Qu'est-ce que le BIOS ? Définition, fonctionnement et histoire

Dès qu'un ordinateur est mis sous tension, bien avant que Windows, macOS ou Linux n'apparaisse à l'écran, un petit programme entre discrètement en scène : le BIOS. Enregistré dans une puce de la carte mère, il vérifie que les composants essentiels répondent, prépare le matériel, puis part à la recherche du disque ou de la clé USB qui contient le système d'exploitation pour lui passer le relais. Pendant des décennies, ce sigle a désigné le logiciel de démarrage de tous les PC, au point que l'on parle encore aujourd'hui « d'entrer dans le BIOS » pour modifier un réglage, alors que la plupart des machines récentes utilisent en réalité son successeur, l'UEFI. Comprendre le BIOS, c'est donc comprendre les coulisses des premières secondes d'un ordinateur : ce que signifient les messages et les bips qui accompagnent parfois l'allumage, pourquoi une pile se cache sur la carte mère, comment changer l'ordre de démarrage pour installer un système, ou encore pourquoi une mise à jour du BIOS doit être réalisée avec prudence. Cette définition présente le rôle du BIOS, son fonctionnement interne, ses réglages, son histoire depuis les premiers micro-ordinateurs et sa relève par l'UEFI.

Qu'est-ce que le BIOS ? Définition du Basic Input/Output System

BIOS est l'acronyme de Basic Input/Output System, que l'on traduit par « système élémentaire d'entrées et de sorties ». Il s'agit d'un micrologiciel, ou firmware en anglais, c'est-à-dire un programme intégré au matériel lui-même plutôt qu'installé sur un disque. Il est stocké dans une mémoire non volatile soudée sur la carte mère, qui conserve son contenu même sans courant : de la mémoire morte (ROM) sur les premiers PC, puis des mémoires réinscriptibles de type EEPROM et surtout mémoire Flash, ce qui permet de le mettre à jour. Le BIOS est le tout premier code exécuté par le processeur à l'allumage. Sa mission tient en trois temps : tester le matériel, l'initialiser et charger le système d'exploitation. Il joue ainsi le rôle d'intermédiaire entre les composants physiques et les logiciels, en offrant des services de base pour lire le clavier, afficher du texte ou accéder aux disques. Une fois son travail terminé, il confie l'ordinateur à un petit programme appelé chargeur d'amorçage, qui lui-même lance le cœur du système, détaillé dans notre article sur le kernel. À partir de ce moment, le système d'exploitation pilote directement le matériel avec ses propres pilotes et ne sollicite presque plus le BIOS.

Que fait le BIOS au démarrage ? Le POST et la séquence d'amorçage

La première tâche du BIOS est le POST, pour Power-On Self Test, une série d'autotests réalisés à la mise sous tension. Le programme vérifie notamment que le processeur répond, que la mémoire vive est présente et lisible, qu'une carte graphique est disponible et que le clavier est branché. Il identifie ensuite les périphériques de stockage et les différents contrôleurs (ports USB, disques, lecteurs optiques sur les machines anciennes) et les prépare à fonctionner. Vient alors la séquence de démarrage, ou boot order : le BIOS consulte une liste ordonnée de supports et cherche, sur chacun, une zone de démarrage valide. Sur un disque formaté à l'ancienne, il s'agit du tout premier secteur, appelé MBR (Master Boot Record), qui contient un minuscule programme de lancement. Dès qu'il trouve un support amorçable, le BIOS charge ce programme en mémoire et lui donne la main. C'est lui qui démarre ensuite le chargeur d'amorçage du système, comme GRUB sous Linux ou le gestionnaire de démarrage de Windows. Modifier l'ordre de démarrage est d'ailleurs l'un des réglages les plus courants, par exemple pour lancer l'installation d'un système depuis une clé USB plutôt que depuis le disque interne.

Les bips et messages d'erreur du BIOS

Lorsque le POST détecte un problème, le BIOS ne peut pas toujours afficher un message, notamment si la carte graphique elle-même est en cause. Il signale alors l'anomalie par des bips sonores codés émis par un petit haut-parleur de la carte mère : un bip court signifie souvent que tout va bien, tandis qu'une série de bips longs ou répétés peut indiquer une mémoire mal installée ou une carte graphique absente. La signification exacte de ces codes dépend toutefois du fabricant du BIOS et du modèle de carte mère, et il faut se référer à la documentation du constructeur pour les interpréter correctement. Beaucoup de cartes mères récentes ont remplacé ou complété ces signaux par des voyants lumineux de diagnostic (processeur, mémoire, carte graphique, démarrage) ou par un petit afficheur numérique indiquant un code d'étape. Si le POST se déroule correctement, l'écran affiche souvent brièvement le logo du constructeur, parfois accompagné d'un rappel de la touche permettant d'entrer dans les réglages. Ces informations sont précieuses pour un technicien : elles permettent de savoir à quelle étape le démarrage échoue avant même que le moindre logiciel ne soit chargé, et d'orienter le diagnostic vers le bon composant.

Comment accéder au BIOS et que peut-on y régler ?

Le BIOS propose une interface de configuration, souvent appelée Setup, accessible en appuyant sur une touche juste après l'allumage : Suppr, F2, F10, F12 ou Échap selon les constructeurs. Sur les machines récentes, dont le démarrage est très rapide, on y accède aussi depuis le système d'exploitation, par exemple via les options de démarrage avancé de Windows. On y règle l'ordre de démarrage, la date et l'heure, l'activation des ports et des contrôleurs, la gestion de l'énergie (réveil par le réseau, comportement après une coupure), la vitesse des ventilateurs, la virtualisation matérielle ou un mot de passe qui protège l'accès aux réglages ou au démarrage. Les utilisateurs avancés y ajustent aussi les fréquences et tensions du processeur et de la mémoire, une pratique appelée surcadençage qui comporte des risques pour la stabilité. Historiquement, ces paramètres étaient conservés dans une petite mémoire dite CMOS, maintenue par une pile bouton : quand elle s'épuise, l'ordinateur oublie l'heure et ses réglages. Enfin, le BIOS peut être mis à jour par « flashage » pour corriger des bogues ou ajouter la compatibilité avec de nouveaux processeurs ; une coupure de courant pendant l'opération peut rendre la carte mère inutilisable, d'où la prudence recommandée.

Comment le BIOS dialogue-t-il avec le matériel ?

On parle parfois de « langage BIOS », mais l'expression est trompeuse : il n'existe pas de langage propre au BIOS. Le programme était à l'origine écrit en langage d'assemblage, une écriture lisible des instructions du processeur, puis traduit en langage machine, une suite de 0 et de 1 directement exécutable. Il fonctionne dans un environnement très dépouillé, sans fichiers ni interface graphique. Sur les processeurs x86, il démarre en mode réel, un mode hérité des premiers PC qui ne permet d'adresser qu'environ un mégaoctet de mémoire : au démarrage, le processeur va chercher sa première instruction tout en haut de cet espace, à l'adresse notée FFFF0 en hexadécimal. Le BIOS installe ensuite une table de vecteurs d'interruption au tout début de la mémoire. Chaque interruption logicielle est une porte d'entrée vers un service : un programme place des valeurs dans les registres du processeur, déclenche l'interruption, et le BIOS exécute la tâche demandée. À l'époque du MS-DOS, les logiciels utilisaient abondamment ces services pour afficher du texte, lire le clavier ou accéder aux disquettes, ce qui faisait du BIOS une sorte de bibliothèque de fonctions embarquée. Les systèmes modernes, qui basculent le processeur en mode 32 ou 64 bits, s'en passent pour utiliser leurs propres pilotes.

Histoire du BIOS : des premiers micro-ordinateurs à l'IBM PC

Le terme BIOS apparaît dans les années 1970 avec le système CP/M, créé par Gary Kildall, qui séparait déjà la partie du système dépendante du matériel (le BIOS) du reste du logiciel, afin de faciliter son adaptation à différentes machines. Le mot devient célèbre avec l'IBM PC lancé en 1981 : sa carte mère embarque un BIOS conçu par IBM, enregistré en mémoire morte, qui teste la machine, la démarre et fournit aux logiciels les services d'entrée et de sortie décrits plus haut. IBM publie la documentation technique de son ordinateur, y compris le code de ce BIOS, mais celui-ci reste protégé par le droit d'auteur. Or c'est précisément lui qui rend un ordinateur compatible avec les logiciels écrits pour l'IBM PC. Pour fabriquer des clones, les concurrents doivent donc écrire leur propre BIOS, offrant exactement les mêmes services sans copier une ligne du code original. Cette période marque aussi le début de la diffusion massive de l'informatique personnelle, dans les entreprises puis dans les foyers. Tant que le BIOS restait gravé en ROM, une correction imposait de remplacer physiquement la puce ; l'arrivée des mémoires réinscriptibles a ensuite rendu les mises à jour possibles par logiciel.

Les BIOS des compatibles PC

Des sociétés se spécialisent alors dans l'écriture de BIOS compatibles, en utilisant une méthode dite de « salle blanche » : une équipe décrit le comportement attendu à partir de la documentation, une autre, qui n'a jamais vu le code d'IBM, écrit un programme qui le reproduit. Phoenix Technologies est l'un des exemples les plus cités de cette démarche, aux côtés d'éditeurs comme AMI ou Award, dont les noms ont longtemps figuré sur les écrans de démarrage de millions de PC. Ces BIOS vendus aux fabricants de cartes mères ont joué un rôle décisif dans le succès de l'architecture ouverte du PC, qui permet d'assembler un ordinateur à partir de composants de marques différentes. Au fil des années, le BIOS s'est enrichi pour suivre les évolutions du matériel : gestion des disques de plus en plus gros, démarrage sur CD puis sur clé USB, prise en charge de l'énergie, des réseaux et des processeurs multicœurs. Mais cette accumulation de couches sur une base conçue pour des machines des années 1980 a fini par atteindre ses limites : démarrage lent, interface en mode texte, mode réel 16 bits contraignant et, surtout, impossibilité de démarrer simplement sur des disques de plus de 2 téraoctets avec le partitionnement MBR.

BIOS ou UEFI : quelles différences ?

Pour dépasser ces limites, Intel a conçu à la fin des années 1990 une nouvelle interface, l'EFI, dont la gestion a été confiée en 2005 à un consortium d'industriels, l'UEFI Forum, qui en a fait la norme UEFI (Unified Extensible Firmware Interface). L'UEFI remplit les mêmes missions que le BIOS, tester, initialiser et démarrer, mais avec une conception moderne : il fonctionne en 32 ou 64 bits, peut proposer une interface graphique utilisable à la souris, charge des pilotes et des modules, et sait lire directement une partition dédiée contenant les programmes de démarrage des différents systèmes installés. Il s'appuie sur le schéma de partition GPT, qui lève la limite des 2 téraoctets du MBR et accepte bien plus de partitions. Il introduit enfin le démarrage sécurisé, ou Secure Boot, qui vérifie que les programmes lancés au démarrage sont signés par un éditeur de confiance afin de bloquer certains logiciels malveillants. Pendant la transition, la plupart des cartes mères UEFI ont conservé un mode de compatibilité, souvent nommé CSM ou « Legacy », qui émule l'ancien BIOS pour faire tourner de vieux systèmes. Par habitude, constructeurs et utilisateurs continuent d'appeler « BIOS » l'interface de réglages, même lorsqu'il s'agit d'un UEFI.

Le BIOS existe-t-il encore ?

Au sens strict, le BIOS hérité a pratiquement disparu des ordinateurs neufs. Les fabricants de processeurs et de cartes mères ont annoncé l'abandon progressif du mode de compatibilité, et certains systèmes d'exploitation récents exigent un démarrage UEFI avec Secure Boot, ce qui rend indispensable de vérifier ces réglages avant une installation. Le mot, lui, reste bien vivant dans le langage courant, dans les manuels et dans les menus des constructeurs, et le BIOS continue d'exister dans les machines anciennes, dans les émulateurs, dans certains systèmes embarqués et chez les passionnés de rétro-informatique. Ses principes, eux, demeurent : un micrologiciel est toujours le premier programme exécuté, il vérifie toujours le matériel et il passe toujours la main à un chargeur d'amorçage. Pour l'utilisateur, les questions pratiques n'ont pas changé non plus : choisir le bon support de démarrage, activer la virtualisation, protéger l'accès par mot de passe ou appliquer une mise à jour du constructeur. Quand on installe plusieurs systèmes sur une même machine, il faut aussi veiller à la cohérence entre le mode de démarrage choisi (UEFI ou Legacy) et le schéma de partitions du disque, une question détaillée dans notre article sur le partitionnement de disque, car un mauvais choix peut empêcher un système de démarrer.