傳統(tǒng)BIOS（Basic Input/Output System）由IBM 1981年在其第一代 IBM PC[1]中引入，負(fù)責(zé)啟動時的硬件檢測和初始化，并為操作系統(tǒng)提供硬件抽象層。這一設(shè)計被廣泛模仿，成為PC行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。但其局限性（如開發(fā)效率低、啟動速度慢和MBR分區(qū)表缺陷）在新時代硬件面前愈發(fā)明顯。

為解決BIOS的不足，并提升安全性，UEFI[2]（Unified Extensible Firmware Interface）標(biāo)準(zhǔn)被引入。作為取代BIOS的現(xiàn)代化解決方案，UEFI不僅解決了BIOS的瓶頸，還引入了:

模塊化設(shè)計

安全啟動機(jī)制

更好的大容量存儲支持

更多的啟動設(shè)備支持

本文將簡單介紹UEFI的背景、核心組件及基于spacemit K1[3]平臺的解決方案。

歷史與演進(jìn)

起源

UEFI的前身是Intel于1998年提出的EFI （Extensible Firmware Interface），旨在為Itanium服務(wù)器提供更高效的啟動環(huán)境。2005年，UEFI論壇成立，由Intel、微軟、AMD等廠商共同推動標(biāo)準(zhǔn)化。

版本

UEFI 2.0（2006）：UEFI論壇制定的首版規(guī)范，64位架構(gòu)支持，奠定模塊化驅(qū)動和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議基礎(chǔ)。

UEFI 2.4（2013）：強(qiáng)化安全啟動（Secure Boot）和ACPI集成。

UEFI 2.8（2022）：新增RISC-V架構(gòu)支持。

UEFI 2.11（2024）：內(nèi)存管理增強(qiáng)，錯誤處理改進(jìn)，新增龍芯LoongArch架構(gòu)的支持，新增國密算法（SM2, SM3）支持。

演進(jìn)

UEFI標(biāo)準(zhǔn)未來會繼續(xù)關(guān)注如下幾個方向：

新的硬件標(biāo)準(zhǔn)支持，如PCIe 6.0，DDR6等；

安全性持續(xù)增加，加密算法和安全機(jī)制更新；

啟動速度提升，優(yōu)化啟動流程，減少啟動時間；

多架構(gòu)兼容（x86/ARM/RISCV）

核心組件

UEFI通過規(guī)范定義了一整套完整的標(biāo)準(zhǔn)化接口和服務(wù)，對上屏蔽硬件細(xì)節(jié)；在硬件平臺發(fā)生變更后，通過UEFI固件提供服務(wù)，確保操作系統(tǒng)不受影響。

UEFI組件總覽[4]

啟動服務(wù)

啟動服務(wù)（Boot Service）的主要功能是為操作系統(tǒng)加載前的系統(tǒng)初始化提供支持，啟動服務(wù)在操作系統(tǒng)加載完成后會被終止，操作系統(tǒng)接管系統(tǒng)資源。這一過程通過調(diào)用 ExitBootServices 函數(shù)實(shí)現(xiàn)：

ExitBootServices：通知 UEFI 固件操作系統(tǒng)已準(zhǔn)備好接管系統(tǒng)資源，啟動服務(wù)將被禁用。

啟動服務(wù)提供的service羅列如下。

內(nèi)存管理

分配和釋放內(nèi)存，支持不同類型的物理內(nèi)存（如常規(guī)內(nèi)存和保留內(nèi)存）。

事件處理

UEFI中只有timer中斷，利用timer來創(chuàng)建和管理事件，支持異步操作和定時器功能。

協(xié)議管理

安裝、卸載和查找協(xié)議（Protocol），用于驅(qū)動程序和應(yīng)用程序之間的通信。

鏡像加載

加載和啟動操作系統(tǒng)內(nèi)核或其他可執(zhí)行鏡像。

設(shè)備管理

提供對硬件設(shè)備的訪問和控制。

運(yùn)行時服務(wù)

運(yùn)行時服務(wù)（Runtime Services） 在操作系統(tǒng)運(yùn)行期間提供一系列關(guān)鍵功能，包括時間管理、變量服務(wù)和系統(tǒng)重置等。與啟動服務(wù)不同，運(yùn)行時服務(wù)在操作系統(tǒng)加載完成后仍然可用，為操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序提供與固件的交互接口。

時間管理

獲取和設(shè)置系統(tǒng)時間。

變量服務(wù)

讀寫 UEFI 變量（如啟動順序、硬件配置等）。UEFI 變量通常用于存儲系統(tǒng)配置信息，例如：

啟動順序（BootOrder）：定義系統(tǒng)的啟動設(shè)備順序。

硬件配置：存儲硬件相關(guān)的設(shè)置（如網(wǎng)絡(luò)配置、安全設(shè)置等）。

系統(tǒng)重置

支持系統(tǒng)重啟或關(guān)機(jī)（RISC-V架構(gòu)下，系統(tǒng)重啟和關(guān)機(jī)通過openSBI實(shí)現(xiàn)）。

虛擬內(nèi)存管理

在操作系統(tǒng)運(yùn)行期間管理虛擬內(nèi)存映射。

SMBIOS

SMBIOS（System Management BIOS） 是由 DMTF（分布式管理任務(wù)組）制定的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，旨在為操作系統(tǒng)和管理工具提供系統(tǒng)硬件信息的標(biāo)準(zhǔn)化接口。通過一種結(jié)構(gòu)化的方式，將系統(tǒng)的硬件配置、固件版本、主板信息等數(shù)據(jù)傳遞給操作系統(tǒng)或管理工具。

SMBIOS 數(shù)據(jù)表由UEFI生成，存儲在系統(tǒng)內(nèi)存中，操作系統(tǒng)可以通過system table訪問這些數(shù)據(jù)。

硬件信息描述：提供系統(tǒng)硬件配置的詳細(xì)信息，例如處理器、內(nèi)存、主板、存儲設(shè)備等。

固件信息傳遞：傳遞固件版本、制造商信息等數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)管理支持：為系統(tǒng)管理工具（如 IPMI、Redfish）提供硬件信息支持。

SMBIOS 表的訪問

操作系統(tǒng)或管理工具可以通過以下方式訪問 SMBIOS 表：

System table：kernel下通過EFI_SYSTEM_TABLE獲取EFI_CONFIGURATION_TABLE，進(jìn)而定位SMBIOS表的地址

操作系統(tǒng)：用戶可以通過工具（如 dmidecode）查詢 SMBIOS 數(shù)據(jù)，獲取系統(tǒng)的硬件信息。

系統(tǒng)管理工具：IPMI、Redfish標(biāo)準(zhǔn)中使用 SMBIOS 數(shù)據(jù)監(jiān)控硬件狀態(tài)、診斷故障和管理系統(tǒng)資源。

ACPI

ACPI（Advanced Configuration and Power Interface，高級配置與電源接口）是由 Intel、Microsoft、Toshiba 等公司聯(lián)合制定的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，旨在取代傳統(tǒng)的 BIOS 電源管理接口（如APM，Advanced Power Management）。

ACPI用于定義操作系統(tǒng)與硬件之間的電源管理和硬件配置接口。ACPI 提供了一種標(biāo)準(zhǔn)化的方式，使操作系統(tǒng)能夠管理硬件資源、控制電源狀態(tài)，并支持即插即用功能。其不僅定義了電源管理功能，還提供了硬件資源的描述和配置接口。

ACPI 表

ACPI 表是 ACPI 的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于描述硬件資源和電源管理信息。ACPI 表通常在 UEFI 的 DXE（Driver Execution Environment）階段生成，并由 UEFI 傳遞給操作系統(tǒng)。

ACPI框架[5]

ACPI table以二進(jìn)制格式存儲，操作系統(tǒng)通過解析這些表獲取硬件信息。常見的 ACPI 表包括：

DSDT（Differentiated System Description Table）：包含系統(tǒng)的硬件描述和電源管理信息。

FADT（Fixed ACPI Description Table）：描述固定的硬件資源和電源管理寄存器。

SSDT（Secondary System Description Table）：提供額外的硬件描述信息。

MADT（Multiple APIC Description Table）：描述多處理器系統(tǒng)的中斷控制器配置。

SRAT（System Resource Affinity Table）：描述系統(tǒng)資源的親和性（例如 NUMA 架構(gòu)中的內(nèi)存和 CPU 關(guān)系）。

RHCT（RISC-V Hart Capabilities Table）：描述RISC-V CPU核心（HARTs）的能力和配置信息，如 CPU ID、支持的 ISA 擴(kuò)展等。

ACPI 電源管理

ACPI 定義了多種電源狀態(tài)，用于管理系統(tǒng)的功耗和性能。

全局電源狀態(tài)轉(zhuǎn)換[5]

全局電源狀態(tài)（Global System States）

G0（Working State）：系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)。

G1（Sleeping State）：系統(tǒng)處于睡眠狀態(tài)，分為多個子狀態(tài)（S1-S4）。

S1：CPU 停止執(zhí)行指令，但內(nèi)存保持供電。

S2：CPU 斷電，內(nèi)存保持供電。

S3（Suspend to RAM）：CPU 和大部分硬件斷電，內(nèi)存保持供電。

S4（Suspend to Disk）：系統(tǒng)狀態(tài)保存到磁盤，內(nèi)存斷電。

G2（Soft Off）：系統(tǒng)處于軟關(guān)機(jī)狀態(tài)，部分硬件（如網(wǎng)絡(luò)接口）可能保持供電。

G3（Mechanical Off）：系統(tǒng)完全斷電。

設(shè)備電源狀態(tài)（Device Power States）

D0：設(shè)備處于正常工作狀態(tài)。

D1/D2：設(shè)備處于低功耗狀態(tài)。

D3：設(shè)備處于關(guān)閉狀態(tài)。

Protocol

Protocol（協(xié)議） 是 UEFI中的一個核心概念，用于定義驅(qū)動程序、應(yīng)用程序和固件之間的交互接口，通過 Protocol，UEFI 能夠?qū)崿F(xiàn)模塊化設(shè)計和動態(tài)綁定，提供強(qiáng)大的硬件管理和擴(kuò)展能力。

protocol的組成[4]

Protocol 類似于面向?qū)ο?a target="_blank">編程中的接口或抽象類，提供了一種標(biāo)準(zhǔn)化的方式，使不同組件能夠相互通信和協(xié)作。

每個 Protocol 包含一組函數(shù)指針和數(shù)據(jù)字段，用于實(shí)現(xiàn)特定的功能。

標(biāo)準(zhǔn)化接口：Protocol 定義了統(tǒng)一的接口規(guī)范，使不同組件能夠相互兼容。

動態(tài)綁定：Protocol 通過句柄（Handle）綁定到特定設(shè)備或服務(wù)，支持動態(tài)加載和卸載。

模塊化設(shè)計：Protocol 支持模塊化設(shè)計，便于擴(kuò)展和維護(hù)。

OS LOADER

OS Loader（操作系統(tǒng)加載器） 是 UEFI 啟動流程的一部分，依賴于 UEFI 的啟動服務(wù)（Boot Services）和運(yùn)行時服務(wù)（Runtime Services），從啟動設(shè)備（如硬盤、光盤或網(wǎng)絡(luò)）加載操作系統(tǒng)內(nèi)核，并為其準(zhǔn)備執(zhí)行環(huán)境，將控制權(quán)從 UEFI 固件轉(zhuǎn)移到操作系統(tǒng)。

OS Loader 的實(shí)現(xiàn)通常由操作系統(tǒng)開發(fā)者完成，以下是一些常見的 OS Loader 實(shí)現(xiàn)：

Windows Boot Manager

Windows的OS Loader是bootmgfw.efi，其主要功能包括：

加載Windows內(nèi)核

準(zhǔn)備 Windows 啟動環(huán)境

GRUB（Grand Unified Bootloader）

GRUB 是 Linux 系統(tǒng)中常用的 OS Loader，其主要功能包括：

加載 Linux 內(nèi)核（vmlinuz）和ramdisk（initrd）

支持多操作系統(tǒng)啟動

提供命令行界面，用于調(diào)試和配置

UEFI on Spacemit K1

Spacemit K1是一顆8核64位RISC-V AI CPU，基于開源Tianocore EDK2解決方案，完成了K1上的UEFI適配。

啟動流程

K1上UFEI解決方案啟動流程如下圖。

基于RISC-V當(dāng)前的firmware標(biāo)準(zhǔn)和開源實(shí)現(xiàn)：

bootloader

bootloader存儲于spi nor flash上，包含如下圖3個主要模塊。

FSBL

FSBL基于uboot工程編譯而來，實(shí)現(xiàn)UEFI PEI階段的：

DDR初始化

加載opensbi與EDK2

更新memory信息，并通過dtb傳遞給EDK2

openSBI

基于開源openSBI解決方案，提供machine態(tài)的基礎(chǔ)服務(wù)：

Cache管理

TLB管理

suspend/resume管理

EDK2

基于開源tianocore EDK2開源解決方案，提供：

EFI boot service，提供系統(tǒng)啟動相關(guān)服務(wù)

存儲驅(qū)動（emmc，sd，nvme）和USB驅(qū)動，支持從卡、emmc、NVME、U盤中啟動

GOP（Graphic Output Protocol），支持通過HDMI顯示啟動菜單

Variable service，實(shí)現(xiàn)啟動選項(xiàng)的配置，如啟動順序、啟動時間等

grub

OS loader選擇基于開源grub2的解決方案。

grub作為一個EFI application，存儲于ESP分區(qū)，經(jīng)EDK2加載和運(yùn)行；

通過/boot/grub/grub.cfg配置文件，完成多系統(tǒng)識別與引導(dǎo)，并配置啟動菜單；

加載內(nèi)核鏡像和init ramdisk，完成系統(tǒng)加載和控制權(quán)切換；

kernel鏡像與rootfs存儲于emmc或nvme等存儲器上。

通過上述提供的解決方案，實(shí)現(xiàn)在K1方案板上，支持從多種啟動介質(zhì)上，完成linux系統(tǒng)的加載和啟動；并能通過EDK2啟動菜單，完成啟動優(yōu)先級的配置和修改。