什么是 UEFI 以及它和 BIOS 的区别

写一些关于 BIOS 以及 它的替代版本 UEFI

Preface

稍微懂点计算机的朋友都会知道 BIOS，在开机的时候按下的特定的键位，进入到一个神奇的页面，以前我们都管它叫 BIOS，但是现在我们发现在这个页面会看到 UEFI 这四个字母，当然对于大部分人来说，我们仍然称之为 BIOS，而实际上它已经脱胎换骨了。

最直接的映像就是，现在在这个所谓的 BIOS，比如某些华硕的笔记本，在 "BIOS" 里面，我们竟然可以用触摸屏，USB 鼠标甚至支持动态插拔设备，这在以前都是不可能的，具体等下我会说明原因。

BIOS

BIOS ( /ˈbaɪɒs/ ） 是 Basic Input/Output System 的缩写，早期的出现是当时的硬件经常故障，需要一个软件来检测这些硬件的工作情况并进行相应的初始化，然后引导操作系统，所以它是作为一个硬件和用户之间的接口。具体一点，比如操作系统需要了解当前计算机的内存大小，BIOS 构建了内存图( 标示哪些可用哪些不可用 )，并提供了中断接口 （ 通过设置中断向量表 ），你只需要调用相应的中断号就可以得到内存大小，以此类推还有硬盘的大小等等，这样的设计隔离了操作系统和硬件，是模块化思想的体现。

这里特别说明一点，BIOS 和 UEFI 的作用几乎是一样的，它们的名字不同是因为各自有各自的特点，就好像 Linux 和 Windows，如果比起源代码，它们很多地方的处理是相似的，但是它们各自的特点所以我们用不同的名字命名它，UEFI 和 BIOS 完成的作用是类似的，但是处理的方式不同，这是我们要知道的。

特点以及缺陷

BIOS 是工作在实模式( real mode ) 下，这种模式下的 CPU 是 16位，地址线是20位，也就是只能寻址 1M 以内的内存，这个特点的缺陷很明显，那么为什么会出现，原因是因为 intel 16位的那款 CPU 实在是太火了，当时出现了非常多的程序工作在 1M 下，并且在内存单元1M还会从回滚到内存 0 单元开始，这种特点还是部分程序员特别喜欢的特点，后来的 Intel 为了兼容性，在后来 32位的 CPU 都一直兼容这个模式，当然，这也造就了 Intel 的神话，如果操作系统需要使用32位，就得激活 A20 地址线，进入保护模式，这里不详细说，有兴趣的朋友去了解这两种模式。总之，BIOS 是工作在 16位 的实模式，访问内存单元是 1M，这在以前绝对是够用了，人们没想到内存竟然能到达现在32g甚至是更高，所以 BIOS 的升级实在是势在必行的。

20 位地址线的缺陷可能有些人还不明白，我举一个例子，比如我们开机的时候 BIOS 必须要初始化我们的显卡，否则我们如何在屏幕显示东西呢，显卡设备一般是共享地址空间的，意思是显卡我们一块地址空间就不属于内存条了，而是属于这个显卡，这个不了解地址的可能难以理解，简单点理解就是这一块内存跟显存一一对应，我们访问这个地址就是访问显存，这个地址空间的开始地址和结束地址都是由 BIOS 写在显卡设备提供的相关基址寄存器的，但是我的 地 线只有20位，如果我给予以上1M的地址空间，实际上我根本访问不了，也就没有办法使用，也就是必须在 1M 以内，而现在的显存，还有小于1M的吗？

有人可能好奇16位的cpu为什么有20位地址线，我猜测是因为当时内存广泛是 1M 大小，所以寻址方式与之适应的也出现了段式寻址（内存分段）。于是乎，这个 BIOS 的特点就是16位，实模式，寻址在1M以内。

注意此处的 cpu 均是以x86为例子，其他架构恕写者资质尚浅，没有研究过

BIOS 下的操作系统引导过程

我们先了解传统的 BIOS，是如何一步一步把计算机的控制权交接到操作系统手里的。首先，在我们按下主机的power键，我们的 CPU 内部的程序指针会被附上一个固定的初始值，这个初始值也就是 BIOS 程序应该在的地址，然后 CPU 执行的就是 BIOS 程序，BIOS 所做的事情有 检测设备，查看是否工作正常，并且记录相关的数据供后来的操作系统使用，然后，根据你所选择的引导设备，我们 BIOS 在检测了设备之后，知道哪些是引导设备，比如硬盘，光碟，软盘或者网络引导，我们在进入BIOS页面的时候可以更改 boot priority，这个修改的数据是记录在 NVRAM 上，也就是断电之后仍然保留的数据，如果没有设置，BIOS 会有自己默认的引导顺序，我们先不谈网络引导，以最简单的硬盘为例子。

BIOS 会把硬盘的前512个字节（也就是第一个扇区）读到地址 0x7c00 上，接着跳转到 0x7c00 执行这里的指令，现在有一件事已经明朗了，我们操作系统所在的区域有一部分必然就是这512字节（我们先忽略像linux那样使用了其他引导程序，比如 grub ，的情况）。可能很多人好奇，为什么是这个地址，这里有一篇文章，阮一峰老师写的，解释的很清楚。

这512字节，我们称之为 MBR( Master Boot Record) ，可能有些读者好奇，这里的指令大概是些什么指令，我以早期操作系统为例子，假设我们编写好了一个操作系统，操作系统的前512个字节就是MBR，我们把这个操作系统，完完整整的写在硬盘上，那么BIOS就会乖乖的把我的指令从第一条开始执行，我的MBR，该写哪些内容好呢？ 首先，我们得想一个问题，它只加载512字节，那我操作系统大于512字节怎么办，没错！MBR 必然要做的事情就是把大于512字节的部分，加载到内存中，当然现在控制权在你手里，你想怎么处理都OK。然后你还得用中断，把 BIOS 记录的信息存储在相关全局变量中，接着你如果设计的操作系统是32位，那是不是就得开启保护模式，也就是启用 A20 地址线了，接下来就是建立内存管理，设备管理，进程管理和文件管理等等复杂的事情，当然这些代码必然不在 MBR，因为512字节远远不够。

现在读者可能发现，BIOS 引导 OS 也太简单了，就只读512个字节，然后就与它无关了。BIOS 可以识别上面的文件吗？ 不行。BIOS 并没有涉及文件系统的代码，而且文件系统繁多，如果要只能规定一种，作为引导盘上面的文件系统( 这个特点就是 UEFI 所拥有的 )。

再想一个问题，我们如果发布自己编写的操作系统，这个安装文件应该要做一些什么事情，很简单，就把我的操作系统文件安装在硬盘开始的地方就好了，那么问题来了，如果我们有多个分区，你是不是还得检测MBR上面记录的分区信息，然后复写一份，这个还不是复杂的，关键在于，我们如果想要安装双系统，怎么办，两个安装程序都会抢着把自己写在MBR中，最终只能存在一个。

可不可以我们都把自己的文件放在一个专有的目录下面，然后告诉 BIOS，我这里有个操作系统可以引导，这样不就完美解决了吗，这里又要求 BIOS 可以识别文件系统，这个功能在 UEFI 也被实现了。

UEFI 的时代

以上种种，都表面传统的 BIOS 其实已经跟不上时代了，必须要革新。我们一直在说 UEFI，到底是何方神仙呢？ 下面我来简单的介绍一下。

Unified Extensible Firmware Interface (UEFI) 是一种协议，没错，是协议，它阐述了一个操作系统应该怎么样被引导，以及它应该提供什么样的功能给操作系统，以及如何注册一个驱动，一个可引导的操作系统。当然，我们一直用 UEFI 来代表升级了的BIOS，也就是一个 32/64位 的小型程序(操作系统)，可以识别文件系统，可以自己写新的驱动，可以更好引导多操作系统的这样一个 "BIOS"。

UEFI 的实质就是一个小型操作系统，它可以说实现了操作系统的应该有的功能，它使用 C语言 编写，有人说阅读其源代码可以更好的了解操作系统，因为比起现代操作系统，它的代码量很小，但是它提供了内存管理，设备管理以及文件系统等高级的功能，也就是说在之前，我们还得自己写内存管理的代码，但是如果我们只是需要实现一个简单的功能，我们只要在UEFI提供的接口，用 C/C++ 添加新的功能就好了，而原来的 MBR，几乎都是汇编编写。但是，如果你的目标是要实现一个完整的操作系统，还是需要自己写内存管理的。

UEFI 使新的驱动编写更加简单，所以我们在现在的 BIOS 界面，可以用触摸板，可以看见我们引导盘里面的文件。UEFI 可以理解为一个平台，它提供了内存管理，设备驱动管理等等功能。我举个例子，在之前，BIOS 把 MBR 内容读出以后，控制权就在读出的 MBR 手上了， 而 BIOS 给它提供的只有一些中断，用来获取信息和一些输入输出操作，但是如果这部分程序想要实现新的驱动，更好的管理内存，都要自己构建这些系统。而如今，在 UEFI 之上，我们直接调用 UEFI 提供的函数，就可以分配一段内存（ 就像是 C语言的 malloc 函数 一样简单），挂载新的驱动也支持热插拔，因为它的驱动设备管理系统已经搭建好了。注意，虽然提供了这些功能，但是操作系统一般都会自己构建。

有读者可能会好奇，既然都要自己实现，为什么还要 UEFI 提供，原因就在于所有利用计算机设备的人可能只是想实现部分功能，并不是搭建一个操作系统。最直接的例子，就是 GRUB，我们操作系统内核可能有多个版本，这几个版本如何在开机的时候供我们选择，就需要一个管理程序，所以我们放在 MBR 不是操作系统，而是一个管理内核的程序，注意，UEFI 已经不使用 MBR 了，我这里用 MBR 是为了让读者更好理解，这是操作系统开始的那一部分程序。那么这个管理程序 GRUB，如果不在 UEFI 的情况下，首先它自己本身需要实现的功能就是文件管理，因为不同的内核文件是放在硬盘某个分区里面的，不实现这个是不可能进行读取操作，试想一下，这些过程肯定离不开分配一段内存的，但是为了分配内存，我需要检测哪一段是可用的，然后搭建内存管理系统，也就是我这个程序，本身是为了实现内核管理，但是因为依赖性，我还得自己实现多余的功能，而在操作系统之前这一段管理程序，应该尽可能小。所以在 UEFI 下面，编写这种程序就更加简单，因为 UEFI 已经搭建好了，我们只需要调用相应函数，这便是使用 UEFI 的好处，如果我只想实现一个网卡驱动，没理由我还要自己先写一个操作系统是吧？

UEFI 本身提供了许多 NVRAM 变量，用来存储引导的信息，比如引导的优先级，这在我们 UEFI （人们喜欢用 BIOS 称呼它）的界面里就可以设置，本质就是修改了相关的变量，这些变量在断电之后也依然存在的，还有引导的文件所在位置，就是我们操作系统所在的路径，这里可以看出 UEFI 是可以识别文件系统的，我们在后面的章节会简单的说明。

P.S. 在 UEFI 的平台下，一切编写的程序，就如同操作系统的进程一样，所以我们说 UEFI 就是是一个小型的操作系统，而这些子程序（比如 操作系统 ）想要接管整个计算机，还要调用 UEFI 提供的交接函数，进而把自己的功能都去除，留给子程序一个干净的环境。

这里只是宏观上的对比，给读者一个直观的映像，更详细的比如 NVRAM 变量，建议读者去读spec

Summary

BIOS 是 CPU 工作在16位下的作为人机之间一个简单的接口的中间程序，提供了基本的设备检查，初始化，并管理引导，最终引导操作系统的这一段程序。UEFI 是 BIOS 的升级版，工作在 32/64位 下的 CPU，除去 BIOS 实现的功能之外，还提供了设备管理，内存管理的功能，使得在此基础之上实现的程序编写更加的简单，这里必须要知道，UEFI 就是一个小型操作系统，他具有文件系统的功能，我们可以利用的函数，直接在开机的开始，当 UEFI 运行我们预放置的程序的时候（如同 BIOS 读 MBR），我们就可以利用它提供的功能，分配一段空间，然后读我们硬盘里面的文件，这在 BIOS 下面，就是天方夜谭了。