UEFI BIOS深度解析：现代固件架构的革命性突破

UEFI BIOS深度解析：现代固件架构的革命性突破

本文深入探讨UEFI（统一可扩展固件接口）的架构设计、核心概念和相比Legacy BIOS的革命性优势

目录

• UEFI概述
• UEFI核心概念
• UEFI软件架构
• UEFI服务详解
• [UEFI vs Legacy BIOS对比](#UEFI vs Legacy BIOS对比)
• UEFI的优势
• 总结

---

UEFI概述

什么是UEFI？

UEFI（Unified Extensible Firmware Interface，统一可扩展固件接口）定义了连接操作系统和硬件体系之间的标准接口。它是由UEFI论坛（UEFI Forum）制定的开放标准，旨在替代传统的Legacy BIOS。

UEFI的发展历程

时间	事件	意义
1998年	Intel提出EFI 1.0	最初的EFI规范
2005年	UEFI 2.0发布	统一标准，更名为UEFI
2006年	UEFI 2.1发布	增加安全启动支持
2011年	Windows 8要求UEFI	推动UEFI普及
2017年	UEFI 2.7发布	支持更多新特性

UEFI的设计目标

1. 跨平台支持：支持x86、x64、ARM、MIPS等多种架构
2. 模块化设计：驱动和应用程序可以动态加载
3. 标准化接口：统一的API和协议规范
4. 安全性：内置安全启动和可信链机制
5. 易用性：支持图形界面和鼠标操作

---

UEFI核心概念

在UEFI构建的软件世界中，有一些基本概念必须熟悉，它们是理解UEFI的基础。

1. 启动管理器（Boot Manager）

定义： UEFI的应用程序和驱动可以在任何UEFI规范支持的设备和文件系统中加载，而决定加载顺序的就是启动管理器。

功能：

• 通过全局的NVRAM变量来管理加载顺序
• 可以配置启动选项
• 增加启动选项或从启动列表中删除无效的选项
• 支持多操作系统启动

NVRAM变量示例：

# 查看启动项
efibootmgr -v

# 输出示例：
# BootCurrent: 0001
# BootOrder: 0001,0002,0003
# Boot0001* Windows Boot Manager
# Boot0002  Linux Boot Manager
# Boot0003  UEFI Shell

2. UEFI Images（UEFI镜像）

定义： UEFI Images是UEFI规范定义的包含可执行代码的二进制程序文件。

类型：

• UEFI应用程序 ：.efi文件，独立运行的程序
• UEFI驱动 ：.efi文件，为硬件提供驱动支持

文件结构：

UEFI镜像采用PE32（Portable Executable 32）文件结构，这是Windows可执行文件的标准格式：

PE32文件结构：
├── DOS Header (MZ)
├── PE Header
├── Section Headers
├── .text (代码段)
├── .data (数据段)
└── .reloc (重定位段)

优势：

• 支持跨平台（x86、ARM等）
• 标准化的加载机制
• 支持代码签名验证

3. UEFI Services（UEFI服务）

定义： UEFI Service是平台调用接口的集合，允许UEFI程序和操作系统调用。

分类：

• 启动服务（Boot Services，BS）：在操作系统加载前可用
• 运行时服务（Runtime Services，RS）：操作系统运行期间也可用

服务提供者：

• UEFI应用程序
• UEFI驱动
• UEFI OS Loader（操作系统加载器）

4. UEFI Protocol（UEFI协议）

定义： UEFI Protocol本质上是一种数据结构，它包含三个部分：

1. 全局唯一标识符（GUID）：128位唯一标识符
2. 接口数据结构：定义协议的数据结构
3. 服务：协议提供的函数接口

GUID格式：

xxxxxxxx-xxxx-xxxx-xxxx-xxxxxxxxxxxx
例如：EFI_BLOCK_IO_PROTOCOL_GUID
     {964e5b22-6459-11d2-8e39-00a0c969723b}

Protocol示例：

// EFI_BLOCK_IO_PROTOCOL结构
typedef struct {
    UINT64              Revision;
    EFI_BLOCK_IO_MEDIA  *Media;
    EFI_BLOCK_RESET     Reset;
    EFI_BLOCK_READ      ReadBlocks;
    EFI_BLOCK_WRITE     WriteBlocks;
    EFI_BLOCK_FLUSH     FlushBlocks;
} EFI_BLOCK_IO_PROTOCOL;

5. UEFI系统表（UEFI System Table）

定义： 所有UEFI镜像都会接收到一个指向UEFI系统表的指针，通过此系统表可以访问固件提供的UEFI Protocol。

系统表结构：

typedef struct {
    EFI_TABLE_HEADER                Hdr;
    CHAR16                          *FirmwareVendor;
    UINT32                          FirmwareRevision;
    EFI_HANDLE                      ConsoleInHandle;
    EFI_SIMPLE_TEXT_INPUT_PROTOCOL  *ConIn;
    EFI_HANDLE                      ConsoleOutHandle;
    EFI_SIMPLE_TEXT_OUTPUT_PROTOCOL *ConOut;
    EFI_HANDLE                      StandardErrorHandle;
    EFI_SIMPLE_TEXT_OUTPUT_PROTOCOL *StdErr;
    EFI_RUNTIME_SERVICES            *RuntimeServices;
    EFI_BOOT_SERVICES               *BootServices;
    UINTN                           NumberOfTableEntries;
    EFI_CONFIGURATION_TABLE         *ConfigurationTable;
} EFI_SYSTEM_TABLE;

---

UEFI软件架构

架构层次图

┌─────────────────────────────────────────┐
│         操作系统 (OS)                    │
├─────────────────────────────────────────┤
│     UEFI OS Loader                      │
│     (操作系统加载器)                     │
├─────────────────────────────────────────┤
│     UEFI Applications                   │
│     (UEFI应用程序)                       │
├─────────────────────────────────────────┤
│     UEFI Drivers                        │
│     (UEFI驱动)                          │
├─────────────────────────────────────────┤
│     Boot Services (BS)                  │
│     (启动服务)                          │
├─────────────────────────────────────────┤
│     Runtime Services (RS)               │
│     (运行时服务)                        │
├─────────────────────────────────────────┤
│     UEFI Protocols                      │
│     (UEFI协议)                          │
├─────────────────────────────────────────┤
│     UEFI System Table                   │
│     (UEFI系统表)                        │
├─────────────────────────────────────────┤
│     Platform Hardware                   │
│     (平台硬件)                          │
└─────────────────────────────────────────┘

架构特点

图1-2　UEFI软件架构

UEFI为操作系统启动和启动前的运行状态提供了一个标准的环境，规范中详细规定了系统的控制权如何从启动前环境传递到操作系统。它所规定的与平台信息相关的启动服务(BS)和运行时服务(RT)，都是与平台架构相分离的，即独立于平台上的抽象接口。这就是为什么发展到现在，UEFI可以支持X86、ARM、MIPS等各种CPU架构的原因。

服务生命周期

对Option ROM开发者来说：

┌─────────────────────────────────────────┐
│  Option ROM执行前                       │
│  ✓ Boot Services可用                   │
│  ✓ Runtime Services可用                │
├─────────────────────────────────────────┤
│  OS Loader加载后                        │
│  ✓ Boot Services可用                   │
│  ✓ Runtime Services可用                │
├─────────────────────────────────────────┤
│  ExitBootServices()调用后               │
│  ✗ Boot Services销毁                  │
│  ✓ Runtime Services保留                │
└─────────────────────────────────────────┘

关键点：

• Option ROM运行于操作系统加载器执行前，启动服务和运行时服务都可以使用
• 从操作系统加载器被加载，到操作系统加载器执行ExitBootServices()前的这段时间，是从UEFI环境向操作系统过渡的阶段，启动服务和运行时服务也同样可以使用
• 在操作系统加载器执行ExitBootServices()之后，启动服务就完成了使命，其占用的资源会被回收，计算机系统进入UEFI Runtime阶段
• 此后，就只能使用运行时服务了，启动服务已经从系统中销毁

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UEFI服务详解

启动服务（Boot Services）

启动服务提供的服务包括如下几项：

1. Event（事件）服务

功能： 允许程序进行异步操作，这是UEFI得以执行并发操作的基础。

事件类型：

• 定时器事件：基于时间的触发
• 等待事件：等待某个条件满足
• 通知函数：事件触发时调用的回调函数

示例代码：

EFI_EVENT TimerEvent;

// 创建定时器事件
gBS->CreateEvent(
    EVT_TIMER,
    TPL_CALLBACK,
    NULL,
    NULL,
    &TimerEvent
);

// 设置定时器（10秒）
gBS->SetTimer(TimerEvent, TimerRelative, 10000000);

// 等待事件
gBS->WaitForEvent(1, &TimerEvent, NULL);

2. Timer（定时器）服务

功能： 配合Event提供定时器功能。

定时器类型：

• TimerCancel：取消定时器
• TimerPeriodic：周期性定时器
• TimerRelative：相对时间定时器
• TimerAbsolute：绝对时间定时器

3. 内存管理

功能： 提供内存的分配和释放服务，管理系统的内存映射。

内存类型：

类型	说明
EfiLoaderCode	加载器代码
EfiLoaderData	加载器数据
EfiBootServicesCode	启动服务代码
EfiBootServicesData	启动服务数据
EfiRuntimeServicesCode	运行时服务代码
EfiRuntimeServicesData	运行时服务数据
EfiConventionalMemory	常规内存
EfiUnusableMemory	不可用内存
EfiACPIReclaimMemory	ACPI回收内存
EfiACPIMemoryNVS	ACPI非易失性内存
EfiMemoryMappedIO	内存映射IO
EfiMemoryMappedIOPortSpace	内存映射IO端口空间
EfiPalCode	PAL代码

内存分配示例：

EFI_PHYSICAL_ADDRESS Memory;
UINTN Pages = 10; // 分配10页（4KB/页）

// 分配内存
EFI_STATUS Status = gBS->AllocatePages(
    AllocateAnyPages,
    EfiBootServicesData,
    Pages,
    &Memory
);

// 使用内存...

// 释放内存
gBS->FreePages(Memory, Pages);

4. Protocol服务

功能： 提供安装和卸载Protocol的服务，以及查找、打开和关闭Protocol的服务。

主要函数：

• InstallProtocolInterface()：安装协议接口
• UninstallProtocolInterface()：卸载协议接口
• LocateProtocol()：定位协议
• OpenProtocol()：打开协议
• CloseProtocol()：关闭协议

示例：

EFI_BLOCK_IO_PROTOCOL *BlockIo;

// 定位Block IO协议
EFI_STATUS Status = gBS->LocateProtocol(
    &gEfiBlockIoProtocolGuid,
    NULL,
    (VOID **)&BlockIo
);

if (EFI_ERROR(Status)) {
    // 处理错误
}

5. Image服务

功能： 提供加载、卸载、启动和退出UEFI应用程序和驱动的服务。

主要函数：

• LoadImage()：加载镜像
• StartImage()：启动镜像
• Exit()：退出镜像
• UnloadImage()：卸载镜像

6. 其他服务

包括设置看门狗定时器、延时、计算CRC校验值等，随着UEFI标准的发展，这类功能也在不断增加。

运行时服务（Runtime Services）

运行时服务提供的服务包括如下几项：

1. 系统变量服务

功能： 读取或者设置系统变量，比如设定启动项顺序。

变量命名空间：

• EFI_GLOBAL_VARIABLE：全局变量
• EFI_IMAGE_SECURITY_DATABASE_GUID：安全数据库
• 厂商自定义GUID：厂商特定变量

常用工具：

# Linux下的efibootmgr工具
efibootmgr -v                    # 查看启动项
efibootmgr -o 0001,0002,0003    # 设置启动顺序
efibootmgr -c -L "Linux" -l /vmlinuz  # 创建启动项

2. 时间服务

功能： 提供读取和设定系统时间的功能，也提供了读取和设定定时唤醒系统的功能。

时间结构：

typedef struct {
    UINT16 Year;        // 1900 - 9999
    UINT8  Month;       // 1 - 12
    UINT8  Day;         // 1 - 31
    UINT8  Hour;        // 0 - 23
    UINT8  Minute;      // 0 - 59
    UINT8  Second;      // 0 - 59
    UINT8  Pad1;
    UINT32 Nanosecond;  // 0 - 999999999
    INT16  TimeZone;    // -1440 to 1440 or 2047
    UINT8  Daylight;
    UINT8  Pad2;
} EFI_TIME;

3. 内存虚拟地址服务

功能： 提供将内存的物理地址转换为虚拟地址的服务。

4. 其他服务

包括重启系统、更新BIOS（Capsules服务）、交换操作系统与BIOS的数据等各种服务。

---

UEFI vs Legacy BIOS对比

全面对比表

特性	Legacy BIOS	UEFI BIOS
运行模式	实模式（16位）	保护模式（32/64位）
可寻址内存	1MB	4GB+（取决于架构）
开发语言	主要使用汇编	C/C++/Python
代码大小	受ROM限制（通常<8MB）	可存储在硬盘分区
启动速度	较慢	较快（并行初始化）
图形界面	文本模式	支持高分辨率GUI
鼠标支持	不支持	支持
安全启动	不支持	支持（Secure Boot）
GPT分区	不支持	原生支持
大硬盘支持	限制2TB	支持超大容量
网络启动	有限支持	完整支持
驱动加载	静态链接	动态加载
模块化	差	优秀
跨平台	x86/x64	x86/x64/ARM/MIPS等
代码签名	不支持	支持
远程管理	不支持	支持

启动时间对比

Legacy BIOS启动流程：
上电 → POST → 硬件初始化 → 加载OS
时间：通常 30-60秒

UEFI启动流程：
上电 → SEC → PEI → DXE → BDS → TSL → OS
时间：通常 10-20秒（并行初始化）

内存使用对比

Legacy BIOS内存布局：

0x00000 - 0x9FFFF: 可用内存（640KB）
0xA0000 - 0xBFFFF: 视频内存
0xC0000 - 0xEFFFF: ROM扩展区
0xF0000 - 0xFFFFF: 系统BIOS

UEFI内存布局：

0x00000000 - 0x0009FFFF: 传统内存（可选）
0x000A0000 - 0x000FFFFF: 传统视频内存
0x00100000 - 0xFFFFFFFF: UEFI可用内存（4GB）
（64位系统可访问更大地址空间）

---

UEFI的优势

UEFI在发展过程中，打败其他新的BIOS架构，尤其是取代Legacy BIOS，得益于以下几大优势。

1. 开发效率高

技术栈对比：

方面	Legacy BIOS	UEFI
主要语言	汇编	C/C++
辅助语言	无	Python（工具链）
代码复用	困难	容易
库支持	无	丰富（libjpeg等）
调试工具	有限	完善

优势：

• 相比于Legacy BIOS采用汇编语言开发，UEFI采用了C语言、Python语言加少量汇编语言的混合模式编写，其中以C语言为主
• 实际上，UEFI的应用程序和驱动可以使用C++编写
• 它屏蔽了大量的底层硬件细节，为程序员提供了非常统一的调用接口
• 能很方便地在多种CPU架构间编写代码
• 很多代码可以重复使用，也可以直接使用大量的C语言库，比如libjpeg等，极大地提高了编程效率

代码示例对比：

Legacy BIOS（汇编）：

; 显示字符 'A'
MOV AH, 0Eh        ; 功能号
MOV AL, 'A'        ; 字符
MOV BH, 0          ; 页号
INT 10h            ; 调用BIOS中断

UEFI（C语言）：

// 显示字符串
EFI_STATUS Status;
Status = gST->ConOut->OutputString(
    gST->ConOut,
    L"Hello, UEFI!\n"
);

2. 突破了ROM的容量限制

存储方式对比：

特性	Legacy BIOS	UEFI
存储位置	Flash ROM	Flash ROM + 硬盘分区
容量限制	通常<8MB	几乎无限制
文件系统	不支持	支持（FAT32等）
可执行程序	受限	丰富

优势：

• UEFI可以解析文件系统，可以将硬盘的某个区域变为自己的存储空间
• 这样不但保证了充足的容量，而且可以直接执行一些常用的程序
• 比如操作系统的多引导、系统备份和恢复等
• 由于不受限于容量，UEFI可以吸取现代操作系统的设计理念，将功能分层化，不断添加各类新的功能，以满足未来计算机的发展

EFI系统分区（ESP）：

GPT分区表：
├── EFI System Partition (ESP)
│   ├── \EFI\Boot\bootx64.efi
│   ├── \EFI\Microsoft\Boot\bootmgfw.efi
│   └── \EFI\Linux\grubx64.efi
├── Windows分区
├── Linux分区
└── 数据分区

3. 可扩展性好

模块化设计：

• UEFI采用模块化的设计，驱动可以动态加载
• 可以非常方便地添加对新硬件的支持
• UEFI的每个驱动，均有唯一的GUID标识
• 使得UEFI系统的升级变得安全而简单

应用场景：

• 各种备份和诊断功能，都可以在UEFI下实现
• 配合UEFI提供的网络功能，可以远程对主板进行故障诊断
• 或者进行BIOS更新

驱动加载示例：

// 动态加载驱动
EFI_HANDLE ImageHandle;
EFI_STATUS Status;

Status = gBS->LoadImage(
    FALSE,
    gImageHandle,
    DevicePath,
    NULL,
    0,
    &ImageHandle
);

if (!EFI_ERROR(Status)) {
    gBS->StartImage(ImageHandle, NULL, NULL);
}

4. 系统性能高

运行模式对比：

特性	Legacy BIOS	UEFI
CPU模式	16位实模式	32/64位保护模式
内存访问	受限（1MB）	完整访问
并行处理	不支持	支持（异步操作）
CPU利用率	低	高

优势：

• Legacy BIOS运行于16位实模式，而UEFI是直接运行于保护模式下的，可以充分利用CPU和内存
• UEFI提供了异步操作机制，这类似于操作系统下的多进程模式
• 可充分提高CPU的利用率，减少等待时间

性能提升：

启动时间对比：
Legacy BIOS: 30-60秒
UEFI:        10-20秒（提升50-70%）

硬件初始化：
Legacy BIOS: 串行初始化
UEFI:        并行初始化（多核CPU优势）

5. 安全性高

安全机制对比：

安全特性	Legacy BIOS	UEFI
代码签名	不支持	支持
安全启动	不支持	支持（Secure Boot）
可信链	无	完整可信链
恶意软件防护	弱	强

Secure Boot流程：

1. 主板出厂时内置可信公钥（CA证书）
   ↓
2. UEFI固件验证启动加载器签名
   ↓
3. 启动加载器验证内核签名
   ↓
4. 内核验证驱动签名
   ↓
5. 形成完整的可信链

优势：

• UEFI建立了完整的可信链机制
• 主板出厂时，可以内置一些可靠的公钥
• 这些公钥一般由比较权威的CA机构发布，比如VeriSign等
• 当系统的安全启动功能打开后，UEFI在执行应用程序和驱动前，会检测应用程序和驱动的证书
• 只有证书被内置公钥认证通过，应用程序和驱动才能被执行
• UEFI的安全机制提高了操作系统启动过程的安全性，能有效阻止恶意软件

6. 易用性好

用户界面对比：

特性	Legacy BIOS	UEFI
显示模式	文本模式（80x25）	高分辨率图形
颜色支持	16色	真彩色
鼠标支持	不支持	支持
界面类型	命令行	GUI图形界面
多语言	有限	完整支持

优势：

• 从UEFI的设计可以看出，它实际上是一个简化了的操作系统
• 它支持高分辨率的彩色显示，可以运行GUI（图形用户界面）
• 支持鼠标的使用
• 这使得开发人员可以构建非常友好的用户交互界面
• 用户能更容易、更方便地调节各种参数

UEFI Setup界面特点：

• 图形化菜单
• 鼠标操作
• 实时预览
• 多语言支持
• 搜索功能
• 帮助提示

---

总结

UEFI作为现代计算机固件的标准，相比Legacy BIOS在多个方面实现了革命性的突破：

1. 开发效率：从汇编到C/C++，大幅提升开发效率
2. 存储容量：突破ROM限制，支持文件系统
3. 扩展性：模块化设计，动态加载驱动
4. 性能：保护模式运行，并行初始化
5. 安全性：完整的可信链和安全启动机制
6. 易用性：图形界面，鼠标操作

这些优势使得UEFI成为现代计算机固件的标准选择，为未来的计算机发展奠定了坚实的基础。在下一篇文章中，我们将深入探讨UEFI的启动过程和开发环境搭建。

---

参考资料

• UEFI Specification 2.7+
• 《UEFI编程实践》- 罗冰
• Intel Platform Initialization Specification
• TianoCore EDK II Documentation

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本文基于《UEFI编程实践》读书笔记整理，旨在帮助读者深入理解UEFI的架构设计和优势。

UEFI BIOS深度解析：现代固件架构的革命性突破

本文深入探讨UEFI（统一可扩展固件接口）的架构设计、核心概念和相比Legacy BIOS的革命性优势

目录

• UEFI概述
• UEFI核心概念
• UEFI软件架构
• UEFI服务详解
• [UEFI vs Legacy BIOS对比](#UEFI vs Legacy BIOS对比)
• UEFI的优势
• 总结

---

UEFI概述

什么是UEFI？

UEFI（Unified Extensible Firmware Interface，统一可扩展固件接口）定义了连接操作系统和硬件体系之间的标准接口。它是由UEFI论坛（UEFI Forum）制定的开放标准，旨在替代传统的Legacy BIOS。

UEFI的发展历程

时间	事件	意义
1998年	Intel提出EFI 1.0	最初的EFI规范
2005年	UEFI 2.0发布	统一标准，更名为UEFI
2006年	UEFI 2.1发布	增加安全启动支持
2011年	Windows 8要求UEFI	推动UEFI普及
2017年	UEFI 2.7发布	支持更多新特性

UEFI的设计目标

1. 跨平台支持：支持x86、x64、ARM、MIPS等多种架构
2. 模块化设计：驱动和应用程序可以动态加载
3. 标准化接口：统一的API和协议规范
4. 安全性：内置安全启动和可信链机制
5. 易用性：支持图形界面和鼠标操作

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UEFI核心概念

在UEFI构建的软件世界中，有一些基本概念必须熟悉，它们是理解UEFI的基础。

1. 启动管理器（Boot Manager）

定义： UEFI的应用程序和驱动可以在任何UEFI规范支持的设备和文件系统中加载，而决定加载顺序的就是启动管理器。

功能：

• 通过全局的NVRAM变量来管理加载顺序
• 可以配置启动选项
• 增加启动选项或从启动列表中删除无效的选项
• 支持多操作系统启动

NVRAM变量示例：

# 查看启动项
efibootmgr -v

# 输出示例：
# BootCurrent: 0001
# BootOrder: 0001,0002,0003
# Boot0001* Windows Boot Manager
# Boot0002  Linux Boot Manager
# Boot0003  UEFI Shell

2. UEFI Images（UEFI镜像）

定义： UEFI Images是UEFI规范定义的包含可执行代码的二进制程序文件。

类型：

• UEFI应用程序 ：.efi文件，独立运行的程序
• UEFI驱动 ：.efi文件，为硬件提供驱动支持

文件结构：

UEFI镜像采用PE32（Portable Executable 32）文件结构，这是Windows可执行文件的标准格式：

PE32文件结构：
├── DOS Header (MZ)
├── PE Header
├── Section Headers
├── .text (代码段)
├── .data (数据段)
└── .reloc (重定位段)

优势：

• 支持跨平台（x86、ARM等）
• 标准化的加载机制
• 支持代码签名验证

3. UEFI Services（UEFI服务）

定义： UEFI Service是平台调用接口的集合，允许UEFI程序和操作系统调用。

分类：

• 启动服务（Boot Services，BS）：在操作系统加载前可用
• 运行时服务（Runtime Services，RS）：操作系统运行期间也可用

服务提供者：

• UEFI应用程序
• UEFI驱动
• UEFI OS Loader（操作系统加载器）

4. UEFI Protocol（UEFI协议）

定义： UEFI Protocol本质上是一种数据结构，它包含三个部分：

1. 全局唯一标识符（GUID）：128位唯一标识符
2. 接口数据结构：定义协议的数据结构
3. 服务：协议提供的函数接口

GUID格式：

xxxxxxxx-xxxx-xxxx-xxxx-xxxxxxxxxxxx
例如：EFI_BLOCK_IO_PROTOCOL_GUID
     {964e5b22-6459-11d2-8e39-00a0c969723b}

Protocol示例：

// EFI_BLOCK_IO_PROTOCOL结构
typedef struct {
    UINT64              Revision;
    EFI_BLOCK_IO_MEDIA  *Media;
    EFI_BLOCK_RESET     Reset;
    EFI_BLOCK_READ      ReadBlocks;
    EFI_BLOCK_WRITE     WriteBlocks;
    EFI_BLOCK_FLUSH     FlushBlocks;
} EFI_BLOCK_IO_PROTOCOL;

5. UEFI系统表（UEFI System Table）

定义： 所有UEFI镜像都会接收到一个指向UEFI系统表的指针，通过此系统表可以访问固件提供的UEFI Protocol。

系统表结构：

typedef struct {
    EFI_TABLE_HEADER                Hdr;
    CHAR16                          *FirmwareVendor;
    UINT32                          FirmwareRevision;
    EFI_HANDLE                      ConsoleInHandle;
    EFI_SIMPLE_TEXT_INPUT_PROTOCOL  *ConIn;
    EFI_HANDLE                      ConsoleOutHandle;
    EFI_SIMPLE_TEXT_OUTPUT_PROTOCOL *ConOut;
    EFI_HANDLE                      StandardErrorHandle;
    EFI_SIMPLE_TEXT_OUTPUT_PROTOCOL *StdErr;
    EFI_RUNTIME_SERVICES            *RuntimeServices;
    EFI_BOOT_SERVICES               *BootServices;
    UINTN                           NumberOfTableEntries;
    EFI_CONFIGURATION_TABLE         *ConfigurationTable;
} EFI_SYSTEM_TABLE;

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UEFI软件架构

架构层次图

┌─────────────────────────────────────────┐
│         操作系统 (OS)                    │
├─────────────────────────────────────────┤
│     UEFI OS Loader                      │
│     (操作系统加载器)                     │
├─────────────────────────────────────────┤
│     UEFI Applications                   │
│     (UEFI应用程序)                       │
├─────────────────────────────────────────┤
│     UEFI Drivers                        │
│     (UEFI驱动)                          │
├─────────────────────────────────────────┤
│     Boot Services (BS)                  │
│     (启动服务)                          │
├─────────────────────────────────────────┤
│     Runtime Services (RS)               │
│     (运行时服务)                        │
├─────────────────────────────────────────┤
│     UEFI Protocols                      │
│     (UEFI协议)                          │
├─────────────────────────────────────────┤
│     UEFI System Table                   │
│     (UEFI系统表)                        │
├─────────────────────────────────────────┤
│     Platform Hardware                   │
│     (平台硬件)                          │
└─────────────────────────────────────────┘

架构特点

图1-2　UEFI软件架构

UEFI为操作系统启动和启动前的运行状态提供了一个标准的环境，规范中详细规定了系统的控制权如何从启动前环境传递到操作系统。它所规定的与平台信息相关的启动服务(BS)和运行时服务(RT)，都是与平台架构相分离的，即独立于平台上的抽象接口。这就是为什么发展到现在，UEFI可以支持X86、ARM、MIPS等各种CPU架构的原因。

服务生命周期

对Option ROM开发者来说：

┌─────────────────────────────────────────┐
│  Option ROM执行前                       │
│  ✓ Boot Services可用                   │
│  ✓ Runtime Services可用                │
├─────────────────────────────────────────┤
│  OS Loader加载后                        │
│  ✓ Boot Services可用                   │
│  ✓ Runtime Services可用                │
├─────────────────────────────────────────┤
│  ExitBootServices()调用后               │
│  ✗ Boot Services销毁                  │
│  ✓ Runtime Services保留                │
└─────────────────────────────────────────┘

关键点：

• Option ROM运行于操作系统加载器执行前，启动服务和运行时服务都可以使用
• 从操作系统加载器被加载，到操作系统加载器执行ExitBootServices()前的这段时间，是从UEFI环境向操作系统过渡的阶段，启动服务和运行时服务也同样可以使用
• 在操作系统加载器执行ExitBootServices()之后，启动服务就完成了使命，其占用的资源会被回收，计算机系统进入UEFI Runtime阶段
• 此后，就只能使用运行时服务了，启动服务已经从系统中销毁

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UEFI服务详解

启动服务（Boot Services）

启动服务提供的服务包括如下几项：

1. Event（事件）服务

功能： 允许程序进行异步操作，这是UEFI得以执行并发操作的基础。

事件类型：

• 定时器事件：基于时间的触发
• 等待事件：等待某个条件满足
• 通知函数：事件触发时调用的回调函数

示例代码：

EFI_EVENT TimerEvent;

// 创建定时器事件
gBS->CreateEvent(
    EVT_TIMER,
    TPL_CALLBACK,
    NULL,
    NULL,
    &TimerEvent
);

// 设置定时器（10秒）
gBS->SetTimer(TimerEvent, TimerRelative, 10000000);

// 等待事件
gBS->WaitForEvent(1, &TimerEvent, NULL);

2. Timer（定时器）服务

功能： 配合Event提供定时器功能。

定时器类型：

• TimerCancel：取消定时器
• TimerPeriodic：周期性定时器
• TimerRelative：相对时间定时器
• TimerAbsolute：绝对时间定时器

3. 内存管理

功能： 提供内存的分配和释放服务，管理系统的内存映射。

内存类型：

类型	说明
EfiLoaderCode	加载器代码
EfiLoaderData	加载器数据
EfiBootServicesCode	启动服务代码
EfiBootServicesData	启动服务数据
EfiRuntimeServicesCode	运行时服务代码
EfiRuntimeServicesData	运行时服务数据
EfiConventionalMemory	常规内存
EfiUnusableMemory	不可用内存
EfiACPIReclaimMemory	ACPI回收内存
EfiACPIMemoryNVS	ACPI非易失性内存
EfiMemoryMappedIO	内存映射IO
EfiMemoryMappedIOPortSpace	内存映射IO端口空间
EfiPalCode	PAL代码

内存分配示例：

EFI_PHYSICAL_ADDRESS Memory;
UINTN Pages = 10; // 分配10页（4KB/页）

// 分配内存
EFI_STATUS Status = gBS->AllocatePages(
    AllocateAnyPages,
    EfiBootServicesData,
    Pages,
    &Memory
);

// 使用内存...

// 释放内存
gBS->FreePages(Memory, Pages);

4. Protocol服务

功能： 提供安装和卸载Protocol的服务，以及查找、打开和关闭Protocol的服务。

主要函数：

• InstallProtocolInterface()：安装协议接口
• UninstallProtocolInterface()：卸载协议接口
• LocateProtocol()：定位协议
• OpenProtocol()：打开协议
• CloseProtocol()：关闭协议

示例：

EFI_BLOCK_IO_PROTOCOL *BlockIo;

// 定位Block IO协议
EFI_STATUS Status = gBS->LocateProtocol(
    &gEfiBlockIoProtocolGuid,
    NULL,
    (VOID **)&BlockIo
);

if (EFI_ERROR(Status)) {
    // 处理错误
}

5. Image服务

功能： 提供加载、卸载、启动和退出UEFI应用程序和驱动的服务。

主要函数：

• LoadImage()：加载镜像
• StartImage()：启动镜像
• Exit()：退出镜像
• UnloadImage()：卸载镜像

6. 其他服务

包括设置看门狗定时器、延时、计算CRC校验值等，随着UEFI标准的发展，这类功能也在不断增加。

运行时服务（Runtime Services）

运行时服务提供的服务包括如下几项：

1. 系统变量服务

功能： 读取或者设置系统变量，比如设定启动项顺序。

变量命名空间：

• EFI_GLOBAL_VARIABLE：全局变量
• EFI_IMAGE_SECURITY_DATABASE_GUID：安全数据库
• 厂商自定义GUID：厂商特定变量

常用工具：

# Linux下的efibootmgr工具
efibootmgr -v                    # 查看启动项
efibootmgr -o 0001,0002,0003    # 设置启动顺序
efibootmgr -c -L "Linux" -l /vmlinuz  # 创建启动项

2. 时间服务

功能： 提供读取和设定系统时间的功能，也提供了读取和设定定时唤醒系统的功能。

时间结构：

typedef struct {
    UINT16 Year;        // 1900 - 9999
    UINT8  Month;       // 1 - 12
    UINT8  Day;         // 1 - 31
    UINT8  Hour;        // 0 - 23
    UINT8  Minute;      // 0 - 59
    UINT8  Second;      // 0 - 59
    UINT8  Pad1;
    UINT32 Nanosecond;  // 0 - 999999999
    INT16  TimeZone;    // -1440 to 1440 or 2047
    UINT8  Daylight;
    UINT8  Pad2;
} EFI_TIME;

3. 内存虚拟地址服务

功能： 提供将内存的物理地址转换为虚拟地址的服务。

4. 其他服务

包括重启系统、更新BIOS（Capsules服务）、交换操作系统与BIOS的数据等各种服务。

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UEFI vs Legacy BIOS对比

全面对比表

特性	Legacy BIOS	UEFI BIOS
运行模式	实模式（16位）	保护模式（32/64位）
可寻址内存	1MB	4GB+（取决于架构）
开发语言	主要使用汇编	C/C++/Python
代码大小	受ROM限制（通常<8MB）	可存储在硬盘分区
启动速度	较慢	较快（并行初始化）
图形界面	文本模式	支持高分辨率GUI
鼠标支持	不支持	支持
安全启动	不支持	支持（Secure Boot）
GPT分区	不支持	原生支持
大硬盘支持	限制2TB	支持超大容量
网络启动	有限支持	完整支持
驱动加载	静态链接	动态加载
模块化	差	优秀
跨平台	x86/x64	x86/x64/ARM/MIPS等
代码签名	不支持	支持
远程管理	不支持	支持

启动时间对比

Legacy BIOS启动流程：
上电 → POST → 硬件初始化 → 加载OS
时间：通常 30-60秒

UEFI启动流程：
上电 → SEC → PEI → DXE → BDS → TSL → OS
时间：通常 10-20秒（并行初始化）

内存使用对比

Legacy BIOS内存布局：

0x00000 - 0x9FFFF: 可用内存（640KB）
0xA0000 - 0xBFFFF: 视频内存
0xC0000 - 0xEFFFF: ROM扩展区
0xF0000 - 0xFFFFF: 系统BIOS

UEFI内存布局：

0x00000000 - 0x0009FFFF: 传统内存（可选）
0x000A0000 - 0x000FFFFF: 传统视频内存
0x00100000 - 0xFFFFFFFF: UEFI可用内存（4GB）
（64位系统可访问更大地址空间）

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UEFI的优势

UEFI在发展过程中，打败其他新的BIOS架构，尤其是取代Legacy BIOS，得益于以下几大优势。

1. 开发效率高

技术栈对比：

方面	Legacy BIOS	UEFI
主要语言	汇编	C/C++
辅助语言	无	Python（工具链）
代码复用	困难	容易
库支持	无	丰富（libjpeg等）
调试工具	有限	完善

优势：

• 相比于Legacy BIOS采用汇编语言开发，UEFI采用了C语言、Python语言加少量汇编语言的混合模式编写，其中以C语言为主
• 实际上，UEFI的应用程序和驱动可以使用C++编写
• 它屏蔽了大量的底层硬件细节，为程序员提供了非常统一的调用接口
• 能很方便地在多种CPU架构间编写代码
• 很多代码可以重复使用，也可以直接使用大量的C语言库，比如libjpeg等，极大地提高了编程效率

代码示例对比：

Legacy BIOS（汇编）：

; 显示字符 'A'
MOV AH, 0Eh        ; 功能号
MOV AL, 'A'        ; 字符
MOV BH, 0          ; 页号
INT 10h            ; 调用BIOS中断

UEFI（C语言）：

// 显示字符串
EFI_STATUS Status;
Status = gST->ConOut->OutputString(
    gST->ConOut,
    L"Hello, UEFI!\n"
);

2. 突破了ROM的容量限制

存储方式对比：

特性	Legacy BIOS	UEFI
存储位置	Flash ROM	Flash ROM + 硬盘分区
容量限制	通常<8MB	几乎无限制
文件系统	不支持	支持（FAT32等）
可执行程序	受限	丰富

优势：

• UEFI可以解析文件系统，可以将硬盘的某个区域变为自己的存储空间
• 这样不但保证了充足的容量，而且可以直接执行一些常用的程序
• 比如操作系统的多引导、系统备份和恢复等
• 由于不受限于容量，UEFI可以吸取现代操作系统的设计理念，将功能分层化，不断添加各类新的功能，以满足未来计算机的发展

EFI系统分区（ESP）：

GPT分区表：
├── EFI System Partition (ESP)
│   ├── \EFI\Boot\bootx64.efi
│   ├── \EFI\Microsoft\Boot\bootmgfw.efi
│   └── \EFI\Linux\grubx64.efi
├── Windows分区
├── Linux分区
└── 数据分区

3. 可扩展性好

模块化设计：

• UEFI采用模块化的设计，驱动可以动态加载
• 可以非常方便地添加对新硬件的支持
• UEFI的每个驱动，均有唯一的GUID标识
• 使得UEFI系统的升级变得安全而简单

应用场景：

• 各种备份和诊断功能，都可以在UEFI下实现
• 配合UEFI提供的网络功能，可以远程对主板进行故障诊断
• 或者进行BIOS更新

驱动加载示例：

// 动态加载驱动
EFI_HANDLE ImageHandle;
EFI_STATUS Status;

Status = gBS->LoadImage(
    FALSE,
    gImageHandle,
    DevicePath,
    NULL,
    0,
    &ImageHandle
);

if (!EFI_ERROR(Status)) {
    gBS->StartImage(ImageHandle, NULL, NULL);
}

4. 系统性能高

运行模式对比：

特性	Legacy BIOS	UEFI
CPU模式	16位实模式	32/64位保护模式
内存访问	受限（1MB）	完整访问
并行处理	不支持	支持（异步操作）
CPU利用率	低	高

优势：

• Legacy BIOS运行于16位实模式，而UEFI是直接运行于保护模式下的，可以充分利用CPU和内存
• UEFI提供了异步操作机制，这类似于操作系统下的多进程模式
• 可充分提高CPU的利用率，减少等待时间

性能提升：

启动时间对比：
Legacy BIOS: 30-60秒
UEFI:        10-20秒（提升50-70%）

硬件初始化：
Legacy BIOS: 串行初始化
UEFI:        并行初始化（多核CPU优势）

5. 安全性高

安全机制对比：

安全特性	Legacy BIOS	UEFI
代码签名	不支持	支持
安全启动	不支持	支持（Secure Boot）
可信链	无	完整可信链
恶意软件防护	弱	强

Secure Boot流程：

1. 主板出厂时内置可信公钥（CA证书）
   ↓
2. UEFI固件验证启动加载器签名
   ↓
3. 启动加载器验证内核签名
   ↓
4. 内核验证驱动签名
   ↓
5. 形成完整的可信链

优势：

• UEFI建立了完整的可信链机制
• 主板出厂时，可以内置一些可靠的公钥
• 这些公钥一般由比较权威的CA机构发布，比如VeriSign等
• 当系统的安全启动功能打开后，UEFI在执行应用程序和驱动前，会检测应用程序和驱动的证书
• 只有证书被内置公钥认证通过，应用程序和驱动才能被执行
• UEFI的安全机制提高了操作系统启动过程的安全性，能有效阻止恶意软件

6. 易用性好

用户界面对比：

特性	Legacy BIOS	UEFI
显示模式	文本模式（80x25）	高分辨率图形
颜色支持	16色	真彩色
鼠标支持	不支持	支持
界面类型	命令行	GUI图形界面
多语言	有限	完整支持

优势：

• 从UEFI的设计可以看出，它实际上是一个简化了的操作系统
• 它支持高分辨率的彩色显示，可以运行GUI（图形用户界面）
• 支持鼠标的使用
• 这使得开发人员可以构建非常友好的用户交互界面
• 用户能更容易、更方便地调节各种参数

UEFI Setup界面特点：

• 图形化菜单
• 鼠标操作
• 实时预览
• 多语言支持
• 搜索功能
• 帮助提示

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总结

UEFI作为现代计算机固件的标准，相比Legacy BIOS在多个方面实现了革命性的突破：

1. 开发效率：从汇编到C/C++，大幅提升开发效率
2. 存储容量：突破ROM限制，支持文件系统
3. 扩展性：模块化设计，动态加载驱动
4. 性能：保护模式运行，并行初始化
5. 安全性：完整的可信链和安全启动机制
6. 易用性：图形界面，鼠标操作

这些优势使得UEFI成为现代计算机固件的标准选择，为未来的计算机发展奠定了坚实的基础。在下一篇文章中，我们将深入探讨UEFI的启动过程和开发环境搭建。

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参考资料

• UEFI Specification 2.7+
• 《UEFI编程实践》- 罗冰
• Intel Platform Initialization Specification
• TianoCore EDK II Documentation

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本文基于《UEFI编程实践》读书笔记整理，旨在帮助读者深入理解UEFI的架构设计和优势。