nand坏了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 : 2025-01-01

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。

SD卡坏了，还能这样进行修复？

现在很多现代的NAND闪存设备都采用了一种新型的架构，将接口、控制器和存储芯片集成到一个普通的陶瓷层中。我们称之为一体结构封装。

直到最近，所有的存储卡，如SD、索尼的MemoryStick、MMC等，都包含了一个非常简单的“经典”结构，其中包含了独立的部分——一个控制器、一个PCB和tsop48或LGA-52包中的NAND内存芯片。

在这种情况下，恢复的整个过程非常简单——我们只是解焊了内存芯片，用PC-3000 FLASH直接读取它，并与普通USB闪存驱动器做了同样的准备。

但是，如果我们的存储卡或UFD设备是基于一体封装架构的，我们该怎么办呢?如何访问NAND内存芯片并从中读取数据?

基本上，在这种情况下，我们应该尝试通过擦除涂层的陶瓷层，在我们的一体封装装置的底部找到特殊的技术引脚。

在开始处理一体FLASH数据恢复之前，我们应该警告你，一体FLASH器件焊接的整个过程很复杂，需要良好的焊接技能和特殊设备。如果您之前从未尝试过焊接一体FLASH器件，那么最好在一些数据不重要的配件在设备上尝试您的技能。例如，您可以购买其中的几个，以测试您的准备和焊接技能。

您可以在下面找到必要设备清单：

一个好的光学显微镜，x2, x4, x8变焦;

USB烙铁与非常薄的烙铁头，很尖的烙铁头;

双面胶带;

液体活性剂;

BGA助焊剂;

热风枪(例如- Lukey 702);

松香;

木制牙签;

酒精(75%以上纯度);

直径0.1毫米的铜线，漆包线;

首饰级砂纸(1000、2000、2500末(数值越大，沙子越小);

BGA锡球为0.3 mm的;

镊子;

锋利的手术刀;

图纸与引脚分配方案;

PC-3000 Flash 线路板适配器;

当所有的设备都准备好进行焊接时，我们就可以开始生产了。

首先，我们使用我们的一体FLASH设备。在我们的例子中，它是小的microSD卡。我们需要用双面胶把这张卡片固定在桌子上。

之后，我们开始从底部擦掉陶瓷层。这个操作需要一些时间，所以你应该非常耐心和小心。如果你损坏了引脚层，数据恢复将是不可能的！

我们从粗砂纸（最大尺寸的砂）开始 – 1000或1200。

当第一大部分涂层被去除时，有必要将砂纸更换为较小的砂粒尺寸 – 2000。

最后，当触点铜层变得可见时，我们应该使用最小的砂粒尺寸 – 2500。

如果你正确地执行所有的操作，最后你会得到这样的东西：

下一步是在我们的全球解决方案中心搜索引脚。

要继续使用整块，我们需要焊接3组触点：

数据I / O触点: D0, D1, D2, D3, D4, D5, D6, D7 ;

指令触点: ALE, RE, R/B, CE, CLE, WE;

电源触点: VCC , GND.

首先，您需要选择一体FLASH器件的类别（在我们的例子中为microSD卡），之后您必须选择兼容的引脚排列（在我们的例子中为2型）。

之后，我们应该将microSD卡固定在电路板适配器上，以便更方便地焊接。

在焊接之前打印出一体FLASH器件的引脚排列方案是个好主意。你可以把这个方案放在你的旁边，这样当你需要检查引脚数组时，它就在眼前。

我们准备开始焊接过程了！确保工作站有足够的光线！

在小刷子的帮助下，将一些液体活性助焊剂滴在microSD引脚触点上。

在湿齿镐的帮助下，我们应将所有BGA锡球放置在引脚排列方案上标记的铜引脚触点上。最好使用尺寸为触点直径约75％的BGA锡球。液体助焊剂将帮助我们将BGA球固定在microSD卡表面上。

当所有的BGA锡球都放在引脚上时，我们应该使用烙铁来熔化锡。小心！轻轻地执行所有动作！为了熔化，请用烙铁头轻轻触碰BGA锡球。

当所有的BGA锡球都熔化后，你需要在触点上放一些BGA助焊剂。

使用热风枪，我们应该加热+ 200C的温度我们的引脚。BGA助焊剂有助于在所有BGA触点之间分配热量并小心地熔化它们。加热后，所有触点和BGA锡将采取半球形式。

现在我们应该在酒精的帮助下去除所有的助焊剂痕迹。您需要将它洒在microSD卡上，并用刷子清洁它。

下一步是准备铜线。它们的长度应相同（约5-7厘米）。为了切割相同尺寸的电线，我们建议使用一张纸作为长度测量仪。

之后，我们应该借助手术刀从电线上去除隔离漆。从两侧稍微划伤它们。

电线准备的最后一个阶段将是松香丝镀锡的过程，以便更好地进行焊接。

现在我们准备开始焊接电路到我们的电路板。我们建议您从电路板的侧面开始焊接，然后在显微镜的帮助下，继续将电线的另一侧焊接到单片器件上。

最后，所有电线都焊接到电路板上，我们准备开始使用显微镜将电线焊接到microSD卡上。

这是最复杂的操作，需要很多耐心。如果你觉得你很累 – 休息一下，吃一些甜的东西，喝一杯咖啡（血液中的糖会帮助你的手不要动摇）。之后，开始焊接。

对于右撇子，我们建议右手拿烙铁，而左手拿镊子用铜线。

你的烙铁应该是干净的！不要忘记在焊接时不时清理它。

当所有触点都焊接完毕后，确保没有任何一个触点连接到GND层！所有的针脚必须非常紧固！

现在我们准备将我们的电路板连接到PC-3000FLASH，并开始读取过程！

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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？

BIOS芯片

BIOS区中的可变部分：Variable

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