知识:科普一下 EFI 引导和 GPT 分区

整理自:http://www.bios.net.cn/e/DoPrint/?classid=181&id=5869

http://fyzx.ankang.gov.cn/Article/Class26/201408/1484.html

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。

我们熟悉的BIOS操作界面

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。

支持EFI技术的主板


EFI BIOS界面

编辑总结
Intel作为EFI大力的推广者和制定者,能看到EFI逐渐从服务器平台走向桌面级市场,其中辛酸甘苦只有自己才知道。从初期厂商对EFI的概念毫无兴趣,到今天各大BIOS提供商如Phoenix, AMI等,原先被认为是EFI发展的阻碍力量,现在也不断的推出各自的解决方案。支持EFI功能的主板也逐渐退出。一切的一切,都似乎预示着我们可以和BIOS说声再见,让技术的进步来记录历史。

硬盘分区的 GPT 与 MBR 科普

在Windows 8或8.1中设置新磁盘时,系统会询问你是想要使用MBR还是GPT分区。GPT是一种新的标准,并在逐渐取代MBR。

GPT带来了很多新特性,但MBR仍然拥有最好的兼容性。GPT并不是Windows专用的新标准—— Mac OS X,Linux,及其他操作系统同样使用GPT。
在使用新磁盘之前,你必须对其进行分区。MBR(Master Boot Record)和GPT(GUID Partition Table)是在磁盘上存储分区信息的两种不同方式。这些分区信息包含了分区从哪里开始的信息,这样操作系统才知道哪个扇区是属于哪个分区的,以及哪个分区是可以启动的。在磁盘上创建分区时,你必须在MBR和GPT之间做出选择。

MBR的局限性
MBR的意思是“主引导记录”,最早在1983年在IBM PC DOS 2.0中提出。
之所以叫“主引导记录”,是因为它是存在于驱动器开始部分的一个特殊的启动扇区。这个扇区包含了已安装的操作系统的启动加载器和驱动器的逻辑分区信息。所谓启动加载器,是一小段代码,用于加载驱动器上其他分区上更大的加载器。如果你安装了Windows,Windows启动加载器的初始信息就放在这个区域里——如果MBR的信息被覆盖导致Windows不能启动,你就需要使用Windows的MBR修复功能来使其恢复正常。如果你安装了Linux,则位于MBR里的通常会是GRUB加载器。
MBR支持最大2TB磁盘,它无法处理大于2TB容量的磁盘。MBR还只支持最多4个主分区——如果你想要更多分区,你需要创建所谓“扩展分区”,并在其中创建逻辑分区。
MBR已经成为磁盘分区和启动的工业标准。

GPT的优势
GPT意为GUID分区表。(GUID意为全局唯一标识符)。这是一个正逐渐取代MBR的新标准。它和UEFI相辅相成——UEFI用于取代老旧的BIOS,而GPT则取代老旧的MBR。之所以叫作“GUID分区表”,是因为你的驱动器上的每个分区都有一个全局唯一的标识符(globally unique identifier,GUID)——这是一个随机生成的字符串,可以保证为地球上的每一个GPT分区都分配完全唯一的标识符。
这个标准没有MBR的那些限制。磁盘驱动器容量可以大得多,大到操作系统和文件系统都没法支持。它同时还支持几乎无限个分区数量,限制只在于操作系统——Windows支持最多128个GPT分区,而且你还不需要创建扩展分区。
在MBR磁盘上,分区和启动信息是保存在一起的。如果这部分数据被覆盖或破坏,事情就麻烦了。相对的,GPT在整个磁盘上保存多个这部分信息的副本,因此它更为健壮,并可以恢复被破坏的这部分信息。GPT还为这些信息保存了循环冗余校验码(CRC)以保证其完整和正确——如果数据被破坏,GPT会发觉这些破坏,并从磁盘上的其他地方进行恢复。而MBR则对这些问题无能为力——只有在问题出现后,你才会发现计算机无法启动,或者磁盘分区都不翼而飞了。

兼容性
使用GPT的驱动器会包含一个“保护性MBR”。这种MBR会认为GPT驱动器有一个占据了整个磁盘的分区。如果你使用老实的MBR磁盘工具对GPT磁盘进行管理,你只会看见一个占据整个磁盘的分区。这种保护性MBR保证老式磁盘工具不会把GPT磁盘当作没有分区的空磁盘处理而用MBR覆盖掉本来存在的GPT信息。

在基于UEFI的计算机系统上,所有64位版本的Windows 8.1、8、7和Vista,以及其对应的服务器版本,都只能从GPT分区启动。所有版本的Windows 8.1、8、7和Vista都可以读取和使用GPT分区。
其他现代操作系统也同样支持GPT。Linux内建了GPT支持。苹果公司基于Intel芯片的MAC电脑也不再使用自家的APT(Apple Partition Table),转而使用GPT。

我们推荐你使用GPT对磁盘进行分区。它更先进,更健壮,所有计算机系统都在向其转移。如果你需要保持对旧系统的兼容性——比如在使用传统BIOS的计算机上启动Windows,你需要使用MBR。


原创文章,转载请注明: 转载自TAHO

本文链接地址: 《知识:科普一下 EFI 引导和 GPT 分区》:http://taho.cc/11875

相关文章

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注