TW201502782A - 非依電性記憶體中之作業系統啟動加載器之快取技術 - Google Patents

Abstract

在一啟動序列期間由一韌體請求的一作業系統(OS)啟動加載器或其他編碼及數據，被快取進唯讀記憶體(ROM)或其他非依電性記憶體位置中。韌體使用此快取的版本，而非從一周邊位置檢索該OS啟動加載器或其他編碼，來提高該啟動序列。若該快取器還未包括該請求的數據且未具有足夠的空間在該韌體發出讀取請求之時來儲存該請求的數據，實施例亦可基於一預定規則創建額外的空間。

Description

非依電性記憶體中之作業系統啟動加載器之快取技術

本申請案主張美國臨時專利申請案號61/820438，標題為“Read-Only OS Bootloader Caching in Non-Volatile Memory”，申請日為2013年5月7日的專利申請案之權益及優先權，其全文內容中的專利參考文獻全體皆引用作為本說明書的揭示內容。

本發明係有關非依電性記憶體中之作業系統啟動加載器之快取技術。

多數計算裝置係由包括在該裝置內之韌體所初始化，且該韌體提供一系列的軟體服務，這些軟體服務幫助作業系統(OS)的開機，也提供這些服務的較小子集，其在作業系統開機後可繼續被利用。韌體是一種已經被寫在唯讀記憶體(ROM)模組上之軟體，此模組包括但不限於唯讀記憶體(ROM)、可程式唯讀記憶體(PROM)、可抹除可程式唯讀記憶體(EPROM)、電氣可抹除可程式唯讀記憶 體(EEPROM)或快閃記憶體(以上全體在本文之後均以“ROM”表示)。在其他服務中，直到將該計算裝置之作業系統載入記憶體之調用一OS啟動載入器的開機進程可運行前，由此種韌體負責該計算裝置之操作。儘管某些服務的提供，在載入該作業系統後會基於安全性因素，回頭向該韌體要求來自該作業系統的控制移轉，但一旦作業系統經載入，就由該作業系統接管該計算裝置的正常操作。

統一可延伸韌體介面(UEFI)是一個由非營利工業主體所創建的規格，詳述在操作系統和計算裝置之韌體間的一編程介面，此類韌體包括下列但不限於：個人電腦(PC)。UEFI規格描述一組工具，藉此，計算裝置可以一種有組織的方式從提供電力狀態推移到全操作式。此規格顯示了欲求結果但卻無法謹慎地說明內部的實施策略。此UEFI韌體規格取代了先前工業上所使用的早期OS/韌體介面，現在則被稱作遺留BIOS(基本輸入/輸出系統)。

當在一計算裝置中實施時，用於UEFI韌體(或較舊型的韌體)的機器碼及該韌體所使用的全部永久資料，都位在ROM中。在很多情況下，該ROM是一被稱為快閃記憶體(flash ROM)的可電氣抹除矽裝置。快閃記憶體具有特徵在於，可經由電氣指令被抹除繼而個別元件可被寫入，且該裝置將無限期地保留該資料。當電力先供應給該計算裝置時，該系統會執行一個叫做重置的處理，其清除一已知情況之狀態並開始該韌體的執行。該韌體係從該計算裝置中之快閃記憶體或其他ROM讀取。

由在一計算裝置中之該韌體所執行的該啟動序列可包括一“開機自我測試”，亦稱作POST。在POST期間，該韌體在開始嘗試下載該作業系統之前執行一序列步驟。POST包括由該設備製造商定義之用以設定一內部初始值(狀態)和該計算裝置元件之輸出信號以及用以執行測試的例行程序。換句話說，POST在繼續該啟動序列及嘗試下載該作業系統之前，會先核對該計算裝置的測試元件有正確的運作。

本發明之實施例在一啟動序列於ROM或其他非依電性記憶體位置內之期間，快取韌體所需之一OS啟動加載器或其他編碼或數據。該韌體使用所快取的版本而非從一周邊位置檢索該OS啟動加載器或其他編碼，來提高POST速度。若該快取器尚未包括所請求的數據且沒有足夠的空間在該韌體讀取請求之時去儲存所請求的數據，則實施例亦可基於預定義規則在該快取器中建立一額外的空間。

在一實施例中，一種用以提高在一計算裝置中之啟動序列之速度的方法，開始一執行該計算裝置之啟動序列的韌體，並在該啟動序列期間識別在一唯讀磁碟上之數據的一讀取請求。該方法亦判定一快取器是否存在於相對應所請求的該磁碟之非依電性記憶體中，且當該相對應的快取器被判定存在，判定所請求的數據是否自該相對 應的快取器中。當所請求的數據被判定有在該相對應的快取器中，該方法亦可對該韌體檢索來自該相對應的快取器而非來自所請求的磁碟之該請求的數據。該檢索的數據被用來執行該啟動序列。

在另一實施例中，一計算裝置包括保有相對應於一唯讀磁碟的一快取器之一非依電性記憶體，該唯讀磁碟保有用於在該計算裝置之啟動序列期間的數據。該計算裝置亦包括執行該計算裝置之一啟動序列的韌體。該啟動序列辨識在該啟動序列期間位於該唯讀記憶體上之一讀取請求。該啟動序列亦判定一相對應的快取器是否存在，當該相對應的快取器被判定存在，則判定該請求的數據是否在該相對應的快取器中。當該請求的數據被判定在該相對應的快取器中，該啟動序列檢索來自該相對應的快取器而非來自該請求的磁碟之該請求的數據。經檢索的數據被用來執行該啟動序列。

100-110、202-214、302-312‧‧‧步驟

400‧‧‧計算裝置

402‧‧‧中央處理單元

404‧‧‧記憶體

410‧‧‧硬碟

411‧‧‧OS啟動加載器

415‧‧‧作業系統

420‧‧‧唯讀記憶體

422‧‧‧韌體

424‧‧‧相對應的快取器

430‧‧‧光碟

包含於本說明書中並構成本說明書的一部分的附圖顯示了一或多個本發明之實施例，配合說明書內文，能增進對本發明的理解。在附圖中：第1圖(先前技術)描繪由一實施例所執行之步驟序列的一個示例，以檢索在一啟動序列期間之OS啟動加載器編碼/數據；第2圖描繪由本發明一實施例所執行之步驟 序列的一個示例，其快取及/或使用在一啟動序列期間之快取數據；第3圖描繪由本發明另一實施例所執行之步驟序列的一個示例，其在一相對應的快取器中建立空間以儲存所請求的數據；以及第4圖描繪適於實行本發明之一實施例的一個示例環境。

當一計算系統經過一POST，有一些區域花了大多時間給POST。這些區域中的其中一者係在來自較慢的光學媒體之該OS啟動加載器編碼/數據中進行讀取動作的系統。延遲的發生來自必須等待該磁碟媒體去開始高速轉動所造成。相同的問題存在於其他耗費額外時間去存取像是卡帶傳動裝置的媒體。當PC無須存取周邊裝置就頻繁地全面處理其啟動序列的情況沒有受到重視，對啟動自光碟或其他媒體的嵌入或其他系統而言，此種存取延遲將會變得顯著。此外，相同的顧慮也存在於啟動自諸如光驅動等的交互啟動裝置的PC。

第1圖描繪由一實施例所執行之習知的步驟 序列的一個示例，以檢索在一啟動序列期間之OS啟動加載器編碼/數據。該序列開始於當韌體重置之後開始一啟動序列(步驟100)。該韌體執行產生對一OS啟動加載器編碼或數據的一讀取請求(步驟102)。當該請求的數據在 該磁碟上，則開始自轉以達正常速度(步驟104)。在該磁碟達正常速度後，該OS啟動加載器編碼/數據自該磁碟檢索(步驟106)。藉由該韌體調用所檢索的OS啟動加載器(步驟108)且該OS啟動加載器下載該OS至記憶體(步驟110)。

本發明之一實施例藉由快取在非依電性記憶體中之韌體所使用的編碼/數據提高從該韌體至該OS的交替速度，其中該編碼/數據當在等待該媒體達到期望速度時可被存取。舉例來說，在一實施例中，該編碼/數據可在系統ROM中快取。由於該OS是唯讀的，除非終端使用者改變該媒體將該OS開啟，否則沒有相一致的問題要處理。若該媒體被改變，終端使用者可以一手動方式觸發該快取器，或當該快取器一偵測到OS媒體改變可進行自動更新。此自動更新可經由以下方式執行：比較通用唯一識別碼(UUID)磁碟、確認磁碟變化狀態位元或相同的方法。本發明之一實施例所經歷的速度增加來自於以下事實：該媒體緩慢旋轉以及有幾個的數據區域被讀取數次(例如主啟動紀錄(MBR)和分區表)。這些示例中，本發明之一實施例藉由從一快取器讀取以最佳化這些數據區域。該主啟動紀錄也可得益於該快取器，直到其自己接管去讀取該媒體。

使用經快取的OS啟動加載器編碼/數據而非經該光學媒體檢索，可提供顯著的時間節省。舉例來說，若不透過快取，一POST示例需費時23.25秒。相反地， 如本發明的實施例之測試中，時間的節省是顯著的。例如，當該OS啟動加載器編碼/數據係從在ROM中之一1MB快取器檢索，POST只需耗時約21.13秒。此種時間節省在容量更大的快取器上表現更佳。當該OS啟動加載器編碼/數據係從在ROM中之一2MB快取器檢索，POST序列耗時約20.03秒。同樣地，以在ROM中之一3MB快取器檢索，相同的POST序列需耗時約19.79秒；而以在ROM中之一4MB快取器檢索，則需耗時約18.1秒。當時間節省係以秒測量，對於今日的計算工業，秒的影響是很重大的。

第2圖描繪由本發明一實施例所執行之步驟序列的一個示例來快取及使用在一啟動序列期間之快取數據。當一磁碟讀取被請求(步驟202)，該韌體先判定這個請求是否係來自一唯讀磁碟的數據(步驟203)。若該請求係來自一唯讀磁碟之數據，則藉由比較該媒體的UUID、確認該磁碟改變狀態位元或相同方法，該韌體確認是否有一相對應的快取器在ROM中，或用於該磁碟之其他非依電性記憶體位置中(步驟205)。若在該磁碟和該快取器之間有不匹配，指示該快取器未相對應於該磁碟，則刷新該快取器(206)。繼而，從該磁碟檢索數據(步驟208)且若用於此數據之快取器還有空間(步驟211)，該數據則被儲存至該快取器(步驟212)。該數據則返回(步驟214)供該韌體所執行的啟動序列使用。另一方面，若有用於此磁碟之一相對應的快取器(步驟205)，則該韌體確認看是否該請求 數據在該快取器中(步驟207)。若該請求數據係在該快取器中，則從快取器中檢索該請求數據(步驟210)及返回(步驟214)。否則，若該請求數據未在該相對應的快取器中，該請求數據則從該磁碟檢索(步驟208)。若在該快取器中有空間給該數據(步驟212)，該數據則儲存至該快取器中(步驟212)繼而返回(步驟214)。若該磁碟讀取不是用於一唯讀磁碟(步驟203)，其可指示可能的一致的問題，繼而從該磁碟檢索數據(步驟208)，由於該磁碟非唯讀，便無法確認將該數據儲存至該快取器中(步驟211)，則該讀取數據返回(步驟214)。

如上述第2圖所討論，當從該磁碟檢索到該請求數據後，執行一確認判定該相對應的快取器是否有足夠的空間去儲存該數據。第3圖描繪由本發明一實施例所執行之步驟序列的一個示例，當該快取器開始缺少此種空間時，在一相對應的快取器中建立空間以儲存所請求的數據。該序列開始於當一磁碟讀取被請求之時(步驟302)。一用於該磁碟保有所請求數據之相對應的快取器被識別(步驟304)。在該快取器缺少所請求的數據之判定做出後(步驟306)，從該磁碟檢索該請求的數據(步驟308)。為了對在該快取器中之所檢索的數據製造空間，至少一個在該快取器中的該數據基於一預定規則刷新。舉例來說，計數器可被加入至該快取器之數據中，並隨著每一使用增加計數。當為了檢索的數據而在該快取器中建立更多空間的需求上升，具有最低使用量的舊數據可被刷新以有利於新數 據。否則，該快取器會基於先進先出(FIFO)方法或先進後出(FILO)方法之使用，而被全部或部分刷新。對於快取器中空間缺少之額外的解決方案包括使用多次通過方法，分析在多次通過上之使用態樣來產生光學快取使用。應了解的是，其他除了本文以上所討論的內容外，還用以判定哪些數據從快取器去刷新以對所請求的數據製造空間的技術，也在本發明的討論範圍之中。一旦足夠的空間被建立，所請求的數據可被儲存至該相對應的快取器中(步驟312)。

本發明之另一實施例可被使用在一些不同的環境中，其中該計算系統從慢速、唯讀媒體中下載OS。例如，該等環境可包括銷售點系統(point-of-sale systems)、資訊站系統(kiosk systems)、嵌入式系統(embedded systems)及除了計算裝置外的相同系統和裝置，計算裝置可諸如，桌上型電腦、筆記型電腦及從較低週邊裝置於其啟動序列期間檢索編碼和/或數據的伺服器。

儘管以上之討論都著重在用於一啟動序列中OS啟動加載器編碼/數據之檢索，但應了解到，本發明之實施例並不侷限於此。舉例來說，對一從低速運轉之唯讀磁碟檢索的計算裝置執行一啟動序列之該韌體，其所需的非作業系統啟動加載器編碼，亦可為本發明之實施例所檢索。

此外，當該快取器如上所述位於ROM中，在 另一實施例，該快取器可位於替代的非依電性記憶體位置，只要存取該替代的非依電性記憶體位置比從原本的週邊裝置檢索該韌體所請求的該編碼/或數據快。在此實施例中，應了解到的是，存取任何此種替代的非依電性記憶體位置，可能出於安全目的而需要被限制，如同用控制存取ROM的方式以為了避免未授權的實體竄改請求的編碼/數據而遭受攻擊一樣。

第4圖描繪適於實行本發明之一實施例的一個環境示例。一計算裝置400包括一CPU402。該計算裝置400可為一嵌入式系統、銷售點系統、資訊站系統、PC、筆記型電腦、桌上型計算裝置、伺服器、智慧型手機或者其他一些裝載有執行一啟動序列之處理器及韌體的計算裝置。該計算裝置400亦可包括像是隨機存取記憶體(RAM)的記憶體404。一儲存在硬碟410上在計算裝置400中或與其通訊的作業系統415，可被作為該計算裝置所執行的啟動序列之一部分載入記憶體404。該計算裝置400亦可包括具有韌體422的ROM420。該計算裝置400亦可包括用於一磁碟的在非依電性記憶體中之一相對應的快取器424。在一實施例中，該相對應的快取器424位於ROM420中。在一些例子中，該系統設計可包含多種ROM裝置。計算裝置400亦可包括光碟430。如上所述，該相對應的快取器424允許一啟動序列期間所需的編碼或數據(例如：OS啟動加載器)儲存，該啟動序列可通常為該韌體從光碟430或另一像是磁帶驅動之慢速存取的儲存 位置檢索。

本發明的部分或所有實施例可被提供以作為一或多個電腦可讀程式或嵌入在一或多個非依電性媒體之上或之中。該媒體可為但不限為一硬碟、一光碟、一多樣化數位光碟、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、快閃記憶體、RAM或一磁帶。總的來說，該電腦可讀程式或編碼可以任何計算機語言實施。

因為某些變化可在不脫離本發明的範圍下產生，這意味著包含於上述內文中或顯示於附圖中的所有內容皆被解釋為說明性質，而非其字面意義。本領域的從業人員將認識到，步驟順序及圖式中所描繪的架構在不脫離本發明的範圍內可以進行變換，且本文所包含的圖式僅是本發明眾多可能的描繪中的一個例子。

以上關於本發明實施例之示例的內容提供了說明和描述，但並非意在是窮舉或將本發明限制於所揭示的精確形式。根據以上所教示的或從本發明的實踐中可進行可能的修改和變化。例如，當一系列的動作被陳述，在其它實現方式中，動作的順序可進行與本發明原理一致的修改。此外，非依賴性的動作也可以平行地執行。

Claims (21)

1. 一種用以提高在一計算裝置中的一啟動序列之速度的方法：開始一執行該計算裝置之該啟動序列的韌體；在該啟動序列期間識別在一唯讀磁碟上之數據的一讀取請求；判定在與所請求的該磁碟相對應之一非依電性記憶體中是否存在一快取器；當一相對應的快取器被判定存在，判定所請求的數據是否係在相對應的該快取器中；以及當該請求的數據被判定係在該相對應的快取器中，對該韌體檢索來自該相對應的快取器而非來自所請求的該磁碟之該請求的數據，其中所檢索的該數據被用以執行該啟動序列。
2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該非依電性記憶體係該計算裝置中之一唯讀記憶體。
3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該請求的數據係作業系統(OS)啟動加載器編碼或數據中之至少一者。
4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，當一相對應的快取器被判定不存在，進一步包含：刷新一快取器；從該磁碟檢索該請求的數據；將該請求的數據儲存至已刷新的該快取器中；以及 使用在該啟動序列中之已儲存的數據。
5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，當一相對應的快取器被判定存在，但該請求的數據不在該相對應的快取器中，進一步包含：從該磁碟檢索該請求的數據；以及將該請求的數據儲存至該相對應的快取器中。
6. 如申請專利範圍第5項所述之方法，進一步包含：在儲存該請求的數據之前，判定該相對應的快取器沒有足夠空間去保存該請求的數據；以及基於一預定規則刷新在該相應的快取器中之至少一些數據。
7. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中在該相應的快取器中之數據基於下述方法之其中一者刷新：最低使用次數方法、先進後出(FILO)方法及先進先出(FIFO)方法。
8. 一種保有電腦可執行指令之非暫時性媒體，其中該等指令用以提高在一計算裝置中的一啟動序列之速度，該等指令當被執行時致使該計算裝置進行下列步驟：開始一執行該計算裝置之啟動序列的韌體；在該啟動序列期間識別在一唯讀磁碟上之數據的一讀取請求；判定在與所請求的該磁碟相對應之一非依電性記憶體中是否存在一快取器；當一相對應的快取器被判定存在，判定所請求的數據 是否係在相對應的該快取器中；以及當該請求的數據被判定係在該相對應的快取器中，對該韌體檢索來自該相對應的快取器而非來自所請求的該磁碟之該請求的數據，其中所檢索的該數據被用以執行該啟動序列。
9. 如申請專利範圍第8項所述之媒體，其中該非依電性記憶體係該計算裝置中之一唯讀記憶體。
10. 如申請專利範圍第8項所述之媒體，其中該請求的數據係作業系統(OS)啟動加載器或數據中之至少一者。
11. 如申請專利範圍第8項所述之媒體，當一相對應的快取器被判定不存在，該等指令當被執行時進一步致使該計算裝置進行下列步驟：刷新一快取器；從該磁碟檢索該請求的數據；將該請求的數據儲存至已刷新的該快取器中；以及使用在該啟動序列中之已儲存的數據。
12. 如申請專利範圍第8項所述之媒體，當一相對應的快取器被判定存在，但該請求的數據不在該相對應的快取器中，該等指令當被執行時進一步致使該計算裝置進行下列步驟：從該磁碟檢索該請求的數據；以及將該請求的數據儲存至該相對應的快取器中。
13. 如申請專利範圍第12項所述之媒體，該等指令當被執行時進一步致使該計算裝置進行下列步驟： 在儲存該請求的數據之前，判定該相對應的快取器沒有足夠空間去保存該請求的數據；以及基於一預定規則刷新在該相應的快取器中之至少一些數據。
14. 如申請專利範圍第13項所述之方法，其中在該相應的快取器中之數據基於下述方法之其中一者刷新：最低使用次數方法、先進後出(FILO)方法及先進先出(FIFO)方法。
15. 一種計算裝置，其包含：保有相對應於一唯讀磁碟的一快取器之一非依電性記憶體，該唯讀磁碟保有用於該計算裝置之一啟動序列期間之數據；以及執行該計算裝置之一啟動序列的韌體；該啟動序列進行以下步驟：在該啟動序列期間識別該唯讀磁碟上之數據的一讀取請求；判定是否存在該相對應的快取器；當該相對應的快取器被判定存在，判定該請求的數據是否係在該相對應的該快取器中；以及當該請求的數據被判定係在該相對應的快取器中，檢索來自該相對應的快取器而非來自所請求的該磁碟之該請求的數據，其中所檢索的該數據被用以執行該啟動序列。
16. 如申請專利範圍第15項所述之計算裝置，其中該非依電性記憶體係該計算裝置中之一唯讀記憶體。
17. 如申請專利範圍第15項所述之計算裝置，其中該請求的數據係作業系統(OS)啟動加載器或數據中之至少一者。
18. 如申請專利範圍第15項所述之計算裝置，其中該計算裝置係以下系統中之其中一者：一嵌入式系統、一銷售點系統及一資訊站系統。
19. 如申請專利範圍第15項所述之計算裝置，其中一相對應的快取器被判定不存在，則該啟動序列進一步進行下列步驟：刷新一快取器；從該磁碟檢索該請求的數據；將該請求的數據儲存至已刷新的該快取器中；以及使用在該啟動序列中之已儲存的數據。
20. 如申請專利範圍第15項所述之計算裝置，當一相對應的快取器被判定存在，但該請求的數據不在該相對應的快取器中，則該啟動序列進一步進行下列步驟：從該磁碟檢索該請求的數據；判定該相對應的快取器沒有足夠空間去保存該請求的數據；基於一預定規則刷新在該相應的快取器中之至少一些數據；以及將該請求的數據儲存至該相應的快取器中。
21. 如申請專利範圍第20項所述之計算裝置，其中在該相應的快取器中之數據基於下述方法之其中一者刷新： 最低使用次數方法、先進後出(FILO)方法及先進先出(FIFO)方法。