UEFI 引导与 BIOS 引导在原理上有什么区别？

作为UEFI/BIOS圈的业内人士，我十分惊讶的看到，UEFI和BIOS的概念在很大程度上还是模糊不清的。甚至 @木头龙 这样的硬件圈资深知友也让我来介绍一下。我刚好借此此题来系统总结UEFI和BIOS的区别，和未来PC启动固件的走向。

就本题而言，我可以负责任的说，UEFI和传统BIOS在启动引导过程原理上没有本质区别！为什么这么说呢？那为什么还要发明UEFI？UEFI将要向何处去？这些问题如同人类宗教起源的灵魂三问“我是谁，从哪里来，将向哪里去一样“，会将看问题的深度提高到另一个层次。幸运的是，这些问题相对灵魂三问来讲，有确定的答案，今天我就带大家一起来探索一下。如果对这些问题不感兴趣的同学，读到这里也就可以结束了。

UEFI和BIOS启动过程有什么不同吗？

有些同学说起UEFI和传统的BIOS区别，会如数家珍般的罗列MBR、PEI、DXE、UEFI分区啊这些东西，实际上这些全部是软件层面的抽象，本身并没有奇特的东西。传统BIOS也可以做出改变支持PEI/DXE和UEFI分区等等，UEFI固件也可以支持支持传统BIOS的环境，两者并没有功能上本质的区别。

实际上PC的启动固件的引导流程从IBM PC机诞生第一天起，就没有本质改变过。如果我们透过SEC、PEI、DXE和BDS等等复杂的术语看幕后隐藏的本质，就会发现无论传统BIOS还是UEFI，阳光之下没有什么新鲜的东西，启动本身无外乎三个步骤：

1.Rom Stage：在这个阶段没有内存，需要在ROM上运行代码。这时因为没有内存，没有C语言运行需要的栈空间，开始往往是汇编语言，直接在ROM空间上运行。在找到个临时空间（Cache空间用作RAM，Cache As Ram, CAR）后，C语言终于可以粉墨登场了，后期用C语言初始化内存和为这个目的需要做的一切服务。

2. Ram Stage: 在经过 ROM阶段的困难情况后，我们终于有了可以大展拳脚的内存，很多额外需要大内存的东西可以开始运行了。在这时我们开始进行初始化芯片组、CPU、主板模块等等核心过程。

3. Find something to boot Stage: 终于要进入正题了，需要启动，我们找到启动设备。就要枚举设备，发现启动设备，并把启动设备之前需要依赖的节点统统打通。然后开始移交工作，Windows或者Linux的时代开始。

这就是传统BIOS和UEFI的启动过程，在剥去了术语后，主干的三个步骤从来没有变化过。熟悉嵌入式系统开发的同学会发现，大多数嵌入式系统启动也大致是这些个步骤，从某种意义上讲，PC启动过程并没有什么特殊的。

传统BIOS尽管开始全部用汇编语言完成，但后期也部分引入了C语言，这些步骤完全是一样的。什么MBR分区啊，UEFI分区都是枝节问题，都是技术上可以做到的，没有什么是UEFI可以做，传统BIOS不可以做到的。那么问题来了，为什么UEFI会替代传统BIOS，UEFI展现了什么独特的魅力吗？要理解这一点，我们先要看看PC启动固件到底问什么必须。

为什么需要BIOS和UEFI？

与大多数人基本的概念不同，在某种意义上来说，X86体系比ARM体系更加开放。X86是很多小伙伴一起玩，以生态圈的概念提供产品，并对自己那部分负责；而ARM体系虽然也依赖生态圈，但最终有个大Boss统合整个生态链，提供最后产品并对该产品负总责。

X86生态圈玩家众多，有OS 厂商（OSV）定期发布操作系统，如Windows，Ubuntu；芯片厂商提供CPU，如Intel, AMD；主板厂商（OEM）提供电脑主板；独立硬件供应商（IHV）生产扩展板卡如显卡等等PCIE扩展卡，再如内存厂家推出一代一代不同的内存条等等。

DIY玩家可以自由选择搭配合适/兼容的产品搭配出自己心仪的机器，休闲上网用户花2000多元就可以搭配出一套可用的电脑，而游戏玩家则可能花费上万元才能满足游戏配置需求。还有些品牌机厂商如Dell和联想等，他们提供整套最终产品给用户。但他们实际上是在所有小伙伴的零件基础上拼凑出个产品，技术不强，话语权弱，并不能统一整个产业链。用户津津乐道的反而是用的什么CPU，安装的什么操作系统，用的那种显卡等等。Windows死机、蓝屏和缓慢等等时候，用户往往会抱怨微软和Intel，而不是品牌厂商。

ARM体系由最后品牌厂商统合整个产品，它负责打通整个产业链，并对其中所有部分负责，话语权极强，同时对技术也相对较强。用户面对的具体品牌的产品，而不是碎片化的各个部分。强势的如Apple，硬件软件一起抓，完全组成闭环的链条。稍差也如华为等安卓手机，要负责安卓系统在自己手机移植部分（BSP），客户出了问题并不会找谷歌，而会去找华为。

在X86生态圈十分强势的微软，自己负责操作系统开发，跳过品牌直接服务最终用户，甚至不经允许直接升级操作系统，闹出不少风波。强势也带来了副作用，它要直接面对数千数万种千奇百怪的硬件产品，如何才能用一个软件安装包服务于这么多种设备呢？必须要一个软件抽象层封装这些硬件差别！

这就引出了BIOS和UEFI的最主要的功能：初始化硬件和提供硬件的软件抽象。

• ARM体系也要初始化具体主板相关硬件如GPIO和内存等，这些一般在BSP中完成。与X86体系不同之处在于这些硬件完全定制化，初始化的时候就预先知道有哪些设备，Solder Down了哪个品牌的哪种内存颗粒，到时候就照方抓药，初始化一大堆寄存器而已。X86系统配置情况在开机时候是不知道的，需要探测（Probe）、Training(内存和PCIe)和枚举（PCIe等等即插即用设备），相对较复杂。
• BIOS和UEFI提供了整个主板、包括主板上外插的设备的软件抽象。通过探测、Training和枚举，BIOS就有了系统所有硬件的信息。它通过几组详细定义好的接口，把这些信息抽象后传递给操作系统，这些信息包括SMBIOS（专栏稍后介绍）、ACPI表（ACPI与UEFI），内存映射表（E820或者UEFI运行时）等等。通过这层映射，才能做到做到操作系统完全不改而能够适配到所有机型和硬件。

在某种程度上来讲，BIOS和UEFI是将操作系统BSP部分单独封装后下放到主板或者BIOS提供商来完成。这在过去带来了巨大的好处，WinXP、Win7现在还可以运行在更新的电脑硬件上，新的硬件只要自己更改一下就行了，兼容性是ARM体系所不能比拟的。当然割裂的生态圈也带来了用户感受的千差万别，这也受到广泛诟病。各自为政也窒息了创新，带来了同质化。为此，Intel越俎代庖，提出了变形本等等概念；而微软更直接出了Surface，似乎要与过去的小伙伴争食。其实这些都是不得已而为之，今后的发展还需要拭目以待。

arm社区最近为了进入x86的传统优势领域，也开始接受uefi，不过一般只在服务器领域。个别厂商为了支持Windows而在平板等设备支持uefi，某厂商在手机上也要引入uefi。不过这些只是支流，并且他们并不吧自己叫做BIOS，而叫做Bootloader。

UEFI带来的独特价值

看过我的UEFI历史的文章：

就知道UEFI是为了替代传统BIOS而诞生。

这里说个小插曲，很多同学都奇怪专栏为什么有时候说BIOS是指传统BIOS，有时似乎又涵盖UEFI。实际上，业内人士在UEFI诞生之初，会严格区分两者的区别，如果十几年之前有人问我是不是做BIOS的，我会认真的否定：“不，我是做UEFI的，thank you very much!”

如果有人说UEFI BIOS，会被人蔑视：“BIOS就是BIOS，UEFI就是UEFI，怎么能混为一谈呢？”但在现在UEFI已经全面取代传统BIOS，传统BIOS已经几乎绝迹的情况下，业内人士已经放弃吃药，默认BIOS就是指UEFI。现在如果有人在我说出UEFI来露出痴呆的表情时，我会说：“就是BIOS啦，哈哈哈”

传统之强大可见一斑。甚至现在的招聘JD还是说要找“BIOS工程师”。

人们总是习惯性的对新出现的东西持怀疑和否定的态度，UEFI在启动时又还是那三个步骤，那么UEFI一定是提供了某种特别的东西，才能让传统的固件工程师改换门庭。它们究竟是什么呢?

答案就隐藏在上面一节“BIOS、UEFI的目的”中。UEFI扫除了传统BIOS割裂的生态，打通了PC固件之间的鸿沟，并提供统一的接口给操作系统，而不关心操作系统是什么；它能够更好的完成PC固件的终极目的：初始化硬件和提供硬件的软件抽象，和启动操作系统。如果说有什么东西帮助UEFI打败了传统BIOS，那这些东西就是：标准接口、开放统一和开源了。

传统BIOS来自于IBM，之后就进入战国时代，激烈的商战让接口统一成为了不可能做到的事，只有在面对微软这个大用户的时候，才勉强提供了“兼容”的基于软中断的接口。它封闭、神秘和充满各种不清不楚的预设和祖传代码，在调试PCI的ROM时要小心各种rom之间互相踩，各种只有老师傅才知道的神奇“诀窍”。要写个驱动，让它在各个BIOS厂商那里都能跑，简直成为了一件不可能完成的任务。

UEFI^[1]由Intel推动，在一开始就将标准公开，拉上了微软这个PC界的霸主，强势统一了江湖。在近20年的深耕下，统一了固件启动阶段基础框架Spec：PI Spec与操作系统的接口Spec：UEFI Spec，并将抽象硬件的原语性Spec: ACPI Spec也拉入这个大家庭，都变成UEFI Forum的一份子。

现在只要符合UEFI driver model的驱动都可以在各个BIOS上运行，打通了各个BIOS厂商之间的栅栏；与此同时，符合UEFI标准的操作系统都可以流畅的在各种主板上运行，无论是Windows，还是Linux各种发行版，甚至是Android。实际上，PC生态圈的繁荣，和UEFI的推广和被广泛接受是分不开的。

值得一提的是UEFI内核的大部分代码是由Intel的中国工程师开发的。在大家一次次电脑的正常运行后面，有他们辛勤工作背影。他们也为固件的开源和国产化做出了自己的贡献。代码已经全部开源一部分时间了，在GitHub^[2]。

UEFI将要向何处去？

在发展近20年之后，UEFI的代码量十分庞大。在Github上有数百万行！简直和一个操作系统一样，提供各种各样的驱动和lib，包括网络驱动、iscsi这样的大块头，蓝牙和WiFi这些小众驱动。多样的驱动和Lib，提供了极大的灵活性，用户可以拼接出强大的BIOS程序，但与此同时，这些庞大的代码，各种Lib和driver，让理解它十分困难。看准了这个机会，以前偏居一隅的Coreboot在跃跃欲试，走出了ChromeOS的疆域，在IoT市场上开始发力，并希望染指服务器领域。Google又提出LinuxBoot，希望在这个领域能分一杯羹。

简单就是美，如何简化它，如何更好地和开源社区一起愉快的玩耍，是UEFI需要解决的问题。20年之后的现在，UEFI已经变得越来越传统，曾经的屠龙骑士变成了恶龙，业界呼唤新的方案，Intel也不失时机的提出了ModernFW^[3]的概念。

在这个变化的时代，挑战趋势就意味着被淘汰，就如以前BIOS的霸主Phoenix一样，作为行业一哥，拒绝变化，终被AMI超越。个人更是要顺势而为，才能事半功倍。未来在哪里，现在就下断言为时尚早，但可以预言的是，未来的PC启动固件，一定会更小，更美，更简单！

后记

最后给大家留个小思考题：为什么Intel、AMD这种芯片厂商会这么关心BIOS标准？它们也不出BIOS啊？

BIOS培训云课堂：

这篇文章我会修改后发布在我的专栏中：

并在该文中公布答案，大家也可以在这里积极留言，好的答案会一并摘录。

更多BIOS文章：

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参考

1. ^UEFI 官网 https://uefi.org/
2. ^EDKII https://github.com/tianocore/edk2
3. ^ModernFW https://www.phoronix.com/scan.php?page=news_item&px=ModernFW-Exciting