揭秘系統引導

劉宗凡

高手論技

編者按：啟動，是可以正常使用的前奏汽車的啟動、手機的啟動、計算機的啟動……日常生活中隨處可見的啟動，你可曾關注過？這其中，計算機的啟動尤為復雜。在此，主持人和嘉賓將分兩期揭秘系統啟動時的引導工作。

當按下計算機的電源開關鍵，等待系統啟動時，可能我們并沒有留意屏幕上不斷變化的英文，也沒有思考過，為什么安裝在硬盤中的操作系統能夠啟動。看似理所當然的背后，其實隱藏著不少“秘密”。

● 聲名顯赫的BIOS

1.BIOS是如何引導系統的

BIOS是英文“Basic Input Output System”的縮略語，直譯過來后中文名稱就是“基本輸入輸出系統”。其實，它是一組固化到計算機主板上的ROM芯片上的程序，它保存著計算機最重要的基本輸入輸出的程序、系統設置信息、開機后自檢程序和系統自啟動程序。 其主要功能是為計算機提供最底層的、最直接的硬件設置和控制。

當我們接通電源或系統被重置時，處理器會執行一個位于BIOS的代碼。CPU會調用這個重置向量來啟動一個位于BIOS芯片ROM（只讀存儲器）中的已知地址處的程序。通常，它執行一個啟動自測（POST）來檢查機器。然后，它從引導驅動器上的主引導記錄（MBR）加載第一個扇區。

引導程序就位于硬盤或軟盤中 MBR的第一個扇區里。此時引導程序被裝入RAM（隨機讀寫存儲器）并執行。這個引導加載程序小于 512 字節（一個扇區）。

BIOS自檢完成之后，將MBR的代碼讀入內存，管理權交給主引導記錄MBR，MBR再讀取DPT（Disk Partition Table，硬盤分區表），從 DPT中找出硬盤的所有分區哪一個是激活的主分區。DPT讀完并找到主分區之后便開始找這個主分區的PBR（Partition Boot Record，分區引導記錄），PBR位于激活主分區的第一個扇區。不同的操作系統PBR是不同的，Windows XP的PBR寫進的代碼是去找NTLDR，而Windows Vista和Windows 7的PBR里寫進的就是去找 Bootmgr。

Bootmgr被找到之后管理權就交給了Bootmgr。Boot Manager調用Bootmgr與相應語言的bootmgr.exe，然后顯示器上顯示引導管理器，也就是選擇多操作系統的那個文字界面。選擇了相應的操作系統后，Bootmgr就去尋找系統分區Windows/System32下的Winload.exe加載操作系統內核。如果操作系統沒有問題，之后我們就可以看到登錄界面或桌面了。

2.BIOS的基本功能

我們已經了解了BIOS是如何引導操作系統的，那它具體有哪些功能呢？

（1）檢測硬件（POST）。對計算機的基本硬件進行檢測，看能不能正常工作，如我們看到的內存數不斷跳動，這就是在做內存檢測（Memory Test）。

（2）初始化硬件，設置其基本狀態，使得整個計算機達到所謂的“可用狀態”（Ready State）。硬件的設計廠家往往為了通用市場的考慮，不愿意將硬件設計成定制的狀態。為了使硬件能夠按照PC的架構工作，BIOS必須要按照由獨立硬件供應商提供的手冊將硬件設置好，如寫幾個必須的寄存器之類的，做一些Enable的工作。如果一個硬件沒有Enable，那么在OS下將不可見。

（3）啟動OS Loader加載操作系統。系統啟動的方式是由BIOS規定的，操作系統必須按照BIOS的要求來設計。這也是為什么操作系統從DOS一直到Vista，都只能把自己的loader放在MBR，因為BIOS只讀MBR。當然，在EFI時代，這一點有所改變，EFI支持的Boot From File不再需要MBR。

（4）在操作系統啟動起來以后，一部分繼續駐留內存，向操作系統以及其他軟件提供基本的系統級的服務，如磁盤讀寫等。

（5）修復硬件缺陷。Intel在它的CPU里專門留了一個叫System Management Mode的模式，擁有最高的權限。SMM中斷的時候，就連號稱無所不能的Windows也不知道，這時就可以給CPU補bug了。事實上，每次BIOS開機的時候，都會更新CPU Microcode，同樣是用來給CPU補bug的。

3.BIOS存儲介質的變遷

計算機內存可以根據不同的標準進行不同的分類。如果以是臨時還是永久存儲為衡量標準，我們可以用下面的圖來展示計算機的存儲體系。

一張圖看懂計算機存儲體系

由于BIOS與硬件系統集成在一起，所以有時候也被稱為固件。由于BIOS在系統啟動前就要獲得控制權，所以必須將其保存在永久存儲區域中，一般保存在只讀存儲器（ROM）中。

在計算機發展初期，BIOS都存放在ROM中。ROM內部的資料是在ROM的制造工序中，在工廠里用特殊的方法燒錄進去的，其中的內容只能讀不能改，一旦燒錄進去，用戶只能驗證寫入的資料是否正確，不能再作任何修改。

EPROM（Erasable Programmable ROM，可擦除可編程ROM）芯片可重復擦除和寫入，解決了ROM芯片只能寫入一次的弊端。EPROM芯片有一個很明顯的特征：在其正面的陶瓷封裝上，開有一個玻璃窗口，透過該窗口，可以看到其內部的集成電路，紫外線透過該孔照射內部芯片就可以擦除其內的數據，完成芯片擦除的操作要用到EPROM擦除器。EPROM芯片在寫入資料后，還要以不透光的貼紙或膠布把窗口封住，以免受到周圍的紫外線照射而使資料受損。

由于EPROM操作的不便，586以后的主板上BIOS ROM芯片大部分都采用EEPROM（Electrically Erasable Programmable ROM，電可擦除可編程ROM）。通過跳線開關和系統配帶的驅動程序盤，可以對EEPROM進行重寫，方便地實現BIOS升級。

4.BIOS修復

BIOS負責引導系統的啟動，一旦出現錯誤，可以想象得到，計算機系統就會癱瘓。臭名昭著的CIH病毒就是對BIOS進行破壞，從而使計算機無法啟動。另外，不適當的升級BIOS也可能導致BIOS被破壞。只要BIOS芯片本身沒損壞，都可以對其進行修復?，F在大多數BIOS廠家都提供了啟動引導塊保護功能。這個啟動引導塊在一般情況下會被自動寫保護，只有當刷新程序接收到對EPROM進行寫入的明確命令后，啟動引導塊才能夠被覆蓋。此外，啟動引導塊還支持一些最基本的BIOS功能，如支持符合ISA協議的顯卡、軟盤驅動和鍵盤輸入等。所以，只要系統具備了這幾項條件，就完全可以使主板的其他BIOS功能得到重新恢復。

（1）熱插拔修復。

熱插拔的工作原理：BIOS是由POST上的電自檢程序、系統啟動自舉程序、BIOS中斷調用、BIOS系統設置程序四部分組成的，當BIOS完成POST上的電自檢程序、系統啟動自舉程序后，由操作系統接管系統的控制權，完成機器的啟動過程。在此之后，除了相關的程序要調用BIOS中的中斷程序外，BIOS已完成了它的歷史使命，如果此時我們冒險把BIOS芯片拔下來，根本不會影響系統的正常工作。這時，把損壞的BIOS芯片插回主板，運行相應的刷新程序就可以重新把BIOS文件刷回來。

修復BIOS時采用熱插拔是危險的，原因很簡單，即任何元件都有一定的功率限額，ROM芯片也不例外。在帶電熱插拔元器件時，由于各管腳的工作電壓不同，熱插拔過程中，各管腳不可能同時插上或拔下，因此電路中會不可避免地出現浪涌過電壓和過電流，過高的浪涌電壓會擊穿芯片內的晶體管，而過大的浪涌電流會使芯片內的鋁膜引線被熔斷，從而導致芯片毀壞型失效。

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（2）刷新修復。

如果BIOS的啟動引導模塊沒有損壞，我們可以利用純DOS啟動盤來引導修復。因為軟驅已經退出歷史，可以用U盤制作啟動盤，再將BIOS文件和刷新程序復制到啟動盤，修改autoexec.bat文件，以便系統啟動時自動載入并運行BIOS刷新程序。如果主板支持ISA顯卡并且還有這樣的古董的話，用戶甚至可以將電腦啟動到安全模式，從容刷新BIOS。

（3）用編程器修復。

如果BIOS引導模塊已經被破壞，那么用編程器修復是既安全又方便的方法。用戶可以在任何一臺計算機上用編程器來升級或修復BIOS，當燒錄好后，只要插在主板上即可使用。而且如果發現不正?？梢灾匦聼?，省去了升級過程中怕出錯的擔憂，也避免了“熱插拔”帶來的危險。

（4）雙BIOS的修復。

為了避免BIOS損壞而導致系統故障，有些主板廠商使用了雙BIOS技術。其中備份BIOS平時并不工作，但當主BIOS出現問題時，重啟電腦后主板自動由備份BIOS接手修復主BIOS，修復完成后重啟由已修復好的主BIOS開機?？芍^非常安全。還有一種情況，當BIOS出現錯誤導致電腦反復重啟，此時主板不認為主BIOS有錯誤，因而無法自動啟動修復程序。這時就要手動短接主BIOS的1、8腳，造成主BIOS錯誤從而啟動修復程序。

（5）工具修復。

有些病毒會感染BIOS，如BMW病毒能夠連環感染BIOS(主板芯片程序)、MBR(硬盤主引導區)和Windows系統文件，使中毒計算機無論重裝系統、格式化硬盤，還是換掉硬盤都無法徹底清除病毒，這種病毒要徹底清除非常困難。這時我們可以下載病毒的專殺工具來清除。它的原理其實也很簡單，用軟件把BIOS讀出來，檢查里面是否有病毒代碼，有的話，用工具清除后，再將BIOS代碼寫回即可。

5.BIOS的局限

BIOS既是操作系統和計算機硬件之間通訊的橋梁，更是充當了翻譯的角色，從DOS時代起，微軟的操作系統一直都是建立在“中斷”這個概念上的，程序的切換依靠中斷，系統的開關依靠中斷，甚至我們按下了機箱上“Reset”鍵強制重啟計算機，也還是中斷在后臺起的作用。為了延續整套的16位中斷系統，無論是CPU開發還是軟件升級，都得考慮中斷模式。

在X86系列處理器進入32位時代后，由于兼容性的原因，新的處理器保留了16位的運行方式，此后多次處理器的升級換代都保留了這種運行方式。甚至在含64位擴展技術的至強系列處理器中，處理器加電啟動時仍然會切換到16位的實模式下運行。BIOS程序以16位匯編代碼、寄存器參數調用方式、靜態鏈接以及1MB以下內存固定編址的形式存在了十幾年，雖然各大BIOS廠商近年來努力地對其進行改進，加入了許多新元素到產品中，如ACPI、USB支持等，但BIOS的根本性質沒有得到任何改變，16位的運行工作環境是其最為致命的缺點。

現有的BIOS不但在工作方式上存在令人不滿之處，在工作能力上也令人頗有微詞。BIOS發展到現在，用來存放BIOS程序的芯片最大不過2MB，換成實際字節就是256KB，面對這個數值，即使用戶想為BIOS編寫一些新的功能，BIOS芯片中也沒有足夠的空間讓用戶寫入。這也是BIOS這十幾年來一直停滯不前的原因之一。

所以BIOS經過了這些年的輝煌期，已經逐漸脫離了時代的發展，成為了PC功能和性能進一步提升的瓶頸，尋求BIOS的接任者已是必然。而BIOS，必將在璀璨光環的環繞中落下帷幕，成為歷史的紀錄。

● 繼往開來的EFI和UEFI

正是由于BIOS已經老態龍鐘，英特爾在2006年提出了EFI的概念，并且在它的推動下，各大硬件廠商聯合升級了UEFI標準，使得BIOS終于可以突破瓶頸，具有無限的想象力。

EFI就是可擴展固件接口（Extensible Firmware Interface），是英特爾公司推出的一種在未來的類PC的計算機系統中替代BIOS的升級方案。

UEFI是統一的可擴展固件接口（Unified Extensible Firmware Interface)，是一種詳細描述類型接口的標準。這種接口用于操作系統自動從預啟動的操作環境，加載到一種操作系統上。UEFI是以EFI1.10為基礎發展起來的，它的所有者是一個稱作Unified EFI Form的國際組織。

1.EFI的特點

那么，EFI是如何解決傳統BIOS所面臨的棘手問題的呢？

（1）EFI以全新的圖形操作界面代替BIOS的文字界面，支持高級顯示模式，而且支持鼠標操作，使它在設置方面比傳統BIOS直觀、簡單，更易上手，非常適合非專業的技術人員和英文不太好的用戶。

（2）EFI像一個被簡化了的操作系統，介于硬件設備及操作系統間，可以操作計算機的各種硬件。另外，由于符合TCP/IP網絡協議，PC用戶可以不進入操作系統，就能在EFI界面下使用網絡資源，進行遠程診斷、更換驅動、排除故障等。如果系統死機，用戶可以通過EFI修改配置或者安裝新的驅動，這是BIOS不能想象的。

（3）EFI采用模塊化結構，將固件分為硬件控制與OS軟件管理兩部分，可以支持新外圍設備、省略硬件檢測實現高速啟動，針對某模塊單獨對固件升級等。

（4）安全性的問題。相比BIOS的1M存儲空間，EFI需要更大的存儲空間，于是在硬盤中隔離出一個小分區作為存儲空間。這樣雖可裝入更多實用的工具，如硬盤分區、多操作系統引導、系統備份和恢復等，甚至能作為數字版權控制工具和電子安全防范工具。但硬盤是相當脆弱的配件之一，如果出現問題，后果不堪設想。EFI不再采用BIOS的機器匯編語言，而是使用了通用性比較強的C語言，盡管在技術更新上比BIOS有很大優勢，但對病毒、網絡攻擊等問題，與BIOS相比不一定更安全。

2.EFI的組成和存儲

由于EFI要實現比傳統的BIOS更多的功能，主板ROM芯片中的512KB的空間是遠遠不夠的。因此，除了最基本的引導模塊保留在ROM芯片中，EFI還要在硬盤上單獨保留一個分區作為專用，以充分展現其功能。

EFI的存儲空間為50～100MB，具體視驅動文件多少而定。在這部分空間中，包含有Pre-EFI初始化模塊、EFI驅動執行環境、EFI驅動程序、兼容性支持模塊（CSM）、EFI高層應用及GUID 磁盤分區等幾個部分。

3.EFI引導系統過程

EFI在開機時的作用和BIOS一樣，就是初始化PC，但在細節上卻又不一樣。BIOS對PC的初始化，只是按照一定的順序對硬件通電，簡單地檢查硬件是否能工作，而EFI不但檢查硬件的完好性，還會加載硬件在EFI中的驅動程序，不用操作系統負責驅動的加載工作。EFI的創新之處，是顛覆了BIOS的界面概念，讓操作界面和Windows一樣易于上手。在EFI的操作界面中，鼠標成為替代鍵盤的輸入工具，各功能調節的模塊也做得和Windows程序一樣，可以說，EFI就是一個小型化的Windows系統。

在現實中，EFI初始化模塊和驅動執行環境通常被集成在一個只讀存儲器中。Pre-EFI初始化程序在系統開機時最先執行，它負責最初的CPU、主橋及存儲器的初始化工作，緊接著載入EFI驅動執行環境(DXE)。當DXE被載入運行時，系統便具有了枚舉并加載其他EFI驅動的能力。在基于PCI架構的系統中，各PCI橋及PCI適配器的EFI驅動會被相繼加載及初始化。此時，系統枚舉并加載各橋接器及適配器后面的各種總線及設備驅動程序，周而復始，直到最后一個設備的驅動程序被成功加載。正因如此，EFI驅動程序可以放置于系統的任何位置，只要能保證它可以按順序被正確枚舉。

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4.EFI的優勢

對于操作系統來說，如果主板使用的是BIOS，那么操作系統就必須面對所有的硬件，大到主板顯卡，小到鼠標鍵盤，每次重裝系統或者系統升級，都必須手動安裝新的驅動，否則硬件很可能無法正常工作。而基于EFI的主板則方便了很多，因為EFI架構使用的驅動基于EFI Byte Code。EFI Byte Code有些類似于Java的中間代碼，并不由CPU直接執行操作，而是需要EFI層進行翻譯。對于不同的操作系統來說，EFI將硬件層很好地保護了起來，所有操作系統看到的，都只是EFI留給EFI Byte Code的程序接口，而EFI Byte Code又直接和Windows的API聯系，這就意味著無論操作系統是Windows還是Linux，只要有EFI Byte Code的支持，只需要一份驅動程序就能“吃遍”所有操作系統平臺。

更為神奇的是，EFI Byte Code驅動還能繞過操作系統，直接安裝在EFI環境中，這樣對硬件的控制就由EFI層負責，EFI向操作系統直接提供硬件操作的接口，不需要操作系統再調用驅動。這種方式的優點是不需要進入操作系統，只需要進入EFI界面更新驅動程序就可以完成，而且不需要對每一個操作系統進行驅動升級，只要在EFI界面中升級一次，所有上層的操作系統都可以直接調用新的EFI接口。

EFI在開機之始就能夠驅動所有的硬件，網絡當然也不例外，所以在EFI的操作界面中，程序可以直接連接互聯網，向外界求助操作系統的維修信息或者在線升級驅動程序。

5.BIOS和EFI的對比

對比BIOS和EFI，它們有以下區別：①EFI編碼99%都是由C語言完成，而BIOS基本上是用匯編語言完成；②BIOS采用中斷、硬件端口操作的方法，EFI采用了Driver/protocal的新方式；③BIOS支持X86模式，EFI直接采用Flat mode（也就是不能用DOS了，現在有些EFI能用是因為做了兼容，但實際上這部分不屬于EFI的定義）；④BIOS采用二進制code，EFI采用Removable Binary Drivers；⑤BIOS啟動調用Int19，EFI直接利用protocol/device Path；⑥對于第三方的開發，BIOS基本上做不到，EFI卻便利得多了；⑦EFI彌補了BIOS對新硬件支持不足的毛病。

● 革新的GPT硬盤分區模式

除了針對BIOS缺陷的革命，EFI還帶來了新的磁盤分區模式GPT。GPT分區模式的一個最明顯的改進就是對硬盤容量2TB限制的突破。

1.硬盤容量限制又來了

硬盤容量限制其實一直伴隨著我們。最初是528MB、2.1GB，后來是3.2GB、4.2GB，直到8.4G和137G的限制。這主要是由于操作系統及尋址方式的局限造成的。

隨著硬盤的容量不斷增加，價格不斷下降。如果我們新買了一個3TB的硬盤，在分區時又會出現新問題：怎么硬盤只能分出2.2TB，剩余部分沒辦法管理呢？有沒有辦法解決？2.2TB容量限制是傳統的MBR硬盤分區模式引起的，而EFI方案中的GPT分區表能完美解決這個問題。

傳統的分區方案(稱為MBR分區方案)是將分區信息保存到磁盤的第一個扇區(MBR扇區)中的64個字節中，每個分區項占用16個字節，這16個字節中存有活動狀態標志、文件系統標識、起止柱面號、磁頭號、扇區號、隱含扇區數目(4個字節)、分區總扇區數目(4個字節)等內容。由于MBR扇區只有64個字節用于分區表，所以只能記錄4個分區的信息。這就是硬盤主分區數目不能超過4個的原因。后來為了支持更多的分區，引入了擴展分區及邏輯分區的概念。但每個分區項仍用16個字節存儲。

在MBR分區表中最多能有4個主分區或者3個主分區＋1個擴展分區：從主引導記錄的結構可以知道，它僅僅包含一個64個字節的硬盤分區表。由于每個分區信息需要16個字節，所以對于采用MBR型分區結構的硬盤，最多只能識別4個主要分區（Primary partition）。

MBR分區方案無法支持超過2TB容量的磁盤。因為這一方案用4個字節存儲分區的總扇區數，最大能表示2的32次方的扇區個數，按每扇區512個字節計算，每個分區最大不能超過2TB。磁盤容量超過2TB以后，分區的起始位置也就無法表示了。（前面講到MBR硬盤最多管理2.2TB容量，是對應廠商以1000為步進單位來說的，而這里是以1024作為步進單位來討論，所以換算成容量為2TB。）

2.革新的GPT分區模式

為解決上述問題，微軟和英特爾在EFI方案中開發了GPT分區模式。

GPT，即全局唯一標識分區表（Globally Unique Identifier Partition Table Format），它還有一個名字叫GUID分區表(GUID Partition Table) 。GPT是EFI方案的一部分，但并不依賴于EFI主板，在BIOS主板的PC中也可使用GPT分區。與MBR最大4個分區表項的限制相比，GPT對分區數量沒有限制，但Windows最大僅支持128個GPT分區。GPT可管理硬盤大小達到了18EB(1EB=1024PB=1，048，576TB)，不過NTFS格式最大僅支持256TB。在目前來看GPT可管理的硬盤容量還是一個天文數字，如果硬盤超過256TB，那就是NTFS格式逐漸被淘汰的時候了。

GPT的分區信息是在分區中，而不像MBR一樣在主引導扇區。為保護GPT不受MBR類磁盤管理軟件的危害，GPT在主引導扇區建立了一個保護分區，這種分區的類型標識為0xEE，這個保護分區的大小在Windows下為128MB，Mac OS X下為200MB，在Window磁盤管理器里名為GPT保護分區，可讓MBR類磁盤管理軟件把GPT看成一個未知格式的分區，而不是錯誤地當成一個未分區的磁盤。

GPT分區的一大優勢就是針對不同的數據建立不同的分區，同時為不同的分區創建不同的權限。就如其名字一樣，GPT能夠保證磁盤分區的GUID的唯一性，所以GPT不允許對整個硬盤進行復制，從而保證了磁盤內數據的安全。

3.操作系統對GPT的支持

從以上兩個表中可見，所有32位的Windows系統都是無法使用GPT分區格式的硬盤作為啟動盤的，而最常使用的32位Windows XP甚至不能讀寫GPT硬盤，所以如果使用32位的Vista或更早的Windows系統，那GPT硬盤只能掛載為從盤作為數據盤使用。而Vista以后的64位Windows系統都既支持GPT硬盤的讀寫，也在UEFI支持下可以作為啟動盤使用。當然，我們知道BIOS在引導系統時會去硬盤的MBR中讀取引導記錄，所以要從GPT硬盤啟動，我們就必須要有UEFI的支持，否則是不能成功的。另外，Linux和MacOSX10.6+對GPT提供了完美支持。

在計算機的引導過程中，BIOS在二十多年來作出了舉足輕重的貢獻。隨著硬件和操作系統的不斷發展，BIOS已經無法適應時代的潮流，EFI和UEFI取代BIOS是大勢所趨。目前，使用UEFI和BIOS兼容的主板大量出現，可以預見，UEFI完全取代BIOS已經為期不遠了。

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4.EFI的優勢

對于操作系統來說，如果主板使用的是BIOS，那么操作系統就必須面對所有的硬件，大到主板顯卡，小到鼠標鍵盤，每次重裝系統或者系統升級，都必須手動安裝新的驅動，否則硬件很可能無法正常工作。而基于EFI的主板則方便了很多，因為EFI架構使用的驅動基于EFI Byte Code。EFI Byte Code有些類似于Java的中間代碼，并不由CPU直接執行操作，而是需要EFI層進行翻譯。對于不同的操作系統來說，EFI將硬件層很好地保護了起來，所有操作系統看到的，都只是EFI留給EFI Byte Code的程序接口，而EFI Byte Code又直接和Windows的API聯系，這就意味著無論操作系統是Windows還是Linux，只要有EFI Byte Code的支持，只需要一份驅動程序就能“吃遍”所有操作系統平臺。

更為神奇的是，EFI Byte Code驅動還能繞過操作系統，直接安裝在EFI環境中，這樣對硬件的控制就由EFI層負責，EFI向操作系統直接提供硬件操作的接口，不需要操作系統再調用驅動。這種方式的優點是不需要進入操作系統，只需要進入EFI界面更新驅動程序就可以完成，而且不需要對每一個操作系統進行驅動升級，只要在EFI界面中升級一次，所有上層的操作系統都可以直接調用新的EFI接口。

EFI在開機之始就能夠驅動所有的硬件，網絡當然也不例外，所以在EFI的操作界面中，程序可以直接連接互聯網，向外界求助操作系統的維修信息或者在線升級驅動程序。

5.BIOS和EFI的對比

對比BIOS和EFI，它們有以下區別：①EFI編碼99%都是由C語言完成，而BIOS基本上是用匯編語言完成；②BIOS采用中斷、硬件端口操作的方法，EFI采用了Driver/protocal的新方式；③BIOS支持X86模式，EFI直接采用Flat mode（也就是不能用DOS了，現在有些EFI能用是因為做了兼容，但實際上這部分不屬于EFI的定義）；④BIOS采用二進制code，EFI采用Removable Binary Drivers；⑤BIOS啟動調用Int19，EFI直接利用protocol/device Path；⑥對于第三方的開發，BIOS基本上做不到，EFI卻便利得多了；⑦EFI彌補了BIOS對新硬件支持不足的毛病。

● 革新的GPT硬盤分區模式

除了針對BIOS缺陷的革命，EFI還帶來了新的磁盤分區模式GPT。GPT分區模式的一個最明顯的改進就是對硬盤容量2TB限制的突破。

1.硬盤容量限制又來了

硬盤容量限制其實一直伴隨著我們。最初是528MB、2.1GB，后來是3.2GB、4.2GB，直到8.4G和137G的限制。這主要是由于操作系統及尋址方式的局限造成的。

隨著硬盤的容量不斷增加，價格不斷下降。如果我們新買了一個3TB的硬盤，在分區時又會出現新問題：怎么硬盤只能分出2.2TB，剩余部分沒辦法管理呢？有沒有辦法解決？2.2TB容量限制是傳統的MBR硬盤分區模式引起的，而EFI方案中的GPT分區表能完美解決這個問題。

傳統的分區方案(稱為MBR分區方案)是將分區信息保存到磁盤的第一個扇區(MBR扇區)中的64個字節中，每個分區項占用16個字節，這16個字節中存有活動狀態標志、文件系統標識、起止柱面號、磁頭號、扇區號、隱含扇區數目(4個字節)、分區總扇區數目(4個字節)等內容。由于MBR扇區只有64個字節用于分區表，所以只能記錄4個分區的信息。這就是硬盤主分區數目不能超過4個的原因。后來為了支持更多的分區，引入了擴展分區及邏輯分區的概念。但每個分區項仍用16個字節存儲。

在MBR分區表中最多能有4個主分區或者3個主分區＋1個擴展分區：從主引導記錄的結構可以知道，它僅僅包含一個64個字節的硬盤分區表。由于每個分區信息需要16個字節，所以對于采用MBR型分區結構的硬盤，最多只能識別4個主要分區（Primary partition）。

MBR分區方案無法支持超過2TB容量的磁盤。因為這一方案用4個字節存儲分區的總扇區數，最大能表示2的32次方的扇區個數，按每扇區512個字節計算，每個分區最大不能超過2TB。磁盤容量超過2TB以后，分區的起始位置也就無法表示了。（前面講到MBR硬盤最多管理2.2TB容量，是對應廠商以1000為步進單位來說的，而這里是以1024作為步進單位來討論，所以換算成容量為2TB。）

2.革新的GPT分區模式

為解決上述問題，微軟和英特爾在EFI方案中開發了GPT分區模式。

GPT，即全局唯一標識分區表（Globally Unique Identifier Partition Table Format），它還有一個名字叫GUID分區表(GUID Partition Table) 。GPT是EFI方案的一部分，但并不依賴于EFI主板，在BIOS主板的PC中也可使用GPT分區。與MBR最大4個分區表項的限制相比，GPT對分區數量沒有限制，但Windows最大僅支持128個GPT分區。GPT可管理硬盤大小達到了18EB(1EB=1024PB=1，048，576TB)，不過NTFS格式最大僅支持256TB。在目前來看GPT可管理的硬盤容量還是一個天文數字，如果硬盤超過256TB，那就是NTFS格式逐漸被淘汰的時候了。

GPT的分區信息是在分區中，而不像MBR一樣在主引導扇區。為保護GPT不受MBR類磁盤管理軟件的危害，GPT在主引導扇區建立了一個保護分區，這種分區的類型標識為0xEE，這個保護分區的大小在Windows下為128MB，Mac OS X下為200MB，在Window磁盤管理器里名為GPT保護分區，可讓MBR類磁盤管理軟件把GPT看成一個未知格式的分區，而不是錯誤地當成一個未分區的磁盤。

GPT分區的一大優勢就是針對不同的數據建立不同的分區，同時為不同的分區創建不同的權限。就如其名字一樣，GPT能夠保證磁盤分區的GUID的唯一性，所以GPT不允許對整個硬盤進行復制，從而保證了磁盤內數據的安全。

3.操作系統對GPT的支持

從以上兩個表中可見，所有32位的Windows系統都是無法使用GPT分區格式的硬盤作為啟動盤的，而最常使用的32位Windows XP甚至不能讀寫GPT硬盤，所以如果使用32位的Vista或更早的Windows系統，那GPT硬盤只能掛載為從盤作為數據盤使用。而Vista以后的64位Windows系統都既支持GPT硬盤的讀寫，也在UEFI支持下可以作為啟動盤使用。當然，我們知道BIOS在引導系統時會去硬盤的MBR中讀取引導記錄，所以要從GPT硬盤啟動，我們就必須要有UEFI的支持，否則是不能成功的。另外，Linux和MacOSX10.6+對GPT提供了完美支持。

在計算機的引導過程中，BIOS在二十多年來作出了舉足輕重的貢獻。隨著硬件和操作系統的不斷發展，BIOS已經無法適應時代的潮流，EFI和UEFI取代BIOS是大勢所趨。目前，使用UEFI和BIOS兼容的主板大量出現，可以預見，UEFI完全取代BIOS已經為期不遠了。

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4.EFI的優勢

對于操作系統來說，如果主板使用的是BIOS，那么操作系統就必須面對所有的硬件，大到主板顯卡，小到鼠標鍵盤，每次重裝系統或者系統升級，都必須手動安裝新的驅動，否則硬件很可能無法正常工作。而基于EFI的主板則方便了很多，因為EFI架構使用的驅動基于EFI Byte Code。EFI Byte Code有些類似于Java的中間代碼，并不由CPU直接執行操作，而是需要EFI層進行翻譯。對于不同的操作系統來說，EFI將硬件層很好地保護了起來，所有操作系統看到的，都只是EFI留給EFI Byte Code的程序接口，而EFI Byte Code又直接和Windows的API聯系，這就意味著無論操作系統是Windows還是Linux，只要有EFI Byte Code的支持，只需要一份驅動程序就能“吃遍”所有操作系統平臺。

更為神奇的是，EFI Byte Code驅動還能繞過操作系統，直接安裝在EFI環境中，這樣對硬件的控制就由EFI層負責，EFI向操作系統直接提供硬件操作的接口，不需要操作系統再調用驅動。這種方式的優點是不需要進入操作系統，只需要進入EFI界面更新驅動程序就可以完成，而且不需要對每一個操作系統進行驅動升級，只要在EFI界面中升級一次，所有上層的操作系統都可以直接調用新的EFI接口。

EFI在開機之始就能夠驅動所有的硬件，網絡當然也不例外，所以在EFI的操作界面中，程序可以直接連接互聯網，向外界求助操作系統的維修信息或者在線升級驅動程序。

5.BIOS和EFI的對比

對比BIOS和EFI，它們有以下區別：①EFI編碼99%都是由C語言完成，而BIOS基本上是用匯編語言完成；②BIOS采用中斷、硬件端口操作的方法，EFI采用了Driver/protocal的新方式；③BIOS支持X86模式，EFI直接采用Flat mode（也就是不能用DOS了，現在有些EFI能用是因為做了兼容，但實際上這部分不屬于EFI的定義）；④BIOS采用二進制code，EFI采用Removable Binary Drivers；⑤BIOS啟動調用Int19，EFI直接利用protocol/device Path；⑥對于第三方的開發，BIOS基本上做不到，EFI卻便利得多了；⑦EFI彌補了BIOS對新硬件支持不足的毛病。

● 革新的GPT硬盤分區模式

除了針對BIOS缺陷的革命，EFI還帶來了新的磁盤分區模式GPT。GPT分區模式的一個最明顯的改進就是對硬盤容量2TB限制的突破。

1.硬盤容量限制又來了

硬盤容量限制其實一直伴隨著我們。最初是528MB、2.1GB，后來是3.2GB、4.2GB，直到8.4G和137G的限制。這主要是由于操作系統及尋址方式的局限造成的。

隨著硬盤的容量不斷增加，價格不斷下降。如果我們新買了一個3TB的硬盤，在分區時又會出現新問題：怎么硬盤只能分出2.2TB，剩余部分沒辦法管理呢？有沒有辦法解決？2.2TB容量限制是傳統的MBR硬盤分區模式引起的，而EFI方案中的GPT分區表能完美解決這個問題。

傳統的分區方案(稱為MBR分區方案)是將分區信息保存到磁盤的第一個扇區(MBR扇區)中的64個字節中，每個分區項占用16個字節，這16個字節中存有活動狀態標志、文件系統標識、起止柱面號、磁頭號、扇區號、隱含扇區數目(4個字節)、分區總扇區數目(4個字節)等內容。由于MBR扇區只有64個字節用于分區表，所以只能記錄4個分區的信息。這就是硬盤主分區數目不能超過4個的原因。后來為了支持更多的分區，引入了擴展分區及邏輯分區的概念。但每個分區項仍用16個字節存儲。

在MBR分區表中最多能有4個主分區或者3個主分區＋1個擴展分區：從主引導記錄的結構可以知道，它僅僅包含一個64個字節的硬盤分區表。由于每個分區信息需要16個字節，所以對于采用MBR型分區結構的硬盤，最多只能識別4個主要分區（Primary partition）。

MBR分區方案無法支持超過2TB容量的磁盤。因為這一方案用4個字節存儲分區的總扇區數，最大能表示2的32次方的扇區個數，按每扇區512個字節計算，每個分區最大不能超過2TB。磁盤容量超過2TB以后，分區的起始位置也就無法表示了。（前面講到MBR硬盤最多管理2.2TB容量，是對應廠商以1000為步進單位來說的，而這里是以1024作為步進單位來討論，所以換算成容量為2TB。）

2.革新的GPT分區模式

為解決上述問題，微軟和英特爾在EFI方案中開發了GPT分區模式。

GPT，即全局唯一標識分區表（Globally Unique Identifier Partition Table Format），它還有一個名字叫GUID分區表(GUID Partition Table) 。GPT是EFI方案的一部分，但并不依賴于EFI主板，在BIOS主板的PC中也可使用GPT分區。與MBR最大4個分區表項的限制相比，GPT對分區數量沒有限制，但Windows最大僅支持128個GPT分區。GPT可管理硬盤大小達到了18EB(1EB=1024PB=1，048，576TB)，不過NTFS格式最大僅支持256TB。在目前來看GPT可管理的硬盤容量還是一個天文數字，如果硬盤超過256TB，那就是NTFS格式逐漸被淘汰的時候了。

GPT的分區信息是在分區中，而不像MBR一樣在主引導扇區。為保護GPT不受MBR類磁盤管理軟件的危害，GPT在主引導扇區建立了一個保護分區，這種分區的類型標識為0xEE，這個保護分區的大小在Windows下為128MB，Mac OS X下為200MB，在Window磁盤管理器里名為GPT保護分區，可讓MBR類磁盤管理軟件把GPT看成一個未知格式的分區，而不是錯誤地當成一個未分區的磁盤。

GPT分區的一大優勢就是針對不同的數據建立不同的分區，同時為不同的分區創建不同的權限。就如其名字一樣，GPT能夠保證磁盤分區的GUID的唯一性，所以GPT不允許對整個硬盤進行復制，從而保證了磁盤內數據的安全。

3.操作系統對GPT的支持

從以上兩個表中可見，所有32位的Windows系統都是無法使用GPT分區格式的硬盤作為啟動盤的，而最常使用的32位Windows XP甚至不能讀寫GPT硬盤，所以如果使用32位的Vista或更早的Windows系統，那GPT硬盤只能掛載為從盤作為數據盤使用。而Vista以后的64位Windows系統都既支持GPT硬盤的讀寫，也在UEFI支持下可以作為啟動盤使用。當然，我們知道BIOS在引導系統時會去硬盤的MBR中讀取引導記錄，所以要從GPT硬盤啟動，我們就必須要有UEFI的支持，否則是不能成功的。另外，Linux和MacOSX10.6+對GPT提供了完美支持。

在計算機的引導過程中，BIOS在二十多年來作出了舉足輕重的貢獻。隨著硬件和操作系統的不斷發展，BIOS已經無法適應時代的潮流，EFI和UEFI取代BIOS是大勢所趨。目前，使用UEFI和BIOS兼容的主板大量出現，可以預見，UEFI完全取代BIOS已經為期不遠了。

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