UEFI知识及技术介绍（附下载）

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· 2021-06-02

从我们按下开机键到进入操作系统，对用户来说是一个等待的过程，而对计算机来说是一个复杂的过程。在BIOS时代，这个过程重复了一年又一年，操作系统已经从枯燥的文本界面演化到丰富多彩的图形界面，BIOS 却一直延续着枯燥的过程，BIOS 设置也一直是单调的蓝底白字格式。BIOS 的坚持出于两个原因; 外因是 BIOS 基本能满足市场需求，内因是 BIOS 的设计使得 BIOS的升级和扩增变得非常困难。随着 64 位CPU逐渐取代 32 位 CPU， BIOS 越来越不能满足市场的需求，这使得 UEFI作为 BIOS的替代者，逐渐开始取代 BIOS的地位。

BIOS 的前世今生

BIOS 诞生于1975 年的CP/M计算机，诞生之初，也曾是一种先进的技术，并且是系统中相当重要的一个部分。随着 IBM PC 兼容机的流行，BIOS也逐渐发展起来。它"统治"了计算机系统 20多年的时间，在这段时间里，CPU 每 18个月性能提升一倍。计算机软硬件都已经繁衍了无数代，BIOS 诞生之初与之配套的8位 CPU 和DOS 系统都已经退出历史舞台，而 BIOS 依然顽强地存在于计算机中。

BIOS在计算机中的作用

BIOS 全称为"基本输入/ 输出系统"，它是存储在主板 ROM里的一组程序代码，这些代码包括∶

1）加电自检程序，用于开机时对硬件的检测。

2）系统初始化代码，包括硬件设备的初始化、创建 BIOS 中断向量等。口基本的外围I/O 处理的子程序代码。

3）CMOS 设置程序。

BIOS 程序运行在16 位实模式下，实模式下最大的寻址范围是 1MB，0xOC0000～0xOFFFFF保留给 BIOS 使用。开机后，CPU 跳到 0xOFFFF0处执行，一般这里是一条跳转指令，跳到真正的 BIOS入口处执行。BIOS代码首先做的是"加电自检"（Power On Self Test，POST），主要是检测关机设备是否正常工作，设备设置是否与 CMOS 中的设置一致。如果发现硬件错误，则通过喇叭报警。

POST检测通过后初始化显示设备并显示显卡信息，接着初始化其他设备。设备初始化完毕后开始检查 CPU 和内存并显示检测结果。内存检测通过以后开始检测标准设备，例如硬盘、光驱、串口设备、并口设备等。然后检测即插即用设备，并为这些设备分配中断号、I/O 端口和 DMA 通道等资源。如果硬件配置发生变化，那么这些变化的配置将更新到CMOS 中。

随后，根据配置的启动顺序从设备启动，将启动设备主引导记录的启动代码通过 BIOS 中断读入内存，然后控制权交到引导程序手中，最终引导进入操作系统。

BIOS缺点分析

随着 CPU 及其他硬件设备的革新，BIOS 逐渐成为计算机系统发展的瓶颈，主要体现在如下几个方面∶

1）开发效率低∶大部分 BIOS 代码使用汇编开发，开发效率不言而喻。汇编开发的另一个缺点是使得代码与设备的耦合程度太高，代码受硬件变化的影响大。

2）性能差∶ BIOS 基本输人/输出服务需要通过中断来完成，开销大，并且 BIOS 没有提供异步工作模式，大量的时间消耗在等待上。

3）功能扩展性差，升级缓慢∶ BIOS 代码采用静态链接，增加硬件功能时，必须将 16位代码放置在0x0C0000～0xODFFFF 区间，初始化时将其设置为约定的中断处理程序。而且 BIOS 没有提供动态加载设备驱动的方案。

4）安全性∶ BIOS 运行过程中对可执行代码没有安全方面的考虑。

5）不支持从硬盘 2 TB 以上的地址引导∶ 受限于 BIOS 硬盘的寻址方式，BIOS 硬盘采用32 位地址。

UEFI知识概述

UEFI（Unified Extensible Fimware Interface，统一可扩展固件接口）定义了操作系统和平台固件之间的接口，它是 UEFT Forum 发布的一种标准。它只是一种标准，没有提供实现。其实现由其他公司或开源组织提供，例如英特尔公司提供的开源 UEFI实现TianoCore 和 Phoenix 公司的 SecureCore Tiano。UEFI 实现一般可分为两部分：

1）平台初始化：遵循 Platform Initialization标准，由UEFI Forum发布。

2）固件：操作系统接口。

UEFI发端于 20世纪 90年代中期的安腾系统。相对于当时流行的 32 位 IA32 系统，安腾是一种全新的64位系统，BIOS 的限制对这种 64 位系统变得不可接受（BIOS 也正是随着 32 位系统被64 位系统取代而逐渐退出市场的）。因为 BIOS在 64位系统上的限制，1998年英特尔公司发起了Intel Boot Initiative 项目，后来更名为 EFI（Extensible Fimware Interface）。

2003年英特尔公司的安腾 CPU 计划遭到 AMD公司的x86 64 CPU 顽强阻击，x86 64 CPU时代到来，市场更愿意接受渐进式的变化，英特尔公司也开始发布兼容32 位系统的x86_64 CPU。安腾虽然没有像预期那样独占市场，EFI却显示出了它的价值。2005年，英特尔公司联合微软、AMD、联想等 11 家公司成立了Unified EFI Forum，负责制定统一的EFI标准。第一个 UEFI标准——UEFI2.0在2006年1月发布。目前最新的UEFI标准是2013年发布的 UEFI2.4。

UEFI系统组成

UEFI提供给操作系统的接口包括启动服务（Boot Services，BS）和运行时服务（Runtime Service，RT）以及隐藏在 BS 之后的丰富的 Protocol。BS 和 RT 以表的形式（C语言中的结构体）存在。UEFI驱动和服务以 Protocol 的形式通过 BS提供给操作系统。

从操作系统加载器（OS Loader)被加载，到OS Loader执行ExitBootServices（的这段时间，是从 UEFI环境向操作系统过渡的过程。在这个过程中，OS Loader 可以通过BS和RT使用UEFI提供的服务，将计算机系统资源逐渐转移到自己手中，这个过程称为 TSL(Transient System Load)。

当 OS Loader 完全掌握了计算机系统资源时，BS 也就完成了它的使命。OS Loader 调用 ExitBootServices() 结束 BS并回收BS占用的资源，之后计算机系统进人UEFI Runtime 阶段。

在 Runtime 阶段只有运行时服务继续为 OS 提供服务，BS已经从计算机系统中销毁。在TSL 阶段，系统资源通过 BS 管理，BS提供的服务如下。

1）事件服务∶ 事件是异步操作的基础。有了事件的支持，才可以在 UEFI系统内执行并发操作。

2）内存管理∶ 主要提供内存的分配与释放服务，管理系统内存映射。

3）Protocol 管理∶提供了安装 Protocol与卸载 Protocol的服务，以及注册 Protocol通知函数（该函数在 Protocol 安装时调用）的服务。

4）Protocol 使用类服务∶ 包括 Protocol 的打开与关闭，查找支持Protocol的控制器。例如要读写某个PCI设备的寄存器，可以通过 OpenProtocol 服务打开这个设备上的 Pcilo Protocol，用 Pcilo->Io.Read（）服务可以读取这个设备上的寄存器。

5）驱动管理;包括用于将驱动安装到控制器的connect 服务，以及将驱动从控制器上卸载的disconect服务。例如，启动时，如果我们需要网络支持，则可以通过loadImage将驱动加载到内存，然后通过 connect 服务将驱动安装到设备。

6）lmage 管理∶ 此类服务包括加载、卸载、启动和退出 UEFI应用程序或驱动。

7 ）ExitBootServices∶ 用于结束启动服务。

RT提供的服务主要包括如下几个方面。

1）时间服务∶ 读取/ 设定系统时间。读取/设定系统从睡眠中唤醒的时间。

2）读写 UEFI 系统变量∶读取/设置系统变量，例如 BootOrder用于指定启动项顺序。通过这些系统变量可以保存系统配置。

3）虚拟内存服务∶ 将物理地址转换为虚拟地址。

4）其他服务∶ 包括重启系统的 ResetSystem，获取系统提供的下一个单调单增值等。

UEFI的优点分析

UEFI 能迅速取代 BIOS，得益于 UEFI 相对 BIOS 的几大优势。

（1）UEFI的开发效率BIOS 开发一般采用汇编语言，代码多是硬件相关的代码。而在 UEFI中，绝大部分代码采用C语言编写，UEFI应用程序和驱动甚至可以使用 C++编写。UEFI通过固件-操作系统接口（BS 和RT服务）为OS 和OS 加载器屏蔽了底层硬件细节，使得UEFI上层应用可以方便重用。

（2）UEFI系统的可扩展性UEFI 系统的可扩展性体现在两个方面∶ 一是驱动的模块化设计；二是软硬件升级的兼容性。大部分硬件的初始化通过UEFT驱动实现。每个驱动是一个独立的模块，可以包含在固件中，也可以放在设备上，运行时根据需要动态加载。

UEFI 中每个表、每个 Protocol（包括驱动）都有版本号，这使得系统的平滑升级变得简单。

（3）UEFI系统的性能相比 BIOS，UEFI有了很大的性能提升，从启动到进入操作系统的时间大大缩短。性能的提高源于以下几个方面∶

1）UEFI提供了异步操作。基于事件的异步操作，提高了 CPU利用率，减少了总的等待时间。

2）UEFI舍弃了中断这种比较耗时的操作外部设备的方式，仅仅保留了时钟中断。外部设备的操作采用"事件士异步操作"完成。

3）可伸缩的遍历设备的方式，启动时可以仅仅遍历启动所需的设备，从而加速系统启动。

（4）UEFI系统的安全性UEFI的一个重要突破就是其安全方面的考虑。当系统的安全启动功能被打开后，UEFI在执行应用程序和驱动前会先检测程序和驱动的证书，仅当证书被信任时才会执行这个应用程序或驱动。UEFI 应用程序和驱动采用PE/COFF 格式，其签名放在签名块中。

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《UEFI技术和基础知识》

《UEFI安全启动技术手册》

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