高手论技
编者按：启动，是可以正常使用的前奏汽车的启动、手机的启动、计算机的启动……日常生活中随处可见的启动，你可曾关注过？这其中，计算机的启动尤为复杂。在此，主持人和嘉宾将分两期揭秘系统启动时的引导工作。
当按下计算机的电源开关键，等待系统启动时，可能我们并没有留意屏幕上不断变化的英文，也没有思考过，为什么安装在硬盘中的操作系统能够启动。看似理所当然的背后，其实隐藏着不少“秘密”。
● 声名显赫的BIOS
1.BIOS是如何引导系统的
BIOS是英文“Basic Input Output System”的缩略语，直译过来后中文名称就是“基本输入输出系统”。其实，它是一组固化到计算机主板上的ROM芯片上的程序，它保存着计算机最重要的基本输入输出的程序、系统设置信息、开机后自检程序和系统自启动程序。 其主要功能是为计算机提供最底层的、最直接的硬件设置和控制。
当我们接通电源或系统被重置时，处理器会执行一个位于BIOS的代码。CPU会调用这个重置向量来启动一个位于BIOS芯片ROM（只读存储器）中的已知地址处的程序。通常，它执行一个启动自测（POST）来检查机器。然后，它从引导驱动器上的主引导记录（MBR）加载第一个扇区。
引导程序就位于硬盘或软盘中 MBR的第一个扇区里。此时引导程序被装入RAM（随机读写存储器）并执行。这个引导加载程序小于 512 字节（一个扇区）。
BIOS自检完成之后，将MBR的代码读入内存，管理权交给主引导记录MBR，MBR再读取DPT（Disk Partition Table，硬盘分区表），从 DPT中找出硬盘的所有分区哪一个是激活的主分区。DPT读完并找到主分区之后便开始找这个主分区的PBR（Partition Boot Record，分区引导记录），PBR位于激活主分区的第一个扇区。不同的操作系统PBR是不同的，Windows XP的PBR写进的代码是去找NTLDR，而Windows Vista和Windows 7的PBR里写进的就是去找 Bootmgr。
Bootmgr被找到之后管理权就交给了Bootmgr。Boot Manager调用Bootmgr与相应语言的bootmgr.exe，然后显示器上显示引导管理器，也就是选择多操作系统的那个文字界面。选择了相应的操作系统后，Bootmgr就去寻找系统分区Windows/System32下的Winload.exe加载操作系统内核。如果操作系统没有问题，之后我们就可以看到登录界面或桌面了。
2.BIOS的基本功能
我们已经了解了BIOS是如何引导操作系统的，那它具体有哪些功能呢？
（1）检测硬件（POST）。对计算机的基本硬件进行检测，看能不能正常工作，如我们看到的内存数不断跳动，这就是在做内存检测（Memory Test）。
（2）初始化硬件，设置其基本状态，使得整个计算机达到所谓的“可用状态”（Ready State）。硬件的设计厂家往往为了通用市场的考虑，不愿意将硬件设计成定制的状态。为了使硬件能够按照PC的架构工作，BIOS必须要按照由独立硬件供应商提供的手册将硬件设置好，如写几个必须的寄存器之类的，做一些Enable的工作。如果一个硬件没有Enable，那么在OS下将不可见。
（3）启动OS Loader加载操作系统。系统启动的方式是由BIOS规定的，操作系统必须按照BIOS的要求来设计。这也是为什么操作系统从DOS一直到Vista，都只能把自己的loader放在MBR，因为BIOS只读MBR。当然，在EFI时代，这一点有所改变，EFI支持的Boot From File不再需要MBR。
（4）在操作系统启动起来以后，一部分继续驻留内存，向操作系统以及其他软件提供基本的系统级的服务，如磁盘读写等。
（5）修复硬件缺陷。Intel在它的CPU里专门留了一个叫System Management Mode的模式，拥有最高的权限。SMM中断的时候，就连号称无所不能的Windows也不知道，这时就可以给CPU补bug了。事实上，每次BIOS开机的时候，都会更新CPU Microcode，同样是用来给CPU补bug的。
3.BIOS存储介质的变迁
计算机内存可以根据不同的标准进行不同的分类。如果以是临时还是永久存储为衡量标准，我们可以用下面的图来展示计算机的存储体系。
一张图看懂计算机存储体系
由于BIOS与硬件系统集成在一起，所以有时候也被称为固件。由于BIOS在系统启动前就要获得控制权，所以必须将其保存在永久存储区域中，一般保存在只读存储器（ROM）中。
在计算机发展初期，BIOS都存放在ROM中。ROM内部的资料是在ROM的制造工序中，在工厂里用特殊的方法烧录进去的，其中的内容只能读不能改，一旦烧录进去，用户只能验证写入的资料是否正确，不能再作任何修改。
EPROM（Erasable Programmable ROM，可擦除可编程ROM）芯片可重复擦除和写入，解决了ROM芯片只能写入一次的弊端。EPROM芯片有一个很明显的特征：在其正面的陶瓷封装上，开有一个玻璃窗口，透过该窗口，可以看到其内部的集成电路，紫外线透过该孔照射内部芯片就可以擦除其内的数据，完成芯片擦除的操作要用到EPROM擦除器。EPROM芯片在写入资料后，还要以不透光的贴纸或胶布把窗口封住，以免受到周围的紫外线照射而使资料受损。
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，电可擦除可编程ROM）。通过跳线开关和系统配带的驱动程序盘，可以对EEPROM进行重写，方便地实现BIOS升级。
4.BIOS修复
BIOS负责引导系统的启动，一旦出现错误，可以想象得到，计算机系统就会瘫痪。臭名昭著的CIH病毒就是对BIOS进行破坏，从而使计算机无法启动。另外，不适当的升级BIOS也可能导致BIOS被破坏。只要BIOS芯片本身没损坏，都可以对其进行修复。现在大多数BIOS厂家都提供了启动引导块保护功能。这个启动引导块在一般情况下会被自动写保护，只有当刷新程序接收到对EPROM进行写入的明确命令后，启动引导块才能够被覆盖。此外，启动引导块还支持一些最基本的BIOS功能，如支持符合ISA协议的显卡、软盘驱动和键盘输入等。所以，只要系统具备了这几项条件，就完全可以使主板的其他BIOS功能得到重新恢复。
（1）热插拔修复。
热插拔的工作原理：BIOS是由POST上的电自检程序、系统启动自举程序、BIOS中断调用、BIOS系统设置程序四部分组成的，当BIOS完成POST上的电自检程序、系统启动自举程序后，由操作系统接管系统的控制权，完成机器的启动过程。在此之后，除了相关的程序要调用BIOS中的中断程序外，BIOS已完成了它的历史使命，如果此时我们冒险把BIOS芯片拔下来，根本不会影响系统的正常工作。这时，把损坏的BIOS芯片插回主板，运行相应的刷新程序就可以重新把BIOS文件刷回来。
修复BIOS时采用热插拔是危险的，原因很简单，即任何元件都有一定的功率限额，ROM芯片也不例外。在带电热插拔元器件时，由于各管脚的工作电压不同，热插拔过程中，各管脚不可能同时插上或拔下，因此电路中会不可避免地出现浪涌过电压和过电流，过高的浪涌电压会击穿芯片内的晶体管，而过大的浪涌电流会使芯片内的铝膜引线被熔断，从而导致芯片毁坏型失效。
（2）刷新修复。
如果BIOS的启动引导模块没有损坏，我们可以利用纯DOS启动盘来引导修复。因为软驱已经退出历史，可以用U盘制作启动盘，再将BIOS文件和刷新程序复制到启动盘，修改autoexec.bat文件，以便系统启动时自动载入并运行BIOS刷新程序。如果主板支持ISA显卡并且还有这样的古董的话，用户甚至可以将电脑启动到安全模式，从容刷新BIOS。
（3）用编程器修复。
如果BIOS引导模块已经被破坏，那么用编程器修复是既安全又方便的方法。用户可以在任何一台计算机上用编程器来升级或修复BIOS，当烧录好后，只要插在主板上即可使用。而且如果发现不正常可以重新烧录，省去了升级过程中怕出错的担忧，也避免了“热插拔”带来的危险。
（4）双BIOS的修复。
为了避免BIOS损坏而导致系统故障，有些主板厂商使用了双BIOS技术。其中备份BIOS平时并不工作，但当主BIOS出现问题时，重启电脑后主板自动由备份BIOS接手修复主BIOS，修复完成后重启由已修复好的主BIOS开机。可谓非常安全。还有一种情况，当BIOS出现错误导致电脑反复重启，此时主板不认为主BIOS有错误，因而无法自动启动修复程序。这时就要手动短接主BIOS的1、8脚，造成主BIOS错误从而启动修复程序。
（5）工具修复。
有些病毒会感染BIOS，如BMW病毒能够连环感染BIOS(主板芯片程序)、MBR(硬盘主引导区)和Windows系统文件，使中毒计算机无论重装系统、格式化硬盘，还是换掉硬盘都无法彻底清除病毒，这种病毒要彻底清除非常困难。这时我们可以下载病毒的专杀工具来清除。它的原理其实也很简单，用软件把BIOS读出来，检查里面是否有病毒代码，有的话，用工具清除后，再将BIOS代码写回即可。
5.BIOS的局限
BIOS既是操作系统和计算机硬件之间通讯的桥梁，更是充当了翻译的角色，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”键强制重启计算机，也还是中断在后台起的作用。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厂商近年来努力地对其进行改进，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不但在工作方式上存在令人不满之处，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，即使用户想为BIOS编写一些新的功能，BIOS芯片中也没有足够的空间让用户写入。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，寻求BIOS的接任者已是必然。而BIOS，必将在璀璨光环的环绕中落下帷幕，成为历史的纪录。
● 继往开来的EFI和UEFI
正是由于BIOS已经老态龙钟，英特尔在2006年提出了EFI的概念，并且在它的推动下，各大硬件厂商联合升级了UEFI标准，使得BIOS终于可以突破瓶颈，具有无限的想象力。
EFI就是可扩展固件接口（Extensible Firmware Interface），是英特尔公司推出的一种在未来的类PC的计算机系统中替代BIOS的升级方案。
UEFI是统一的可扩展固件接口（Unified Extensible Firmware Interface)，是一种详细描述类型接口的标准。这种接口用于操作系统自动从预启动的操作环境，加载到一种操作系统上。UEFI是以EFI1.10为基础发展起来的，它的所有者是一个称作Unified EFI Form的国际组织。
1.EFI的特点
那么，EFI是如何解决传统BIOS所面临的棘手问题的呢？
（1）EFI以全新的图形操作界面代替BIOS的文字界面，支持高级显示模式，而且支持鼠标操作，使它在设置方面比传统BIOS直观、简单，更易上手，非常适合非专业的技术人员和英文不太好的用户。
（2）EFI像一个被简化了的操作系统，介于硬件设备及操作系统间，可以操作计算机的各种硬件。另外，由于符合TCP/IP网络协议，PC用户可以不进入操作系统，就能在EFI界面下使用网络资源，进行远程诊断、更换驱动、排除故障等。如果系统死机，用户可以通过EFI修改配置或者安装新的驱动，这是BIOS不能想象的。
（3）EFI采用模块化结构，将固件分为硬件控制与OS软件管理两部分，可以支持新外围设备、省略硬件检测实现高速启动，针对某模块单独对固件升级等。
（4）安全性的问题。相比BIOS的1M存储空间，EFI需要更大的存储空间，于是在硬盘中隔离出一个小分区作为存储空间。这样虽可装入更多实用的工具，如硬盘分区、多操作系统引导、系统备份和恢复等，甚至能作为数字版权控制工具和电子安全防范工具。但硬盘是相当脆弱的配件之一，如果出现问题，后果不堪设想。EFI不再采用BIOS的机器汇编语言，而是使用了通用性比较强的C语言，尽管在技术更新上比BIOS有很大优势，但对病毒、网络攻击等问题，与BIOS相比不一定更安全。
2.EFI的组成和存储
由于EFI要实现比传统的BIOS更多的功能，主板ROM芯片中的512KB的空间是远远不够的。因此，除了最基本的引导模块保留在ROM芯片中，EFI还要在硬盘上单独保留一个分区作为专用，以充分展现其功能。
EFI的存储空间为50～100MB，具体视驱动文件多少而定。在这部分空间中，包含有Pre-EFI初始化模块、EFI驱动执行环境、EFI驱动程序、兼容性支持模块（CSM）、EFI高层应用及GUID 磁盘分区等几个部分。
3.EFI引导系统过程
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的创新之处，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，鼠标成为替代键盘的输入工具，各功能调节的模块也做得和Windows程序一样，可以说，EFI就是一个小型化的Windows系统。
在现实中，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时最先执行，它负责最初的CPU、主桥及存储器的初始化工作，紧接着载入EFI驱动执行环境(DXE)。当DXE被载入运行时，系统便具有了枚举并加载其他EFI驱动的能力。在基于PCI架构的系统中，各PCI桥及PCI适配器的EFI驱动会被相继加载及初始化。此时，系统枚举并加载各桥接器及适配器后面的各种总线及设备驱动程序，周而复始，直到最后一个设备的驱动程序被成功加载。正因如此，EFI驱动程序可以放置于系统的任何位置，只要能保证它可以按顺序被正确枚举。
4.EFI的优势
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的主板则方便了很多，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的支持，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，只要在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，网络当然也不例外，所以在EFI的操作界面中，程序可以直接连接互联网，向外界求助操作系统的维修信息或者在线升级驱动程序。
5.BIOS和EFI的对比
对比BIOS和EFI，它们有以下区别：①EFI编码99%都是由C语言完成，而BIOS基本上是用汇编语言完成；②BIOS采用中断、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，现在有些EFI能用是因为做了兼容，但实际上这部分不属于EFI的定义）；④BIOS采用二进制code，EFI采用Removable Binary Drivers；⑤BIOS启动调用Int19，EFI直接利用protocol/device Path；⑥对于第三方的开发，BIOS基本上做不到，EFI却便利得多了；⑦EFI弥补了BIOS对新硬件支持不足的毛病。
● 革新的GPT硬盘分区模式
除了针对BIOS缺陷的革命，EFI还带来了新的磁盘分区模式GPT。GPT分区模式的一个最明显的改进就是对硬盘容量2TB限制的突破。
1.硬盘容量限制又来了
硬盘容量限制其实一直伴随着我们。最初是528MB、2.1GB，后来是3.2GB、4.2GB，直到8.4G和137G的限制。这主要是由于操作系统及寻址方式的局限造成的。
随着硬盘的容量不断增加，价格不断下降。如果我们新买了一个3TB的硬盘，在分区时又会出现新问题：怎么硬盘只能分出2.2TB，剩余部分没办法管理呢？有没有办法解决？2.2TB容量限制是传统的MBR硬盘分区模式引起的，而EFI方案中的GPT分区表能完美解决这个问题。
传统的分区方案(称为MBR分区方案)是将分区信息保存到磁盘的第一个扇区(MBR扇区)中的64个字节中，每个分区项占用16个字节，这16个字节中存有活动状态标志、文件系统标识、起止柱面号、磁头号、扇区号、隐含扇区数目(4个字节)、分区总扇区数目(4个字节)等内容。由于MBR扇区只有64个字节用于分区表，所以只能记录4个分区的信息。这就是硬盘主分区数目不能超过4个的原因。后来为了支持更多的分区，引入了扩展分区及逻辑分区的概念。但每个分区项仍用16个字节存储。
在MBR分区表中最多能有4个主分区或者3个主分区＋1个扩展分区：从主引导记录的结构可以知道，它仅仅包含一个64个字节的硬盘分区表。由于每个分区信息需要16个字节，所以对于采用MBR型分区结构的硬盘，最多只能识别4个主要分区（Primary partition）。
MBR分区方案无法支持超过2TB容量的磁盘。因为这一方案用4个字节存储分区的总扇区数，最大能表示2的32次方的扇区个数，按每扇区512个字节计算，每个分区最大不能超过2TB。磁盘容量超过2TB以后，分区的起始位置也就无法表示了。（前面讲到MBR硬盘最多管理2.2TB容量，是对应厂商以1000为步进单位来说的，而这里是以1024作为步进单位来讨论，所以换算成容量为2TB。）
2.革新的GPT分区模式
为解决上述问题，微软和英特尔在EFI方案中开发了GPT分区模式。
GPT，即全局唯一标识分区表（Globally Unique Identifier Partition Table Format），它还有一个名字叫GUID分区表(GUID Partition Table) 。GPT是EFI方案的一部分，但并不依赖于EFI主板，在BIOS主板的PC中也可使用GPT分区。与MBR最大4个分区表项的限制相比，GPT对分区数量没有限制，但Windows最大仅支持128个GPT分区。GPT可管理硬盘大小达到了18EB(1EB=1024PB=1，048，576TB)，不过NTFS格式最大仅支持256TB。在目前来看GPT可管理的硬盘容量还是一个天文数字，如果硬盘超过256TB，那就是NTFS格式逐渐被淘汰的时候了。
GPT的分区信息是在分区中，而不像MBR一样在主引导扇区。为保护GPT不受MBR类磁盘管理软件的危害，GPT在主引导扇区建立了一个保护分区，这种分区的类型标识为0xEE，这个保护分区的大小在Windows下为128MB，Mac OS X下为200MB，在Window磁盘管理器里名为GPT保护分区，可让MBR类磁盘管理软件把GPT看成一个未知格式的分区，而不是错误地当成一个未分区的磁盘。
GPT分区的一大优势就是针对不同的数据建立不同的分区，同时为不同的分区创建不同的权限。就如其名字一样，GPT能够保证磁盘分区的GUID的唯一性，所以GPT不允许对整个硬盘进行复制，从而保证了磁盘内数据的安全。
3.操作系统对GPT的支持
从以上两个表中可见，所有32位的Windows系统都是无法使用GPT分区格式的硬盘作为启动盘的，而最常使用的32位Windows XP甚至不能读写GPT硬盘，所以如果使用32位的Vista或更早的Windows系统，那GPT硬盘只能挂载为从盘作为数据盘使用。而Vista以后的64位Windows系统都既支持GPT硬盘的读写，也在UEFI支持下可以作为启动盘使用。当然，我们知道BIOS在引导系统时会去硬盘的MBR中读取引导记录，所以要从GPT硬盘启动，我们就必须要有UEFI的支持，否则是不能成功的。另外，Linux和MacOSX10.6+对GPT提供了完美支持。
在计算机的引导过程中，BIOS在二十多年来作出了举足轻重的贡献。随着硬件和操作系统的不断发展，BIOS已经无法适应时代的潮流，EFI和UEFI取代BIOS是大势所趋。目前，使用UEFI和BIOS兼容的主板大量出现，可以预见，UEFI完全取代BIOS已经为期不远了。
