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uefi啟動全部過程是怎麼樣的?

bios和mbr的過程是。

電腦開機,啟動bios裡面的程序檢查硬體。讀取mbr裡面的程序,載入OS的loader。然後載入OS內核。

然後開機成功。

uefi的過程呢。百度了下,太難懂


傳統BIOS開機流程

從你按下主機機殼上的電源鍵,到進入作業系統的期間,儲存於主機板上那顆EEPROM(電氣可抹除暨可程式化唯讀記憶體)裡的BIOS便會開始執行以下的工作:

1. 初始化:

當電腦打開,CPU會自行重置為初始狀態,準備運作。BIOS boot block(基本輸出輸入系統開機區塊)初始化階段啟動,因為此時系統記憶體中是空的,沒有內容可以執行,所以廠商讓CPU去尋找系統BIOS ROM中的reset vector(重置向量):用一個固定的位置來啟動所謂的BIOS boot program開機程式。

一般來說程式會在記憶體的FFFF0h位址,也就是在UMA(上層記憶區域)靠結尾的地方。為避免ROM大小改變造成相容性的問題,所以一般會選擇放這裡。它的內容只有一個jump指令,進一步跳到真正的BIOS啟動程序。當然了,各家IBV (independent BIOS vender;獨立BIOS供應商)可以把程式放在不同的位置,只要透過jump來指定就可以了。

在這段期間,系統的CPU、晶片組、Super I/O和USB只有部分初始化,僅獲取足夠資料來應付萬一BIOS開機失敗,可以利用軟碟(由Super I/O控管)甚至是光碟(由晶片組的IDE/SATA)等儲存媒體來救援BIOS的boot block。

2. POST(Power On Self Test;開機自我檢測):

然後BIOS開始施行Power-On Self Test(POST;開機自我檢測),在過程中檢查電腦各項組件及其設定,像是:中央處理器、主記憶體、鍵盤、滑鼠等等狀態。接著便尋找被內建在BIOS內部的顯示卡程序並執行。

它通常被放在記憶體C0000h的位置,作用是顯示卡的初始化,而大部分的顯示卡都會在顯示器上顯示其相關訊息。這就是為何各位在開機的時候,首先會在顯示器的畫面左上角出現有關顯示卡訊息的原因。

再下來就是讓BIOS尋找其他裝置的ROM(唯讀記憶體),看看這些設備中哪些還有個別的BIOS。如果這時有找到任何其它裝置的BIOS,它們也會被執行。

下一步BIOS會顯示啟動畫面,並開始更深入的檢測,包含我們平常可以在螢幕上看到的記憶體容量檢測。如果這時候遇到任何錯誤,就會在畫面上顯示錯誤訊息。

3. 記錄電腦系統的設定值:

到這裡還沒有結束,再來BIOS會根據自己的「系統資源表」,來對系統進行進一步的確認,看看你的電腦究竟安裝了那些系統資源或設備。有些電腦會逐步顯示這些被偵測到的設備。例如BIOS支援隨插即用,那它將會偵測和配置隨插即用裝置,並顯示由BIOS偵測到的隨插即用設備。

在這些檢測結束後,BIOS會打出一個偵測總結表於畫面上。而這個總結表在部分IBV的設定中是可以讓使用者開啟或關閉的。當然也有些IBV為加速開機把這一步直接隱藏省略。

Tips:BIOS boot block

在快閃唯讀記憶體內,通常會分成兩個區塊,一個區塊存放一般的BIOS程式碼,即所謂的code block(程式碼區塊);另一個區塊則是存放用來開機(或急救)的程式碼,就是所謂的boot block(開機區塊)。當電源打開時,主機板會先從boot block執行,它會立即檢查code block 的程式碼是否正確,如果正確,就會轉到code block 繼續執行下去。而所謂的BIOS recovery(BIOS回復)就是利用boot block回寫動作來進行BIOS更新失敗時的救援。

4. 提供常駐程式:

提供作業系統或應用程式呼叫的中斷向量,如INT 10h(VGA圖形及文字輸出中斷)等。

5. 載入作業系統:

到這裡是系統檢測的部分,接下來BIOS便開始尋找開機裝置,使用者可以透過在BIOS的設定來決定搜尋順序,目前常見的開機設備至少包含FDD、HDD以及光碟機和USB開機裝置等多項。

找到開機裝置後,BIOS將會搜尋開機訊息以進行作業系統的開機過程。如果是找到了一個灌好OS的硬碟,它將會尋找位在硬碟第0面,第0軌,第1磁區裡的Master Boot Record(主要開機磁區)。如果它找到的是FDD,也會讀取軟碟的第1磁區。再把讀取到的資料放在記憶體7C00h的位置,跳到那裡並且執行它。自此才開始進入OS啟動階段。

UEFI BIOS系統的開機流程

同樣是進行電腦系統的開機,由於UEFI BIOS是遵循UEFI論壇的規範定義下開發的,所以UEFI的開機流程會像下圖一般:

1. SEC階段:

SEC(安全性)階段其主要的特色為「cache as RAM」,即處理器的快取當成記憶體。由於C語言需要使用堆疊,在這個階段的系統記憶體尚未被初始化,在沒有記憶體可用的情況下,便把處理器的快取當成記憶體來使用,在主記憶體被初始化之前來進行預先驗證CPU/晶片組及主機板。

因為這時侯沒有快取,會導致處理器的效能變得較差,所以在記憶體初始化完畢之前,SEC和PEI階段的程式碼越簡短,越能減少這個副作用。

2. PEI階段:

和傳統BIOS的初始化階段類似,PEI(EFI前初始化)階段是用以喚醒CPU及記憶體初始化。這時候只起始了一小部分的記憶體。同時,晶片組和主機板也開始初始化。接下來的服務程式會確定CPU晶片組被正確的初始化,在此時,EFI驅動程式派送器將載入EFI驅動程式記憶體,進入了起始所有記憶體的DXE階段(驅動程式執行環境)。

3. DXE階段:

DXE的主要功能在於溝通EFI驅動程式及硬體。也就是說此階段所有的記憶體、CPU(在此是指實體兩個或以上的非核心數目,也就是雙CPU插槽處理器甚至是四CPU插槽處理器)、PCI、USB、SATA和Shell都會被初始化。

4. BDS階段:

在BDS(開機設備選擇)這個階段,使用者就可以自開機管理者程式頁面,選擇要從哪個偵測到的開機設備來啟動。

5. TSL階段:

然後進入TSL(短暫系統載入)階段,由作業系統接手開機。除此之外,也可以在BDS階段選擇UEFI Shell,讓系統進入簡單的命令列,進行基本診斷和維護。

傳統BIOS哪裡不好?

在繼續探討何謂UEFI BIOS之前,先來看看傳統BIOS有哪些問題,讓Intel決心帶頭推出UEFI BIOS。

1. 過時的16位元模式

在x86系列CPU進入32位元的時代,為了相容性考量,當時最新的80386 CPU保留了16位元的執行方式,即真實模式(real mode)。在後來多次的CPU改朝換代中都保留了這種執行方式,甚至在含有EM64T的Xeon系列CPU中,供電到CPU啟動時仍然會切換到16位元的真實模式下執行。

也就是說,雖然各大BIOS廠商為了配合潮流演進,將許多新功能新元素添加到產品中,但BIOS在本質上沒有任何改變。迫使Intel在開發更新的CPU時,都必須加進會使效能大大降低的相容模式。

2. 只有1MB定址空間

各位讀者如果有注意傳統BIOS開機,在POST完畢後螢幕上打出的系統摘要表,會發現記憶體欄位標示著「Base Memory=640KB」。加上前一篇提到的384KB UMA(這裡的記憶體不會列入Base Memory),就是所謂1MB可定址記憶體空間。

會造成這項限制,主要還是真實模式的副作用。16位元的CPU,其定址能力為20條定址線所能處理的2^20位元組(Bytes),也就是1024千位元組(KB)。換句話說,在進入OS之前的開機階段,即使安裝了高達4GB的記憶體,絕大部分都無法使用。

3. 組合語言難維護

假設某天你買了一張高階工作站主機板,再裝上一張SCSI或SAS的磁碟陣列卡,竟然發現安裝後你的主機板開機開不下去,然後顯示「Not enough space to copy PCI option ROM」或「Option ROM memory space exhausted」警告字串。然後本來你那雀躍快樂的心情消失了,取而代之的是「歸LP火」熊熊燃燒著。

當你打電話給陣列卡商,電話那頭的死公務員聲音說著:「你要不要問問主機板廠有沒有新的BIOS?」。 好不容易找上主機板廠商客服問:「你們有沒有辦法解決?」然後,你和主機板BIOS工程師之間的攻防就此展開。

對板卡廠的BIOS工程師而言,除非剛好有下單下很大的客戶遇到類似相關問題,否則很有可能就是不了了之。你只好趁購買七天內退掉那張陣列卡,不然就是再找一張可以正常搭配的主機板。

由於傳統BIOS是用組合語言編寫的,而軟體界早就已經是C/C++高階語言甚至是.NET滿天飛,為了相對難找的人才(組合語言高手相對少,要BIOS真正寫得好的更是少數)來減緩新產品上市的速度,不管是消費者或廠商都無法接受。

此時UEFI BIOS標準化和模組化的特徵,便可加速產品推出和減少debug的時間。另外C語言寫的UEFI BIOS體積也會變大,連帶使儲存BIOS的EEPROM需要擴增。

別忘了,這也是Intel的勢力範圍,如果EFI BIOS推廣成功,板卡廠就得多採購一顆晶片。

▲ 由於傳統BIOS的先天侷限,有時候磁碟陣列卡就是裝不上去。

4. 十年不變的程式碼

上述三大問題是以開發廠商的角度來觀察。其他隱而不現的部分,則包含了功能的侷限性和對使用者不夠友善的操作介面。對照現今的視窗介面作業系統,傳統BIOS以文字介面為主且充滿著火星文,加上除了單純的開機,作為仲介硬體初始化和作業系統的功能外實在陽春的可憐。

在開發Itanium CPU之際,業界大魔王Intel實在不想再受制於這些顧慮。試想,既然這是一個新生的CPU架構,那系統韌體和作業系統之間的介面就順便一起重新定義。

並且這一次,Intel為了讓以後各種新的規格和技術可以快速導入,嚴格定義這個傳統BIOS接班人必須具有擴展彈性,而且採取標準化的韌體介面規範,以避免發生傳統BIOS的IBV程式碼更新太被動的問題。

筆者不是開玩笑,業界之前盛傳一句話,如果Award BIOS當時(Intel Pentium處理器時代)沒有華碩,那肯定沒有後來功能齊全的BIOS程式編碼。傳統BIOS靜態連結,缺乏遠見且疊床架屋,而幾乎全基於經驗和約定的見招拆招。所以才有2000年開發出來所謂的EFI(Extensible Firmware Interface;可擴展韌體介面)技術作為工業標準規格,定義了一個驅動介面,用以溝通硬體/韌體和作業系統。

UEFI的版本發展

最初制定的EFI版本2000年12月的1.02版。在2002年的12月又釋出了加入EFI驅動程式模型的1.10版。於2005年,Intel將此規格提供給負責UEFI開發和推廣的UEFI論壇。為了反映這點,EFI也被更名為UEFI。在大部分的文件資料中,EFI和UEFI講的是一樣的東西。

UEFI論壇在2007年1月釋出2.1版的規範。目前最新公開的版本就是2009年5月發佈的2.3版。概括而論,凡依照UEFI論壇規範,使用C語言寫作的BIOS即為UEFI BIOS。

UEFI論壇成員類別

IBV(獨立BIOS 廠商) AMI、Insyde、Phoenix

IHV(獨立硬體廠商) AMD、Apple、Dell、HP、

IBM、Intel、聯想

ISV(獨立軟體廠商) 微軟

UEFI BIOS哪裡好?

UEFI是藉由UEFI論壇制定的嚴謹規範來達成標準化,並用模組化之C語言方式的參數堆疊傳遞,藉由動態連結形式所建構出來的系統,相較於使用組合語言的傳統BIOS更易於實作,在容錯和錯誤更正的表現上更加優良,更好開發。UEFI是以32或64位元CPU保護模式執行(也稱為Flat Mode),突破傳統16位元代碼的定址能力,可達到CPU的最大定址空間。

1. 定址空間更彈性

UEFI BIOS利用載入EFI driver的形式,來進行硬體的辨識/控制及系統資源掌控。

傳統BIOS是以真實模式中斷向量的方式增加硬體功能。它要將一段類似於驅動程式的16位元代碼,放置在記憶體0x000C0000至0x000DFFFF之間。這段記憶體空間有限(128KB),因此,當必須放置的option ROM超過128KB時,傳統BIOS便無能為力。

很多時候傳統BIOS的工程師為了解決這類問題,像剛剛提到的介面卡BIOS容量過大,便要想辦法利用可能的排列組合硬擠出空間來放驅動代碼。而重組過程有時不小心造成一些副作用,例如才剛解決的bug,重組後又再發生!也就是說,UEFI BIOS可以更有系統的分配儲存空間,避免使用強制定址。

2. 什麼系統都能用

另外,傳統BIOS的硬體服務程式都是以16位元代碼的形式存在,在增強模式下執行的作業系統想存取這些服務會有困難。因此BIOS提供的服務在現實中只能提供給MS-DOS之類的系統用。

相對的,UEFI系統下的驅動並不是可以直接在CPU執行的代碼,而是用EBC(EFI Byte Code)這種專用於EFI driver的虛擬機器指令,該指令必須在UEFI的DXE階段被解壓縮後翻譯執行。

如此便有更佳的向下相容性,因為EFI driver是彈性的驅動程式模組架構,可不斷的擴充驅動程式及介面,不用重新編寫,所以就無需考慮因系統升級所衍生的相容性因素。

3. 開發維護更容易

加上EFI driver開發簡單,所有的PC零組件廠商都可以參與,就像現代作業系統的開發模式,這樣的模式曾使Windows系統短短几年就變得無比強大。有了EFI driver,也可以讓顯示卡在開機階段就載入某種程度的功能,進而可以把傳統文字介面為主的BIOS轉成圖形介面。

4. 精簡系統用途大

最後還有EFI Shell,這是個精簡的作業系統,可以讓使用者進行BIOS的更新、系統診斷、安裝特定軟體。有了UEFI BIOS甚至可以播放CD和DVD而不需完全載入OS,EFI driver可以被載入或卸載,連TCP/IP核心程式都可以使用。基於EFI的driver model可使UEFI系統接觸到所有的硬體功能,在進入作業系統之前瀏覽網站不再是天方夜譚,甚至實作起來也非常簡單。總之,對使用者而言,多了一個方便的環境以及華麗的圖形介面,是最明顯的好處。

傳統BIOS vs. UEFI BIOS重點差異

BIOS種類 傳統BIOS UEFI BIOS

程式語言 組合語言 C語言

資源控制 中斷向量

寫死的記憶體存取

寫死的輸出/輸入存取 驅動程式/協定

處理器運行環境 X86 16位元 CPU保護模式

擴充方式 接合中斷向量 載入驅動程式

第三方IHV和ISV支援性 較差 較佳且可以支援多平台

圖形化能力 較差 較佳

內建簡化的作業系統前環境 無 有

有誰在用UEFI?

UEFI支援必須藉由軟硬體的相互合作來達成,我們來看看目前市面上流通的產品中,哪些已經採用了UEFI。

支援UEFI的硬體

1. 2006年,蘋果電腦推出第一台使用Intel處理器架構的麥金塔電腦。從此開始用EFI/UEFI framework,而非以往搭載IBM PowerPC處理器的麥金塔電腦用的、發源於Sun Microsystems(昇陽電腦公司)的Open Firmware。

▲ 目前新版的Mac OS X都已經支援UEFI。

2. Intel自家的行動型、桌上型和伺服器電腦主機板自2006年起開始全面轉換為EFI/UEFI BIOS。例如從945系列晶片組開始,Intel的主機板就已經使用了該framework。

3. 此外,2008年開始,許多64位元電腦系統也正式支援EFI/UEFI BIOS。如IBM的x3450伺服器、微星科技具備ClickBIOS的主機板(包括下一篇介紹的EFINITY主機板)、HP筆記型電腦EliteBook系列和平板電腦、HP Compaq筆記型電腦較新的機種。

▲ 微軟到了Windows Server 2008才開始支援UEFI。

支援UEFI的作業系統

1. 早在2000年,Linux作業系統便可以支援EFI,當時是elilo EFIboot loader(開機載體),演化至今是EFI版本的grub。

2. 蘋果電腦到了Mac OS X 10.4(代號Tiger)的Intel版便可以支援EFI。

3. 2002年微軟給Itanium CPU使用的Windows 2000 Advanced Server Limited Edition及Datacenter Server Limited Edition版支援了EFI v1.10規範。後來的Windows Server 2003 for IA-64版和Windows XP 64-bit版本也支援EFI。至於UEFI的支援是從Windows Server 2008和Vista SP1的64位元版本開始,包括Windows 7也只有64位元版完整支援UEFI。

▲ Intel自家的D945PSN主機板。

綜上所述:

BIOS開機:上電---初始化---自檢---載入開機程式---開機;

UEFI開機:上電先載入EFI微型操作系統;應用軟體,驅動程序,硬體構成;最後載入作業系統windows;


樓主的描述是一個os的啟動過程,其實在找到mbr的bootloader之後的啟動流程取決於os自身,和是否是uefi無關了。要說uefi如何啟動,那就要對比bios的兩種啟動方式去說了,bios目前支持兩種啟動方式,legacy 和uefi。legacy模式下,bios通過引導存儲控制器的legacy optionrom來識別boot drive,也就是系統盤。而uefi下,bios會先載入存儲控制器的uefi driver,並通過uefi driver來識別系統盤。識別到系統盤後啟動順序都是一樣的,就是樓主說的那些


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