UEFI(EFI) 的启动菜单与NVRAM

查询这个问题原因是最近升级了一下UOS操作系统，由1032版本升级到1040,升级后重启发现无法启动，自动进入了grub的rescue shell 了，感觉不太对劲，然后重启机器选择另外的启动菜单，结果就正常进入系统了。虽然问题轻松解决了，但不查下原因不是我的风格。

intel做为业界大佬，引领了无数规范，UEFI也不例外之前在1.1版本之前的时候还叫EFI,后面就联合大家一起搞UEFI，最总发展成为今天各种平台（X86,安腾，ARM64 ，龙芯）通用的PC BIOS 引导程序（BIOS和操作系统之前的中间引导层）了。

详细可以参考下面2个网站：

Extensible Firmware Interface (EFI) and Unified EFI (UEFI)

Specifications | Unified Extensible Firmware Interface Forum

一个是Intel官网，另外一个是uefi官网。

What is TianoCore? 另外这个站点有UEFI的开源跨平台实现，我记得我树莓派上的UEFI就是这个东东。同样QEMU+KVM的虚拟机如果设置UEFI启动，也是他。有时间研究。

我只关注启动部分，所以对规范本身不做研究。

使用UEFI启动的系统，必须要有一个ESP（FAT32格式）分区供UEFI使用，这是因为，不管是使用grub（或者其他比如微软windows的引导器）来引导操作系统还是UEFI直接引导linux内核镜像，都需要有ESP分区用于存放引导文件（BIOS里面的UEFI只认这个分区，如果走UEFI引导，也必须从这个分区加载引导文件），详细的可以参考：

EFI System Partition - Gentoo Wiki

UEFI标准定义了默认的引导文件如下

esp/EFI/BOOT/BOOTx64.EFI for x86_64 UEFI
esp/EFI/BOOT/BOOTIA.EFI for IA32 UEFI.

当然，我们正常启动的时候要么是GRUB，要么是windows的引导器或者甚至直接linuxEFI格式内核或者是EFI SHELL。

先来说说EFI SHELL，在这个SHELL里，可以做一些和启动相关的简单操作，具体的请google搜索，这个shell一般有官方获取途径，具体的参考：Unified Extensible Firmware Interface - ArchWiki

archlinux的这个wiki,假设这个UEFI SHELL的文件名叫SHELLX64.EFI,不同的主板可能处理这个SHELL的EFI文件不一样，最终极的办法就是将下载或者获取到的SHELLX64.EFI(当然也可以叫其他文件名，只要你知道这是uefi shell的efi文件就行）直接放到esp/EFI/BOOT/BOOTx64.EFI这里，并把名字也改成BOOTx64.EFI,这样BIOS 里的UEFI在ESP分区找不到启动文件就会默认加载BOOTx64.EFI了。

正常情况下，咱们都是要启动系统，如何启动呢？在UEFI中，有一块NVRAM，这个NVRAM到底在什么物理位置，目前我还没找到一个确切说法。但他像传统CMOS一样，可以用来保存主板BIOS的变量值，CMOS不能从操作系统的标准接口访问，但UEFI的NVRAM的内容可以通过操作系统访问。不管是win还是linux,如果是UEFI启动，安装程序安装完系统后都会在NVRAM里面写入自己的启动菜单，这样，你进入BIOS或者在按启动热键选临时启动设备的时候都会出现写入的菜单（这比legacy启动模式只能出现几块物理启动设备是一大进步）。这样就能直接启动设置的或者选择的操作系统而不会去找默认的BOOTX64.EFI来启动了。

除了在efi shell界面可以dump出当前NVRAM里面的启动菜单外，linux操作系统下可以用efibootmgr 这个命令来查看和设置修改启动菜单，下面这个地址可以参考：Use Linux efibootmgr Command to Manage UEFI Boot Menu - LinuxBabe 如何添加删除设置UEFI启动菜单

按照上面链接安装好efibootmgr包后可以用efibootmgr -v 来查看当前NVRAM里面保存的启动设置

图里面可以看到，我当前的启动顺序是0001,后面BOOT0001有详细的菜单以及启动路径和EFI文件，我的机器boot0001对应的就是我硬盘上EFI分区的EFI\UOS\shimx64.efi,查了一下

[SOLVED] Ubuntu UEFI installation 这里说了shimx64.efi 是 grubx64.efi用于UEFI安全启动的版本.

mmx64.efi 貌似是用户管理安全启动key的。

这个连接是gentoo的wiki,也有说怎么操作这些启动菜单的。

Efibootmgr - Gentoo Wiki

分析下我刚更新完系统不能启动的原因，看了上面列出来的启动菜单，分别查看这两个菜单对应的目录内容有何不同

发现uniontech 目录下少了grub.efi这个文件，很可能会是启动过程中需要这个文件，有空我拷贝过去再测试一下。

有了前面的铺垫，如果把这些连接都大概看一遍，就可以清晰的得出操作系统的启动顺序了

legacy（传统）的启动顺序：

BIOS读取存在CMOS里的引导设备设置--->BIOS读取引导设备的启动块并执行（如grub）-->启动块执行并寻找启动菜单（如grub.cfg）-->grub通过启动菜单启动内核-->内核启动直到系统启动（内核到系统启动之间的过程就不描述了。就是一个内核启动到init或者systemd的过程）

UEFI的启动顺序

BIOS的UFEI部分读取NVRAM里面的启动菜单和默认启动项-->通过默认菜单对应的设置读取ESP分区对应的EFI启动文件-->EFI启动文件执行后加载配置引导内核--->内核启动直到系统启动

可以看出两者的区别，就是UEFI启动方式不是去寻找启动设备并执行启动块的过程，而是直接从NVRAM菜单的配置去读取ESP分区上的EFI启动文件。

对维护人员来说，传统启动模式，启动代码在硬盘上是特定区域的块，grub这种引导器在安装的时候（或者windows有个什么修复的命令带个fixboot参数）会把这一小段启动代码给安装到磁盘分区不可见的位置，或者制作光盘ISO的时候，也会有对应的启动代码的参数（也会放在非文件系统里）。这样无论是硬盘还是光盘启动，都需要在文件系统不可见的区域设置启动代码，而且这段代码大小有限制。

UEFI启动模式，不再需要设置启动块，直接在ESP分区放置对应的EFI引导启动文件，再通过设置NVRAM的菜单，就可以直接启动了。所有的启动文件文件系统可见。

甚至，可以直接通过UEFI启动linux内核，加快启动速度

直接EFI启动内核而不要grub这些中间商赚差价可以参考：EFI stub - Gentoo Wiki

其实有了UEFI以后，不管是ARM64还是x86还是龙芯，启动都可以统一了，维护起来也方便多了。否则给你整点uboot之类的混杂起，够操作系统厂商喝一壶了。

个人笔记，比较乱，想到哪儿写到哪，主要是个人学习备忘。

后记:

写完我又测试了一下,选uniontech那个菜单确实会提示少grub.efi,但是仍然能读取grub.cfg并出现菜单，和我刚升级完后直接进入grub 的rescue提示符完全不同，不知道后面系统有没有做什么更新实在不好复现。看来原因没有彻底找到。

2022/11/06

后面又测试了一台国产昆仑固件的EFI，发现无论怎么指定启动菜单，都会去找 EFI\boot\这个目录，不知道是grub的问题还是EFI实现的问题

手工在EFI shell 里面：

fs0:

cd EFI\Uniontech\

grubaa64.efi

这样手工引导是没问题的，但是efibootmgr写到启动菜单就是不行，还是会去boot下找启动配置。

后面有时间慢慢再研究吧。

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后记:

2022/11/06

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