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详细深度讲解UEFI

2025/6/13 22:52:40 来源：https://blog.csdn.net/m0_73510116/article/details/148582365  浏览:  次   关键词：详细深度讲解UEFI

一、UEFI 背景概述

UEFI（统一可扩展固件接口）的诞生背景，源于传统 BIOS（Basic Input/Output System）在以下方面的严重技术瓶颈：

1. BIOS 的局限性

传统 BIOS 源于 1981 年 IBM PC XT 时代，设计初衷是简化开机和操作系统加载，但它在现代环境下暴露出诸多限制：

局限点描述
16 位实模式处理器在 BIOS 启动时仍在 16 位模式，受限于 1MB 地址空间，影响启动效率和功能扩展
不能识别大硬盘BIOS 启动依赖 MBR，最多只支持 2TB 容量和 4 个主分区
驱动固化硬件驱动写死在 BIOS 固件中，不支持动态扩展
启动流程刚性不支持多引导管理和复杂逻辑判断
无安全机制无签名验证，极易被 rootkit 攻击

随着硬件复杂度提升和系统安全需求增强，BIOS 显得力不从心。

二、UEFI 的诞生与发展

1. 起源：Intel EFI 项目

  • 起点：1998年，Intel 在 Itanium 服务器架构项目中，首次提出 EFI（Extensible Firmware Interface）。

  • 初衷：为了解决 BIOS 无法支持 64 位处理器和新硬件的问题。

  • EFI 1.x：作为专属固件接口，用于 Itanium 平台，但未被广泛采用。

2. 转折点：UEFI 2.0 标准发布

  • 2005 年，EFI 被统一改名为 UEFI，并由 UEFI Forum（联合 Intel、AMD、Microsoft、Apple、ARM 等厂商）推动标准化。

  • UEFI 2.3 系列从此成为主流固件架构，并不断发展。

3. 微软推动普及

  • 正式要求 PC 制造商在新设备中预装支持 UEFI。

  • 引入 Secure Boot，提高系统启动安全性。

  • Windows 8（2012年）起：

  • Windows 11（2021年） 更是强制要求启用 UEFI 和 TPM。

三、UEFI 的设计目标

UEFI 不只是替代 BIOS，而是针对现代计算机系统从根本上重新设计的一套启动和服务框架，其目标包括：

目标说明
跨平台支持 x86、x64、ARM、RISC 等架构
高性能启动速度更快，支持并发设备初始化
可扩展性支持模块化驱动加载、第三方扩展
安全性引入 Secure Boot 和签名机制
支持图形化界面支持鼠标和高分辨率显示
服务化设计提供 Boot Services 和 Runtime Services 接口给操作系统调用

四、UEFI 与产业生态的关系

UEFI 的发展推动了以下产业链协同演进：

  • 主板厂商：如 ASUS、Gigabyte、MSI 提供支持 UEFI 的固件与设置界面。

  • 系统厂商：如 Windows、Linux、macOS 都提供原生 UEFI 启动支持。

  • 芯片厂商：Intel、AMD 的 CPU 和芯片组支持 UEFI。

  • 安全技术：Secure Boot 与 TPM 集成，构建可信计算基础。

  • 开发者生态：可以开发独立的 .efi 程序、固件驱动、启动管理器（如 rEFInd）。

五、UEFI 推广背后的战略意义

  1. 标准化平台接口：

    • 统一启动行为，使主板厂商和操作系统厂商之间协同更紧密。

  2. 打击恶意软件：

    • 防止 rootkit 和 bootkit，从引导层提升整体系统安全。

  3. 推动新硬件采用：

    • 支持 NVMe、PCIe 启动设备、大容量硬盘等新技术。

  4. 统一引导逻辑：

    • 让多操作系统并存（Windows + Linux + macOS）成为现实。

02

Number

UEFI 各组成模块详解

1. Platform Initialization（PI）阶段

由 Intel 定义的固件初始化标准，分为四个子阶段：

阶段全称功能说明
SECSecurity Phase初始化 CPU，建立最基本的执行环境
PEIPre-EFI Init初始化内存（RAM），准备 DXE 执行环境
DXEDriver Execution Environment加载各种驱动程序，支持模块化扩展，硬件初始化完整
BDSBoot Device Select选择启动设备，进入启动服务阶段

2. UEFI Boot Services

  • 内存分配（AllocatePages）

  • 驱动加载（LoadImage/StartImage）

  • 协议注册与定位（InstallProtocol, HandleProtocol）

  • 事件管理（CreateEvent, WaitForEvent）

  • 提供启动期间可用的服务，如：

  • 在加载 OS 前都有效，OS 启动后会释放这些服务。

3. UEFI Runtime Services

  • 获取/设置时间（GetTime, SetTime）

  • 重启系统（ResetSystem）

  • 访问 UEFI 变量（GetVariable, SetVariable）

  • 高级安全服务（如 Secure Boot 密钥存取）

  • 启动操作系统之后仍然存在，可被 OS 调用。

  • 提供：

4. UEFI 驱动与应用

  • 以 .efi 文件形式存在，可运行于 UEFI shell 或从 ESP 加载。

  • 驱动：DXE 阶段加载的模块化驱动。

  • 应用：如启动管理器、引导程序、诊断工具、UEFI shell 等。

5. EFI System Partition（ESP）

  • 格式为 FAT32。

  • 存储 .efi 程序，包括启动项、驱动、启动管理器。

  • 启动流程中从这里加载 OS loader。

6. OS Loader 与操作系统

  • Windows：bootmgfw.efi

  • Linux：grubx64.efi

  • macOS：boot.efi

  • Loader 接管控制权，加载内核并启动操作系统。

UEFI 架构特性

特性描述
模块化设计驱动、应用、协议解耦，支持动态加载
服务化架构提供 Boot 和 Runtime Services，统一接口
跨平台支持兼容 x86、x64、ARM 等架构
安全机制Secure Boot、TPM 集成
支持图形化界面支持 GOP（Graphics Output Protocol）
编程接口清晰使用标准 C 语言接口，文档完备，易于开发

UEFI 与传统 BIOS 的架构对比

项目BIOSUEFI
模式16 位实模式32/64 位保护模式
存储分区限制MBR（最大 2TB）GPT（支持最大 9.4ZB）
启动方式Boot Sector 引导可启动任意 EFI 文件
驱动机制固化在 ROM 中可热插拔、模块化加载
扩展性极差极强，支持网络启动、诊断工具等
安全性无支持 Secure Boot、签名验证

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Number

UEFI和BIOS区别以及启动类型关系

✅ UEFI 与 BIOS 的区别

项目BIOSUEFI
启动模式Legacy BIOSUEFI
启动分区类型MBR（最多支持2TB，最多4个主分区）GPT（支持超过2TB，多达128个分区）
图形界面无，通常是蓝底白字有图形界面和鼠标支持
启动速度相对较慢更快
安全启动不支持支持（Secure Boot）
可扩展性差好，模块化结构

✅ UEFI 的主要功能

  1. 启动操作系统：支持从 GPT 分区表启动。

  2. Secure Boot 安全启动：防止恶意软件在操作系统加载前运行。

  3. 支持更大硬盘：突破 MBR 的 2TB 限制。

  4. 图形化设置界面：比 BIOS 更人性化。

✅ 如何判断系统是否使用 UEFI

  1. 在 Windows 上：

    • 显示为 “UEFI” 就是使用了 UEFI。

    • 显示为 “Legacy” 就是传统 BIOS。

    • 运行 msinfo32 → 查看 BIOS 模式：

  2. 查看磁盘分区：

    • 若使用 GPT 分区表，系统多半采用 UEFI 启动。

✅ UEFI 启动常见场景

  • 安装 Windows 10/11 时，如果使用 GPT 分区格式，则必须以 UEFI 模式启动安装盘。

  • 在主板 BIOS 设置中切换启动模式时，需注意系统兼容性及已有数据。

捕获.PNG

✅ 常见问题

Q：UEFI 和 GPT 一定要配合使用吗？
A：不是强制，但一般建议配合使用。UEFI 模式最适合 GPT 分区表，Legacy BIOS 则偏向 MBR。

Q：可以从 Legacy 转 UEFI 吗？
A：可以。Windows 10/11 支持用 Microsoft 的 MBR2GPT 工具转换，不过需要确保硬盘布局和主板支持。

一、MBR

MBR 是 Master Boot Record（主引导记录） 的缩写，是一种老式的磁盘分区结构格式，也是早期计算机与传统 BIOS 启动的基础。它与 UEFI 相关的 GPT 分区格式相对。

✅ MBR 是什么？

MBR 是硬盘的第一个扇区（通常是第 0 扇区），总共 512 字节，结构如下：

  1. 主引导代码（446 字节）：用于引导操作系统。

  2. 分区表（64 字节）：最多定义 4 个主分区。

  3. 结束标志（2 字节）：固定为 0x55AA，表示这是一个有效的 MBR。

✅ MBR 的主要特点

项目MBR
最大支持磁盘容量2TB
分区限制最多 4 个主分区（或 3 主 + 1 扩展）
启动兼容模式传统 BIOS 启动
数据结构位置固定在磁盘起始扇区
兼容性老主板普遍支持

✅ MBR 与 GPT 对比

特性MBRGPT
最大支持容量2TB理论最大 18EB+（远超现实需求）
分区数限制4 个主分区（或逻辑分区方案）多达 128 个分区（Windows）
引导方式BIOSUEFI
可靠性无备份，容易损坏有主副 GUID 分区表备份
校验机制无有 CRC32 校验更安全

✅ 何时使用 MBR？

  • 系统是老式 BIOS（非 UEFI）时，只能用 MBR。

  • 安装旧版操作系统（如 Windows 7 32 位）时推荐 MBR。

  • 部分老硬件和 U盘格式化可能默认是 MBR。

✅ 如何查看磁盘是否是 MBR？

在 Windows 上：

  1. 打开“磁盘管理”（Win+X → 磁盘管理）。

  2. 右键点击左侧的“磁盘 0/1…” → 属性 → 卷 → 分区样式：

    • 显示“主引导记录（MBR）”说明就是 MBR；

    • 显示“GUID 分区表（GPT）”则是 GPT。

✅ 常见工具

  • diskpart：传统命令行工具（会清除数据）。

  • mbr2gpt：Windows 10 自带的无损转换工具。

  • 使用工具如 Rufus，选择“MBR 分区方案用于 BIOS 或 UEFI-CSM”。

  • 转换 MBR ↔ GPT：

  • 制作 MBR 启动盘：

✅ 技术提醒

如果你在给硬盘装系统或迁移系统，BIOS 模式 + MBR，UEFI 模式 + GPT 是最稳定的搭配。

二、GPT

GPT 是 GUID Partition Table（全局唯一标识分区表） 的缩写，是现代磁盘分区标准，专为替代传统的 MBR 而设计，配合 UEFI 固件使用效果最佳。

✅ GPT 是什么？

GPT 是一种更先进、更可靠的磁盘分区格式，解决了 MBR 的诸多限制：

  • 支持更大的磁盘容量（> 2TB）

  • 支持更多分区（> 4个）

  • 具有分区表冗余备份（首尾各一份）

  • 使用 CRC32 校验，增强数据完整性

✅ GPT 的结构图（简化版）

 

css
 

 

[保护 MBR] [主 GPT 表头] [主分区表] [...数据区...] [备份分区表] [备份 GPT 表头]
 

  •  
    保护 MBR：为了兼容旧系统，GPT 仍在最前保留一个伪造的 MBR。
     
  •  
    主 GPT 表头 & 分区表：记录磁盘结构。
     
  •  
    备份 GPT 表头 & 分区表：防止主表损坏时丢失结构信息。
     
 

 

✅ GPT 的主要优势
 

特性GPT
最大支持容量超过 18EB（EB = 百万 TB）
最大主分区数128（Windows）
启动方式UEFI（非 BIOS）
数据完整性CRC 校验 + 分区表冗余备份
多操作系统支持Windows、Linux、macOS 都支持
分区名称支持支持自定义分区名称
 

✅ GPT 与 MBR 的对比（重点区别）
 

对比项目GPTMBR
最大磁盘容量>18 EB（非常大）最多 2TB
主分区数多达 128 个（Windows）最多 4 个（或3主+扩展+逻辑分区）
校验机制CRC32 校验（更安全）无
分区表冗余有主副 GPT 表头无
启动兼容性需配合 UEFI 固件可用传统 BIOS 启动
 

✅ 如何查看磁盘是否是 GPT？
 

在 Windows：
 

  1.  
    打开 磁盘管理（Win+X → 磁盘管理）
     
  2.  
    右键点击左侧“磁盘 0” → 属性 → “卷” → 查看“分区样式”
     
    •  
      如果是 GUID 分区表（GPT），就是 GPT 格式
       
     
 

 

✅ 转换 MBR ↔ GPT 的方法
 

Windows 自带工具：
 

MBR → GPT（不丢数据）：使用 mbr2gpt（Windows 10 1703+）
 

 

bash
 

 

mbr2gpt /convert /allowFullOS
 

  •  
    GPT → MBR（会清除数据）：用 diskpart：
     
     
    bash
     
     
    diskpart list diskselect disk X clean convert mbr
     
 

 
⚠️ 注意：转换会影响系统启动方式，可能需要进入 BIOS 设置切换 UEFI/Legacy。
 

 

 

✅ 安装系统时选择 GPT 的提示
 

场景建议使用分区类型启动方式
安装 Windows 10/11 新系统GPTUEFI
旧电脑 + 传统 BIOSMBRLegacy BIOS
移动硬盘/U盘作系统盘GPT（现代主板）UEFI
 

✅ 制作 GPT 启动盘
 

  •  
    分区类型：GPT
     
  •  
    目标系统：UEFI（非 CSM）
     
 

  •  
    使用 Rufus 选择：
     
  •  
    ISO 镜像选择 Windows 10/11 安装镜像
     
 

 

04 UEFI 优点与不足
 

Number
 

 

✅ 优点
 

  •  
    支持大容量硬盘（>2TB）
     
  •  
    启动速度快
     
  •  
    模块化、可扩展
     
  •  
    Secure Boot 提高安全性
     
  •  
    图形化界面，操作友好
     
 

❌ 不足
 

  •  
    配置复杂，尤其是在多系统环境下
     
  •  
    Secure Boot 可能导致 Linux 无法启动（除非关闭或签名 GRUB）
     
  •  
    某些主板厂商实现存在兼容问题
     
 

 

05
 

Number
 

UEFI 与 BIOS 并存的问题
 

  •  
    为兼容旧设备或旧系统，很多主板提供 CSM（Compatibility Support Module）。
     
  •  
    开启 CSM 后可使用 Legacy BIOS 模式启动。
     
  •  
    安装新系统时建议关闭 CSM，纯 UEFI 模式更为稳定和安全。
     
 

 

06
 

Number
 

总结
 

UEFI 是一个强大而现代的启动系统，不仅替代了传统BIOS，还带来了更强的安全性、可扩展性、性能优化等优点。对于操作系统安装、硬件兼容、安全启动机制等方面都有极大的提升。理解 UEFI 是深入学习计算机系统和运维的基础。








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