堕落不振功业废,勤耕不辍日月新

转载:UEFI和BIOS对比

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传统BIOS开机流程

    从你按下主机机壳上的电源键,到进入作业系统的期间,储存于主机板上那颗EEPROM(电气可抹除暨可程式化唯读记忆体)里的BIOS便会开始执行以下的工作:

1. 初始化:

    当电脑打开,CPU会自行重置为初始状态,准备运作。BIOS boot block(基本输出输入系统开机区块)初始化阶段启动,因为此时系统记忆体中是空的,没有内容可以执行,所以厂商让CPU去寻找系统BIOS ROM中的reset vector(重置向量):用一个固定的位置来启动所谓的BIOS boot program开机程式。

    一般来说程式会在记忆体的FFFF0h位址,也就是在UMA(上层记忆区域)靠结尾的地方。为避免ROM大小改变造成相容性的问题,所以一般会选择放这里。它的内容只有一个jump指令,进一步跳到真正的BIOS启动程序。当然了,各家IBV (independent BIOS vender;独立BIOS供应商)可以把程式放在不同的位置,只要透过jump来指定就可以了。

    在这段期间,系统的CPU、晶片组、Super I/O和USB只有部分初始化,仅获取足够资料来应付万一BIOS开机失败,可以利用软碟(由Super I/O控管)甚至是光碟(由晶片组的IDE/SATA)等储存媒体来救援BIOS的boot block。

2. POST(Power On Self Test;开机自我检测):

    然后BIOS开始施行Power-On Self Test(POST;开机自我检测),在过程中检查电脑各项组件及其设定,像是:中央处理器、主记忆体、键盘、滑鼠等等状态。接着便寻找被内建在BIOS内部的显示卡程序并执行。

    它通常被放在记忆体C0000h的位置,作用是显示卡的初始化,而大部分的显示卡都会在显示器上显示其相关讯息。这就是为何各位在开机的时候,首先会在显示器的画面左上角出现有关显示卡讯息的原因。

    再下来就是让BIOS寻找其他装置的ROM(唯读记忆体),看看这些设备中哪些还有个别的BIOS。如果这时有找到任何其它装置的BIOS,它们也会被执行。

    下一步BIOS会显示启动画面,并开始更深入的检测,包含我们平常可以在萤幕上看到的记忆体容量检测。如果这时候遇到任何错误,就会在画面上显示错误讯息。

3. 记录电脑系统的设定值:

    到这里还没有结束,再来BIOS会根据自己的「系统资源表」,来对系统进行进一步的确认,看看你的电脑究竟安装了那些系统资源或设备。有些电脑会逐步显示这些被侦测到的设备。例如BIOS支援随插即用,那它将会侦测和配置随插即用装置,并显示由BIOS侦测到的随插即用设备。

    在这些检测结束后,BIOS会打出一个侦测总结表于画面上。而这个总结表在部分IBV的设定中是可以让使用者开启或关闭的。当然也有些IBV为加速开机把这一步直接隐藏省略。

Tips:BIOS boot block

    在快闪唯读记忆体内,通常会分成两个区块,一个区块存放一般的BIOS程式码,即所谓的code block(程式码区块);另一个区块则是存放用来开机(或急救)的程式码,就是所谓的boot block(开机区块)。当电源打开时,主机板会先从boot block执行,它会立即检查code block 的程式码是否正确,如果正确,就会转到code block 继续执行下去。而所谓的BIOS recovery(BIOS恢复)就是利用boot block回写动作来进行BIOS更新失败时的救援。

4. 提供常驻程式:

    提供作业系统或应用程式呼叫的中断向量,如INT 10h(VGA图形及文字输出中断)等。

5. 载入作业系统:

    到这里是系统检测的部分,接下来BIOS便开始寻找开机装置,使用者可以透过在BIOS的设定来决定搜寻顺序,目前常见的开机设备至少包含FDD、HDD以及光碟机和USB开机装置等多项。

    找到开机装置后,BIOS将会搜寻开机讯息以进行作业系统的开机过程。如果是找到了一个灌好OS的硬碟,它将会寻找位在硬碟第0面,第0轨,第1磁区里的Master Boot Record(主要开机磁区)。如果它找到的是FDD,也会读取软碟的第1磁区。再把读取到的资料放在记忆体7C00h的位置,跳到那里并且执行它。自此才开始进入OS启动阶段。

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UEFI BIOS系统的开机流程

    同样是进行电脑系统的开机,由于UEFI BIOS是遵循UEFI论坛的规范定义下开发的,所以UEFI的开机流程会像下图一般:

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1. SEC阶段:

   SEC(安全性)阶段其主要的特色为「cache as RAM」,即处理器的快取当成记忆体。由于C语言需要使用堆叠,在这个阶段的系统记忆体尚未被初始化,在没有记忆体可用的情况下,便把处理器的快取当成记忆体来使用,在主记忆体被初始化之前来进行预先验证CPU/晶片组及主机板。

   因为这时侯没有快取,会导致处理器的效能变得较差,所以在记忆体初始化完毕之前,SEC和PEI阶段的程式码越简短,越能减少这个副作用。

2. PEI阶段:

   和传统BIOS的初始化阶段类似,PEI(EFI前初始化)阶段是用以唤醒CPU及记忆体初始化。这时候只起始了一小部分的记忆体。同时,晶片组和主机板也开始初始化。接下来的服务程式会确定CPU晶片组被正确的初始化,在此时,EFI驱动程式派送器将载入EFI驱动程式记忆体,进入了起始所有记忆体的DXE阶段(驱动程式执行环境)。

3. DXE阶段:

   DXE的主要功能在于沟通EFI驱动程式及硬体。也就是说此阶段所有的记忆体、CPU(在此是指实体两个或以上的非核心数目,也就是双CPU插槽处理器甚至是四CPU插槽处理器)、PCI、USB、SATA和Shell都会被初始化。

4. BDS阶段:

   在BDS(开机设备选择)这个阶段,使用者就可以自开机管理者程式页面,选择要从哪个侦测到的开机设备来启动。

5. TSL阶段:

   然后进入TSL(短暂系统载入)阶段,由作业系统接手开机。除此之外,也可以在BDS阶段选择UEFI Shell,让系统进入简单的命令列,进行基本诊断和维护。

传统BIOS哪里不好?

   在继续探讨何谓UEFI BIOS之前,先来看看传统BIOS有哪些问题,让Intel决心带头推出UEFI BIOS。

1. 过时的16位元模式

   在x86系列CPU进入32位元的时代,为了相容性考量,当时最新的80386 CPU保留了16位元的执行方式,即真实模式(real mode)。在后来多次的CPU改朝换代中都保留了这种执行方式,甚至在含有EM64T的Xeon系列CPU中,供电到CPU启动时仍然会切换到16位元的真实模式下执行。

也就是说,虽然各大BIOS厂商为了配合潮流演进,将许多新功能新元素添加到产品中,但BIOS在本质上没有任何改变。迫使Intel在开发更新的CPU时,都必须加进会使效能大大降低的相容模式。

2. 只有1MB定址空间

   各位读者如果有注意传统BIOS开机,在POST完毕后萤幕上打出的系统摘要表,会发现记忆体栏位标示著「Base Memory=640KB」。加上前一篇提到的384KB UMA(这里的记忆体不会列入Base Memory),就是所谓1MB可定址记忆体空间。

   会造成这项限制,主要还是真实模式的副作用。16位元的CPU,其定址能力为20条定址线所能处理的2^20位元组(Bytes),也就是1024千位元组(KB)。换句话说,在进入OS之前的开机阶段,即使安装了高达4GB的记忆体,绝大部分都无法使用。

3. 组合语言难维护

   假设某天你买了一张高阶工作站主机板,再装上一张SCSI或SAS的磁碟阵列卡,竟然发现安装后你的主机板开机开不下去,然后显示「Not enough space to copy PCI option ROM」或「Option ROM memory space exhausted」警告字串。然后本来你那雀跃快乐的心情消失了,取而代之的是「归LP火」熊熊燃烧着。

   当你打电话给阵列卡商,电话那头的死公务员声音说著:「你要不要问问主机板厂有没有新的BIOS?」。 好不容易找上主机板厂商客服问:「你们有没有办法解决?」然后,你和主机板BIOS工程师之间的攻防就此展开。

   对板卡厂的BIOS工程师而言,除非刚好有下单下很大的客户遇到类似相关问题,否则很有可能就是不了了之。你只好趁购买七天内退掉那张阵列卡,不然就是再找一张可以正常搭配的主机板。

   由于传统BIOS是用组合语言编写的,而软体界早就已经是C/C++高阶语言甚至是.NET满天飞,为了相对难找的人才(组合语言高手相对少,要BIOS真正写得好的更是少数)来减缓新产品上市的速度,不管是消费者或厂商都无法接受。

   此时UEFI BIOS标准化和模组化的特征,便可加速产品推出和减少debug的时间。另外C语言写的UEFI BIOS体积也会变大,连带使储存BIOS的EEPROM需要扩增。

   别忘了,这也是Intel的势力范围,如果EFI BIOS推广成功,板卡厂就得多采购一颗晶片。

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▲ 由于传统BIOS的先天侷限,有时候磁碟阵列卡就是装不上去。

4. 十年不变的程式码

    上述三大问题是以开发厂商的角度来观察。其他隐而不现的部分,则包含了功能的侷限性和对使用者不够友善的操作介面。对照现今的视窗介面作业系统,传统BIOS以文字介面为主且充满着火星文,加上除了单纯的开机,作为仲介硬体初始化和作业系统的功能外实在阳春的可怜。

    在开发Itanium CPU之际,业界大魔王Intel实在不想再受制于这些顾虑。试想,既然这是一个新生的CPU架构,那系统韧体和作业系统之间的介面就顺便一起重新定义。

    并且这一次,Intel为了让以后各种新的规格和技术可以快速导入,严格定义这个传统BIOS接班人必须具有扩展弹性,而且采取标准化的韧体介面规范,以避免发生传统BIOS的IBV程式码更新太被动的问题。

    笔者不是开玩笑,业界之前盛传一句话,如果Award BIOS当时(Intel Pentium处理器时代)没有华硕,那肯定没有后来功能齐全的BIOS程式编码。传统BIOS静态连结,缺乏远见且叠床架屋,而几乎全基于经验和约定的见招拆招。所以才有2000年开发出来所谓的EFI(Extensible Firmware Interface;可扩展韧体介面)技术作为工业标准规格,定义了一个驱动介面,用以沟通硬体/韧体和作业系统。

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UEFI的版本发展

    最初制定的EFI版本2000年12月的1.02版。在2002年的12月又释出了加入EFI驱动程式模型的1.10版。于2005年,Intel将此规格提供给负责UEFI开发和推广的UEFI论坛。为了反映这点,EFI也被更名为UEFI。在大部分的文件资料中,EFI和UEFI讲的是一样的东西。

    UEFI论坛在2007年1月释出2.1版的规范。目前最新公开的版本就是2009年5月发布的2.3版。概括而论,凡依照UEFI论坛规范,使用C语言写作的BIOS即为UEFI BIOS。

 

UEFI论坛成员

IBV(独立BIOS厂商)

AMI、Insyde、Phoenix

IHV(独立硬件厂商)

AMD、Apple、Dell、HP、
  IBM、Intel、联想

ISV(独立软件厂商)

微软

   

UEFI BIOS哪里好?

    UEFI是借由UEFI论坛制定的严谨规范来达成标准化,并用模组化之C语言方式的参数堆叠传递,借由动态连结形式所建构出来的系统,相较于使用组合语言的传统BIOS更易于实作,在容错和错误更正的表现上更加优良,更好开发。UEFI是以32或64位元CPU保护模式执行(也称为Flat Mode),突破传统16位元代码的定址能力,可达到CPU的最大定址空间。

1. 定址空间更弹性

    UEFI BIOS利用载入EFI driver的形式,来进行硬体的辨识/控制及系统资源掌控。

    传统BIOS是以真实模式中断向量的方式增加硬体功能。它要将一段类似于驱动程式的16位元代码,放置在记忆体0x000C0000至0x000DFFFF之间。这段记忆体空间有限(128KB),因此,当必须放置的option ROM超过128KB时,传统BIOS便无能为力。   

    很多时候传统BIOS的工程师为了解决这类问题,像刚刚提到的介面卡BIOS容量过大,便要想办法利用可能的排列组合硬挤出空间来放驱动代码。而重组过程有时不小心造成一些副作用,例如才刚解决的bug,重组后又再发生!也就是说,UEFI BIOS可以更有系统的分配储存空间,避免使用强制定址。

2. 什么系统都能用

    另外,传统BIOS的硬体服务程式都是以16位元代码的形式存在,在增强模式下执行的作业系统想存取这些服务会有困难。因此BIOS提供的服务在现实中只能提供给MS-DOS之类的系统用。

    相对的,UEFI系统下的驱动并不是可以直接在CPU执行的代码,而是用EBC(EFI Byte Code)这种专用于EFI driver的虚拟机器指令,该指令必须在UEFI的DXE阶段被解压缩后翻译执行。

    如此便有更佳的向下相容性,因为EFI driver是弹性的驱动程式模组架构,可不断的扩充驱动程式及介面,不用重新编写,所以就无需考虑因系统升级所衍生的相容性因素。

3. 开发维护更容易

    加上EFI driver开发简单,所有的PC零组件厂商都可以参与,就像现代作业系统的开发模式,这样的模式曾使Windows系统短短几年就变得无比强大。有了EFI driver,也可以让显示卡在开机阶段就载入某种程度的功能,进而可以把传统文字介面为主的BIOS转成图形介面。

4. 精简系统用途大

    最后还有EFI Shell,这是个精简的作业系统,可以让使用者进行BIOS的更新、系统诊断、安装特定软体。有了UEFI BIOS甚至可以播放CD和DVD而不需完全载入OS,EFI driver可以被载入或卸载,连TCP/IP核心程式都可以使用。基于EFI的driver model可使UEFI系统接触到所有的硬体功能,在进入作业系统之前浏览网站不再是天方夜谭,甚至实作起来也非常简单。总之,对使用者而言,多了一个方便的环境以及华丽的图形介面,是最明显的好处。

传统BIOS vs. UEFI BIOS重点差异

BIOS种类

传统BIOS

UEFI BIOS

程式语言

组合(汇编)语言

C语言

资源控制

中断向量
  定死的内存存取
  定死的输入/输出存取

驱动程式/协议

处理器运行环境

X86 16位元

CPU保护模式

扩充方式

接合中断向量

载入驱动程式

第三方IHV和ISV兼容性

较差

较佳且可以支援多平台

图形化能力

较差

较佳

內建简化的操作系統前环境

 

有谁在用UEFI?

    UEFI支援必须借由软硬体的相互合作来达成,我们来看看目前市面上流通的产品中,哪些已经采用了UEFI。

支援UEFI的硬体

1. 2006年,苹果电脑推出第一台使用Intel处理器架构的麦金塔电脑。从此开始用EFI/UEFI framework,而非以往搭载IBM PowerPC处理器的麦金塔电脑用的、发源于Sun Microsystems(升阳电脑公司)的Open Firmware。

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▲ 目前新版的Mac OS X都已经支援UEFI。

2. Intel自家的行动型、桌上型和伺服器电脑主机板自2006年起开始全面转换为EFI/UEFI BIOS。例如从945系列晶片组开始,Intel的主机板就已经使用了该framework。

3. 此外,2008年开始,许多64位元电脑系统也正式支援EFI/UEFI BIOS。如IBM的x3450伺服器、微星科技具备ClickBIOS的主机板(包括下一篇介绍的EFINITY主机板)、HP笔记型电脑EliteBook系列和平板电脑、HP Compaq笔记型电脑较新的机种。

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微軟到了Windows Server 2008才開始支援UEFI。

支援UEFI的作业系统

1. 早在2000年,Linux作业系统便可以支援EFI,当时是elilo EFIboot loader(开机载体),演化至今是EFI版本的grub。

2. 苹果电脑到了Mac OS X 10.4(代号Tiger)的Intel版便可以支援EFI。

3. 2002年微软给Itanium CPU使用的Windows 2000 Advanced Server Limited Edition及Datacenter Server Limited Edition版支援了EFI v1.10规范。后来的Windows Server 2003 for IA-64版和Windows XP 64-bit版本也支援EFI。至于UEFI的支援是从Windows Server 2008和Vista SP1的64位元版本开始,包括Windows 7也只有64位元版完整支援UEFI。

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▲ Intel自家的D945PSN主機板

 

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