Cómo el firmware BIOS/UEFI carga y ejecuta el código de arranque inicial.?

Vamos a desglosar cómo el firmware (BIOS/UEFI) carga y ejecuta el código de arranque inicial, los lenguajes de programación involucrados, la estructura de inicialización, los componentes sobre los que actúa y cómo los controla.

Cómo el Firmware (BIOS/UEFI) Carga y Ejecuta el Código de Arranque Inicial:

El proceso varía ligeramente entre BIOS (más antiguo) y UEFI (más moderno), pero la meta es la misma: inicializar el hardware básico y transferir el control a un cargador de arranque que pueda cargar el sistema operativo. 

 

BIOS (Basic Input/Output System)

Proceso con BIOS (Basic Input/Output System):

1. Encendido (Power-On Self-Test - POST): Al encender la computadora, la BIOS realiza una serie de pruebas para verificar que los componentes de hardware esenciales (CPU, memoria, tarjeta gráfica, etc.) funcionen correctamente. Si se detecta un error crítico, el sistema puede emitir pitidos o mostrar un mensaje de error y detenerse.
2. Búsqueda de un Dispositivo de Arranque: Si el POST es exitoso, la BIOS busca un dispositivo de arranque. El orden de búsqueda está configurado en la configuración de la BIOS (a la que se accede presionando una tecla específica durante el inicio, como Del, F2, F12, etc.). Los dispositivos de arranque comunes incluyen discos duros, SSDs, unidades USB, DVDs y la red.
3. Lectura del MBR (Master Boot Record): Una vez que se encuentra un dispositivo de arranque, la BIOS lee los primeros 512 bytes de ese dispositivo. Este sector se conoce como el MBR (para discos con particiones MBR) o el primer bloque de la partición activa (en algunos sistemas más antiguos).
4. Ejecución del Código del MBR: El MBR contiene un pequeño fragmento de código ejecutable (el cargador de arranque de primera etapa) y la tabla de particiones. La BIOS carga este código en la memoria y luego salta a su dirección de inicio para ejecutarlo.
5. Transferencia al Cargador de Arranque: El código en el MBR es generalmente muy pequeño y su única tarea es encontrar y ejecutar el cargador de arranque de segunda etapa (que puede ser GRUB, LILO en sistemas Linux antiguos, el Administrador de Arranque de Windows, etc.) que reside en alguna parte del sistema de archivos de la partición de arranque. 

 

UEFI (Unified Extensible Firmware Interface)

Proceso con UEFI (Unified Extensible Firmware Interface):

1. Encendido (POST y Inicialización Temprana): UEFI también realiza un POST, pero es mucho más sofisticado que el de la BIOS. Inicializa más componentes de hardware de forma temprana.
2. Búsqueda de Aplicaciones de Arranque UEFI: En lugar de depender del MBR, UEFI busca archivos con la extensión .efi en particiones con un tipo especial llamado "Partición del Sistema EFI" (ESP - EFI System Partition). Estas aplicaciones de arranque contienen los cargadores de arranque de los sistemas operativos.
3. Uso de Variables de Arranque: UEFI utiliza variables de arranque almacenadas en la memoria no volátil para determinar qué aplicación de arranque ejecutar y en qué orden. Estas variables pueden ser configuradas por el usuario o por el proceso de instalación del sistema operativo.
4. Ejecución de la Aplicación de Arranque: UEFI carga y ejecuta la aplicación de arranque .efi especificada. Esta aplicación es el cargador de arranque (como GRUB o el Administrador de Arranque de Windows).
5. Transferencia al Sistema Operativo: El cargador de arranque de la aplicación .efi se encarga de cargar el kernel del sistema operativo y transferir el control a él. 

 

Lenguajes de Programación Utilizados:

El firmware (BIOS/UEFI) se desarrolla principalmente en lenguajes de bajo nivel para tener un control directo sobre el hardware:

• Ensamblador (Assembly Language): Históricamente, gran parte del código de la BIOS se escribía en ensamblador específico para la arquitectura del procesador (por ejemplo, x86). El ensamblador permite un control muy preciso sobre las instrucciones de la CPU y el acceso a la memoria y los registros del hardware.
• C: Con la evolución de UEFI, el lenguaje C se ha vuelto predominante en el desarrollo del firmware moderno. C ofrece un buen equilibrio entre el control de bajo nivel y la portabilidad (aunque el firmware sigue siendo muy específico del hardware). Las extensiones de C y otros lenguajes de bajo nivel también pueden utilizarse para partes específicas. 

 

Estructura para Inicializar los Componentes:

La inicialización del hardware por parte del firmware sigue una estructura secuencial, aunque puede haber cierto paralelismo en sistemas más modernos:

1. Inicialización de la CPU: Configuración de los registros básicos, modo de operación y otras características fundamentales del procesador.
2. Inicialización de la Memoria: Prueba de la memoria RAM (parte del POST), configuración de los controladores de memoria y establecimiento de la asignación de direcciones de memoria.
3. Inicialización de la Tarjeta Gráfica: Inicialización básica para poder mostrar información en la pantalla (mensajes de POST, interfaz de configuración del firmware).
4. Inicialización de la Placa Base (Chipset): Configuración de los puentes norte y sur (o el equivalente moderno en arquitecturas más integradas) que interconectan los diferentes componentes. Esto incluye la configuración de buses (PCIe, SATA, USB, etc.).
5. Inicialización de Dispositivos de Almacenamiento: Detección y configuración básica de los discos duros, SSDs y otros dispositivos de almacenamiento para poder acceder a su contenido (incluyendo la lectura del MBR o la ESP).
6. Inicialización de Otros Periféricos: Inicialización básica de otros dispositivos esenciales como el teclado y el ratón (especialmente en la BIOS para permitir la interacción con la configuración). 

 

Componentes Sobre los que Actúa el Firmware:

El firmware interactúa directamente con la mayoría de los componentes de hardware de la computadora en las etapas tempranas del arranque:

• CPU (Unidad Central de Procesamiento): Inicialización, configuración de modos de operación, gestión de la caché.
• Memoria RAM (Memoria de Acceso Aleatorio): Pruebas, configuración de la velocidad, asignación de direcciones.
• Chipset (Puente Norte y Sur o Controlador de Plataforma): Configuración de los buses de comunicación (PCIe, SATA, USB), gestión de la energía, control de interrupciones.
• Tarjeta Gráfica (GPU): Inicialización básica para la salida de video.
• Dispositivos de Almacenamiento (HDD, SSD, NVMe): Detección, configuración de la interfaz (SATA, NVMe).
• Puertos de Entrada/Salida (USB, Serie, Paralelo): Inicialización básica para la comunicación con periféricos.
• Reloj en Tiempo Real (RTC): Lectura de la fecha y hora del sistema.
• BIOS/UEFI ROM/Flash: La propia memoria donde reside el código del firmware. 

 

Cómo Controla el Firmware los Componentes:

El firmware controla los componentes de hardware interactuando directamente con sus registros y puertos de control a través de instrucciones de bajo nivel:

• Acceso a Puertos de E/S (Input/Output): El firmware puede leer y escribir datos directamente a direcciones de memoria especiales que están mapeadas a los registros de control de los dispositivos de hardware. Esto permite configurar el comportamiento de los dispositivos.
• Acceso a la Memoria Mapeada a Dispositivos (MMIO - Memory-Mapped I/O): Algunos dispositivos exponen sus registros de control directamente en el espacio de direcciones de la memoria principal. El firmware puede interactuar con ellos leyendo y escribiendo a estas direcciones de memoria.
• Instrucciones Específicas del Procesador: El firmware utiliza instrucciones específicas del procesador para configurar sus modos de operación, gestionar la memoria (a través de la Unidad de Gestión de Memoria - MMU), y controlar las interrupciones.
• Tablas de Configuración (ACPI en UEFI): En sistemas UEFI, el firmware utiliza tablas de configuración como ACPI (Advanced Configuration and Power Interface) para describir el hardware del sistema al sistema operativo. Esto permite que el SO controle el hardware de una manera más estandarizada. El firmware inicializa estas tablas para que el SO las pueda utilizar.
• Protocolos UEFI: UEFI define protocolos y servicios que las aplicaciones de arranque (como los cargadores de arranque) pueden utilizar para interactuar con el hardware de una manera más abstracta y uniforme.

En resumen, el firmware actúa como la capa fundamental que puentea el hardware con el software. Inicializa los componentes esenciales en un orden específico, los configura a través de la manipulación directa de sus registros, y finalmente transfiere el control a un cargador de arranque más sofisticado para que pueda cargar el sistema operativo completo. El lenguaje ensamblador y C son los lenguajes principales utilizados debido a su capacidad para interactuar directamente con el hardware.