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布满荆棘的人生 2022-08-28 04:45 214阅读 0赞

回顾计算机的发展历史，并不是一开始就形成了现在的硬件+固件+操作系统这样的分工合作。在大型机时代（20世纪60年代），比如《人月神话》中曾经介绍过的IBM System/360，其硬件、操作系统是同时开发的，操作系统直接与硬件配合，不需要固件。

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图1 IBM System/360

进入20世纪80年代，个人计算机（Personal Computer，简称PC）蓬勃发展，现代计算机进入PC时代，一直持续到至今。PC的流行，对人类的活动产生了巨大的影响，我们现在已经无法想象没有计算机的生活了。

PC之所以在短短几十年间在全球流行，其中一个最重要的因素是社会化的分工。与大型机、小型机时代不同，PC时代的每个公司只负责PC的一个部分。微软和Intel组成的Wintel联盟，不是包揽PC的所有部件。你可以使用Intel的CPU、微软的Windows系统、华硕的主板、Kingston的内存、七彩虹的显卡，再加上其他厂家的硬盘、键鼠、电源等，组成完整的计算机系统。

这种合作，我们现在称之为生态系统。在这个生态系统中，每一个参与者只负责其中一部分。大家遵循一定的标准，各司其职，把自己的部分做到最好，性价比做到最高。产生的结果，就是PC的成本越来越低，软件越来越丰富，整个生态系统生机盎然、欣欣向荣。

大量的硬件，带来的是各种各样的兼容性问题。纵观PC系统架构，下有五花八门的硬件，上有操作系统和复杂的应用软件。如何让这些纷纭复杂的软件运行在各种硬件上？答案是固件，也就是我们常说的Basic Input Output System（简称BIOS）。

也就是说，在软件和硬件之间增加固件层，由固件来管理硬件差异。这样可以大大减轻操作系统的负担，使之以一种统一的方式来掌控五花八门的硬件。

在目前的市场上，存在各种BIOS架构，包括UEFI、Coreboot、Uboot等。不同的BIOS架构，所实现的功能有所不同，不过必须提供操作系统所需要的接口。目前主流的BIOS架构是UEFI，特别是PC上，几乎成为事实上的标准。如图2给出了UEFI的启动流程。

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图2 UEFI启动的7个阶段

UEFI的7个阶段分别为SEC（安全验证）、PEI（EFI前期初始化）、DXE（驱动执行环境）、BDS（启动设备选择）、TLS（操作系统加载）、RT（运行时）和AL（灾难恢复）。其中，前三个阶段是UEFI初始化阶段，DXE阶段加载了大量的硬件驱动，此后UEFI环境就准备好了。

BDS阶段负责选择启动设备，之后将会启动操作系统的OS Loader。由OS Loader去加载操作系统的Kernel，将操作系统启动起来。这些工作，都会在TLS阶段完成。

OS Loader会收集各种资源，包括内存的状况、ACPI的情况等，之后会触发ExitBootServices()，告知BIOS操作系统将接管权限。

OS Loader不是由BIOS提供的，是由操作系统提供的。在完成操作系统启动后，UEFI BIOS将不再有控制权，而是转接给操作系统。BIOS退出后，还会提供Runtime Services、SMI Handler等服务，供操作系统使用。

随着PC的发展，BIOS与操作系统早就密不可分了。BIOS负责初始化硬件，为操作系统提供各类硬件信息，并启动操作系统。完成启动工作后，BIOS交出控制权，并为操作系统提供Runtime Service等服务，以及ACPI、SMBIOS等Table。如图3所示，是一张显示操作系统和UEFI结构的宏观图。

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图3 UEFI和操作系统软件架构

进入操作系统后，UEFI BIOS提供的接口包括三类：

1) **U****EFI Runtime Services****（****UEFI****运行时服务）**

包括Variable Services、Real Time Clock Services、Status Code Services、Reset Services

等。

2) **Version Information****（版本信息）**

包括UEFI Specfication Version（UEFI规范版本）、Firmware Vendor（固件厂商）、Firmware Revision（固件修订版本）等。

**3）System** **Configuration Table****（系统配置表）**

包括ACPI Table、SMBIOS Table、HOB List、DXE Services Table、SAL System Table等。

虽然此时BIOS已经退出运行舞台，但仍旧在操作系统上发挥巨大的作用。比如按照ACPI标准提供的ACPI Table，它以对象化的方式描述计算机系统的硬件，报告给操作系统。我们最切身体会的关机、睡眠（休眠或待机）等电源事件，就是在ACPI Table控制下进行的。

操作系统的运行，特别是对硬件的掌控，依赖于UEFI BIOS提供的各类支持。对于操作系统内核开发而言，有必要深入了解UEFI架构以及其相应的开发知识。

想要了解更多关于UEFI的相关技术欢迎阅读《UEFI编程实践》

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《UEFI编程实践》书中提供了33个UEFI应用和驱动示例，以及多个用来配合实验的Windows程序、Linux程序和嵌入式程序。涵盖了构建程序架构、调试方法、构建GUI、各种总线外设的访问、网络应用开发、UEFI驱动和Option ROM开发等内容，特别介绍了国产计算机下的UEFI开发，是偏实战操作的技术性书籍。

**作者介绍：**

罗 冰 物理隔离安全领域专家，主导开发过网络隔离卡、双网隔离机、国产隔离系统、单向光传输系统等各类安全产品，拥有十几项发明和实用新型专利。<br />致力于UEFI技术的研究、实践，以及相关产品的开发，在CSDN和知乎上设有“UEFI开发探索”专栏。译著有《现代X86汇编语言程序设计》《21世纪机器人》，目前就职于国内某网络安全公司，担任总工程师。

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