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... 作為UEFI/BIOS圈的業內人士，我十分驚訝的看到，UEFI和傳統BIOS的概念在很大程度上還是模糊不清的。甚至很多硬體圈資深知友也讓我來介紹一下。我剛好藉此此題來系統總結UEFI和BIOS的區別，和未來PC啟動固件的走向。 出乎很多人意料的是，UEFI和傳統BIOS在啟動引導過程原理上沒有本質區別！為什麼這麼說呢？那為什麼還要發明UEFI？UEFI將要向何處去？這些問題如同人類宗教起源的靈魂三問「我是誰，從哪裡來，將向哪裡去一樣「，會將看問題的深度提高到另一個層次。幸運的是，這些問題相對靈魂三問來講，有確定的答案，今天我就帶大家一起來探索一下。如果對這些問題不感興趣的同學，讀到這裡也就可以結束了。 UEFI和BIOS啟動過程有什麼不同嗎？ 有些同學說起UEFI和傳統的BIOS區別，會如數家珍般的羅列MBR、PEI、DXE、UEFI分區啊這些東西，實際上這些全部是軟體層面的抽象，本身並沒有奇特的東西。傳統BIOS也可以做出改變支持PEI/DXE和UEFI分區等等，UEFI固件也可以支持支持傳統BIOS的環境，兩者並沒有功能上本質的區別。 實際上PC的啟動固件的引導流程從IBM PC機誕生第一天起，就沒有本質改變過。如果我們透過SEC、PEI、DXE和BDS等等複雜的術語看幕後隱藏的本質，就會發現無論傳統BIOS還是UEFI，陽光之下沒有什麼新鮮的東西，啟動本身無外乎三個步驟： 1.Rom Stage：在這個階段沒有內存，需要在ROM上運行代碼。這時因為沒有內存，沒有C語言運行需要的棧空間，開始往往是彙編語言，直接在ROM空間上運行。在找到個臨時空間（Cache空間用作RAM，Cache As Ram, CAR）後，C語言終於可以登場了，後期用C語言初始化內存和為這個目的需要做的一切服務。 2. Ram Stage: 在經過 ROM階段的困難情況後，我們終於有了可以大展拳腳的內存，很多額外需要大內存的東西可以開始運行了。在這時我們開始進行初始化晶片組、CPU、主板模塊等等核心過程。 3. Find something to boot Stage: 終於要進入正題了，需要啟動，我們找到啟動設備。就要枚舉設備，發現啟動設備，並把啟動設備之前需要依賴的節點統統打通。然後開始移交工作，Windows或者Linux的時代開始。 這就是傳統BIOS和UEFI的啟動過程，在剝去了術語後，主幹的三個步驟從來沒有變化過。熟悉嵌入式系統開發的同學會發現，大多數嵌入式系統啟動也大致是這些個步驟，從某種意義上講，PC啟動過程並沒有什麼特殊的。 傳統BIOS儘管開始全部用彙編語言完成，但後期也部分引入了C語言，這些步驟完全是一樣的。什麼MBR分區啊，UEFI分區都是枝節問題，都是技術上可以做到的，沒有什麼是UEFI可以做，傳統BIOS不可以做到的。那麼問題來了，為什麼UEFI會替代傳統BIOS，UEFI展現了什麼獨特的魅力嗎？要理解這一點，我們先要看看PC啟動固件到底問什麼必須。 為什麼需要BIOS和UEFI？ 與大多數人基本的概念不同，在某種意義上來說，X86體系比ARM體系更加開放。X86是很多小夥伴一起玩，以生態圈的概念提供產品，並對自己那部分負責；而ARM體系雖然也依賴生態圈，但最終有個大Boss統合整個生態鏈，提供最後產品並對該產品負總責。 X86生態圈玩家眾多，有OS 廠商（OSV）定期發布作業系統，如Windows，Ubuntu；晶片廠商提供CPU，如Intel, AMD；主板廠商（OEM）提供電腦主板；獨立硬體供應商（IHV）生產擴展板卡如顯卡等等PCIE擴展卡，再如內存廠家推出一代一代不同的內存條等等。 DIY玩家可以自由選擇搭配合適/兼容的產品搭配出自己心儀的機器，休閒上網用戶花2000多元就可以搭配出一套可用的電腦，而遊戲玩家則可能花費上萬元才能滿足遊戲配置需求。還有些品牌機廠商如Dell和聯想等，他們提供整套最終產品給用戶。但他們實際上是在所有小夥伴的零件基礎上拼湊出個產品，技術不強，話語權弱，並不能統一整個產業鏈。用戶津津樂道的反而是用的什麼CPU，安裝的什麼作業系統，用的那種顯卡等等。Windows死機、藍屏和緩慢等等時候，用戶往往會抱怨微軟和Intel，而不是品牌廠商。 ARM體系由最後品牌廠商統合整個產品，它負責打通整個產業鏈，並對其中所有部分負責，話語權極強，同時對技術也相對較強。用戶面對的具體品牌的產品，而不是碎片化的各個部分。強勢的如Apple，硬體軟體一起抓，完全組成閉環的鏈條。稍差也如華為等安卓手機，要負責安卓系統在自己手機移植部分（BSP），客戶出了問題並不會找谷歌，而會去找華為。 在X86生態圈十分強勢的微軟，自己負責作業系統開發，跳過品牌直接服務最終用戶，甚至不經允許直接升級作業系統，鬧出不少風波。強勢也帶來了副作用，它要直接面對數千數萬種千奇百怪的硬體產品，如何才能用一個軟體安裝包服務於這麼多種設備呢？必須要一個軟體抽象層封裝這些硬體差別！ 這就引出了BIOS和UEFI的最主要的功能：初始化硬體和提供硬體的軟體抽象。 ARM體系也要初始化具體主板相關硬體如GPIO和內存等，這些一般在BSP中完成。與X86體系不同之處在於這些硬體完全定製化，初始化的時候就預先知道有哪些設備，Solder Down了哪個品牌的哪種內存顆粒，到時候就照方抓藥，初始化一大堆寄存器而已。X86系統配置情況在開機時候是不知道的，需要探測（Probe）、Training(內存和PCIe)和枚舉（PCIe等等即插即用設備），相對較複雜。 BIOS和UEFI提供了整個主板、包括主板上外插的設備的軟體抽象。通過探測、Training和枚舉，BIOS就有了系統所有硬體的信息。它通過幾組詳細定義好的接口，把這些信息抽象後傳遞給作業系統，這些信息包括SMBIOS（專欄稍後介紹）、ACPI表（ACPI與UEFI），內存映射表（E820或者UEFI運行時）等等。通過這層映射，才能做到做到作業系統完全不改而能夠適配到所有機型和硬體。 在某種程度上來講，BIOS和UEFI是將作業系統BSP部分單獨封裝後下放到主板或者BIOS提供商來完成。這在過去帶來了巨大的好處，WinXP、Win7現在還可以運行在更新的電腦硬體上，新的硬體只要自己更改一下就行了，兼容性是ARM體系所不能比擬的。當然割裂的生態圈也帶來了用戶感受的千差萬別，這也受到廣泛詬病。各自為政也窒息了創新，帶來了同質化。為此，Intel越俎代庖，提出了變形本等等概念；而微軟更直接出了Surface，似乎要與過去的小夥伴爭食。其實這些都是不得已而為之，今後的發展還需要拭目以待。 arm社區最近為了進入x86的傳統優勢領域，也開始接受uefi，不過一般只在伺服器領域。個別廠商為了支持Windows而在平板等設備支持uefi，某廠商在手機上也要引入uefi。不過這些只是支流，並且他們並不吧自己叫做BIOS，而叫做Bootloader。 UEFI帶來的獨特價值 看過我的UEFI歷史的文章，就知道UEFI是為了替代傳統BIOS而誕生。這裡說個小插曲，很多同學都奇怪專欄為什麼有時候說BIOS是指傳統BIOS，有時似乎又涵蓋UEFI。實際上，業內人士在UEFI誕生之初，會嚴格區分兩者的區別，如果十幾年之前有人問我是不是做BIOS的，我會認真的否定：「不，我是做UEFI的，thank you very much!」 ... 如果有人說UEFI BIOS，會被人蔑視：「BIOS就是BIOS，UEFI就是UEFI，怎麼能混為一談呢？」但在現在UEFI已經全面取代傳統BIOS，傳統BIOS已經幾乎絕跡的情況下，業內人士已經放棄吃藥，默認BIOS就是指UEFI。現在如果有人在我說出UEFI來露出癡呆的表情時，我會說：「就是BIOS啦，哈哈哈」 ... 傳統之強大可見一斑。甚至現在的招聘JD還是說要找「BIOS工程師」。 人們總是習慣性的對新出現的東西持懷疑和否定的態度，UEFI在啟動時又還是那三個步驟，那麼UEFI一定是提供了某種特別的東西，才能讓傳統的固件工程師改換門庭。它們究竟是什麼呢? 答案就隱藏在上面一節「BIOS、UEFI的目的」中。UEFI掃除了傳統BIOS割裂的生態，打通了PC固件之間的鴻溝，並提供統一的接口給作業系統，而不關心作業系統是什麼；它能夠更好的完成PC固件的終極目的：初始化硬體和提供硬體的軟體抽象，和啟動作業系統。如果說有什麼東西幫助UEFI打敗了傳統BIOS，那這些東西就是：標準接口、開放統一和開源了。 傳統BIOS來自於IBM，之後就進入戰國時代，激烈的商戰讓接口統一成為了不可能做到的事，只有在面對微軟這個大用戶的時候，才勉強提供了「兼容」的基於軟中斷的接口。它封閉、神秘和充滿各種不清不楚的預設和祖傳代碼，在調試PCI的ROM時要小心各種rom之間互相踩，各種只有老師傅才知道的神奇「訣竅」。要寫個驅動，讓它在各個BIOS廠商那裡都能跑，簡直成為了一件不可能完成的任務。 UEFI 由Intel推動，在一開始就將標準公開，拉上了微軟這個PC界的霸主，強勢統一了江湖。在近20年的深耕下，統一了固件啟動階段基礎框架Spec：PI Spec與作業系統的接口Spec：UEFI Spec，並將抽象硬體的原語性Spec: ACPI Spec也拉入這個大家庭，都變成UEFI Forum的一份子。 ... 現在只要符合UEFI driver model的驅動都可以在各個BIOS上運行，打通了各個BIOS廠商之間的柵欄；與此同時，符合UEFI標準的作業系統都可以流暢的在各種主板上運行，無論是Windows，還是Linux各種發行版，甚至是Android。實際上，PC生態圈的繁榮，和UEFI的推廣和被廣泛接受是分不開的。 值得一提的是UEFI內核的大部分代碼是由Intel的中國工程師開發的。在大家一次次電腦的正常運行後面，有他們辛勤工作背影。他們也為固件的開源和國產化做出了自己的貢獻。代碼已經全部開源一段時間了，在GitHub 。 晶片公司的角色 有些朋友讀到這裡，應該會有一個疑問：BIOS的標準，不是應該由BIOS供應商（IBV）來主導嗎？為什麼Intel會越俎代庖呢？Intel和AMD在BIOS產業鏈中到底扮演什麼角色？ 人們常說，二流的企業做技術，一流的企業做標準。儘管如此，標準的制定、維護和推動需要大量的人力和金錢。標準出來了，推廣它的企業卻破產的示例比比皆是。Intel願意提出標準、實現它並不遺餘力的推動它，是有現實利益考量的。 哪個公司雇用了最多的BIOS開發人員？不是AMI，而是Intel。Intel僱傭了這麼多開發人員，但市面上卻沒有Intel牌子的主板（曾經有，現在伺服器也有），是為什麼呢，他們在幹什麼呢？ BIOS對於AMI和各種OEM廠商來說，是主板固件，是產品不可或缺的一個部分。但對Intel和AMD來說，卻更加重要。BIOS和它們的核心商業：賣晶片，息息相關。BIOS和晶片製造，驗證和使用，有千絲萬縷的關係。BIOS是Silicon Enabling的最重要部分。 定義：何謂晶片使能化？英文原詞為silicon enabling，矽使能？如何理解呢？其實不複雜，首先強調一點，公司的存在當然是為了盈利的。又有個比方說，假如你買了一堆積木，先想了下要搭個什麼東西，然後你就通過各種方法把他搭成了你預想的樣子。晶片（Silicon）製造商做的事情其實差不多，首先，他要購入矽，塑料，各種金屬（買積木），通過技術把這些東西有機組合在一起，使其「變廢為寶「（按自己想法搭建），變成了具有各種用途的晶片，並可以證明它好用，可以做成最終賣給客戶的產品或其中一部分。這個過程中所有需要的必要部分，可以看作Enable(使能)了這個產品，使晶片可製造，可驗證，可使用。所有叫做Silicon Enabling。 BIOS在晶片公司里會深入整個產品周期。在製造之前的Pre-silicon階段，幫助RTL驗證邏輯正確性，避免Tape in後有不可修正的錯誤，減少Tape in次數；在Tape In之後，幫助Power On晶片，驗證各種特性（features）正確工作與否，並在硬體有問題之後，儘可能的通過軟體打補丁（workaround）的方式而不是重新Tape in的方式修正錯誤；最後在產品上市之前，提供參考代碼（reference code）給OEM，幫助它們專注於自己真正的產品，也就是主板和整機上，而不須操心晶片如何正確工作。 可以看出，好的BIOS架構和強大的BIOS團隊，可以確實地幫助晶片公司節省成本：減少Tape In次數。多次Tape In， stepping越多，成本越大。於此同時，更多次Tape in會讓晶片延期上市，上市窗口丟失，可能讓整個產品變得沒有商業價值，這個損失就更不可以衡量了。另一方面，BIOS也可以讓晶片更好地按照設計需求工作，是產業鏈條中的前端。這也就是晶片公司為什麼會這麼在意BIOS，為什麼會在沒有在BIOS上賺到任何錢的情況下，還會無怨無悔的貢獻代碼，領導BIOS前進的原因。 UEFI將要向何處去？ 開放的生態，離散的玩家召喚出UEFI代替了傳統BIOS。在發展近20年之後，UEFI的代碼量十分龐大。在Github上有數百萬行！簡直和一個作業系統一樣，提供各種各樣的驅動和lib，包括網絡驅動、iscsi這樣的大塊頭，藍牙和WiFi這些小眾驅動。多樣的驅動和Lib，提供了極大的靈活性，用戶可以拼接出強大的BIOS程序，但與此同時，這些龐大的代碼，各種Lib和driver，讓理解它十分困難。看準了這個機會，以前偏居一隅的Coreboot在躍躍欲試，走出了ChromeOS的疆域，在IoT市場上開始發力，並希望染指伺服器領域。Google又提出LinuxBoot，希望在這個領域能分一杯羹。 簡單就是美，如何簡化它，如何更好地和開源社區一起愉快的玩耍，是UEFI需要解決的問題。20年之後的現在，UEFI已經變得越來越傳統，曾經的屠龍騎士變成了惡龍，業界呼喚新的方案，Intel也不失時機的提出了ModernFW 的概念。 在這個變化的時代，挑戰趨勢就意味著被淘汰，就如以前BIOS的霸主Phoenix一樣，作為行業一哥，拒絕變化，終被AMI超越。個人更是要順勢而為，才能事半功倍。未來在哪裡，現在就下斷言為時尚早，但可以預言的是，未來的PC啟動固件，一定會更小，更美，更簡單！
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