UEFI的诞生

随着CPU及其他硬件设备的技术革新，CPU和操作系统已支持到64位，而BIOS却还停留在16位；主板上更加丰富多样的扩展设备，也让BIOS愈加无能为力，使得硬件无法完成初始化。现实表明，BIOS已经无法满足软硬件高速发展的需求，成为了计算机体系发展的瓶颈。经济学规律告诉我们，哪里有需求哪里就有市场，于是新的引导技术就在偶然也是必然中出现了。

1997年，Intel联合惠普开发出了首颗面向高端服务器市场的基于安腾（Itanium，也称为IA-64）架构的64位处理器。而当时的BIOS已经无法满足Intel的需求，所以Intel于1998年启动了名为“Intel Boot Initiative”的项目来解决系统引导问题，后来Intel将此项目的规范公开并命名为EFI（Extensible Firmware Interface），即可扩展固件接口。

IA-64构架属于全新构架平台，而市面上的计算机全是32位的x86架构，如果想让程序在IA-64平台的计算机上运行，就必须重新编译，出于成本和惯性思维考虑，可以想象市场接受IA-64是多么困难。不出所料，IA-64的销量不容乐观，仅HP一家坚持使用；2003年，AMD发布第一颗能兼容32位的基于x86-64（AMD64）架构的64位处理器：Opteron，并于同年发布了面向桌面端计算机的Athlon 64，受到了市场的青睐；最终Intel决定放弃对IA-64的重点投入，将主要精力转投AMD 的x86_64架构。

虽然IA-64没有取得成功，但EFI凭借着其良好的结构设计存活下来并大放异彩。鉴于EFI的优越性，2005年，CPU生产厂商联合BIOS供应商，OS供应商以及系统制造商等行业内11家知名企业（分别是：AMD, American Megatrends, ARM, Apple, Dell, Hewlett Packard Enterprise, HP Inc., Insyde Software, Intel, Lenovo, Microsoft, and Phoenix Technologies）共同建立了UEFI论坛，该论坛属于非营利性公司，负责开发、促进和管理UEFI的规范的演进。Intel将EFI规范和相关的测试套件移交给UEFI论坛，微软也提供了相应的技术资料，更新了规范内容，形成了新的UEFI（Unified Extensible Firmware Interface）规范，该规范定位于接口规范，不涉及具体的固件实现。2006年1月31日，UEFI论坛推出第一个新的标准UEFI2.0。

从2005年至今，UEFI规范标准已经升级至2.10，在行业的积极推动下，UEFI成为替代BIOS的主要驱动系统的技术，2007年苹果公司率先在MacBook Pro中使用了UEFI技术，随后同一年微软也在Vista SP1中使用UEFI技术，开始了UEFI替换BIOS的技术迭代，特别是Wintel在PC市场上取得的巨大成功，让UEFI引导方案从众多技术中脱颖而出，成为了当下的主流。

UEFI的特点

UEFI可视为一个微型的操作系统，但无法替代操作系统的角色，设计之初，就被限制了功能，不提供中断和缓存机制，其主要功能有两个：

1. 平台初始化（Platform Initialization），为各类硬件提供初始化服务；

2. 提供固件接口，为上层应用（包括操作系统）提供调用接口，抽象底层硬件；

相比BIOS，UEFI的优势大致有以下几点：

1. 更安全的防护措施，更有效的签名验证机制；

UEFI中引入了Hash校验和数字签名等技术，从源头上防止数据的篡改；安全启动模式从根开始验证加载模块的数字签名，只有通过验证，才会运行模块程序；UEFI还能检测运行模块是否在禁止加载的黑名单中，如果在黑名单中，同样禁止程序运行。

2. 支持KMS（Key Management Service）

支持Internet Key Server和HSM(Hardware Security Module)或者其他类型的KMS Provider，对密钥进行管理和存储。

3. 支持GPT的分区方式，突破了硬盘容量限制，可以引导超过2T的硬盘；

GPT分区标准作为UEFI标准的一部分，支持每个磁盘最大128个主分区，8 ZiB容量（每扇区512字节）或者64 ZiB（每扇区4096字节）。

4. 支持异步调用，开机速度快，可识别文件系统；

UEFI支持异步事件调用，放弃了BIOS的中断方式，让CPU可以在相同的时间内做更多的事情；UEFI支持FAT32文件系统，抽象了底层硬件I/O，通过文件方式访问磁盘比直接访问扇区更有效率， BIOS每次只能通过INT0x13按扇区读取硬盘数据，而UEFI可以读取任意长度；UEFI也不必再从磁盘的固定位置读取引导代码，引导代码可以放在任意路径下。

5. 支持多语言，更友好的GUI；

BIOS永远只能是单调的单色背景，纯英文的文字选项，而UEFI可以提供本地化即多语言的功能，还能设计出对用户更友好，内容更丰富的GUI交互。

Legacy BIOS界面

UEFI界面

6. 支持多种协议：USB、SCSI、ACPI、TCP/IP，PCI等

大部分的硬件初始化都在UEFI中完成，UEFI也支持安装硬件驱动程序，能驱动复杂的扩展硬件设备；UEFI还具有网络功能，在不进入操作系统的情况下进行网络通讯。

7. 支持C语言，易开发，易维护；

UEFI的大部分实现都使用C语言，并且支持C运行时库，将普通的C代码迁移到UEFI中，只需要很少的工作量，应用程序和驱动程序甚至可以使用C++。

8. 模块化的设计；

UEFI对底层硬件进行了抽象，采用模块化设计，降低耦合性，通过固件接口(Boot Service和Runtime Service)向上提供服务，屏蔽了底层硬件实现细节，简化了UEFI上层应用的调用；整个UEFI环境分7阶段运行：SEC（安全验证）->PEI（EFI前期初始化）->DXE（驱动执行环境）->BDS（启动设备选择）->TSL（操作系统加载前期）->RT（Run Time）->AL（系统灾难恢复期），每个阶段只负责处理自己的部分，完成后转到下个阶段。

UEFI阶段运行示图

UEFI架构图

Boot Service主要向上提供事件处理、时间和任务优先级相关设置，内存分配，外设管理（注册、注销、安装、卸载、响应等），映射加载等服务。

Runtime Service主要限制中断响应，提供时间服务（运行时阶段），虚拟内存映射和其他各种（如Reset，获取monotonic计数，更新固件等）服务。

参考资料：

1. 《UEFI原理与编程》—— 戴正华

2. 《Unified Extensible Firmware Interface(UEFI) Specification》

3. 《UEFI Platform Initialization (PI) Specification》

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