC를 사용하고, 우발적인 BIOS 재작성으로부터 보호하기 위한 부트 블록 또는 듀얼/쿼드 BIOS를 장착하는 경우가 많다.^[48] 또한, 최신 운영 체제는 사용자 모드 프로그램이 하드웨어에 직접 접근하는 것을 허용하지 않아 BIOS 바이러스의 위험이 줄었다.^[48]

1999년경부터는 BIOS ROM을 2개 이상의 영역으로 분할하여, 출하 후 재기록하지 않는 부트 블록과 재기록하는 부분을 설정하는 부트 블록 방식이 채택되었다. 부트 블록에는 BIOS 재기록을 위한 최소한의 기능이 포함되어 있어, 재기록 실패 시에도 부트 블록을 사용하여 다시 재기록을 시도할 수 있다.

최신 인텔 플랫폼은 시작 시 BIOS 디지털 서명을 확인하는 인텔 부트 가드(IBG) 기술을 사용한다. IBG 공개 키는 PCH에 퓨즈되어 최종 사용자가 이 기능을 비활성화할 수 없다.

델과 같은 일부 주문자 상표 부착 생산(OEM) 업체는 BIOS 내부에 소프트웨어 라이선스 설명 테이블(SLIC)이라는 디지털 서명을 삽입하기도 한다. SLIC는 ACPI 데이터 테이블에 삽입되며, 마이크로소프트 윈도우와 마이크로소프트 응용 소프트웨어의 OEM 버전 라이선스 인증에 사용된다.^[24][25]

12. 대안 및 후계자

UEFI(통합 확장 펌웨어 인터페이스)는 많은 새로운 기기에서 BIOS를 보완하거나 대체한다.^[58] UEFI는 원래 인텔 아이테니엄 아키텍처용으로 작성되었으나, 현재는 x86 및 Arm 플랫폼에서도 사용할 수 있다. UEFI 사양 개발은 Unified EFI 포럼이라는 산업 특별 관심 그룹이 주도한다. UEFI 부팅은 GPT를 지원하는 마이크로소프트 윈도우 버전, 리눅스 커널 2.6.1 이상, 그리고 인텔 기반 맥의 macOS에서만 지원된다. 새로운 PC 하드웨어는 주로 UEFI 펌웨어를 사용한다. 그러나 UEFI는 루트킷 보호 기능 때문에 사용자가 소프트웨어를 변경하는 것을 막을 수 있어, 오픈 하드웨어 커뮤니티에서는 레거시 BIOS를 대체하는 UEFI에 대해 논란이 있다. Windows 11은 UEFI 부팅을 필수로 요구하며,^[54] Windows 11 IoT 엔터프라이즈 에디션은 예외이다. UEFI는 Windows 8^[55][56] 이상이 설치된 장치에 필수적이다.

x86 시스템에서 "레거시 BIOS" 기능을 대체하는 다른 대안으로는 coreboot와 libreboot가 있다.

일부 서버와 워크스테이션은 Forth 프로그래밍 언어를 기반으로 하는 플랫폼 독립적인 Open Firmware (IEEE-1275)를 사용한다. Sun의 SPARC 컴퓨터, IBM의 RS/6000 라인, CHRP 마더보드와 같은 PowerPC 시스템, 그리고 x86 기반 OLPC XO-1에 포함되어 있다.

2015년 애플(Apple Inc.)은 인텔 기반 맥에서 레거시 BIOS 지원을 제거했다. 따라서 BIOS 유틸리티는 더 이상 레거시 옵션을 지원하지 않으며 "이 시스템에서는 레거시 모드를 지원하지 않습니다"라고 출력한다.

2017년 인텔은 2020년까지 레거시 BIOS 지원을 제거할 것이라고 발표했다. 2019년부터 새로운 인텔 플랫폼 OEM PC는 더 이상 레거시 옵션을 지원하지 않는다.^[57]

참조

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_[58] 웹사이트 BIOSに代わるファームウェア“UEFI”とは一体何か？ 1/2 | 震撼性能！ Sandy Bridgeに死角なし!! | DOS/V POWER REPORT http://www.dosv.jp/f[...]
_[59] 웹사이트 "R.I.P. BIOS: A UEFI Primer" http://www.pcworld.c[...] PCWorld 2014-01-27
_[60] 문서 x86用のコードではプロセッサの構造上リアルモードで命令セットを使わざるを得ないという制限もある。