告别BIOS EFI时代来临

如果你并非一位专业技术人员，要独立完成主板BIOS的详细设定是一个非常困难的任务。事实上，绝大多数用户都对BIOS望而生畏，复杂的设定项目、不友好的字符界面以及密密麻麻的硬件参数，令人不知从何下手。而且设定BIOS还会有一定的危险性，倘若你把CPU或内存的频率设得过高，系统就很可能无法开机。这些情况对专业人士而言根本不是什么问题，但多数PC用户并不掌握相关的专业知识，调校BIOS对他们来说的确太困难了。BIOS的功能仅限于对计算机硬件的基础设定，而无法提供诸如系统恢复、远程管理、磁盘修复工具之类的附加功能。以英特尔为首的PC业界很早就意识到BIOS存在的弊端，在英特尔的主导下，名为“EFI（Extensible Firmware Interface，可扩展固件接口）”的下一代BIOS技术早在1999年底就开始启动，EFI以人性化的图形界面代替文本界面，对硬件的管理也更加科学，同时拥有灵活的可扩展性，允许设备厂商增加各类附加功能，大大提高了整机的可管理性。2004年，EFI开发成功，不过英特尔初期只是将EFI用于Itanium服务器平台。PC厂商、主板厂商和BIOS开发商虽然对EFI很感兴趣，但受限于Windows操作系统，EFI一直都无法进入PC产品中，导致其一度沉寂。最终扮演领衔者角色的却是苹果公司，苹果在1月份推出Macbook pro率先采用EFI技术。PC方面，微软Windows Vista的未来版本也将对EFI提供支持，EFI有望在未来三年内取代BIOS成为主导性的固件接口。

EFI开发的必要性
BIOS是操作系统与底层硬件的衔接桥梁，它的全称是“Basic Input Output System（基本输入输出系统）”，BIOS的主要功能是开机时管理各个硬件系统，并为后续操作系统的引导提供必要的信息。简单点说，当用户按下电源按钮，计算机“滴”的一声启动时，BIOS就开始处于工作状态。如果是初次开机，用户需要进入BIOS对硬件进行设定，例如CPU的工作频率、前端总线频率，内存的速度、延时，各个设备的启动顺序等等，保存退出之后，BIOS就会严格依照这些设定进入下一步的运行。BIOS将各硬件的具体参数传送给指定硬件的Firmware（固件），这些硬件便会严格依照这些性能参数工作。如果这一步没有问题，那么BIOS就会发出读取硬盘、启动操作系统的命令，接下来操作系统的核心数据便会被载入到内存，这项工作要花费不短的一段时间，此时我们在屏幕上看到的就是系统启动的进度条。当操作系统开始启动后，BIOS就自动释放，系统的管理权转交给操作系统，此后BIOS的职能就转为软件与硬件的衔接桥梁，任何与硬件操作相关的软件指令都必须依赖BIOS方可完成。

BIOS在设计时并没有预备任何安全措施，如果我们把CPU或内存的性能参数调得太高，达到远超出CPU和内存硬件所能承受的限度，系统仍然会要求CPU和内存工作在这个速度上，出现的后果就是计算机无法开机或者死机。一旦遇到这类情况，用户可以利用主板BIOS的跳线将这些设定清空，使之恢复到默认的状态，但这项工作非常繁琐且要求用户有一定的经验，普通用户很难完成。由于BIOS一直都缺乏预防此类危机的手段，一些主板厂商被迫自行发展自动恢复技术，如果BIOS参数设定不当导致无法开机，系统会在十几秒后自动重启，并将BIOS恢复回默认状态。

尽管BIOS很好地满足了计算机的基本需求，但在今天它已经相当落伍了。作为DOS时代的产物，BIOS并没有为未来PC的发展做好准备，所有的BIOS都工作在16位的“实模式（Real Mode）”状态下，而实模式是英特尔公司在1978年8086 PC平台的产物。即便你拥有一部64位双核心的顶极PC，在开机时系统都只能工作在16位模式下，可管理到的最大内存为1MB，而系统启动时各类扩展卡以及整合设备（如网络控制器、音频控制器）都必须被BIOS访问，但它们的ROM（Read Only Memory）容量也都被限制在128KB。显然，如此寒酸的硬件支持让BIOS除了老老实实为启动操作系统作准备外什么都干不了。

采用汇编语言编写是BIOS的另一个缺陷。作为低级语言，汇编语言具有与底层硬件紧密结合、程序速度快以及代码简练的优势。在PC刚刚开始出现的上个世纪八十年代，汇编语言可以说是编写BIOS程序的最佳选择。但事过境迁，为BIOS增加新功能是业界的共识，但BIOS所采用的汇编语言相当复杂，程序编写的难度极大，如果要增加新功能，用汇编语言来编写简直就是一个灾难。再者，新功能的引入会让BIOS汇编程序变得很复杂，调试成为一个难题，将出现Bug频频的糟糕情况。如果你对主板BIOS升级有所了解，一定会明白我们所指的是什么意思。BIOS通常都有这样那样的毛病，主板厂商通过更新BIOS程序版本来解决问题，但这个新BIOS可能又带来了新的Bug。显然，如果作为下一代BIOS技术的EFI要彻底克服这个缺陷，就必须采用功能更强大且易于调试的高级语言来编写。

模块化设计与兼容特性
英特尔早在1999年就发布首个EFI技术规范，该版本只用于安腾服务器平台，不过很快英特尔就拿出适用于X86 PC和Xscale嵌入系统的EFI版本，这样英特尔所有计算平台的固件接口就能够完全实现从BIOS到EFI的转换。

图1 EFI系统的逻辑模型。协议架构（Protocol architecture）提供硬件无关的通讯渠道，平台驱动和框架驱动为EFI运行建立基础，兼容支持模块则保证非EFI硬件也能够在EFI平台中兼容使用。

采用模块化设计是EFI与传统BIOS在逻辑结构上最大的不同点之一。如图1，位于底部的是硬件层，与硬件层直接交互的就是EFI的驱动执行环境（Driver Execution Environment），它包括协议架构（Procotol architecture）、平台驱动（Platform driver）、框架驱动（Framework driver）以及兼容支持模块（Compatibility support module）等模块化组件，再往上才是EFI以及兼容模式的实现。接下来我们将分别对这些模块的功能进行介绍。

在整个EFI系统中，驱动执行环境处于基础性地位，它也被称为“Pre-EFI-Foundation（预EFI基础）”。在驱动执行环境的各个组件中，负责与硬件直接交互的便是协议架构（Architecture protocol）模块，它具备与硬件直接交流的能力。在实际执行时，EFI对硬件参数的定义都是通过协议架构来传递的，这一点EFI与传统BIOS并无本质的区别。而决定EFI实现功能的是平台驱动和框架驱动，两者共同为EFI的实际执行提供完整的支撑。同时，EFI系统也包含一个兼容支持模块（Compatibility support module，简称CSM），它可以在16位实模式下启动计算机以及访问扩展设备的ROM（只读存储器）。这样，即便PC平台中的部分硬件没有专门为EFI设计（例如显卡、声卡等），EFI的兼容支持模块也可以让它们在整个系统中正常工作，从而有效降低从BIOS到EFI过渡的门槛。

图2 完全采用图形界面的Phoenix EFI OS Loader程序，类似于Windows应用程序，操作简单直观。

EFI系统的最顶层为“EFI操作系统装载器（EFI OS Loader）”和名为“预启动应用（Pre-boot application）”的扩展工具，EFI系统装载器可以引导操作系统启动，也能够提供一个设定屏幕—EFI同时支持传统的文本界面和图形界面，不过后者显然成为EFI应用的绝对主流。与BIOS只能在640×480 VGA分辨率下显示不同，EFI在屏幕分辨率上并无限制，用户完全可以根据显示器硬件情况来使用更高的分辨率，从而提供更人性化、也更加美观的系统设定界面。除了提供基本的硬件参数设定功能外，EFI OS Loader还允许用户设定操作系统的启动顺序（在计算机拥有多个操作系统的条件下），这相当于直接整合了OS启动管理器；其次，用户也可以通过EFI OS Loader界面来启动扩展工具，例如Ghost系统镜像、磁盘检测、EFI版本升级、病毒查杀或者其他的安全软件等等。我们可以从图2-图4中看到Phoenix、Insyde和AMI公司的EFI OS Loader界面外观。如果没有特别指出，相信大家都会把它当作是本地Windows应用程序，两者在外观界面上如出一辙。只要开发商愿意，EFI的图形界面完全可以变得更加漂亮或更富个性化，而用户也可以为EFI OS Loader选择一幅漂亮的背景图像，这远比BIOS冷冰冰的蓝底白字来得人性化。

在系统开机，完成硬件初始化工作后，EFI会对计算机发出指令开始加载操作系统，而当操作系统启动并正常运行之后，EFI与操作系统之间的通讯并不会被切断，而是在ACPI高级电源管理功能的控制下继续进行。这样，操作系统就能够正确识别硬件，并为其分配资源，同时也可管理设备的电能消耗，此时EFI的职能与传统BIOS并无不同。

EFI平台
EFI拥有自己的运行界面、基础驱动和应用程序，它实际上就是一个专用的嵌入式操作系统。当然，EFI与Windows、Mac Os和Linux这类通用型操作系统有本质性的区别，如EFI不支持多任务或多线程，在任一时刻它都只能支持单一的任务。我们知道，EFI拥有自己的GUI图形界面，能够直接读取硬盘，用户可以使用鼠标进行点击操作，这就意味着EFI拥有自己的显卡、芯片组、硬盘控制器以及鼠标驱动，这些驱动程序都是以压缩的二进制文件存在，但功能仅限于为EFI运行提供基础环境，例如实现彩色GUI输出、对硬盘进行读取和写入等等，它们与操作系统的3D加速驱动、硬盘控制器驱动并不是同一个概念—这也就是我们前面所介绍的“平台驱动（Platform driver）”。EFI平台驱动与硬件的通讯通过一个与硬件无关的架构协议进行，不管你使用什么样的处理器、芯片组或者显卡，EFI的架构协议都不会受到任何影响，在图1所示的EFI系统模型中，该模块被称为“Protocol architecture”。EFI的文件格式以Fat32格式为基础，这样它就能够访问到容量更大的存储资源，升级新版本的EFI、为EFI添加新的扩展工具都可以在此基础上进行。

图3 EFI可提供强大的扩展工具，允许用户直接通过EFI来管理计算机，用户还可以通过EFI版本升级来实现更多的扩展功能。

在EFI系统中，预启动应用（Pre-boot application）与EFI OS Loader同样都位于最顶层，所谓“预启动应用”，指的便是EFI的扩展工具。这些扩展工具一般都是由主板厂商自行设计，EFI系统只是提供一个标准化的运行接口，主板厂商可以根据自己的要求设计功能不同的扩展工具。一般来说，EFI整合的扩展工具以系统维护、硬盘修复、底层杀毒为主，在它们的辅助下，计算机将变得更加安全和更容易维护。例如在现有PC中，如果你要对系统作Ghost镜像，那就必须使用启动光盘、启动型闪存盘或者可靠性极差的启动软盘；如果你要恢复系统，同样也必须借助软盘、闪存盘或光盘启动系统，系统镜像或恢复操作也相对专业，只有少数有经验的用户才能够完成这些操作。倘若你用的是不带光驱的轻薄型笔记本电脑，恰好闪存盘的启动功能失常（此种情况很常见），那么系统镜像和恢复工作就会让人大伤脑筋。同样，如果系统遭受病毒袭击或者硬盘损坏，操作系统无法启动，病毒查杀和数据抢救都非常困难。但在EFI系统中，这类安全工具都被直接整合，系统的维护工作变得相当轻松，换个角度看这也相当于提高了PC的可靠性。

强大的远程维护功能是EFI的又一亮点。如果你对无盘站略有了解，一定会知道英特尔的PXE（Pre-boot Execution Environment）协议，该协议分为客户端和服务器端。客户端在网卡的ROM里，当计算机引导时，BIOS会将PXE客户端调入内存执行，同时网络中DHCP服务器会给PXE客户端网卡分配一个IP地址，接着PXE客户端会自动连接到服务器，并将存储在该服务器的操作系统下载到本地运行。英特尔在设计EFI时，就决定将PXE作为EFI的一个嵌入模块，这样任何一部采用EFI技术的计算平台，都可以支持PXE模式运行。除了直接运行远程系统外，你还可以借助网络来启动计算机并安装操作系统，但与现有PC采用的PXE 2.0协议不同，EFI系统的PXE功能既可以运行在16位实模式下，也可支持32位保护模式运行，这意味着网络传输的速度更快，用户可以在更短的时间内完成网络启动以及操作系统的安装任务。

告别汇编程序
采用不同的编程语言是EFI与传统BIOS的又一个重大差异。我们知道，BIOS采用汇编语言编写，虽然汇编具有高效率的优点，但程序编写难度大，非常不利于增加新功能，而且代码检查纠错都相当困难，这不仅限制了BIOS的功能拓展，甚至也影响到BIOS的稳定性。与之不同，EFI采用C语言，熟悉程序设计的读者应该都知道，C具有较高的硬件效率，程序编制和代码调试也都很容易，它也因此被称为中级语言。得益于此，EFI的编写将远比BIOS来得容易，程序Bug更少、质量更高，版本的更新也将更有保证，在提高稳定性的同时大大减轻开发人员的负担；同时，主板厂商也能够顺利编制出各类型的EFI增强工具，增强自身产品的竞争力，这也有助于EFI的广泛普及。

图4 AMI代号为“Aptio”的EFI，设定项目类似于BIOS，但采用人性化的图形界面。

EFI与操作系统
阻碍EFI进入广泛应用的门槛在于操作系统支持，当前针对PC的Windows系统都只能支持传统的BIOS，只有针对安腾平台的服务器操作系统才能够支持EFI，这在客观上限制了EFI进入PC。外界一度认为，微软Windows Vista将成为首款支持EFI的操作系统，但微软最近表示，首个Vista仍然为传统BIOS设计，暂不支持EFI，这给对EFI热情满怀的人们泼了一大盆冷水。至于32位的Vista，将永远不支持EFI技术—这一点无可厚非，毕竟32位PC都基于BIOS设计且濒临淘汰，增加EFI支持没有多大意义。保守估计，我们必须等到Windows Vista的升级版本方能够看到EFI的身影，这将大大延后Windows PC对EFI的支持进度。

但在Windows之外，其他操作系统对EFI的态度非常积极，苹果公司成为第一家在X86 PC中采用EFI技术的厂商。1月份，苹果公司推出酷睿双核平台的Macbook pro笔记本电脑，该产品率先引入EFI技术而成为另类，同时这也给许多有意在Mac机上安装Windows的用户带来困扰。由于固件接口存在根本性差异，外界普遍认为用户无法在Macbook pro上安装Windows XP。但没过多久，一位发烧友通过修改Windows XP核心文件，顺利完成EFI支持，Windows XP也因此得以被顺利安装在Macbook pro笔记本中。但这并不是说EFI支持就如此轻而易举，事实上，这种破解只能说绕过了EFI技术的限制，而不是真正对EFI提供原生型的支持，两者在硬盘启动引导机理方面存在本质性的区别—为BIOS设计的操作系统都依赖MBR（Master Boot Record Format，主引导扇区）来管理硬盘资源，而EFI原生支持的操作系统采用全新的GPT（Globally Unique Identifier Partition Table Format，全局唯一识别分区表格式）技术。

我们知道，MBR位于硬盘的第一个扇区，它所记录的便是硬盘的分区信息。如果我们使用Fdisk、Partition Magic或者直接在Windows安装过程中对硬盘进行分区，分区的信息都被写入到硬盘的MBR中，硬盘就根据MBR的内容来确定自己的逻辑分区情况。MBR最多可支持四个主分区或三个主分区、一个扩展分区的组合，分区的最高容量为2TB，在硬盘容量未达到1TB的今天，2TB容量限制显然是非常宽裕的；扩展分区内又包含许多逻辑分区，但逻辑分区采用字母卷标，因此扣除主分区外，逻辑分区的数量最多为23个（从字母D开始计算）。对桌面PC而言，这样的分区规格远未达到瓶颈，至少在未来5年内MBR都不会遇到问题。然而，EFI改用了极富前瞻性的GPT技术，分区容量方面，GPT理论上允许你使用最高18EB容量（1EB＝1百万TB），这绝对是一个高得令人匪夷所思的数字，或许未来的DNA存储可以达到这一要求。其次，GPT允许一个硬盘中存在128个主分区，每个分区都拥有唯一的ID标识码，可管理的存储资源范围远远超过MBR。目前，安腾版Windows和Windows 2003 Server系统都已经对GPT技术提供初步的支持，但启动分区器仍然采用MBR技术。另外，苹果公司的X86版Mac OS X Tiger操作系统直接采用EFI技术，但是否以GPT技术来代替MBR管理硬盘分区尚不知晓，再说现在MBR远未成为瓶颈，GPT与MBR在实际应用中不会有任何差别。

与微软迟缓的态度形成鲜明对比，Linux业界对EFI非常积极，加上英特尔的鼎力支持，Linux内核目前已实现对EFI的支持，国内中科红旗推出的RedFlag 5.0桌面版就率先提供EFI支持，相信不必等太长时间，其他Linux发行版也将陆续支持EFI。
注解：EFI的早期发起者为英特尔、AMI和台湾的Insyde，后来英特尔为更好的推进EFI技术，遂主导成立了开放性的UEFI（Unified EFI）论坛（www.uefi.org）来统一负责EFI标准制定事务。除了英特尔外，UEFI论坛的主要成员还包括AMD、AMI、Dell、HP、IBM、Insyde、Microsoft和Phoenix；基本上，UEFI基于EFI 1.10规范为基础，目前UEFI论坛正在制定最新的2.0版标准，或许等正式发布的时候，它可能会被正式命名为“UEFI（Unified Extensible Firmware Interface）统一可扩展固件接口”。

EFI何日可至
如前所述，EFI已经在安腾服务器/工作站平台取代传统的BIOS技术，在X86 PC领域，苹果公司的Macbook Pro成为EFI的首个实践者，但Windows PC何时能够全面采用EFI还没有定论。在英特尔的计划表上，EFI将从2006年开始全面取代BIOS，但Windows Vista的保守态度令这个计划成为泡影，估计微软要到2007年中期之后才可能让Vista支持EFI，这意味着EFI的实用化又将继续推迟。不过，我们看到固件厂商和硬件业界都为此做好了准备，作为两大固件厂商，Phoenix和AMI都在紧张地进行自己的EFI项目。AMI代号为“Aptio”的EFI项目接近完工，目前AMI已经向主板厂商提供相应的开发包；Phoenix则是与微软携手合作，将EFI嵌入到微软的“Trusted Core BIOS”中，这个项目也即将完成。

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