Linux用户的UEFI固件指南
今天，让我们来讨论计算机主板的固件－BIOS和UEFI．UEFI本身是一个非常复杂的技术标准，下面仅介绍最基本的知识．
UEFI BIOS还是UEFI?
你会看到有人说UEFI BIOS，甚至有的主板固件也会标明UEFI BIOS．但实际上BIOS不是固件的通用叫法．BIOS只是IBM兼容PC里的一个具体的固件．UEFI是另外一种固件的标准．所以，UEFI应该只被称呼为UEFI，而不是UEFI BIOS．
为什么需要BIOS?
BIOS的全称为Basic Input/Output System（基本输入输出系统）．它的职责是：
- 初始化CPU和RAM
- 开机自检(Power on Self Test)
- 初始化LAN, PCIe接口
- 启动MBR分区的boot loader，或USB存储设备，网络上的boot loader．
当它完成以上任务时，BIOS将控制权交给操作系统．
Legacy BIOS
因为BIOS是在1985年诞生的，至今已经有31年历史了，所以有时候BIOS也会被称为Legacy BIOS．在八九十年代，鼠标键盘用的是PS/2接口，软盘(floppy disk)也非常流行，今天这些技术已经过时了，但BIOS里还保留了针对这些过时技术的代码．
什么是UEFI?
UEFI的前身是EFI，全称为Extensible Firmware Interface（可扩展的固件接口）．EFI是由Intel公司于上世纪90年代开始研发的．当时Intel正在生产64位的处理器．但是BIOS的代码是16位的，不能充分发挥64位处理器的作用．所以Intel便开发一种新的固件，即EFI．第一个版本的EFI于2002年发布．2005年，计算机硬件和软件厂商联合组成了UEFI论坛．开头的U，代表Unified，意指计算机硬件和软件厂商之间的统一．
UEFI实际上只是一个固件的标准，而不是具体的固件实现．任何人都可以按照UEFI标准来写自己的UEFI兼容的固件，简称UEFI固件．
BIOS和UEFI的不同之处
编程语言不同
BIOS是用汇编语言写的，而UEFI固件是99%都是用C语言写的．对于程序员来说，C语言更易于阅读，维护，添加或删除新功能．
OptionROM vs. 驱动
BIOS固件要求主板的其他设备采用OptionROM存放代码．例如，网卡的OptionROM可以增强BIOS的功能，让计算机从网络上的其他设备启动．瘦客户端（thin client）就是利用网卡的OptionROM来启动远程主机的操作系统．但OptionROM最大容量只有64KB，它不能从硬盘，USB设备加载．另外，OptionROM依赖于具体的硬件，移植性差．如果硬件变了，那么OptionROM的代码也得变．
如果主板用的是UEFI固件，那么程序员就不需要写OptionROM代码了，而是写驱动程序．驱动程序没有OptionROM以上的缺点．
MBR vs. GPT
BIOS固件通常要求硬盘采用MBR分区．MBR的全称是Master Boot Record．MBR分区有两个缺陷，一是主分区不能超过4个，二是不支持2TB以上容量的硬盘．
UEFI固件要求硬盘采用GPT分区．GPT的全称是GUID Parition Style．GPT允许硬盘有128个主分区，并且支持2TB以上容量的硬盘．
在使用BIOS固件的计算机上，Linux支持硬盘采用GPT分区，这时硬盘上要有一个bios_grub分区．这个分区通常为1MB大小．而windows只支持MBR分区．
BIOS在初始化硬件和开机自检后，仍然会提供一些服务，而UEFI只在启动时提供服务，启动完成后将控制权完全交给操作系统．
UEFI Shell
UEFI固件还有一个UEFI Shell，它看起来像Linux的终端．UEFI Shell有自己的命令语法，可以让你运行一些UEFI程序．
启动模式
有一些UEFI固件内置了一个兼容支持模块(Compatibility Support Module, CSM)．CSM可以让主板使用BIOS模式，在这种情况下，计算机可以有3种启动模式．
- BIOS模式
- BIOS和UEFI混合模式
- 原生UEFI模式 (native UEFI)
注意，混合模式是不同于原生UEFI模式的．如果你真的想让你的计算机使用UEFI，那么你必须关闭CSM模块，启用原生UEFI模式．原生UEFI可以加快系统启动速度，因为这时候不需要加载BIOS代码．
操作系统支持
- MS Windows只支持BIOS固件＋MBR硬盘，或UEFI固件＋GPT硬盘．
- Linux支持BIOS固件+MBR硬盘，BIOS固件+GPT硬盘，UEFI固件＋GPT硬盘，以及UEFI固件＋MBR硬盘。
- 苹果Mac电脑的固件是EFI+UEFI混合固件，它不是符合UEFI标准的固件．
UEFI固件的架构
大多数Intel处理器支持32位和64位指令，同时可执行8086/80286的16位指令．所以Intel平台下的UEFI有可能编译成32位的，也可能编译成64位．
UEFI标准要求boot loader的架构要与UEFI固件的架构一致，以减少不必要的麻烦．换句话说，32位的UEFI固件只能加载32位的boot loader，64位的UEFI只能加载64位的boot loader．但我们可以用32位的boot loader加载64位的操作系统，也可以用64位的boot loader来加载32位的操作系统．
怎么查看自己的UEFI固件是32位还是64位？
在Linux终端里运行下面的命令
cat /sys/firmware/efi/fw_platform_size
从输出中可以知道，我的UEFI固件是64位的．现在的大多数新电脑采用的是64位UEFI．
怎么确定自己的Linux系统是在UEFI模式下安装的
方法一：查看Grub
如果Linux是以UEFI模式下安装的，那么系统上会有一个grub-efi程序．
grub-efi是为UEFI固件编写的boot loader，grub-pc是为BIOS固件编写的boot loader．
方法二
在Linux终端里运行下面的命令
[ -d /sys/firmware/efi ] && echo "Installed in UEFI mode" || echo "Installed in Legacy mode"
怎么确信操作系统是以UEFI模式启动的
首先，你可以在主板固件设置里禁用BIOS以及CSM模块，只启用原生UEFI模式．另外，你可以查看Linux系统上是否有/sys/firmware/efi这个目录．如果这个目录存在，那么系统就是以UEFI模式启动的．
ESP分区
UEFI标准要求硬盘上要有一个ESP分区．ESP的全称是EFI System Partition，即EFI系统分区．ESP分区的文件系统格式为FAT32或FAT16，它是用来存放boot loader程序的．推荐ESP分区大小为512MB．Linux用户要将ESP分区要挂载到/boot/efi目录下．
在Gparted分区管理器中，ESP分区有两个标识(flag): boot和esp．ESP分区可以不是硬盘的第一个分区．
Secure Boot 安全引导
Secure boot是UEFI固件的一个扩展功能．Fedora, OpenSUSE, Ubuntu等Linux发行版支持secure boot，但很多Linux发行版如Debian还不支持secure boot．注意，secure boot不是微软的创造物．微软只是要求电脑销售商必须默认启用secure boot才能在电脑上贴上微软认证的标签．但是这一做法间接地伤害了广大Linux用户，因为很多Linux发行版不支持secure boot．
本文翻译自我的英文博客：A Quick Start Guide to UEFI Firmware for Linux Users
