PC Werkstatt Ausgabe 2000- P25 ppsx

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> Prozessor in der Tastatur: 8048

Auswertung der Tastaturmatrix und Umwandlung in serielle Daten

> Echtzeituhr: Motorola MC146818

Batteriegepufferte Echtzeituhr mit RAM, welches zur Speicherung der Compu-terkonfiguration verwendet wird (CMOS-RAM für BIOS-Setup)

Die Unterscheidung in PC-, XT- oder AT-Computer ist schon seit längerer Zeit nicht

mehr üblich, und es wird allgemein von einem PC (Personal Computer) gesprochen,

wenn ein IBM-kompatibler Computer gemeint ist Die Bezeichnungen der Prozesso-ren werden stattdesssen der PC-Bezeichnung vorangestellt (z.B Pentium-PC)

6.3.3 Chipset-Weiterentwicklung

Die oben kurz erläuterten Bauelemente eines PC (oder AT) sind die wichtigsten auf

den entsprechenden Mainboards, und auch die damaligen PC-Clones haben diese in

der gleichen Art und Weise verwendet Dabei kommen jedoch noch zahlreiche wei-tere Chips in üblicher TTL-Logik zum Einsatz, wie beispielsweise Treiber und Latches für die Datenumsetzung zwischen den einzelnen Bussystemen auf dem Mainboard, die hier der Einfachheit halber aber keine Rolle spielen

Mit den 286-Mainboards begannen neben Intel auch weitere Hersteller wie bei-spielsweise Chips&Technologies damit, sich der Standardbauelemente (8237, 8254 usw.), die auch heute noch einzeln in jedem gut sortierten Elektronikladen erhält-lich sind, auf den Mainboards zu entledigen und deren Funktionen zu einigen wenigen speziellen Chips zusammenzufassen Mehr Funktionen mit immer weniger Bauelementen ist dabei die Devise, die durch die rasche Fortentwicklung der Halb-leitertechnologie erreicht wurde

Was mit den 286-Mainboards begann, wurde mit den folgenden Generationen kon-sequent weitergeführt und resultiert in einer Vielzahl unterschiedlicher Chipsätze von verschiedenen Herstellern, die hardwaretechnisch gesehen prinzipiell recht unterschiedlich ausgelegt sein können, wobei das BIOS sie alle für die Software-seite angleicht

Insbesondere 486-Mainboards gibt es in zahlreichen Varianten mit Chipsätzen bei-spielsweise der Firmen Opti, UMC, ETEQ, SiS und natürlich Intel, die allerdings erst wieder mit den Pentium-Chipsets an die Konkurrenz technologisch aufschließen konnten, und bis zu diesem Zeitpunkt spielten Chipsätze von Intel am Markt keine bedeutende Rolle

Das folgende Bild zeigt die prinzipielle Schaltung eines recht häufig auf ISA-Main-boards eingesetzten Chipsatzes der Firma SiS

Neuere Chipsätze – für Pentium-CPUs – (Kapitel 6.12) kommen noch mit weit weni-ger Bauelementen aus, da sie über einen höheren Integrationsgrad verfügen Der SiS-Chipsatz besteht aus den folgenden drei Chipset-Bauelementen und enthält die angegebenen Schaltungseinheiten bzw realisiert die entsprechenden Funktionen:

SiS85C401: CPU-Control Interface

> Cache Controller

> DRAM-Controller

> Shadow-RAM-Einstellung

> Fast-Gate A20-Umschaltung

> Interleave und Page-Mode-Einstellung

> Interface für optionalen Weitek-Coprozessor (4167)

Bild 6.31: Das Blockschaltbild eines Mainboards mit einem sehr gebräuchlichen Chipsatz der Firma SiS

SiS85C402: Bus-Controller/Data Buffer

> ISA-Bus-Steuerung

> Bustakt-Einstellung

> Parity Logik

> NMI-Logik

> Wait State Logik

SiS-85C206-Peripherie-Controller

> Zwei Interrupt-Controller 8259

> Zwei DMA-Controller 8237

> 74LS612 Memory-Mapper für DMA-Controller

> Timer/Counter 8254

> Uhr/CMOS-RAM MC146818

> Diverse Interfaces für die Anpassung an den Peripherie-Bus (Peripheral-Bus)

Der Peripherie-Controller 85C206 ist auch von anderen Herstellern (Opti, Chips&-Technologies) auf Mainboards zu finden, wobei die Zahl 206 stets in der hersteller-spezifischen Chipbezeichnung geführt wird Er stellt den Standard-Peripherie-Chip auf 486-Mainboards dar Die oben angegebenen integrierten Funktionen des Con-trollers zeigen im Vergleich mit dem Aufbau eines AT-Mainboards (Bild 6.30) recht deutlich, dass hier eine ganze Reihe von einzelnen Bauelementen des ursprüngli-chen PC/AT-Designs »in diesen Chip gewandert sind«

Des Weiteren sind auch hier für die Kopplung der unterschiedlichen Bussysteme auf dem Mainboard einige Treiber (Buffer) nötig Ein Tastatur-Controller zur Datenum-setzung der von einer Tastatur gelieferten Daten (und auch für deren Programmie-rung) befindet sich üblicherweise auf jedem Mainboard, wie beispielsweise der er-wähnte Typ 8042, der 8742 oder auch ein vergleichbarer Baustein, der im Prinzip bis heute der »alte« geblieben und kein Bestandteil des eigentlichen Chipsatzes ist Nach diesen Chipsatz-Betrachtungen werden in den folgenden Kapiteln die wich-tigsten Peripherie-Chips näher erläutert, und auch wenn sich diese nicht auf einem Mainboard wiederfinden lassen, da sie eben in den Chipsatz-spezifischen Bauele-menten enthalten sind, arbeitet ein PC genauso, als wenn sie auf dem Mainboard als einzelne Chips realisiert wären

Ausführliche Erläuterungen zu den aktuellen Chipsätzen finden sich ab Kapitel 6.12

6.4 Das Basic Input Output System

Da die Palette der PCs mittlerweile von solchen mit 8088-Prozessor bis zu denjeni-gen mit Pentium-Prozessor reicht, sind die Unterschiede in der Hardware natürlich sehr groß Es existiert besonders für Computer mit einem 386- oder einem 486-Prozessor eine Vielzahl verschiedener Chipsätze, die einen hohen Integrationsgrad aufweisen Wurden für die älteren PCs noch einzelne Bausteine für den Interrupt-Controller (8259), den DMA-Interrupt-Controller (8237), den Timer (8253/8254) und die Uhr/ CMOS-RAM (MC146818) verwendet, so enthält heute ein einziger Baustein diese Elemente Die Hersteller der BIOS-Software passen die BIOS-Routinen an die ver-schiedenen Chipsätze an, so dass sich für den Anwender von der Softwareseite her keine Unterschiede ergeben Das BIOS eines PC ist somit auch der Schlüssel zur PC-Kompatibilität

6.4.1 BIOS-Speicherbausteine

In jedem PC befinden sich ein oder mehrere ROMs (bis zu vier auf einigen älteren Boards), die die grundlegende Software für die Kommunikation des Betriebssystems mit der Hardware enthalten – das BIOS Der Inhalt der ROMs ist nicht veränderbar Wird einmal eine neue Version benötigt, die beispielsweise neuere Laufwerke un-terstützt, dann müssen die Bausteine ausgetauscht werden Befinden sich zwei ROMs im System, ist das eine meist mit EVEN oder LOW und das andere mit ODD oder HIGH bezeichnet

Das EVEN-ROM wird mit den geraden Adressen (den unteren) und das ODD-ROM mit den ungeraden Adressen des Mikroprozessors angesteuert Die Software im ROM,

welche auch als Firmware bezeichnet wird, kann bei allen neueren Mainboards mit

Hilfe des Diskettenlaufwerks in das ROM »heruntergeladen« werden, wenn die In-stallierung einer neueren Version nötig sein sollte Neuere Mainboards verwenden üblicherweise nur einen einzigen Speicherbaustein für das BIOS

Auf dem Mainboard befinden sich in diesem Fall ein EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) oder ein Flash-Speicher; beide Typen sind

elek-trisch löschbar Die »normalen« ROMs sind demgegenüber nicht löschbar, da das Programm praktisch in den Chip »eingebrannt« ist Die elektrisch löschbaren Spei-cherbausteine kann man sich vereinfacht als Kombination aus einem RAM, das sowohl gelesen als auch beschrieben werden kann, und einem Nur-Lese-Speicher (ROM) vorstellen, dessen Inhalt demnach nach dem Abschalten der Versorgungs-spannung erhalten bleibt

Nur durch UV-Licht eines speziellen Löschgerätes sind hingegen die EPROMs lösch-bar, die ein Fenster besitzen, welches meist mit dem BIOS-Aufkleber zugedeckt ist, und ebenfalls als BIOS-Speicherbausteine verwendet werden Letzteres trifft je-doch nur für ältere Mainboards zu, denn die Flash-Memories enthalten außerdem Plug&Play-Informationen, die vom System automatisch aktualisiert werden, was bei der Verwendung von PROMs oder EPROMs nicht möglich ist Aus diesem Grund lässt sich zwar der Inhalt eines Flash-Speichers – per speziellem Programmiergerät – prinzipiell auch in ein EPROM programmieren, doch wird nachfolgend der Plug&-Play-Mechanismus nicht korrekt funktionieren Wenn sich ein BIOS als Plug&Play-Version (während der Initialisierung des PC) zu erkennen gibt, kann man mit Si-cherheit davon ausgehen, dass ein Flash-Speicher auf dem Mainboard für das BIOS verwendet wird

Bild 6.32: Aktuelle PCs besitzen nur einen einzigen Flash-Baustein, in welchem sich die

BIOS-Software befindet

Die Flash-Speicher sind eine Weiterentwicklung der EEPROMs und verwenden daher

im Prinzip auch die gleiche Technologie Die zusätzliche Dekodierlogik, mit der sich der Inhalt blockweise und nicht immer nur komplett ändern lässt (wie z.B bei EPROMs), ein Zustandsautomat (State Machine) für die Programmierung und Ladungs-pumpen für die Erzeugung der Programmierspannung sind in einem EEPROM teil-weise und bei einem Flash-Speicher komplett im Baustein selbst integriert Die EEPROMs benötigen daher – je nach Typ – etwas an Zusatzlogik, die auf dem Main-board realisiert ist, während Flash-Memories ohne diese auskommen

Ob sich auf dem Mainboard ein EEPROM oder ein Flash-Speicherbaustein befindet, ist aus diesem Grund für ein BIOS-Update (siehe Kapitel 6.4.5) im Prinzip nicht weiter von Bedeutung Wichtig ist jedoch – neben der Unterstützung durch ein geeignetes Writer-Programm – die Programmierspannung, die entweder 12 V oder

5 V beträgt, was vom jeweiligen Bausteintyp abhängig ist Die folgende Tabelle zeigt eine Reihe verschiedener EEPROM- und Flash-Typen mit den jeweils definier-ten Programmierspannungen

Vielfach unterstützt ein Mainboard nur einen bestimmten wiederbeschreibbaren Speichertyp für das BIOS und damit entweder nur 5 V oder nur 12 V Es gibt jedoch auch Ausnahmen, und dann findet sich auf dem Mainboard ein Jumper, der mit

Flash ROM Voltage Selector oder ähnlich bezeichnet ist und – je nach Stellung –

beide Programmierspannungen zur Verfügung stellen kann

Fortsetzung der Tabelle:

Tabelle 6.7: Wiederbeschreibbare Speichertypen, wie sie auf Mainboards für das BIOS zum Einsatz

kommen

6.4.2 Das Shadow-RAM für das BIOS

Neuere PCs verwenden im Gegensatz zu einigen älteren Modellen stets nur einen

einzigen BIOS-Baustein, der über den X-Bus – auch Peripheral Bus genannt –

ange-steuert wird An diesem Bus sind ebenfalls der Keyboard-Controller und ein Peri-pherie-Controller angeschlossen, wie es auch im Bild 6.31 erkennbar ist Der X-Bus

ist in einer Datenbreite von nur 8 Bit ausgeführt Das heißt, dass jeder Zugriff auf

das BIOS demnach in 8-Bit-Breite erfolgt

Aus diesem Grunde hat es durchaus Sinn, den BIOS-Inhalt in ein Shadow-RAM zu

kopieren, wie es üblicherweise im BIOS-Setup festgelegt werden kann Das Shadow-RAM ist ein spezieller Bereich im PC-Arbeitsspeicher, auf den bei allen 486-CPUs in einer Breite von 32 Bit und bei den Pentium-PCs mit 64 Bit zugegriffen wird, was eine beschleunigte Datenausgabe gegenüber dem Transfer direkt aus dem BIOS-ROM zur Folge hat

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Die Einschaltung von Shadow-RAM für das Systembios erlaubt statt eines 8-Bit-brei-ten Zugriffs einen 32 oder gar 64 Bit brei8-Bit-brei-ten auf die BIOS-Routinen, was zu einer

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schnelleren Datenübertragung führt.

Diese beschleunigte Datenverarbeitung der BIOS-Routinen ist üblicherweise nur unter DOS von spürbarem Gewinn, denn moderne Betriebssysteme wie etwa Win-dows 95 greifen nur in Ausnahmefällen auf die BIOS-Software zu, da sie eigene leistungsfähigere Software mitbringen Die Software des BIOS-ROM wird daher le-diglich für den Start des PC benötigt, bis das Betriebssystem geladen ist

6.4.3 Aufbau des BIOS

Das BIOS besteht aus einzelnen Modulen, auf die nicht mit Hilfe einer Adresse zugegriffen wird, sondern aus Gründen der Kompatibilität über Softwareinterrupt-Einsprünge Die Adressen dieser Einsprünge werden während des Bootens als

Tabel-le (Interrupt Vector TabTabel-le) in das RAM des PC im Bereich von 0000h–03FFh geladen Der Datentransfer vom Programm zum BIOS-Interrupt erfolgt dabei über die Pro-zessorregister In der folgende Tabelle sind einige der BIOS-Interrupts zur Über-sicht angegeben

BIOS-Interrupt Funktion

INT 00h Divisionsfehler

INT 01h Einzelschrittmodus

INT 02h Non Maskable Interrupt

INT 03h Unterbrechung, Breakpoint

INT 06h ungültiger Opcode

INT 08h IRQ0, System Timer

INT 09h IRQ1, Tastaturdaten verfügbar

INT 0Ah IRQ2, Drucker 2, IRQ 9

INT 0Dh IRQ 5, Festplatte

INT 0Eh IRQ6, Diskettenlaufwerk

INT 0Fh IRQ7, Drucker 1

INT 11h Systemkonfigurationstest

INT 14h serielle Schnittstellen

INT 15h diverses, Systemservice

Fortsetzung der Tabelle:

BIOS-Interrupt Funktion

INT 18h Boot-Fehler, diverses

INT 19h Urlader, Bootstrab Loader

INT 1Ah Echtzeituhr mit Kalender, PCI-I/O

INT 20h-FFh DOS- und Treiber-Interrupts

Tabelle 6.8: BIOS-Interrupts im Überblick

Als Beispiel sei die Ansteuerung der Grafikkarte mit Hilfe des Interrupt 10h ange-geben Enthält das Prozessorregister AH=2, ist dies die Funktion zum Positionieren des Cursors Mit den Registern DH und DL wird der Cursor an die gewünschte Stelle auf der Seite gesetzt, die durch den Inhalt des Registers BH bestimmt wird MOV AH, 2 ; Setze-Cursor-Funktion

MOV BH, 0 ; Seite 0

MOV DH, 2 ; Zweite Reihe

MOV DL,12 ; Zwölfte Spalte

INT 10H ; Interrupt 10h

6.4.4 PC-Initialisierung und -Speicheraufteilung

Nach dem Einschalten des PC oder der Betätigung der Tasten [Strg], [Alt] und [Entf] wird die Hardware initialisiert und der Selbsttest durchgeführt Hierzu wird die Adresse FFFE0h angesprungen, die CPU-Startadresse im ROM Das BIOS-ROM liegt im Bereich von FFFFFh-EFFFFh, wenn sich das BIOS in einem 27512 BIOS-ROM/ EPROM befindet Bei anderen ROMs ist der Bereich entsprechend kleiner oder grö-ßer, er beginnt aber immer bei der Adresse FFFFFh

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Der Selbsttest wird als Power On Self Test – kurz POST – bezeichnet und überprüft die

einzelnen Bestandteile des PC Mit Hilfe einer speziellen POST-Code-Karte können die einzelnen Codes angezeigt werden, die im Fehlerfall Aufschluss über die jeweilige

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Fehlerursache (DRAM, Cache usw.) liefern.

Während der Initialisierung wurde in das RAM des PC die bereits oben erwähnte Tabelle für die Interrupts geladen Die nachfolgend angegebenen Adressen sind nicht bei jedem BIOS identisch, die Tabelle 6.8 und die Interruptnummern sind jedoch bindend

Im Bereich von 00000h–0003Ch befinden sich allgemeine Interrupts,

beispielswei-se unter der Adresbeispielswei-se 00014h der Interrupt für die Print-Screen-Funktion Ab der Adresse 00020H lassen sich diejenigen Interrupts finden, die sich auf Hardware-Komponenten beziehen (IRQ0-IRQ7) So befindet sich der Interrupt IRQ 7 für die erste parallele Schnittstelle (Interrupt 0Fh) unter der Adresse 003Ch

Die BIOS-Interrupt-Vektoren sind zwischen Adresse 00040h und Adresse 0007Fh abgelegt Der wichtigste ist der BIOS-Urlader-Interrupt (Interrupt 19h) Er ist un-ter der Adresse 00064h zu finden Beim Aufruf dieses Inun-terrupts wird versucht, das Betriebssystem von Diskette oder Festplatte zu laden

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In diesem Buch wird bei der Angabe von Adressen teilweise mit der verkürzten Schreib-weise und nicht mit der längeren 32-Bit-Angabe gearbeitet Die längere kommt

im-○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○

mer dann zur Anwendung, wenn es für den Zusammenhang von Bedeutung ist.

Neben den BIOS-Softwareinterrupts gibt es außerdem die DOS-Interrupt-Vektoren, die im Prinzip genauso wie die BIOS-Interrupts geladen und eingesetzt werden Sie beziehen sich nicht direkt auf das BIOS, sondern demgegenüber auf DOS-Funktio-nen Zu den DOS-Interrupt-Vektoren (00080h-000FFh) gehört beispielsweise der Aufruf für das Beenden eines DOS-Programms (Interrupt 20h) unter der Addresse 00080h

Zu den allgemeinen Interrupts zählen beispielsweise derjenige für den Disketten-Typ (Adresse 00100h, Interrupt 40h) und auch die Hardware-Interrupts (IRQ8-IRQ15) sowie ab der Adresse 001C0h der Interrupt 70h für die Echtzeituhr/CMOS-RAM

Zur Ablage verschiedener Schnittstellenparameter wird ein BIOS-Datenbereich be-nötigt, der sich ab der Adresse 00400h befindet So findet man unter dieser

Adres-se diejenige für die erste Adres-serielle Schnittstelle An dieAdres-sen BIOS-Datenbereich (00400h-004FFh) schließt sich der DOS-Datenbereich (00500h-005FFh) an Hier befinden sich die Daten und Adressen für das DOS-Betriebssystem

Die eigentlichen Programme werden ab Adresse 00600h abgelegt Besitzt der PC lediglich einen Arbeitsspeicher von 640 Kbyte, reicht dieser Bereich bis zur

Adres-se 09FFFh Oberhalb dieAdres-se Bereiches schließen sich das RAM und das BIOS der Grafikkarte an Der Bereich von C0000h-FFFFFh kann üblicherweise als Shadow-RAM benutzt werden In dieses Shadow-RAM können das System-BIOS-, das BIOS der Grafik-karte und das BIOS von weiteren Karten mit eigenem BIOS, wie beispielsweise von einem SCSI-Laufwerkscontroller, geladen werden Ermöglicht wird diese Funktion über den BIOS-Setup des PC Was sich im Einzelnen ab der Adresse C8000h bis hin zum System-BIOS befindet, hängt von der jeweiligen PC-Ausstattung ab und kann nicht ohne Weiteres verallgemeinert werden Nicht benutzte Bereiche können für das Hochladen von Treibern (Loadhigh, Devicehigh) verwendet werden, damit der Arbeitsspeicher bis 640 Kbyte nicht unnötigerweise verkleinert wird Jedes zu la-dende Betriebssystem (DOS, Windows 3.x, Windows 95) verlangt hier mindestens einen freien Speicher von typisch 450 Kbyte, damit es überhaupt noch booten kann

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Das Hochladen von Treibern und Programmen sorgt für einen möglichst großen Hauptarbeitsspeicher, der insbesondere für DOS-Spiele notwendig ist Genaue

Infor-○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○

mationen finden sich hierfür im Kapitel 8.

Bei PCs, die nicht mit einem Flash-Speicher als BIOS-Chip arbeiten, sondern typischer-weise mit einem EPROM (Typ 27512, 64k x 8 Bit), ergibt sich dadurch ein Vorteil für das Hochladen von Treibern, da ein Flash-Speicher (Typ 28F001 o.Ä siehe Tabelle 6.1) die doppelte Kapazität aufweist (128 K x 8 Bit) und dementsprechend 64 Kbyte zusätzlich belegt

Gerade in der Übergangszeit von den Mainboards mit EPROM zu denen mit Flash-Speicher und der Verwendung von DOS/Windows 3.x hat dies zu Problemen ge-führt, denn was zuvor problemlos »hochgeladen« werden konnte (Soundkarten-, Netzwerk- und SCSI-Treiber), passte nun nicht mehr gemeinsam in den Bereich oberhalb des Arbeitsspeichers, was zur Folge hatte, dass das Betriebssystem aus Speichermangel nicht mehr starten konnte

Glücklicherweise hat sich dies durch die Verwendung von Windows 95, das eigene Treiber (32 Bit) für diese Komponenten mitbringt, geändert, denn es lädt diese erst, wenn der Bootvorgang des Betriebssystems eingesetzt hat, und nicht wie bei DOS vorher via CONFIG.SYS und AUTOEXEC.BAT, wie es zum Start von Windows 3.x nötig ist

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Bei PCs, die nicht mit einem Flash-Speicher arbeiten, ist der Bereich zum Hochladen von Treibern typischerweise um 64 Kbyte größer, was sich als Vorteil bei DOS und

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Windows-3.x-Anwendungen erweist.

Als letzten Schritt des Selbsttests/der Initialisierung aktiviert das BIOS-ROM den Interrupt 19h Er ist für das Booten, d.h das Laden des Betriebssystems, zuständig Der Boot-Record wird vom Laufwerk A (Seite 0, Spur 0, Sektor 1) in den Speicher ab Adresse 07C00h geladen Ist das Laufwerk nicht verriegelt – es ist keine Diskette eingelegt –, wird versucht, von der Festplatte zu booten Im Boot-Record sind ein Programm zum Laden des DOS enthalten sowie Parameter der Diskette oder

Festplat-te Mit Hilfe dieser Parameter wird die Position der Dateizuordnungstabelle (FAT, File Allocation Table), quasi das Datenformat und das Inhaltsverzeichnis der Diskette

oder Festplatte, ermittelt Dann kann die erste Datei geladen werden Dies ist die versteckte Datei IO.SYS, mit der zusätzliche BIOS-Routinen installiert sowie Informa-tionen über die Laufwerke abgelegt werden

Danach wird die ebenfalls als versteckt markierte Datei MSDOS.SYS geladen, die für die Umsetzung der DOS-Befehle in BIOS-Aufrufe verantwortlich ist Sie stellt den eigentlichen Kern des Betriebssystems dar Nach dem Laden des Kommando-inter-preters COMMAND.COM, dem Manager des Betriebssystems, ist der Bootvorgang im Prinzip abgeschlossen und das Betriebssystem initialisiert Die Speicheraufteilung stellt sich dann, wie in Tabelle 6.9 angegeben, dar