BIOS与UEFI启动过程

► 启动模式背景

接下来，我们将深入探讨BIOS、EFI和UEFI在现代计算机启动中的角色和区别。首先，要明确的是，BIOS是一种存储在BIOS芯片中的程序，而现代新式电脑普遍采用UEFI启动，早期过渡电脑则多采用EFI启动。值得注意的是，EFI或UEFI的一部分同样被存储在芯片中。尽管在表面形式和基本功能上，EFI/UEFI与BIOS有所相似，但它们本质上是不同的。因此，在讨论时，我们更倾向于将存储EFI/UEFI的芯片称为EFI/UEFI BIOS芯片，而将EFI/UEFI直接称为EFI/UEFI BIOS。但为了更准确地区分，我们还是建议去除“BIOS”的后缀，以更清晰地阐述BIOS、EFI和UEFI之间的差异。接下来，我们将详细探讨这三种启动方式的异同。

► BIOS功能与运行

前文已提及，BIOS在计算机中扮演着至关重要的角色，涵盖了自检、CMOS设置、引导操作系统启动以及提供硬件I/O和中断等多项核心功能。为了更好地理解这些功能，BIOS程序被精心划分为多个模块，包括Boot Block引导模块、CMOS设置模块、扩展配置数据（ESCD）模块，以及DMI硬件数据收集模块。其中，引导模块肩负着执行BIOS程序入口、检测和初始化基本硬件的重任。ESCD模块则负责在BIOS与操作系统之间交换硬件配置数据。DMI作为硬件管理工具与系统层之间的桥梁，使得用户能够直观地获取硬件的详尽信息。而CMOS设置模块则是对这些硬件信息进行设置并保存的关键所在，它是BIOS程序中除了启动初始化之外另一大常用功能。

值得注意的是，BIOS程序本身是用汇编语言编写的，在16位实模式下通过调用INT 13H中断来执行。尽管现代CPU已普遍采用64位架构，但在BIOS启动过程中，由于兼容性问题，系统仍需在16位实模式下运行。在这种模式下，系统可直接访问的内存仅限于最初的1MB。

► BIOS启动流程

了解完这些背景知识后，我们接下来将深入探讨BIOS启动计算机的具体流程。当用户按下电源开关时，电源开始向主板及其他设备供电。在电压稳定之前，主板北桥会向CPU发送复位信号以进行初始化。一旦电压稳定，复位信号即被撤除，CPU则在系统BIOS保留的内存地址处开始执行POST自检等后续操作。

在计算机启动过程中，BIOS会进行POST自检，主要针对系统的核心硬件进行检测，包括CPU、640K基本内存、显卡等关键组件。此外，还会检查PS/2键盘控制器、系统时钟等设备是否存在错误。由于POST自检在显卡初始化之前进行，若在此阶段发现错误，屏幕上可能无法显示，但主板上的报警扬声器会发出声音。根据报警声的不同，可以初步判断故障所在。例如，一声短“嘀”声通常表示正常启动，而不同的短“嘀”声和长“嘀”声组合则代表不同的错误类型。

POST自检完成后，BIOS将开始调用中断服务例程，进行各种硬件的初始化工作。这一阶段包括检测并初始化显卡，使得电脑能够显示出开机启动画面。然而，由于BIOS在16位实模式下运行，该画面仅能以VGA分辨率（640480，纵横比4:3）显示。此外，BIOS只能识别由主引导记录（MBR）初始化的硬盘。

完成硬件初始化后，BIOS将进入ESCD更新阶段。BIOS会检测并更新存储在CMOS中和操作系统交换的硬件配置数据。如果系统硬件发生变动，ESCD数据将被更新；否则，将保持原状不变。ESCD检测或更新完成后，BIOS将启动操作系统，完成启动过程。

► UEFI的特性与功能

为了兼容这些旧技术，英特尔在一代又一代的处理器中保留了16位实模式。但在2001年，英特尔推出了全新的安腾处理器和IA-64架构，并伴随着EFI技术的问世。遗憾的是，安腾处理器和IA-64架构并未得到广泛推广，而EFI及其后续的UEFI技术却逐渐成为电脑的主要预启动环境。

EFI，全称Extensible Firmware Interface，意为可扩展固件接口，是一个模块化、以高级语言（主要使用C语言）构建的小型化系统。与BIOS相似，EFI在启动过程中负责硬件初始化。然而，它通过直接加载EFI驱动来识别和初始化系统硬件，从而彻底摒弃了传统的中断执行方式。

随着EFI的诞生，一种全新的GUID磁盘分区系统（GPT）也被引入。与传统MBR磁盘相比，GPT支持任意多的分区，且每个分区的大小原则上是无限制的。

总结EFI的优势，包括采用32位或64位技术，摒弃了16位实模式，以及通过直接加载驱动程序来实现硬件的高效管理。此外，安全启动功能通过主板上的TPM芯片对硬件进行签名验证，只有经过认证的硬件驱动才能在UEFI环境下加载。

► EFI到UEFI的发展

当EFI发展至1.1版本时，英特尔决定将其公开化，此举吸引了众多公司加入，推动了2.0版本的发展。此后，EFI不再局限于英特尔，而是成为了一个国际组织Unified EFI Form的标准。因此，EFI在2.0之后也被更名为UEFI。UEFI中的“U”代表“Unified”（统一），意味着“统一的可扩展固件接口”。相较于前身的EFI，UEFI在功能上有诸多改进。

总结而言，UEFI在现代系统中的适应能力极强，通过CSM兼容性支持模块支持旧设备，如在UEFI下挂载传统MBR硬盘。其预加载环境和驱动执行环境是存储在UEFI（UEFI BIOS）芯片中，使得启动过程流畅且高效，不断提高用户系统的兼容性和安全性。

综上所述，虽然BIOS和UEFI在启动计算机的过程上有所不同，但UEFI作为一种更新、更高效的启动模式，逐步成为现代计算机的主流选择。其具备的64位兼容性、驱动加载机制和安全启动等功能，极大地提升了硬件初始化和操作系统引导的效率，为更广泛的技术发展提供了坚实的基础。