老文章:和老BIOS说永别 EFI BIOS技术解析

2015年10月6日 | 分类: Follow_me | 标签:

BIOS最后的璀璨

  BIOS,几乎和PC有着同样的寿命,当年康柏第一台“克隆”PC诞生的时候,它为了简化启动的设置,引入了固化程序的概念,在启动时负责将PC初始化,然后再将控制权交给磁盘上的操作系统。而今天,“康柏”这个品牌已经消失,而BIOS却作为无心插柳柳成荫之作,延续至今。

  BIOS伴随了我们十几年,在这么长的日子里,硬件升了一代又一代,电脑换了一台又一台,唯一不变的,就是BIOS。BIOS默默伴随着我们这帮从刚学会打ABCD的毛头孩子长大成人,当我们都变了,它却还是它最初的模样。
风华已去,佳人已老,BIOS在十几年的守护中,一步步逐渐落后于硬件的发展,趋于落寞,垂垂老暮。BIOS在PC启动时,将PC初始化,然后控制权交给磁盘上的操作系统,在后面的阶段,用户的感觉是在通过操作系统直接和硬件对话,可实际上,操作系统想要与硬件进行沟通,仍然必须通过BIOS。

BIOS的全称是Basic Input/Output System,中文名是基本输入输出系统。BIOS即是操作系统和计算机硬件之间通讯的桥梁,更是充当翻译的角色,从DOS时代起,微软的操作系统一直都是建立在“中断”这个概念上的,程序的切换依靠中断,系统的开关依靠中断,甚至我们按下了机箱上“Reset”键强制重启电脑,也还是中断在后台的作用。为了延续整套的16位中断系统,无论是CPU开发还是软件升级,都得考虑中断模式。

  在x86系列处理器进入32位时代后,由于兼容性的原因,新的处理器保留了16位的运行方式,此后多次处理器的升级换代都保留了这种运行方式。甚至在含64位扩展技术的至强系列处理器中,处理器加电启动时仍然会切换到16位的实模式下运行。BIOS程序以16位汇编代码、寄存器参数调用方式、静态链接以及1MB以下内存固定编址的形式存在了十几年,虽然各大BIOS厂商近年来努力得对其进行改进,加入了许多新元素到产品中,如ACPI、USB支持等,但BIOS的根本性质没有得到任何改变,16位的运行工作环境是其最为致命的缺点。

  现有的BIOS不但在工作方式存在令人不满之处,在工作能力上,也令人颇有微词。BIOS发展到现在,用来存放BIOS程序的芯片最大不过2Mb,换成实际字节就是256KB,面对这个数值,即使你想为BIOS编写一些新的功能,BIOS芯片中也不会有足够的空间让你写入。这也是BIOS这十几年来一直停滞不前的原因之一。

  所以BIOS经过了这些年的辉煌期,已经逐渐脱离了时代的发展,成为了PC功能和性能进一步提升的瓶颈,只有寻求BIOS的接任者。而BIOS,必将在璀璨光环的环绕中,落下帷幕,成为历史的记录。

EFI接过接力棒

  EFI的英文全称是Extensible Firmware Interface,中文名是可扩展固件接口,早在2006年的上半年,Intel曾经在IDF上进行过EFI的演示。要使用EFI系统,必须主板和操作系统都支持EFI功能,目前支持EFI功能的操作系统有Mac OS X、Vista和Server 2003。
EFI在开机时的作用和BIOS一样,就是初始化PC,但在细节上却又不一样。BIOS对PC的初始化,只是按照一定的顺序对硬件通电,简单地检查硬件是否能工作,而EFI不但检查硬件的完好性,还会加载硬件在EFI中的驱动程序,不用操作系统负责驱动的加载工作。 EFI的最革命之处,是颠覆了BIOS的界面概念,让操作界面和Windows一样易于上手。在EFI的操作界面中,鼠标成为了替代键盘的输入工具,各功能调节的模块也做的和Windows程序一样,可以说,EFI就是一个小型化的Windows系统。

  对于操作系统来说,如果主板使用的是BIOS,那么操作系统就必须面对所有的硬件,大到主板显卡,小到鼠标键盘,每次重装系统或者系统升级,都必须手动安装新的驱动,否则硬件很可能无法正常工作。而基于EFI的主板则方便很多,因为EFI架构使用的驱动基于EFI Byte Code。EFI Byte Code有些类似于Java的中间代码,并不由CPU直接执行操作,而是需要EFI层进行翻译。对于不同的操作系统来说,EFI将硬件层很好地保护了起来,所有操作系统看到的,都只是EFI留给EFI Byte Code的程序接口,而EFI Byte Code又直接和Windows的API联系,这就意味着无论操作系统是Windows还是Linux,只要有EFI Byte Code支持,只需要一份驱动程序就能吃遍所有操作系统平台。

更为神奇的是,EFI Byte Code驱动还能绕过操作系统,直接安装在EFI环境中,这样对硬件的控制就由EFI层负责,EFI向操作系统直接提供硬件操作的接口,不需要操作系统再调用驱动。这种方式的优点是不需要进入操作系统,只需要进入EFI界面,更新驱动程序就可以完成,而且不需要对每一个操作系统进行驱动升级,只要EFI界面中升级一次,所有上层的操作系统都可以直接调用新的EFI接口。

  EFI在开机之始就能够驱动所有的硬件,网络当然也不会例外,所以在EFI的操作界面中,程序可以直接连接上互联网,向外界求助操作系统的维修信息或者在线升级驱动程序。

更方便的编程方式

  有人会问:既然EFI功能那么强大,那它存放在什么地方?是存放在原来的BIOS芯片中吗?答案当然是No。BIOS芯片只有256KB,远远不够EFI使用。EFI是以小型磁盘分区的形式存放在硬盘上的。EFI的安装,必须在支持EFI功能的主板上,使用光驱引导系统,然后对磁盘进行EFI化的处理,这个处理的过程,主要就是划分EFI独用的磁盘空间。

  EFI的存储空间大约为50MB到100MB,具体视驱动文件多少而定。在这部分空间中,包含以下几个部分:

1. Pre-EFI初始化模块

2. EFI驱动执行环境

3. EFI驱动程序

4. 兼容性支持模块(CSM)

5. EFI高层应用

6. GUID 磁盘分区
在实现中,EFI初始化模块和驱动执行环境通常被集成在一个只读存储器中。Pre-EFI初始化程序在系统开机的时候最先得到执行,它负责最初的CPU、北桥、南桥、内存和硬盘的初始化工作,紧接着载入EFI驱动。当EFI驱动程序被载入运行后,系统便具有控制所有硬件的能力。在EFI规范中,一种突破传统MBR磁盘分区结构限制的GUID磁盘分区系统(GPT)被引入,新结构中,磁盘的分区数不再受限制(在MBR结构下,只能存在4个主分区),并且分区类型将由GUID来表示。在众多的分区类型中,EFI系统分区可以被EFI系统存取,用于存放部分驱动和应用程序。CSM是在x86平台EFI系统中的一个特殊的模块,它将为不具备EFI引导能力的操作系统提供类似于传统BIOS的系统服务。

  由于EFI驱动开发简单,所有的硬件厂商都可以参与,为自家的硬件定制最为合适的驱动。基于EFI的驱动模型可以使EFI系统接触到所有的硬件功能,不进入操作操作系统就浏览网站不再是天方夜谭,甚至实现起来也非常简单。这对基于传统BIOS的系统来说是件不可能的任务,在BIOS中添加几个简单的USB设备支持都曾使很多BIOS设计师痛苦万分,更何况除了添加对无数网络硬件的支持外,还得凭空构建一个16位模式下的TCP/IP协议。

EFI是否固若金汤?

  很多人担心EFI这种开放的模式将会导致新的安全隐患,因为EFI系统比传统的BIOS更易于受到计算机病毒的攻击,当一部分EFI驱动程序被破坏时,系统有可能面临无法引导的情况。实际上,系统引导所依赖的EFI驱动部分通常都不会存放在EFI的GUID分区中,即使分区中的驱动程序遭到破坏,也可以用简单的方法得到恢复,因为只读芯片中的EFI代码足够用来引导计算机从光驱启动,此时插入EFI的安装盘,对EFI的系统存储区域进行修复或者覆盖安装,就能将PC恢复到正常。而且这个修复过程对操作系统来说,等于是从两台配置一模一样配置机器中的一台转移到另一台,并不会出现需要重新识别硬件的情况。 EFI在概念上非常类似于一个低等级的操作系统,并且具有操控所有硬件资源的能力。不少人感觉它的不断发展将有可能代替现代的操作系统。事实上,EFI的缔造者们在第一版规范出台时就将EFI的能力限制于不足以威胁操作系统的统治地位。首先,它只是硬件和操作系统间的接口规范;其次,EFI环境下不提供中断的访问机制,也就是说每个EFI驱动程序必须用轮询的方式来检查硬件状态,并且需要以解释的方式运行,较操作系统下的驱动效率低得多;第三,EFI系统不提供复杂的存储器保护功能,它只具备简单的存储器管理机制,具体来说就是指运行在x86处理器的段保护模式下,以最大寻址能力为限把存储器分为一个平坦的段,所有的程序都有权限存取任何一段位置,并不提供真实的保护服务。

EFI的命令行控制模式

  EFI的设计架构中,一旦引导软件将控制权交给操作系统,所有用于引导的服务代码将全部停止工作,部分运行时代服务程序还可以继续工作,以便于操作系统一时无法找到特定设备的驱动程序时,该设备还可以继续被使用。EFI的程序只限于类似Java伪执行文件的能力,并没有直接访问磁盘所有资源的能力,而且在进入操作系统后的大多数情况下,EFI部分的代码都进入沉睡模式,即使有针对EFI的病毒,也无法造成进一步的影响。

和BIOS说再见

  EFI的出现,可以说是充分弥补了BIOS原有的不足。因为BIOS过于自信芯片的安全,所以当遇上CIH病毒,启动机制也被完全破坏。而EFI将主要程序文件放在了硬盘上,被破坏了还可以使用光盘进行维修,对操作系统而言,这种“破坏-维修”的方式是完全透明的,不会影响操作系统的使用。虽然看起来EFI更容易受到损坏,但也更为易于修复。
BIOS在经历了十几年发展之后,也终于走到了尽头,外观上的落后、功能上的羸弱、安全上的薄弱、性能上的不足,都严重制约着它的进一步发展。虽然在这些日子里,BIOS能够带给我们基本的功能,但PC要进步,就必须寻求更高更好的技术。

  EFI作为BIOS的替代者,无论是界面、功能还是安全性,都要远远高于后者,而且作为未来主板的趋势所向,EFI上能执行的程序会越来越多,EFI能够提供的基本功能也就越来越强。今天,微星在CES展会上展示了EFI主板的强大,因为和普通BIOS主板在设计难度以及生产兼容性上并不冲突,所以可以相信,拥有诸多优点的EFI会取代BIOS,让PC越来越易于使用。

  1. zfhb
    2015年11月27日22:28

    raysat t5-a 收不到中星九号右旋信号,现在已经通过电脑超级终端串口连接,遗憾的是我不知道它的指令 它是线极化的,我想它应该可以更改参数,或者换星 我在论坛找到了t5的技术资料,但是我不能注册 无法下载,我需要帮助 谢谢