BIOS、EFI與UEFI詳解-IT運(yùn)維

2020-06-01 17:47 作者：艾銻無限 瀏覽量：

終于又有功夫?qū)扅c(diǎn)東西分享了，今天談一下BIOS、EFI和UEFI。-it運(yùn)維
 
前一篇文已經(jīng)說過BIOS是個程序（詳情點(diǎn)此），存儲在BIOS芯片中，而現(xiàn)在的新式電腦用的基本都是UEFI啟動，早期的過渡電腦用的都是EFI啟動。其實(shí)EFI或UEFI的一部分也是存儲在一個芯片中，由于它們在表面形式、基本功能上和BIOS差不多，所以習(xí)慣上我們也把存儲EFI/UEFI的芯片叫做EFI/UEFI BIOS芯片，EFI/UEFI也叫做EFI/UEFI BIOS，但在實(shí)際上它們和BIOS根本是不一樣的，所以最好還是把后面的“BIOS”尾巴去掉為好，下面就來具體談一下BIOS、EFI和UEFI。-it運(yùn)維
前篇文指出BIOS用于計(jì)算機(jī)硬件自檢、CMOS設(shè)置、引導(dǎo)操作系統(tǒng)啟動、提供硬件I/O、硬件中斷等4項(xiàng)主要功能，因此BIOS程序可以分為若干模塊，主要有Boot Block引導(dǎo)模塊、CMOS設(shè)置模塊、擴(kuò)展配置數(shù)據(jù)（ESCD）模塊、DMI收集硬件數(shù)據(jù)模塊，其中引導(dǎo)模塊直接負(fù)責(zé)執(zhí)行BIOS程序本身入口、計(jì)算機(jī)基本硬件的檢測和初始化，ESCD用于BIOS與OS交換硬件配置數(shù)據(jù)，DMI則充當(dāng)了硬件管理工具和系統(tǒng)層之間接口的角色，通過DMI，用戶可以直觀地獲得硬件的任何信息，CMOS設(shè)置模塊就是實(shí)現(xiàn)對硬件信息進(jìn)行設(shè)置，并保存在CMOS中，是除了啟動初始化以外BIOS程序最常用的功能。-it運(yùn)維
 
BIOS本身是匯編語言代碼，是在16位實(shí)模式下調(diào)用INT 13H中斷執(zhí)行的，由于x86-64是一個高度兼容的指令集，也為了遷就BIOS的16位實(shí)模式的運(yùn)行環(huán)境，所以即使現(xiàn)在的CPU都已是64位，如果還是在BIOS啟動（基本見于09年以前的主板），在開機(jī)時(shí)仍然都是在16位實(shí)模式下執(zhí)行的。16位實(shí)模式直接能訪問的內(nèi)存只有1MB，就算你安了4G、8G或者16G還是32G內(nèi)存，到了BIOS上一律只先認(rèn)前1MB。在這1MB內(nèi)存中，前640K稱為基本內(nèi)存，后面384K內(nèi)存留給開機(jī)必要硬件和各類BIOS本身使用，了解了這些，下面談一下BIOS啟動計(jì)算機(jī)的具體過程。-it運(yùn)維

當(dāng)按下電源開關(guān)時(shí)，電源就開始向主板和其他設(shè)備供電，這時(shí)電壓還不穩(wěn)定，在早期的南北橋主板上，由主板北橋向CPU發(fā)復(fù)位信號，對CPU初始化；穩(wěn)定電壓后復(fù)位信號便撤掉。而對于現(xiàn)在的單南橋主板，則由CPU自身調(diào)整穩(wěn)定電壓達(dá)到初始化的目的，當(dāng)電壓穩(wěn)定后，CPU便在系統(tǒng)BIOS保留的內(nèi)存地址處執(zhí)行跳轉(zhuǎn)BIOS起始處指令，開始執(zhí)行POST自檢。-it運(yùn)維

在POST自檢中，BIOS只檢查系統(tǒng)的必要核心硬件是否有問題，主要是CPU、640K基本內(nèi)存、顯卡是否正常，PS/2鍵盤控制器、系統(tǒng)時(shí)鐘是否有錯誤等等。由于POST檢查在顯卡初始化以前，因此在這個階段如發(fā)生錯誤，是無法在屏幕上顯示的，不過主板上還有個報(bào)警揚(yáng)聲器，而且如果主板的8255外圍可編程接口芯片沒有損壞的話，POST報(bào)警聲音一定是會出來的。可以根據(jù)報(bào)警聲的不同大致判斷錯誤所在，一般情況下，一聲短“嘀”聲基本代表正常啟動，不同的錯誤則是不同的短“嘀”聲和長“嘀”聲組合。POST自檢結(jié)束后，BIOS開始調(diào)用中斷完成各種硬件初始化工作。-it運(yùn)維

硬件初始化工作中，主要說明兩點(diǎn)，首先經(jīng)過POST檢測后，電腦終于出現(xiàn)了開機(jī)啟動畫面，這就是已經(jīng)檢測到了顯卡并完成了初始化。但是請注意，由于BIOS是在16位實(shí)模式運(yùn)行，因此該畫面是以VGA分辨率（640*480，縱橫比4:3）顯示的，因?yàn)閷?shí)模式最高支持的就是VGA。以前的小14-17寸CRT顯示器由于都是4:3比例，最高分辨率也比較低，因此這個開機(jī)啟動畫面沒有什么違和感，但現(xiàn)在的液晶顯示器基本上都是寬屏16:9的，分辨率也較高，因此在這樣的顯示屏下，啟動畫面上的一切東西顯示都可以說“慘不忍睹”——圖形被拉長，字體很大很模糊，可以很明顯看到顯示字體的鋸齒。第二，BIOS只識別到由主引導(dǎo)記錄（MBR）初始化的硬盤，之所以說明這點(diǎn)，是因?yàn)楹罄m(xù)的EFI或UEFI采用了一種新的GUID磁盤分區(qū)系統(tǒng)（GPT）格式，這種硬盤在BIOS下是無法識別的。硬件全部初始化完畢后，接下來進(jìn)入更新ESCD階段。-it運(yùn)維

在ESCD更新階段中，BIOS將對存儲在CMOS中和操作系統(tǒng)交換的硬件配置數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，如果系統(tǒng)硬件發(fā)生變動，則會更新該數(shù)據(jù)，否則不更新保持原狀不變，ESCD檢測或更新結(jié)束后，BIOS將完成最后一項(xiàng)工作，就是啟動操作系統(tǒng)。

最后這一步中，BIOS根據(jù)CMOS中用戶指定的硬件啟動順序，讀取相應(yīng)設(shè)備的啟動或引導(dǎo)記錄，引導(dǎo)相應(yīng)設(shè)備上的操作系統(tǒng)啟動，進(jìn)入操作系統(tǒng)，此后便由操作系統(tǒng)接替BIOS負(fù)責(zé)硬件和軟件間的相互通信。如果發(fā)現(xiàn)所有硬件都沒有能引導(dǎo)操作系統(tǒng)的記錄，則會在屏幕上顯示相應(yīng)錯誤信息，并將電腦維持在16位實(shí)模式。
雖然BIOS作為電腦加電啟動所必不可少的部分，但是從其于1975年誕生之日起近30余年，16位匯編語言代碼，1M內(nèi)存尋址，調(diào)用中斷一條條執(zhí)行的理念和方式竟然一點(diǎn)都沒有改變，雖然經(jīng)各大主板商不懈努力，BIOS也有了ACPI、USB設(shè)備支持，PnP即插即用支持等新東西，但是這在根本上沒有改變BIOS的本質(zhì)，而英特爾為了遷就這些舊技術(shù)，不得不在一代又一代處理器中保留著16位實(shí)模式（否則根本無法開機(jī)的）。但是，英特爾在2001年開發(fā)了全新的安騰處理器，采用IA-64架構(gòu)，并推出了全新的EFI。后來證明，安騰處理器、IA-64架構(gòu)沒有推廣開來，而EFI和后繼的UEFI卻發(fā)揚(yáng)光大，成為現(xiàn)在電腦的主要預(yù)啟動環(huán)境。
EFI，是Extensible Firmware Interface的詞頭縮寫，直譯過來就是可擴(kuò)展固件接口，它是用模塊化、高級語言（主要是C語言）構(gòu)建的一個小型化系統(tǒng)，它和BIOS一樣，主要在啟動過程中完成硬件初始化，但它是直接利用加載EFI驅(qū)動的方式，識別系統(tǒng)硬件并完成硬件初始化，徹底摒棄讀各種中斷執(zhí)行。EFI驅(qū)動并不是直接面向CPU的代碼，而是由EFI字節(jié)碼編寫成，EFI字節(jié)碼是專用于EFI的虛擬機(jī)器指令，需要在EFI驅(qū)動運(yùn)行環(huán)境DXE下解釋運(yùn)行，這樣EFI既可以實(shí)現(xiàn)通配，又提供了良好的兼容。此外，EFI完全是32位或64位，摒棄16位實(shí)模式，在EFI中就可以實(shí)現(xiàn)處理器的最大尋址，因此可以在任何內(nèi)存地址存放任何信息。另外，由于EFI的驅(qū)動開發(fā)非常簡單，基于EFI的驅(qū)動模型原則上可以使EFI接觸到所有硬件功能，在EFI上實(shí)現(xiàn)文件讀寫，網(wǎng)絡(luò)瀏覽都是完全可能的。i，BIOS上的的CMOS設(shè)置程序在EFI上是作為一個個EFI程序來執(zhí)行的，硬件設(shè)置是硬件設(shè)置程序、而啟動管理則是另一個程序，保存CMOS又是另一個程序，雖然它們在形式的Shell上是在一起的。

EFI在功能上完全等同于一個輕量化的OS，但是EFI在制定時(shí)就定位到不足以成為專業(yè)OS的地位上，首先，它只是一個硬件和操作系統(tǒng)間的一個接口；其次，EFI不提供中斷訪問機(jī)制，EFI必須用輪詢的方式檢查并解釋硬件，較OS下的驅(qū)動執(zhí)行效率較低，最后，EFI只有簡單的存儲器管理機(jī)制，在段保護(hù)模式下只將存儲器分段，所有程序都可以存取任何一段位置，不提供真實(shí)的保護(hù)服務(wù)。伴隨著EFI，一種全新的GUID磁盤分區(qū)系統(tǒng)（GPT）被引入支持，傳統(tǒng)MBR磁盤只能存在4個主分區(qū)，只有在創(chuàng)建主分區(qū)不足4個時(shí)，可以建立一個擴(kuò)展分區(qū)，再在其上建立被系統(tǒng)識別的邏輯分區(qū)，邏輯分區(qū)也是有數(shù)量的，太多的邏輯分區(qū)會嚴(yán)重影響系統(tǒng)啟動，MBR硬盤分區(qū)最大僅支持2T容量，對于現(xiàn)在的大容量硬盤來說也是浪費(fèi)。GPT支持任意多的分區(qū)，每個分區(qū)大小原則上是無限制的，但實(shí)際上受到OS的規(guī)定限制不能做到無限，不過比MBR的2T限制是非常重要的進(jìn)步。GPT的分區(qū)類型由GUID表唯一指定，基本不可能出現(xiàn)重復(fù)，其中的EFI系統(tǒng)分區(qū)可以被EFI存取，用來存取部分驅(qū)動和應(yīng)用程序，雖然這原則上會使EFI系統(tǒng)分區(qū)變得不安全，但是一般這里放置的都是些“邊緣”數(shù)據(jù)，即使其被破壞，一般也不會造成嚴(yán)重后果，而且也能夠簡單的恢復(fù)回來。

當(dāng)EFI發(fā)展到1.1的時(shí)候，英特爾決定把EFI公之于眾，于是后續(xù)的2.0吸引了眾多公司加入，EFI也不再屬于英特爾，而是屬于了Unified EFI Form的國際組織，EFI在2.0后也遂改稱為UEFI，UEFI，其中的EFI和原來是一個意思，U則是Unified（一元化、統(tǒng)一）的縮寫，所以UEFI的意思就是“統(tǒng)一的可擴(kuò)展固件接口”，與前身EFI相比，UEFI主要有以下改進(jìn)：

首先，UEFI具有完整的圖形驅(qū)動功能，之前的EFI雖然原則上加入了圖形驅(qū)動，但為了保證EFI和BIOS的良好過渡，EFI多數(shù)還是一種類DOS界面（仍然是640*480VGA分辨率），只支持PS/2鍵盤操作（極少數(shù)支持鼠標(biāo)操作），不支持USB鍵盤和鼠標(biāo)。到了UEFI，則是擁有了完整的圖形驅(qū)動，無論是PS/2還是USB鍵盤和鼠標(biāo)，UEFI一律是支持的，而且UEFI在顯卡也支持GOP VBIOS的時(shí)候，顯示的設(shè)置界面是顯卡高分辨率按640*480或1024*768顯示，因此畫面雖小但很清楚，但是這樣會導(dǎo)致屏幕周圍大片留黑，不過魚和熊掌不可兼得，除非UEFI默認(rèn)窗口大小也是最高分辨率

其次，UEFI具有一個獨(dú)特的功能，安全啟動，而EFI是沒有安全啟動的，安全啟動（Secure Boot），實(shí)際上通俗的解釋是叫做固件驗(yàn)證。開啟UEFI的安全啟動后，主板會根據(jù)TPM芯片（或者CPU內(nèi)置的TPM）記錄的硬件簽名對各硬件判斷，只有符合認(rèn)證的硬件驅(qū)動才會被加載，而Win8以后的Windows則是在操作系統(tǒng)加載的過程中對硬件驅(qū)動繼續(xù)查簽名，符合Windows記錄的硬件才能被Windows加載，這在一定程度上降低了啟動型程序在操作系統(tǒng)啟動前被預(yù)加載造成的風(fēng)險(xiǎn)，但是這也會造成系統(tǒng)安裝變得壟斷

無論EFI還是UEFI，都必須要有預(yù)加載環(huán)境、驅(qū)動執(zhí)行環(huán)境、驅(qū)動程序等必要部分組成，為了支持部分舊設(shè)備（如在UEFI下掛載傳統(tǒng)MBR硬盤，不支持UEFI啟動的顯卡在UEFI下仍然支持運(yùn)行等），還需要一個CSM兼容性支持模塊、EFI或UEFI都是僅支持GPT磁盤引導(dǎo)系統(tǒng)的，下面就具體談一下EFI或UEFI啟動計(jì)算機(jī)的過程。

一般地，預(yù)加載環(huán)境和驅(qū)動執(zhí)行環(huán)境是存儲在UEFI（UEFI BIOS）芯片中的，當(dāng)打開電源開關(guān)時(shí)，電腦的主要部件都開始有了供電，與BIOS不同的是，UEFI預(yù)加載環(huán)境首先開始執(zhí)行，負(fù)責(zé)CPU和內(nèi)存（是全部容量）的初始化工作，這里如出現(xiàn)重要問題，電腦即使有報(bào)警喇叭也不會響，因?yàn)閁EFI沒有去驅(qū)動8255發(fā)聲，不過預(yù)加載環(huán)境只檢查CPU和內(nèi)存，如果這兩個主要硬件出問題，屏幕沒顯示可以立即確定，另外一些主板會有提供LED提示，可根據(jù)CPU或內(nèi)存亮燈大致判斷故障。

CPU和內(nèi)存初始化成功后，驅(qū)動執(zhí)行環(huán)境（DXE）載入，當(dāng)DXE載入后，UEFI就具有了枚舉并加載UEFI驅(qū)動程序的能力，在此階段，UEFI會枚舉搜索各個硬件的UEFI驅(qū)動并相繼加載，完成硬件初始化工作，這相比BIOS的讀中斷加載速度會快的多，同樣如加載顯卡的UEFI驅(qū)動成功，電腦也會出現(xiàn)啟動畫面，硬件驅(qū)動全部加載完畢后，最后同BIOS一樣，也得去啟動操作系統(tǒng)。

在啟動操作系統(tǒng)的階段，同樣是根據(jù)啟動記錄的啟動順序，轉(zhuǎn)到相應(yīng)設(shè)備（僅限GPT設(shè)備，如果啟動傳統(tǒng)MBR設(shè)備，則需要打開CSM支持）的引導(dǎo)記錄，引導(dǎo)操作系統(tǒng)并進(jìn)入，這里需要注意的是，UEFI在檢測到無任何操作系統(tǒng)啟動設(shè)備時(shí)，會直接進(jìn)入U(xiǎn)EFI設(shè)置頁面，而不是像BIOS那樣黑屏顯示相關(guān)信息。-it運(yùn)維

綜上對BIOS和UEFI啟動計(jì)算機(jī)過程的敘述，可以概括為：BIOS先要對CPU初始化，然后跳轉(zhuǎn)到BIOS啟動處進(jìn)行POST自檢，此過程如有嚴(yán)重錯誤，則電腦會用不同的報(bào)警聲音提醒，接下來采用讀中斷的方式加載各種硬件，完成硬件初始化后進(jìn)入操作系統(tǒng)啟動過程；而UEFI則是運(yùn)行預(yù)加載環(huán)境先直接初始化CPU和內(nèi)存，CPU和內(nèi)存若有問題則直接黑屏，其后啟動PXE采用枚舉方式搜索各種硬件并加載驅(qū)動，完成硬件初始化，之后同樣進(jìn)入操作系統(tǒng)啟動過程。

此外，BIOS是16位匯編語言程序，只能運(yùn)行在16位實(shí)模式，可訪問的內(nèi)存只有1MB，而UEFI是32位或64位高級語言程序（C語言程序），突破實(shí)模式限制，可以達(dá)到要求的最大尋址。