BIOS kończy 40 lat. Jak powstał?

Pierwsza wersja oprogramowania układowego dla IBM PC 5150 skończyła niedawno 40 lat. Kostka U33, opatrzona numerem części 5700051 i obecna na płycie głównej w pierwszym pececie, zawierała 8 kilobajtów kodu BIOS, ukończonego 24 kwietnia 1981.

Poszlaki wskazują, że nowe wersje BIOS-u były dostępne dla programistów IBM natychmiast, równolegle trwały bowiem prace nad systemem MS-DOS dla PC oraz językiem BASIC. W ich rozwój zaangażowany był także Microsoft (na bardzo preferencyjnej licencji).

BASIC, dostarczany w postaci 32-kilobajtowego interpretera, także był montowany bezpośrednio na płycie głównej i osiągnął wersję 1.0 dzień później, 25 kwietnia. Obecność BASIC-a sprawiała, że IBM PC był używalny nawet bez systemu operacyjnego. W swoim najtańszym wariancie, pierwszy pecet był zaopatrzony jedynie w 16 kilobajtów pamięci i nie zawierał napędów dyskietek. Możliwa była jedynie komunikacja z wykorzystaniem taśm magnetofonowych.

Dziś określenie "BIOS" jest potocznie stosowane jako nazwa programu BIOS Setup (lub interfejsu UEFI), służącego do podstawowej konfiguracji sprzętu i dostępnego przed rozruchem systemu operacyjnego. W praktyce jednak BIOS oznacza coś innego. Jest to kod odpowiedzialny za inicjalizację urządzeń, uruchomienie systemu operacyjnego i dostarczenie podstawowych "usług" dla systemu operacyjnego, stanowiąc elementarną warstwę abstrakcji.

W założeniu projektowym 5150, BIOS miał być na tyle podstawowym kodem, że sens miało uwspólnienie go i umieszczenie bezpośrednio na płycie głównej. Co to oznacza? Przed pecetem, mikrokomputery budowano w oparciu o sztywny, sprzętowy model rozruchu. W takich komputerach, pierwszy kod wykonywany przez procesor to kod z ROM-u, zawierający jedynie bootloader systemu operacyjnego. To system zajmuje się ustanowieniem komunikacji z urządzeniami. Dla każdego komputera, rzecz jasna, warstwa obsługi sprzętu musiała być odmienna.

W przypadku PC problem rozwiązano inaczej. Duża część kodu odpowiedzialnego za sprzęt została przeniesiona z systemu bezpośrednio do sprzętu, tworząc BIOS. Dzięki temu, po pierwsze, system operacyjny musiał implementować znacznie mniej niskopoziomowych funkcji - a po drugie, obecność BIOS-u definiowała ramy tego, czego można "spodziewać się" po komputerze. Umożliwiło to standaryzację, a w efekcie odciążenie programisty.

BIOS sprawił, że komputer osobisty stał się bardziej elastycznym środowiskiem. Skorzystali na tym twórcy systemów operacyjnych. Być może pojawi się w tym miejscu pytanie: skoro zintegrowano tyle kodu w kostce na płycie głównej, dlaczego nie zintegrować w ogóle całego systemu operacyjnego? To pytanie ma wbrew pozorom sporo sensu i istniały urządzenia z MS-DOS, gdzie tak robiono (np. palmtopy HP LX).

Ale nie było jasne, że każdy pecet ma mieć MS-DOS (a raczej PC DOS), licencje na oprogramowanie były drogie, nie było jednoznacznego zwycięzcy wojen standardów, a zintegrowanie systemu ze sprzętem wymusiłoby na programistach stosowanie konkretnych API. MS-DOS, zwłaszcza w swojej pierwszej wersji, oferował dramatycznie skromne API, ale IBM bardzo chciał uniknąć zamykania się na alternatywy. Dlatego projekt forsował dowolność w kwestii systemu operacyjnego.

Nadmiar dowolności w PC to problem, z którym platforma borykała się przez wiele następnych lat.

Kostka U33 nie jest "chipsetem" ani magicznym układem "podnoszącym" sprzęt podczas rozruchu, oddającym następnie kontrolę procesorowi. To nie te czasy. BIOS to po prostu pierwszy kod wykonywany przez główny procesor peceta, czyli iAPX 88. Człowiek nie jest w stanie napisać ośmiu kilobajtów kodu maszynowego. Istotnie, BIOS PC jest napisany w asemblerze. Musiał zatem powstać na jakimś poprzedniku IBM PC. Co nim było?

Wiele wskazuje na to, że były to dedykowane maszyny deweloperskie, oferowane producentom sprzętu zamawiającym procesory Intela. W przypadku komputera IBM PC XT, BIOS stworzono na komputerze Intellec MDS-800, z procesorem 8080 i pracującym pod kontrolą systemu ISIS-II. Zdecydowanie nie były to zestawy ogólnego przeznaczenia. Komputery MDS służyły to tworzenia dedykowanego oprogramowania dla nowych układów Intela. Zawierały asembler, linker i debugger, ale poza tym nie nadawały się do niczego.

ISIS-II powstał jednak w maju 1981. Pierwszy BIOS stworzono więc albo na poprzedniku MDS-800 albo z wykorzystaniem wcześniejszej wersji ISIS i wczesnego wariantu intelowskiego asemblera. Oczywiście, sprawa staje się nieskończenie łatwiejsza, gdy już stworzy się taki BIOS. Jego następców pisze się już po prostu na tym samym sprzęcie, na którym mają działać…

Dzisiejsze komputery odchodzą już od używania BIOS-u. UEFI zmieniło sposób, w jaki zachowuje się platforma PC. IBM nie robi już komputerów, jego spadkobiercą jest Lenovo. Najnowsze komputery Lenovo, jak ThinkPad X, nie zawierają już nawet trybu zgodności z BIOS-em. Podobnie sprawa wygląda z komputerami Microsoft Surface. Definicja "platformy PC" nie wiąże się już dziś z udostępnianiem kodu źródłowego BIOS-u w formie załącznika do instrukcji obsługi. Żyjemy w zupełnie innej rzeczywistości.