nand坏为什么很多用了几十年的主板也没听说过BIOS的数据坏了的呢？

发布时间 : 2025-03-18

作者 : 小编

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为什么很多用了几十年的主板也没听说过BIOS的数据坏了的呢？

现代的UEFI BIOS除了传统BIOS的一些配置信息还在CMOS中，绝大部分需要存储的内容都被保存在闪存芯片中，在那里，还居住着BIOS的执行代码、ME的代码和存储部分，以及一些其他固件们（GBe，PMC，TB PHY等等）。闪存，也就是Flash，这个词汇经常出现在我们周围，这不，长江存储又刷屏了。但是，这种闪存是固态硬盘要用到的NAND Flash，而不是BIOS存储用到的NOR Flash。

BIOS之所以选用NOR，是看中了它的XIP，也就是eXecute in place特性。我粗陋的翻译为原地执行代码 ，而不需要加载Load到某块内存中执行。这个特性十分重要，因为在上电启动后，内存初始化还没有进行，没有内存可供使用，虽然我们可以将Cache偷过来做内存用一段时间（Cache As RAM，CAR），但总是没有直接用起来方便。在CAR好了之前的代码，都是在NOR Flash上直接执行的（XIP）。

BIOS芯片

尽管BIOS使用NOR Flash上已经有很长时间，但它和南桥芯片的接口在经历了从FWH到SPI的转变。十几年前闪存接口是传统的挂在LPC下面的FirmwareHub，那时的BIOS芯片长这样（现在有些古老主板上还可以找到它）：

ST FWH 2MB Flash

FWH闪存芯片管脚多，主板走线复杂，成本高，LPC总线速度慢，这些弊病让主板BIOS芯片在十几年前慢慢地向SPI NOR Flash芯片转移。现在的BIOS芯片几乎都是SPI芯片，如果你仔细寻找，你几乎可以在所有的台式机、笔记本、服务器、甚至是嵌入式系统中找到它的身影：

Winbound 25Q64BV

这是两个Winbond 8MB的芯片，左边是8个管脚的封装，一般用作笔记本和嵌入式系统上；右边是16 pin的封装，一般用作台式机和服务器中。

BIOS闪存芯片经历了一个逐渐变大的过程。从1MB到2MB，再到8MB，现在很多服务器已经用上了64MB的Flash。闪存内部要也不再仅仅是BIOS了，还有别的小伙伴杂居其中。如果你对闪存芯片内容好奇，可以用UEFITool 打开BIOS Image：

一个BIOS Image例子

可以看到，Flash开头是描述符Descriptor区域。里面的结构是Intel定义的，有其他各个区块的大小、位置和权限等信息，以及SoftStrap等等内容。BIOS的代码和存储只是其中一个区域，尽管在很多情况下是最大的区域。

BIOS区中的可变部分：Variable

BIOS区域中如何划分就是BIOS程序员自己做主了。一般被划分成很多区域（FV），一些是存储代码，一些是存储数据。存储数据是利用了NOR Flash的非易失（NVM）特性，简单来说就是掉电内容不丢失，这样用户的一些选项（setup options）才能长期存储。尽管用在固态硬盘的NAND Flash和BIOS芯片NOR Flash在存储原理上有很大不同，但一点却是相似的，那就是数据可以从1变成0，但不能从0变成1：

想要从0变1，要经历一个擦除操作，这就是闪存所以被称为Flash的原因。而闪存的寿命是由能够擦除多少次来决定的，在NAND Flash是这样，在NOR Flash上也没有不同：

NOR Flash可擦除次数更少

在所有影响寿命的地方，我们一定要精打细算，BIOS 芯片也不能例外，谁也不想用着用着，主板忽然损坏了吧。这就要求BIOS在存储数据的时候，不能采取原地擦除的策略，而只是标记一下无效，在后期一次性擦除，延长Flash寿命 。在NAND Flash里面这个过程叫做GC（Garbage Collection），而在BIOS NOR上我们叫做Reclaim：

从图中，我们看到会有内容搬来搬去和整理的动作，比较两者，就会发现，有效数据一个个拍好了，十分整洁，为下一次的数据加入做好了充分的准备。这个搬迁的过程，不可避免的会将数据搬到内存，再从内存中移到目标块，同学们有没有想过，在搬的过程中，如果出现断电，是不是主板就变砖了？这就是图中有Spare Block的原因，它起到缓存，在搬得过程中，保证数据永远是可用的。它加上其他一些安全特性，就组成了UEFI BIOS存储的基线：高容错（Fault Tolerant）非易失存储系统 -- UEFI Variable。我们在BIOS界面上可见和不可见的改动，都存储在variable中。

红旗能打多久？

说了这么多原理，现在我们可以回答很多人关心的一个问题：如果我经常修改BIOS设置，会不会把BIOS写坏了？

我们已知条件有哪些呢？

1.UEFI BIOS在设计的时候，已经采用算法规避大量的擦除操作，将擦除操作归并，以增加闪存芯片寿命。

2. 不是每次BIOS启动，都有数据需要保存的，大多数情况下启动过程中没有写闪存操作。

那么如果你是个电脑爱好者，又十分勤奋，每天重新启动10次电脑，每次都更改BIOS配置，多久电脑会损坏？我们现在就这种脑洞情况进行一个有趣的计算。

假设你的电脑中BIOS UEFI Variable空间是64KB（台式机一般情况，服务器会大些），有一半的内容被固定配置占据，也就是还剩下32KB给BIOS开机设置项：Setup Variable用。不巧的是，主板的BIOS配置又很多，多达要用4KB来保存（极端情况）！这样每次开机会产生4KB的无效数据块，32 / 4 = 8次开机就要Reclaim一次，也就是要擦除一次。主板BIOS闪存芯片是上例中的W25Q64BV。在芯片手册中（参考资料2），它的擦除次数是：

用它的最小擦除次数10万计算，能用多久呢？很简单的算式：

100000 /（10 / 8）= 80000天 = 219年！

那如果你对BIOS设置有着疯狂的爱好，每天重启100次，而每次又都修改BIOS设置呢？理论上，也能用上近22年！

结论

UEFI BIOS已经做了很多优化，作为普通用户，大家完全没有必要担心Flash写坏。但也不是完全高枕无忧，BIOS业内人士还是要注意防止BIOS写坏的情况发生。我曾经做过一个项目，后期要求做压力测试，机器要在各种情况下（Shell，Windows，Linux）各要重启4000次。我拨了一些板子做这项压力测试，这些板子基本在不停的重启中（自动测试驱动）。过了一段时间测试部门报告一个板子坏了，烧不了BIOS了。我开始还不以为意，渐渐的，越来越多的压力测试主板都不能烧片了，这才引起我的注意，一计算才发现，好家伙，是程序的问题，险些引发大规模召回事件 。原来为了快速启动，内存初始化会保存内存training的参数，下次重启就不需要再Training了，节省了很多时间。而这些参数很大，占据了48KB空间（Variable只有64KB）。好死不死，尽管程序增加了逻辑，内容一样，就不会重复存了，但程序员在参数里面加入了时间戳，结果checksum每次不一样，这样每次重启都要存，每存一次都要Reclaim。每次重启需要10秒，一天可以重启：

24 x 60 x 60 / 10 = 1.44万次

而按照最小擦除次数10万次计算，能用：

10/1.44= 7.14天！

怪不得慢慢地一个个都坏了呢！后来去掉了时间戳，才解决问题。

那些年，那些伤害SSD的“幕后黑手”

固态硬盘在PC硬件里可以说是比较“金贵”的存在了，毕竟数据无价，我们要好好保护才是。那么我们在日常使用过程中，有哪些“凶手”会直接伤害到固态硬盘呢？小星今天就来告诉大家。

断电造成FTL损坏和丢失

由于SSD频繁的擦写过程会产生坏块，为了能够做到寿命均衡和对固态硬盘的坏块进行屏蔽，需要一个逻辑地址（LBA，logical block addresses）和物理地址（PBA, physical block addresses）的对应表，再对外界显示逻辑块，而这个对应表就是FTL 。

作为基础逻辑和核心数据结构，FTL对于SSD是十分重要的，丢失损坏会使得SSD无法正常工作，比如盘符丢失、电脑蓝屏等，而意外断电则是造成FTL损坏和丢失的最主要原因。

如果突然遇到断电情况，大家要记牢30分钟大法 ，不要立即重启，让电脑静置等待30分钟左右。因为掉电后各个主控的表现不一，这和它们的FTL存储算法有关。某些主控可以迅速恢复，有些则可能需要很长时间，而30分钟这个时间，各个SSD主控也差不多可以自行修复FTL了。

970 EVO Plus采用Phoenix 控制器

由于FTL的重要性，一般高端SSD或者企业级SSD都会采用加电容 的方式来保护它，这样即使在突然断电的情况下，依然可以让SSD的主控有时间把内存中的FTL表和一些缓存内容存到Flash上去，所以在选购SSD时，要以大品牌为准。

970 EVO Plus增加的电容

闪存损坏

闪存由源极（Source）、漏极（Drain）、浮动栅（Float Gate）和控制栅（Control Gate）组成。

我们向闪存写入数据的过程首先是在控制栅加正电压，将电子引入浮动栅，然后囚禁在浮动栅之中，并且由于浮动栅不导电，所以电子将持续在保持在浮动栅中，这也就是固态硬盘在掉电情况下保存数据的原因。

擦除过程正好相反，在源极加正电压利用浮空栅与漏极之间的隧道效应，将注入到浮空栅的负电荷吸引到源极，排空浮动栅的电子。

970 EVO Plus闪存

理论上来说，闪存可以每个单元来单独擦除和编程，但是出于效率和成本的原因，实际上作用在控制栅上的擦除电压是整个块（Block）连接在一起的，这也就是固态硬盘在擦除时是以Block为单位的根本原因。

而电子在浮动栅周围的二氧化硅上频繁读写、擦除会造成闪存的损坏，二氧化硅出现老化的现象使得浮动栅不能锁住电子，长时间以后闪存的主控便会将其标记为坏块，从而影响SSD的寿命。

虽然在使用中，闪存损坏无可避免，但如果选择一块拥有可靠品质与前沿技术的SSD，相信你的数据一定能“更长寿”。

970 EVO Plus NVMe M.2 固态硬盘 便是这样的存在。

它采用的第五代V-NAND闪存技术 在工艺制程方面已经足够领先，能很好的保证闪存芯片本身的质量。而三星的固件算法 能够减少不必要的磨损，主控芯片 和闪存芯片 的兼容性也是业界领先级，能够使SSD的寿命最大化，让你完全可以放心使用。

好了，今天的小讲堂就到这里了，新知识你学会了吗？