統一可擴展固件接口

統一可擴展固件接口（英語：Unified Extensible Firmware Interface，縮寫UEFI）是一種個人電腦系統規格，用來定義作業系統與系統固件之間的軟體界面，作為BIOS的替代方案。可擴展固件接口負責加電自檢（POST）、聯繫作業系統以及提供連線作業系統與硬體的接口。

UEFI的前身是Intel在1998年開始開發的Intel Boot Initiative，後來被重命名為可擴展固件接口（Extensible Firmware Interface，縮寫EFI）。Intel在2005年將其交由統一可擴展固件接口論壇（Unified EFI Forum）來推廣與發展，為了凸顯這一點，EFI也更名為UEFI（Unified EFI）。UEFI論壇的創始者是11家知名電腦公司，包括Intel、IBM等硬體廠商，軟體廠商Microsoft，及BIOS廠商AMI、Insyde及Phoenix。

基本介紹

• 中文名：統一可擴展固件接口
• 外文名：Unified Extensible Firmware Interface
• 縮寫：UEFI
• 領域：計算機

規格

可擴展固件接口（EFI）最初是由英特爾開發，於2002年12月英特爾釋出其訂定的版本——1.1版，之後英特爾不再有其他關於EFI的規範格式發布。有關EFI的規範，英特爾已於2005年將此規範格式交由UEFI論壇來推廣與發展，後來並更改名稱為Unified EFI（UEFI）。UEFI論壇於2007年1月7日釋出並發放2.1版本的規格，其中較1.1版本增加與改進了加密編碼（cryptography）、網路認證（network authentication）與用戶接口架構（User Interface Architecture）。

2009年5月9日，發布2.3版本。截至今日為止，2.7版是最新的公開的版本。

統一可擴展固件接口（UEFI）的產生

眾所周知，英特爾在近二十年來引領以x86系列處理器為基礎的PC技術潮流，其產品如CPU，晶片組等在PC生產線中占據絕對領導的位置。因此，不少人認為此舉顯示英特爾公司欲染指固件產品市場的野心。事實上，EFI技術源於英特爾安騰處理器（Itanium）平台的推出。安騰處理器是英特爾瞄準伺服器高端市場投入近十年研發力量設計產生的與x86系列完全不同的64位新架構。在x86系列處理器進入32位的時代，由於兼容性的原因，新的處理器（80386）保留16位的運行方式（實模式），此後多次處理器的升級換代都保留這種運行方式。甚至在包含EM64T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）。英特爾將這種情況歸咎於BIOS技術的發展緩慢。自從IBM PC兼容機廠商通過淨室的方式複製出第一套BIOS源程式，BIOS就以16位彙編代碼，暫存器參數調用方式，靜態連結，以及1MB以下記憶體固定編址的形式存在十幾年。雖然由於各大BIOS廠商近年來的努力，有許多新元素添加到產品中，如PnPBIOS、ACPI、傳統USB設備支持等等，但BIOS的根本性質沒有得到任何改變。這迫使英特爾在開發新的處理器時，都必須考慮加進使性能大大降低的兼容模式。用一個比喻來講：這就像保時捷新一代的全自排跑車，被人套上去一個蹩腳打檔器。

然而，安騰處理器並沒有這樣的顧慮，它是一個新生的處理器架構，系統固件和作業系統之間的接口都可以完全重新定義。並且這一次，英特爾將其定義為一個可擴展的，標準化的固件接口規範，不同於傳統BIOS的固定的，缺乏文檔的，完全基於經驗和晦澀約定的一個事實標準。基於EFI的第一套系統產品的出現至今已經有五年的時間，如今，英特爾試圖將成功運用在高端伺服器上的技術推廣到市場占有率更有優勢的PC產品線中，並承諾在2006年間會投入全力的技術支持。

比較統一可擴展固件接口（UEFI）和BIOS

二者顯著的區別就是UEFI是用模組化，C語言風格的參數堆疊傳遞方式，動態連結的形式構建的系統，較BIOS而言更易於實現，容錯和糾錯特性更強，縮短了系統研發的時間。它可以運行於x86-64、IA32、IA64等架構上（在個人電腦上通常是x86-64平台），突破傳統16位代碼的定址能力，達到處理器的最大定址。它利用載入EFI驅動程式的形式，識別及操作硬體，不同於BIOS利用掛載真實模式中斷的方式增加硬體功能。後者必須將一段類似於驅動程式的16位代碼（如RAID卡的Option ROM）放置在固定的0x000C0000至0x000DFFFF之間存儲區中，運行這段代碼的初始化部分，它將掛載實模式下約定的中斷向量向其他程式提供服務。例如，VGA圖形及文本輸出中斷（INT 10h），磁碟訪問中斷服務（INT 13h）等等。由於這段存儲空間有限（128KB），BIOS對於所需放置的驅動程式代碼大小超過空間大小的情況無能為力。另外，BIOS的硬體服務程式都以16位代碼的形式存在，這就給運行於增強模式的作業系統訪問其服務造成了困難。因此BIOS提供的服務在現實中只能提供給作業系統引導程式或MS-DOS類作業系統使用。而UEFI系統下的驅動程式可以由EFI Byte Code（EBC）編寫而成，EFI Byte Code是一組專用於EFI驅動程式的虛擬機器語言，必須在EFI驅動程式運行環境（Driver Execution Environment，或DXE）下被解釋運行。採用EBC編寫的EFI驅動程式擁有向下兼容性，打個比方說，一個帶有EFI驅動程式的擴展設備，既可以將其安裝在安騰處理器的系統中，也可以安裝於支持UEFI的64位/32位PC系統中，而它的EFI驅動不需要重新編寫。這樣就無需對系統升級帶來的兼容性因素作考慮。另外，由於EFI驅動程式開發簡單，所有的PC部件提供商都可以參與，情形非常類似於現代作業系統的開發模式，這個開發模式曾使Windows在短短的兩三年時間內成為功能強大，性能優越的作業系統。基於EFI的驅動模型可以使UEFI系統接觸到所有的硬體功能，在作業系統運行以前瀏覽全球資訊網站，實現圖形化、多語言的BIOS設定界面，或者無需運行作業系統即可線上更新BIOS等等不再是天方夜譚，甚至實現起來也非常簡單。這對基於傳統BIOS的系統來說是件難以實現的任務，在BIOS中添加幾個簡單的USB設備支持都曾使很多BIOS設計師痛苦萬分，更何況除了添加對無數網路硬體的支持外，還得憑空構建一個16位模式下的TCP/IP協定棧。

一些人認為BIOS只不過是由於兼容性問題遺留下來的無足輕重的部分，不值得為它花費太大的升級努力。而反對者認為，當BIOS的出現約制了PC技術的發展時，必須有人對它作必要的改變。

統一可擴展固件接口（UEFI）和作業系統

UEFI在概念上非常類似於一個低階的作業系統，並且具有操控所有硬體資源的能力。不少人感覺它的不斷發展將有可能代替現代的作業系統。事實上，EFI的締造者們在第一版規範出台時就將EFI的能力限制於不足以威脅作業系統的統治地位。首先，它只是硬體和預啟動軟體間的接口規範；其次，UEFI環境下不提供中斷的機制，也就是說每個EFI驅動程式必須用輪詢（polling）的方式來檢查硬體狀態，並且需要以解釋的方式運行，較作業系統下的機械碼驅動效率更低；再則，UEFI系統不提供複雜的快取器保護功能，它只具備簡單的快取器管理機制，具體來說就是指運行在x64或x86處理器的64位模式或保護模式下，以最大定址能力為限把快取器分為一個平坦的段（Segment），所有的程式都有許可權訪問任何一段位置，並不提供真實的保護服務。當UEFI所有組件載入完畢時，便會啟動作業系統的啟動程式，如果UEFI固件內置EFI Shell，也可以啟動EFI Shell命令提示（部分UEFI固件內置EFI Shell），在這裡，用戶可以調入執行EFI應用程式，這些EFI程式可以是OEM提供的硬體檢測軟體，OEM提供的備份軟體，引導管理軟體，作業系統的啟動程式等等，也可以載入EFI分區（ESP）中的EFI驅動程式（如檔案系統驅動程式）。EFI應用程式和EFI驅動程式可以是PE格式的.efi檔案，可用C語言編寫。在UEFI引導模式下，作業系統的啟動程式也是EFI應用程式，啟動程式的EFI檔案存儲在EFI系統分區（ESP）上。理論上來說，對於EFI應用程式的功能並沒有任何限制，任何人都可以編寫這類軟體，並且效果較以前MS-DOS下的軟體更華麗，功能更強大。一旦引導軟體將控制權交給作業系統，所有用於引導的服務代碼將全部停止工作，部分運行時，代服務程式還可以繼續工作，以便於作業系統一時無法找到特定設備的驅動程式時，該設備還可以繼續被使用。

UEFI固件區分架構，在UEFI引導模式下，通常只能運行特定架構的UEFI作業系統和特定架構的EFI應用程式（EBC程式除外）。比如，採用64位UEFI固件的PC，在UEFI引導模式下只能運行64位作業系統啟動程式；而在Legacy引導模式（即BIOS兼容引導模式）下，通常不區分作業系統的比特數，既可以運行16位的作業系統（如DOS），也可以運行32位或64位的作業系統，和BIOS一樣。

統一可擴展固件接口（UEFI）的組成

一般認為，UEFI由以下幾個部分組成：

1. Pre-EFI初始化模組
2. EFI驅動程式執行環境
3. EFI驅動程式
4. 兼容性支持模組（CSM）
5. EFI高層套用
6. GUID磁碟分區表

在實現中，統一可擴展固件接口（UEFI）初始化模組和驅動執行環境通常被集成在一個唯讀存儲器中。Pre-EFI初始化程式在系統開機的時候最先得到執行，它負責最初的CPU，晶片組及存儲器的初始化工作，緊接著載入EFI的驅動程式執行環境（DXE）。當DXE被載入運行時，系統便具有了枚舉並載入其他EFI驅動程式的能力。在基於PCI架構的系統中，各PCI橋及PCI適配器的EFI驅動程式會被相繼載入及初始化；這時，系統進而枚舉並載入各橋接器及適配器後面的各種匯流排及設備的EFI驅動程式，周而復始，直到最後一個設備的EFI驅動程式被成功載入。正因如此，EFI驅動程式可以放置於系統的任何位置，只要能保證它可以按順序被正確枚舉。例如一個具PCI-E匯流排接口的RAID存儲適配器，其EFI驅動程式一般會放置在這個設備的匹配PCI規範的擴展唯讀存儲器（PCI Expansion ROM）中，當PCI匯流排驅動程式被載入完畢，並開始枚舉其子設備時，這個存儲適配器旋即被正確識別並載入它的EFI驅動程式。部分EFI驅動程式還可以放置在某個磁碟的EFI系統分區（ESP）中，只要這些驅動程式不是用於載入這個磁碟的驅動的必要部件。在EFI規範中，一種突破傳統MBR磁碟分區結構限制的GUID磁碟分區系統（GPT）被引入，新結構中，磁碟的主分區數不再受限制（在MBR結構下，只能存在4個主分區），另外EFI/UEFI+GUID結合還可以支持2.1 TB以上硬碟（有測試顯示，3TB硬碟使用MBR，並且安裝Windows 6.x 64位系統，只能識別到2.1TB），並且分區類型將由GUID來表示。在眾多的分區類型中，EFI系統分區可以被UEFI固件訪問，可用於存放作業系統的引導程式、EFI應用程式和EFI驅動程式。EFI系統分區採用FAT檔案系統，容量較小，在Windows作業系統下，默認是隱藏的。UEFI固件通過運行EFI系統分區中的啟動程式啟動作業系統。CSM是在x86平台UEFI系統中的一個特殊的模組，它將為不具備UEFI引導能力的作業系統（如Windows XP）以及16位的傳統Option ROM（即非EFI的Option ROM）提供類似於傳統BIOS的系統服務。Secure Boot和CSM不兼容，因此在UEFI固件設定中打開CSM前，需要在UEFI固件設定中關閉Secure Boot。

統一可擴展固件接口（UEFI）的發展

英特爾無疑是推廣EFI的積極因素，近年來由於業界對其認識的不斷深入，更多的廠商正投入這方面的研究。包括英特爾，AMD在內的一些PC生產廠家聯合成立了UEFI論壇。另外各大BIOS提供商如Insyde，Phoenix，AMI等，他們原先被認為是EFI發展的阻礙力量，現在也不斷的推出各自的解決方案。分析人士指出，這是由於BIOS廠商在EFI架構中重新找到了諸如Pre-EFI啟動環境之類的市場位置，然而隨著EFI在PC系統上的成功運用，以及英特爾新一代晶片組的推出，這一部分市場份額將會不出意料的在英特爾的掌控之中。2011年以後生產的零售主機板大多數採用UEFI技術。隨後，微軟又要求，預裝Windows 8的電腦，必須採用UEFI引導模式，以及Secure Boot。部分採用EFI技術的BIOS並不支持EFI引導。

採用UEFI固件的x86/x64系統類別

類別0，這類系統使用x86 BIOS固件，只支持傳統作業系統。

類別1，這類系統採用支持UEFI和Pi規範的固件，激活CSM層功能，只支持傳統作業系統。

類別2，這類系統採用支持UEFI和Pi規範的固件，激活CSM層功能，同時支持傳統和UEFI啟動的作業系統。

類別3，這類系統採用支持UEFI和Pi規範的固件，不再提供或完全關閉CSM層功能，只支持由UEFI啟動的作業系統。

類別3+，在類別3的系統基礎上提供並激活Secure Boot功能。

微軟公司的Windows 8及之後的作業系統適用於上述所有類別的電腦，之前支持UEFI固件的作業系統適用於類別0至類別2型電腦，不支持UEFI固件的作業系統僅可用於類別0和類別1的電腦。所有支持UEFI啟動的Linux作業系統適用於類別0至類別3型電腦，多數現行分發版也支持類別3+中的Secure Boot功能，譬如Ubuntu等。 Intel計畫將於2020年推出的UEFI Class 3規範中，將Legacy BIOS界面完全捨棄，Intel旗下的所有產品將使用UEFI Class 3（有一部分產品可能是3+）。至2018年，部分x86架構設備已經徹底捨棄CSM，或者，在Legacy引導模式下，功能很有限。