UEFI与BIOS的比较_2020-05-11

BIOS

  学习UEFI前先简单了解一下BIOS。
BIOS功能：

• 加电自检程序，用于开机时对硬件的检测。
• 系统初始化代码，包括硬件设备的初始化，创建 BIOS 中断向量等。
• 基本的外围I/O处理的子程序代码。
• CMOS程序设置。

BIOS工作流程：

1. 加电自检（Power On Self Test，POST）：检测关机设备是否正常工作，设备设置是否与CMOS（CMOS是是电脑主板上的一块可读写的RAM芯片，常用来保存BIOS设置完电脑硬件参数后的数据）中的设置一致。如果出现硬件错误则发出警报（鸣笛）。POST检测通过后进行初始化
2. 初始化：初始化显示设备、显示显卡信息，然后初始化其他设备。
3. 检查CPU和内存并显示检测结果。进行标准设备检测（如：硬盘、光驱、串口设备等）。结束标准设备检测后进行即插即用设备，并为其分配中断号、I/O端口号和DMA通道等资源。硬件设备发生改变时将变化记录到CMOS中。
4. 根据配置的启动顺序从设备启动，将启动设备主引导记录的启动代码通过BIOS终端读入内存，然后将控制权交至引导程序，最终引导进入操作系统。

BIOS缺点：

1. 开发效率较低：大部分BIOS使用汇编语言开发，使用汇编语言开发与硬件的耦合度过高，使得开发出来的BIOS严重受硬件影响。
2. 性能差：BIOS基本输入/输出服务需要依靠中断来完成，而且BIOS没有异步工作模式，有大量的时间被消耗在等待。
3. 不易进行功能扩展：在添加硬件功能时，必须将16位的代码放置在0x0C0000~0x0DFFFF间，初始化时才能将其设置为约定的中断处理程序。而且BIOS不能动态的加载设备驱动方案。
4. 安全性较差：BIOS没有考虑运行过程中执行代码的安全性。
5. 不支持从硬盘2 TB及以上的地址进行引导：BIOS硬盘采用32位地址，因此引导扇区的最大逻辑块地址是2^{32（字节地址为：(2}32)*512=2 TB）

UEFI（Unified Extensible Firmware Interface）

UEFI简介：

• UEFI是统一可扩展固件接口，定义了操作系统和平台固件之间交互的接口，它是UEFI Forum发布的一种标准，并没有提供实现。
• UEFI的实现可以分为两部分：
  1. 平台初始化。
  2. 固件-操作系统接口。

UEFI系统组成：

• UEFI供系统调用的接口：

  • 启动时服务（Boot Service，BS）

  • 运行时服务（Runtime Service，RT）

• 隐藏在BS后的Protocol

  其中BS和RT以表的形式（C语言中的结构体）存在，UEFI驱动和服务以Protocol的形式通过BS提供给操作系统。

UEFI模式的启动的几个阶段：

1. 操作系统加载器（OS Loader）被加载。

2. OS Loader执行ExitBootServices()。

   从1->2的过程是从UEFI环境向操作系统过渡的过程，在该过程中，OS Loader可以通过BS和RT使用UEFI提供的服务，将计算机资源逐渐从UEFI转至操作系统。该过程被称为TSL（Transient System Load）

   当OS Loader完全掌握计算机系统资源是，BS便完成了其使命。OS Loader调用ExitBootServices()结束BS并回收BS占用的资源。计算机系统进入UEFI Runtime阶段。在Runtime阶段中只有RT继续为OS提供服务，BS已经被计算机系统销毁。

TSL阶段系统通过BS管理系统资源，此时BS提供的服务有：

• 事件服务：事件是异步操作的基础。有了事件的支持，才可以在UEFI系统内执行并发操作。
• 内存管理：主要提供内存的分配与释放，管理系统的内存映射。
• Protocol管理：提供了安装Protocol与卸载Protocol的服务，以及注册Protocol通知函数（该函数会在Protocol安装时调用）的服务。【UEFI驱动和服务通过Protocol的形式通过BS提供给系统】
• Protocol的实用类服务：包括Protocol的打开与关闭，查找支持Protocol的控制器。（比如：需要读写某个PCI设备的寄存器，可以通过OpenProtocol服务打开这个设备上的PciIo Protocol，用PciIo->Io.Read()服务读取这个设备上的寄存器。
• 驱动管理：包括用于将驱动安装到控制器的connect服务，及将驱动从控制器上卸载的disconnect服务。（例如：如果我们启动时需要网络支持，则可以通过loadImage将驱动加载到内存，然后通过connect服务将驱动安装到设备）。
• Image管理：此类服务包括加载、卸载、启动和推出UEFI应用程序或驱动。
• ExitBootServices：用于结束启动服务，注销BS。

RT主要提供以下几个方面的业务：

• 时间服务：读取/设置系统时间
• 读写UEFI系统变量：读取/设置系统变量。（例如：BootOrder用于指定启动项顺序）更改这些系统变量可以改变系统配置。
• 虚拟内存服务：将物理地址转换为虚拟地址。
• 其它服务：重启系统、获取系统提供的下一个单调单增值等。

UEFI的优点

1. UEFI具有较高的开发效率：BIOS一般采用汇编语言，代码多是与硬件相关的代码。而UEFI中大部分的代码可以用C语言进行编写，UEFI的应用程序和驱动也可以用C++编写。UEFI通过固件-操作系统接口（BS和RT服务）为OS和OS Loader屏蔽了底层硬件细节，使UEFI的上层应用可以重用。
2. UEFI系统的可扩展性：UEFI系统的可扩展性主要体现在 驱动的模块化设计以及软硬件升级的兼容性。UEFI模式中驱动的模块化设计在于，大部分硬件的初始化通过UEFI驱动实现。每个驱动都是一个独立的模块，可以包含在固件中，也可以放在设备上，运行时根据需要来动态加载。软硬件升级的兼容性体现在，UEFI中每个表、每个Protocol（包括驱动）都有版本号，这使得系统可以很方便的进行平滑升级。
3. UEFI系统的性能较高：相比于BIOS，UEFI有很大的性能提升，从启动到进入操作系统的事件大大缩短。原因主要有一下几点
   • 1、UEFI支持基于事件的异步操作，提高了CPU的效率，减少了总的等待时间；
   • 2、关于中断，UEFI仅保留了时钟中断，舍弃了其余的中断操作外部设备的方式，改为“事件+异步操作”；
   • 3、高效遍历设备的方式，启动时可以仅遍历启动所需的设备，从而加速系统启动；
   • 4、UEFI具有更高的安全性：相比于BIOS，UEFI的一个重要突破就是其在安全性方面的考虑。在系统的安全启动模式下UEFI在执行应用程序和驱动前会先检测程序和驱动的证书，仅当证书被信任时才会执行该程序或驱动。（UEFI的应用程序和驱动采用PE/COFF格式，其签名放在签名块中）