從我們按下開機鍵到進入操作系統(tǒng)，對用戶來說是一個等待的過程，而對計算機來說是一個復(fù)雜的過程。在BIOS時代，這個過程重復(fù)了一年又一年，操作系統(tǒng)已經(jīng)從枯燥的文本界面演化到豐富多彩的圖形界面，BIOS 卻一直延續(xù)著枯燥的過程，BIOS 設(shè)置也一直是單調(diào)的藍底白字格式。BIOS 的堅持出于兩個原因; 外因是 BIOS 基本能滿足市場需求，內(nèi)因是 BIOS 的設(shè)計使得 BIOS的升級 和擴增變得非常困難。隨著 64 位CPU逐漸取代 32 位 CPU， BIOS 越來越不能滿足市場的需求，這使得 UEFI作為 BIOS的替代者，逐漸開始取代 BIOS的地位。

BIOS 誕生于1975 年的CP/M計算機，誕生之初，也曾是一種先進的技術(shù)，并且是系統(tǒng)中相當重要的一個部分。隨著 IBM PC 兼容機的流行，BIOS也逐漸發(fā)展起來。它"統(tǒng)治"了計算機系統(tǒng) 20多年的時間，在這段時間里，CPU 每 18個月性能提升一倍。計算機軟硬件都已經(jīng)繁衍了無數(shù)代，BIOS 誕生之初與之配套的8位 CPU 和DOS 系統(tǒng)都已經(jīng)退出歷史舞臺，而 BIOS 依然頑強地存在于計算機中。

BIOS 全稱為"基本輸入/ 輸出系統(tǒng)"，它是存儲在主板 ROM里的一組程序代碼，這些代碼包括∶

1）加電自檢程序，用于開機時對硬件的檢測。

2）系統(tǒng)初始化代碼，包括硬件設(shè)備的初始化、創(chuàng)建 BIOS 中斷向量等?？诨镜耐鈬鶬/O 處理的子程序代碼。

3）CMOS 設(shè)置程序。

BIOS 程序運行在16 位實模式下，實模式下最大的尋址范圍是 1MB，0xOC0000～0xOFFFFF保留給 BIOS 使用。開機后，CPU 跳到 0xOFFFF0處執(zhí)行，一般這里是一條跳轉(zhuǎn)指令，跳到真正的 BIOS入口處執(zhí)行。BIOS代碼首先做的是"加電自檢"（Power On Self Test，POST），主要是檢測關(guān)機設(shè)備是否正常工作，設(shè)備設(shè)置是否與 CMOS 中的設(shè)置一致。如果發(fā)現(xiàn)硬件錯誤，則通過喇叭報警。

POST檢測通過后初始化顯示設(shè)備并顯示顯卡信息，接著初始化其他設(shè)備。設(shè)備初始化完畢后開始檢查 CPU 和內(nèi)存并顯示檢測結(jié)果。內(nèi)存檢測通過以后開始檢測標準設(shè)備，例如硬盤、光驅(qū)、串口設(shè)備、并口設(shè)備等。然后檢測即插即用設(shè)備，并為這些設(shè)備分配中斷號、I/O 端口和 DMA 通道等資源。如果硬件配置發(fā)生變化，那么這些變化的配置將更新到CMOS 中。

隨后，根據(jù)配置的啟動順序從設(shè)備啟動，將啟動設(shè)備主引導(dǎo)記錄的啟動代碼通過 BIOS 中斷讀入內(nèi)存，然后控制權(quán)交到引導(dǎo)程序手中，最終引導(dǎo)進入操作系統(tǒng)。

隨著 CPU 及其他硬件設(shè)備的革新，BIOS 逐漸成為計算機系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸，主要體現(xiàn)在如下幾個方面∶

1）開發(fā)效率低∶大部分 BIOS 代碼使用匯編開發(fā)，開發(fā)效率不言而喻。匯編開發(fā)的另一個缺點是使得代碼與設(shè)備的耦合程度太高，代碼受硬件變化的影響大。

2）性能差∶ BIOS 基本輸人/輸出服務(wù)需要通過中斷來完成，開銷大，并且 BIOS 沒有提供異步工作模式，大量的時間消耗在等待上。

3）功能擴展性差，升級緩慢∶ BIOS 代碼采用靜態(tài)鏈接，增加硬件功能時，必須將 16位代碼放置在0x0C0000～0xODFFFF 區(qū)間，初始化時將其設(shè)置為約定的中斷處理程序。而且 BIOS 沒有提供動態(tài)加載設(shè)備驅(qū)動的方案。

4）安全性∶ BIOS 運行過程中對可執(zhí)行代碼沒有安全方面的考慮。

5）不支持從硬盤 2 TB 以上的地址引導(dǎo)∶ 受限于 BIOS 硬盤的尋址方式，BIOS 硬盤采用32 位地址。

UEFI（Unified Extensible Fimware Interface，統(tǒng)一可擴展固件接口）定義了操作系統(tǒng)和平臺固件之間的接口，它是 UEFT Forum 發(fā)布的一種標準。它只是一種標準，沒有提供實現(xiàn)。其實現(xiàn)由其他公司或開源組織提供，例如英特爾公司提供的開源 UEFI實現(xiàn)TianoCore 和 Phoenix 公司的 SecureCore Tiano。UEFI 實現(xiàn)一般可分為兩部分：

1）平臺初始化：遵循 Platform Initialization標準，由UEFI Forum發(fā)布。

2）固件：操作系統(tǒng)接口。

UEFI發(fā)端于 20世紀 90年代中期的安騰系統(tǒng)。相對于當時流行的 32 位 IA32 系統(tǒng)，安騰是一種全新的64位系統(tǒng)，BIOS 的限制對這種 64 位系統(tǒng)變得不可接受（BIOS 也正是隨著 32 位系統(tǒng)被64 位系統(tǒng)取代而逐漸退出市場的）。因為 BIOS在 64位系統(tǒng)上的限制，1998年英特爾公司發(fā)起了Intel Boot Initiative 項目，后來更名為 EFI（Extensible Fimware Interface）。

2003年英特爾公司的安騰 CPU 計劃遭到 AMD公司的x86 64 CPU 頑強阻擊，x86 64 CPU時代到來，市場更愿意接受漸進式的變化，英特爾公司也開始發(fā)布兼容32 位系統(tǒng)的x86_64 CPU。安騰雖然沒有像預(yù)期那樣獨占市場，EFI卻顯示出了它的價值。2005年，英特爾公司聯(lián)合微軟、AMD、聯(lián)想等 11 家公司成立了Unified EFI Forum，負責(zé)制定統(tǒng)一的EFI標準。第一個 UEFI標準——UEFI2.0在2006年1月發(fā)布。目前最新的UEFI標準是2013年發(fā)布的 UEFI2.4。

UEFI提供給操作系統(tǒng)的接口包括啟動服務(wù)（Boot Services，BS）和運行時服務(wù)（Runtime Service，RT）以及隱藏在 BS 之后的豐富的 Protocol。BS 和 RT 以表的形式（C語言中的結(jié)構(gòu)體）存在。UEFI驅(qū)動和服務(wù)以 Protocol 的形式通過 BS提供給操作系統(tǒng)。

從操作系統(tǒng)加載器（OS Loader)被加載，到OS Loader執(zhí)行ExitBootServices（的這段時間，是從 UEFI環(huán)境向操作系統(tǒng)過渡的過程。在這個過程中，OS Loader 可以通過BS和RT使用UEFI提供的服務(wù)，將計算機系統(tǒng)資源逐漸轉(zhuǎn)移到自己手中，這個過程稱為 TSL(Transient System Load)。

當 OS Loader 完全掌握了計算機系統(tǒng)資源時，BS 也就完成了它的使命。OS Loader 調(diào)用 ExitBootServices() 結(jié)束 BS并回收BS占用的資源，之后計算機系統(tǒng)進人UEFI Runtime 階段。

在 Runtime 階段只有運行時服務(wù)繼續(xù)為 OS 提供服務(wù)，BS已經(jīng)從計算機系統(tǒng)中銷毀。在TSL 階段，系統(tǒng)資源通過 BS 管理，BS提供的服務(wù)如下。

1）事件服務(wù)∶ 事件是異步操作的基礎(chǔ)。有了事件的支持，才可以在 UEFI系統(tǒng)內(nèi)執(zhí)行并發(fā)操作。

2）內(nèi)存管理∶ 主要提供內(nèi)存的分配與釋放服務(wù)，管理系統(tǒng)內(nèi)存映射。

3）Protocol 管理∶提供了安裝 Protocol與卸載 Protocol的服務(wù)，以及注冊 Protocol通知函數(shù)（該函數(shù)在 Protocol 安裝時調(diào)用）的服務(wù)。

4）Protocol 使用類服務(wù)∶ 包括 Protocol 的打開與關(guān)閉，查找支持Protocol的控制器。例如要讀寫某個PCI設(shè)備的寄存器，可以通過 OpenProtocol 服務(wù)打開這個設(shè)備上的 Pcilo Protocol，用 Pcilo->Io.Read（）服務(wù)可以讀取這個設(shè)備上的寄存器。

5）驅(qū)動管理;包括用于將驅(qū)動安裝到控制器的connect 服務(wù)，以及將驅(qū)動從控制器上卸載的disconect服務(wù)。例如，啟動時，如果我們需要網(wǎng)絡(luò)支持，則可以通過loadImage將驅(qū)動加載到內(nèi)存，然后通過 connect 服務(wù)將驅(qū)動安裝到設(shè)備。

6）lmage 管理∶ 此類服務(wù)包括加載、卸載、啟動和退出 UEFI應(yīng)用程序或驅(qū)動。 

7 ）ExitBootServices∶ 用于結(jié)束啟動服務(wù)。 

RT提供的服務(wù)主要包括如下幾個方面。

1）時間服務(wù)∶ 讀取/ 設(shè)定系統(tǒng)時間。讀取/設(shè)定系統(tǒng)從睡眠中喚醒的時間。

2）讀寫 UEFI 系統(tǒng)變量∶讀取/設(shè)置系統(tǒng)變量，例如 BootOrder用于指定啟動項順序。通過這些系統(tǒng)變量可以保存系統(tǒng)配置。

3）虛擬內(nèi)存服務(wù)∶ 將物理地址轉(zhuǎn)換為虛擬地址。

4）其他服務(wù)∶ 包括重啟系統(tǒng)的 ResetSystem，獲取系統(tǒng)提供的下一個單調(diào)單增值等。 

UEFI 能迅速取代 BIOS，得益于 UEFI 相對 BIOS 的幾大優(yōu)勢。

（1）UEFI的開發(fā)效率BIOS 開發(fā)一般采用匯編語言，代碼多是硬件相關(guān)的代碼。而在 UEFI中，絕大部分代碼采用C語言編寫，UEFI應(yīng)用程序和驅(qū)動甚至可以使用 C++編寫。UEFI通過固件-操作系統(tǒng)接口（BS 和RT服務(wù)）為OS 和OS 加載器屏蔽了底層硬件細節(jié)，使得UEFI上層應(yīng)用可以方便重用。

（2）UEFI系統(tǒng)的可擴展性UEFI 系統(tǒng)的可擴展性體現(xiàn)在兩個方面∶ 一是驅(qū)動的模塊化設(shè)計；二是軟硬件升級的兼容性。大部分硬件的初始化通過UEFT驅(qū)動實現(xiàn)。每個驅(qū)動是一個獨立的模塊，可以包含在固件中，也可以放在設(shè)備上，運行時根據(jù)需要動態(tài)加載。

UEFI 中每個表、每個 Protocol（包括驅(qū)動）都有版本號，這使得系統(tǒng)的平滑升級變得簡單。

（3）UEFI系統(tǒng)的性能相比 BIOS，UEFI有了很大的性能提升，從啟動到進入操作系統(tǒng)的時間大大縮短。性能的提高源于以下 幾個方面∶

1）UEFI提供了異步操作。基于事件的異步操作，提高了 CPU利用率，減少了總的等待時間。

2）UEFI舍棄了中斷這種比較耗時的操作外部設(shè)備的方式，僅僅保留了時鐘中斷。外部設(shè)備的操作采用"事件士異步操作"完成。

3）可伸縮的遍歷設(shè)備的方式，啟動時可以僅僅遍歷啟動所需的設(shè)備，從而加速系統(tǒng)啟動。

（4）UEFI系統(tǒng)的安全性UEFI的一個重要突破就是其安全方面的考慮。當系統(tǒng)的安全啟動功能被打開后，UEFI在執(zhí)行應(yīng)用程序和驅(qū)動前會先檢測程序和驅(qū)動的證書，僅當證書被信任時才會執(zhí)行這個應(yīng)用程序或驅(qū)動。UEFI 應(yīng)用程序和驅(qū)動采用PE/COFF 格式，其簽名放在簽名塊中。

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《UEFI技術(shù)和基礎(chǔ)知識》

《UEFI安全啟動技術(shù)手冊》

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