電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/黃山明）BIOS（Basic Input/Output System）作為計(jì)算機(jī)啟動(dòng)和運(yùn)行過(guò)程中至關(guān)重要的固件，可以被認(rèn)為是計(jì)算機(jī)啟動(dòng)的“基石”，它在計(jì)算機(jī)硬件和操作系統(tǒng)之間起到橋梁作用。

而在過(guò)去的二十年更成熟的UEFI（Unified Extensible Firmware Interface）替代了傳統(tǒng)的BIOS，但隨著時(shí)間流逝，UEFI的諸多問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)。近年來(lái)，業(yè)內(nèi)呼吁推出全新的BIOS標(biāo)準(zhǔn)。在此背景下，近期全球計(jì)算聯(lián)盟（GCC）發(fā)布了團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《統(tǒng)一基本輸入輸出系統(tǒng)（UBIOS）基礎(chǔ)架構(gòu)規(guī)范》（T/GCC 3007-2025）。至此，中國(guó)終于擁有了第一個(gè)完整、標(biāo)準(zhǔn)化、可擴(kuò)展的國(guó)產(chǎn)固件體系標(biāo)準(zhǔn)。

從插線板到UBIOS，計(jì)算機(jī)固件的世紀(jì)進(jìn)化之路

1946年，計(jì)算機(jī)被剛發(fā)明之時(shí)，最初的程序主要是通過(guò)物理插線板或開(kāi)關(guān)手動(dòng)設(shè)置的，每次更換程序都要重新接線。而最初的幾十年，計(jì)算機(jī)也沒(méi)有操作系統(tǒng)，用戶需要手動(dòng)輸入機(jī)器指令。

以ENIAC這臺(tái)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的鼻祖為例，由于沒(méi)有操作系統(tǒng)，每次計(jì)算都要人工設(shè)置初始參數(shù)，電子管來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)算，計(jì)算完成后，結(jié)果會(huì)通過(guò)機(jī)器上的指示燈或打印機(jī)輸出，無(wú)法像現(xiàn)在這樣直接存儲(chǔ)到硬盤(pán)。

這就導(dǎo)致這臺(tái)計(jì)算機(jī)的整機(jī)重約30噸，占地167平方米，包含1.8萬(wàn)個(gè)電子管、7萬(wàn)個(gè)電阻和1萬(wàn)個(gè)電容，是當(dāng)時(shí)體積最龐大的電子設(shè)備。

直到1975年，IBM推出了BIOS，才真正讓計(jì)算機(jī)有了引導(dǎo)程序，或者說(shuō)有了BIOS才能讓計(jì)算機(jī)真正的“開(kāi)機(jī)”了。但BIOS由于技術(shù)較老，啟動(dòng)速度慢，對(duì)硬盤(pán)分區(qū)大小有限制，早期更是最多只能使用2TB，限制了計(jì)算機(jī)的發(fā)展。

因此到了1998年，Intel為了解決傳統(tǒng)BIOS的技術(shù)局限，啟動(dòng)了一個(gè)名為“Intel Boot Initiative”的項(xiàng)目，旨在開(kāi)發(fā)全新的固件接口標(biāo)準(zhǔn)，并在2000年發(fā)布了EFI 1.0版本，最初只為Intel的安騰（Itanium）處理器設(shè)計(jì)，但市場(chǎng)反響有限。

后來(lái)到2005年，Intel將EFI規(guī)范移交給新成立的UEFI 論壇（Unified EFI Forum），該論壇由AMD、微軟、蘋(píng)果、惠普等11家行業(yè)巨頭共同組成。為體現(xiàn)跨平臺(tái)統(tǒng)一性，EFI正式更名為UEFI（Unified Extensible Firmware Interface）。更名后，UEFI被定位為跨架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)（可以支持x86、ARM、RISC-V等），突破了單一廠商限制。

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)普遍采用UEFI，它功能更強(qiáng)大、界面更友好、支持更大硬盤(pán)、更快啟動(dòng)，并具備網(wǎng)絡(luò)、圖形、安全啟動(dòng)等高級(jí)特性。當(dāng)然，由于習(xí)慣，人們通常也會(huì)講UEFI固件稱(chēng)為“BIOS”。

但是二十年過(guò)去，UEFI的局限逐漸顯現(xiàn)，例如作為開(kāi)發(fā)UEFI固件基礎(chǔ)框架的TianoCore，為了兼容各種硬件，積累了大量適配不同平臺(tái)的代碼和模塊，導(dǎo)致整體代碼量達(dá)到數(shù)百萬(wàn)行，異常臃腫，同時(shí)效率低、模塊耦合性高、不適合異構(gòu)計(jì)算和Chiplet等等。

尤其是UEFI的設(shè)計(jì)初衷本身是服務(wù)PC和服務(wù)器，其架構(gòu)相對(duì)龐大，對(duì)資源受限的嵌入式設(shè)備，例如物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、小型工控機(jī)而言，存在過(guò)度設(shè)計(jì)的問(wèn)題，占用了過(guò)多的內(nèi)存和存儲(chǔ)資源，不如那些輕量級(jí)固件高效。

并且UEFI自設(shè)計(jì)起便根植于Intel與Microsoft主導(dǎo)的生態(tài)之中，盡管后來(lái)ARM、RISC-V乃至國(guó)產(chǎn)的LoongArch都已經(jīng)加入到這一標(biāo)準(zhǔn)，但仍然顯得較為生澀。過(guò)去在全球化的背景下，這種表現(xiàn)無(wú)可厚非，但在如今全面要求自主可控的趨勢(shì)下，UEFI成為國(guó)產(chǎn)替代中的一座“大山”。

近期，由GCC主導(dǎo)的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《統(tǒng)一基本輸入輸出系統(tǒng)（UBIOS）接口規(guī)范》，這一標(biāo)準(zhǔn)的確立，標(biāo)志著中國(guó)終于擁有了第一個(gè)完整、標(biāo)準(zhǔn)化、可擴(kuò)展的國(guó)產(chǎn)固件體系標(biāo)準(zhǔn)，為基礎(chǔ)輸入輸出系統(tǒng)構(gòu)建提供標(biāo)準(zhǔn)化框架，提升系統(tǒng)兼容性與穩(wěn)定性。

中國(guó)自己的BIOS

UBIOS標(biāo)準(zhǔn)的起草單位包括中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院、華為等，與UEFI不同的是，UBIOS針對(duì)未來(lái)異構(gòu)計(jì)算、Chiplet等先進(jìn)芯片技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)行了一次從底層理念出發(fā)的重構(gòu)。

近年來(lái)，隨著芯片設(shè)計(jì)從單一大Die轉(zhuǎn)向多Chiplet和異構(gòu)集成，現(xiàn)代SoC包含大量功能IP模塊，有些是“死IP”，即無(wú)固件，依賴(lài)CPU和BIOS配置的IP，有些是“活I(lǐng)P”，也就是那些自帶MCU和固件，可自主運(yùn)行的IP。

傳統(tǒng)BIOS/UEFI對(duì)死IP需逐個(gè)填寄存器驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)致驗(yàn)證周期長(zhǎng)、接口不統(tǒng)一、協(xié)同效率低；而各IP固件之間及與BIOS的通信也缺乏標(biāo)準(zhǔn)，多依賴(lài)低效的Mailbox機(jī)制。

UBIOS在設(shè)計(jì)之初便面向這一趨勢(shì)，解決了三個(gè)核心問(wèn)題，一是為各類(lèi)IP提供一致的固件開(kāi)發(fā)與加載框架；二是定義IP固件之間、IP與主固件之間的高效、可靠通信通道；三是支持IP在集成前獨(dú)立驗(yàn)證，縮短SoC整體開(kāi)發(fā)周期，增強(qiáng)系統(tǒng)自洽性與可維護(hù)性。

簡(jiǎn)而言之，UBIOS通過(guò)固件層面的統(tǒng)一架構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)化通信，有效支撐了Chiplet時(shí)代異構(gòu)IP的高效協(xié)同與快速集成。

并且UBIOS定義了Call ID Service（CIS）和Notify ID Information（NII）接口，將功能抽象為“服務(wù)”，組件間通過(guò)Message ID交互，而非直接依賴(lài)硬件寄存器操作。也就是說(shuō)，UBIOS將硬件地址的硬編碼變成了功能號(hào)碼的軟編碼，接口一旦標(biāo)準(zhǔn)化，那么硬件想怎么換就怎么換。

打個(gè)比方，就好像把“功能”變成像端口號(hào)一樣標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)字，開(kāi)發(fā)者只要知道“0x1203”就能調(diào)用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，而不用關(guān)心它是Intel網(wǎng)卡、Realtek小芯片，還是BMC里的獨(dú)立MCU實(shí)現(xiàn)的。

UBIOS還采用虛擬總線承載，UVB支持多種物理實(shí)現(xiàn)（如PCIe、USB），通過(guò)UVB over X協(xié)議屏蔽底層差異，實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)兼容。這樣就能讓固件團(tuán)隊(duì)不再為“PCIe版”“SMBus版”各維護(hù)一份代碼。并且支持熱插拔零成本，卡插進(jìn)去，UVB自動(dòng)分配節(jié)點(diǎn)號(hào)，OS通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)ID立即找到服務(wù)。哪天要加 MACsec、要加TEE通道，只改UVB傳輸層，應(yīng)用層紋絲不動(dòng)。

并且相比UEFI，UBIOS原生支持ARM、RISC-V及國(guó)產(chǎn)LoongArch架構(gòu)，提供標(biāo)準(zhǔn)化HAL，減少對(duì)x86/ACPI的依賴(lài)。同時(shí)在Secure Boot基礎(chǔ)上，新增TEE集成和動(dòng)態(tài)密鑰管理，支持國(guó)密算法，防御供應(yīng)鏈攻擊。

也可以不再?gòu)?qiáng)制依賴(lài) ACPI、GPT、微軟簽名等 UEFI 生態(tài)組件，可根據(jù)國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)（如 openEuler、麒麟、統(tǒng)信 UOS）需求靈活定制啟動(dòng)流程和安全策略。

與此同時(shí)，UBIOS還通過(guò)UEFI Payload兼容現(xiàn)有UEFI應(yīng)用，利用UEFI2UBIOS Thunk轉(zhuǎn)換層實(shí)現(xiàn)舊固件無(wú)縫遷移，降低過(guò)渡成本。

總結(jié)

UBIOS的出現(xiàn)，標(biāo)志著中國(guó)在基礎(chǔ)軟件底層實(shí)現(xiàn)了從跟隨到引領(lǐng)的關(guān)鍵跨越。它不僅解決了UEFI在異構(gòu)計(jì)算、安全可控、架構(gòu)僵化等方面的瓶頸，更構(gòu)建了一個(gè) 開(kāi)放、自主、面向未來(lái)的國(guó)產(chǎn)固件生態(tài)基座，為國(guó)產(chǎn)芯片、操作系統(tǒng)、整機(jī)廠商提供了統(tǒng)一的底層支撐，是實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)全棧自主可控的重要一環(huán)。