UEFI BIOS和傳統BIOS 啓動模式對比

傳統BIOS開機流程

從你按下主機機殼上的電源鍵，到進入作業系統的期間，儲存於主機板上那顆EEPROM（電氣可抹除暨可程式化唯讀記憶體）裡的BIOS便會開始執行以下的工作：
1. 初始化：
當電腦打開，CPU會自行重置為初始狀態，準備運作。BIOS boot block（基本輸出輸入系統開機區塊）初始化階段啟動，因為此時系統記憶體中是空的，沒有內容可以執行，所以廠商讓CPU去尋找系統BIOS ROM中的reset vector（重置向量）：用一個固定的位置來啟動所謂的BIOS boot program開機程式。
一般來說程式會在記憶體的FFFF0h位址，也就是在UMA（上層記憶區域）靠結尾的地方。為避免ROM大小改變造成相容性的問題，所以一般會選擇放這裡。它的內容只有一個jump指令，進一步跳到真正的BIOS啟動程序。當然了，各家IBV （independent BIOS vender；獨立BIOS供應商）可以把程式放在不同的位置，只要透過jump來指定就可以了。
在這段期間，系統的CPU、晶片組、Super I/O和USB只有部分初始化，僅獲取足夠資料來應付萬一BIOS開機失敗，可以利用軟碟（由Super I/O控管）甚至是光碟（由晶片組的IDE/SATA）等儲存媒體來救援BIOS的boot block。
2. POST（Power On Self Test；開機自我檢測）：
然後BIOS開始施行Power-On Self Test（POST；開機自我檢測），在過程中檢查電腦各項組件及其設定，像是：中央處理器、主記憶體、鍵盤、滑鼠等等狀態。接著便尋找被內建在BIOS內部的顯示卡程序並執行。
它通常被放在記憶體C0000h的位置，作用是顯示卡的初始化，而大部分的顯示卡都會在顯示器上顯示其相關訊息。這就是為何各位在開機的時候，首先會在顯示器的畫面左上角出現有關顯示卡訊息的原因。
再下來就是讓BIOS尋找其他裝置的ROM（唯讀記憶體），看看這些設備中哪些還有個別的BIOS。如果這時有找到任何其它裝置的BIOS，它們也會被執行。
下一步BIOS會顯示啟動畫面，並開始更深入的檢測，包含我們平常可以在螢幕上看到的記憶體容量檢測。如果這時候遇到任何錯誤，就會在畫面上顯示錯誤訊息。
3. 記錄電腦系統的設定值：
到這裡還沒有結束，再來BIOS會根據自己的「系統資源表」，來對系統進行進一步的確認，看看你的電腦究竟安裝了那些系統資源或設備。有些電腦會逐步顯示這些被偵測到的設備。例如BIOS支援隨插即用，那它將會偵測和配置隨插即用裝置，並顯示由BIOS偵測到的隨插即用設備。
在這些檢測結束後，BIOS會打出一個偵測總結表於畫面上。而這個總結表在部分IBV的設定中是可以讓使用者開啟或關閉的。當然也有些IBV為加速開機把這一步直接隱藏省略。
Tips:BIOS boot block
在快閃唯讀記憶體內，通常會分成兩個區塊，一個區塊存放一般的BIOS程式碼，即所謂的code block（程式碼區塊）；另一個區塊則是存放用來開機（或急救）的程式碼，就是所謂的boot block（開機區塊）。當電源打開時，主機板會先從boot block執行，它會立即檢查code block 的程式碼是否正確，如果正確，就會轉到code block 繼續執行下去。而所謂的BIOS recovery（BIOS回覆）就是利用boot block回寫動作來進行BIOS更新失敗時的救援。
4. 提供常駐程式：
提供作業系統或應用程式呼叫的中斷向量，如INT 10h（VGA圖形及文字輸出中斷）等。
5. 載入作業系統：
到這裡是系統檢測的部分，接下來BIOS便開始尋找開機裝置，使用者可以透過在BIOS的設定來決定搜尋順序，目前常見的開機設備至少包含FDD、HDD以及光碟機和USB開機裝置等多項。
找到開機裝置後，BIOS將會搜尋開機訊息以進行作業系統的開機過程。如果是找到了一個灌好OS的硬碟，它將會尋找位在硬碟第0面，第0軌，第1磁區裡的Master Boot Record（主要開機磁區）。如果它找到的是FDD，也會讀取軟碟的第1磁區。再把讀取到的資料放在記憶體7C00h的位置，跳到那裡並且執行它。自此纔開始進入OS啟動階段。

UEFI BIOS系統的開機流程
同樣是進行電腦系統的開機，由於UEFI BIOS是遵循UEFI論壇的規範定義下開發的，所以UEFI的開機流程會像下圖一般：

1. SEC階段：
SEC（安全性）階段其主要的特色為「cache as RAM」，即處理器的快取當成記憶體。由於C語言需要使用堆疊，在這個階段的系統記憶體尚未被初始化，在沒有記憶體可用的情況下，便把處理器的快取當成記憶體來使用，在主記憶體被初始化之前來進行預先驗證CPU／晶片組及主機板。
因為這時侯沒有快取，會導致處理器的效能變得較差，所以在記憶體初始化完畢之前，SEC和PEI階段的程式碼越簡短，越能減少這個副作用。
2. PEI階段：
和傳統BIOS的初始化階段類似，PEI（EFI前初始化）階段是用以喚醒CPU及記憶體初始化。這時候只起始了一小部分的記憶體。同時，晶片組和主機板也開始初始化。接下來的服務程式會確定CPU晶片組被正確的初始化，在此時，EFI驅動程式派送器將載入EFI驅動程式記憶體，進入了起始所有記憶體的DXE階段（驅動程式執行環境）。
3. DXE階段：
DXE的主要功能在於溝通EFI驅動程式及硬體。也就是說此階段所有的記憶體、CPU（在此是指實體兩個或以上的非核心數目，也就是雙CPU插槽處理器甚至是四CPU插槽處理器）、PCI、USB、SATA和Shell都會被初始化。
4. BDS階段：
在BDS（開機設備選擇）這個階段，使用者就可以自開機管理者程式頁面，選擇要從哪個偵測到的開機設備來啟動。
5. TSL階段：
然後進入TSL（短暫系統載入）階段，由作業系統接手開機。除此之外，也可以在BDS階段選擇UEFI Shell，讓系統進入簡單的命令列，進行基本診斷和維護。
傳統BIOS哪裡不好？
在繼續探討何謂UEFI BIOS之前，先來看看傳統BIOS有哪些問題，讓Intel決心帶頭推出UEFI BIOS。
1. 過時的16位元模式
在x86系列CPU進入32位元的時代，為了相容性考量，當時最新的80386 CPU保留了16位元的執行方式，即真實模式（real mode）。在後來多次的CPU改朝換代中都保留了這種執行方式，甚至在含有EM64T的Xeon系列CPU中，供電到CPU啟動時仍然會切換到16位元的真實模式下執行。
也就是說，雖然各大BIOS廠商為了配合潮流演進，將許多新功能新元素添加到產品中，但BIOS在本質上沒有任何改變。迫使Intel在開發更新的CPU時，都必須加進會使效能大大降低的相容模式。
2. 只有1MB定址空間
各位讀者如果有注意傳統BIOS開機，在POST完畢後螢幕上打出的系統摘要表，會發現記憶體欄位標示著「Base Memory=640KB」。加上前一篇提到的384KB UMA（這裡的記憶體不會列入Base Memory），就是所謂1MB可定址記憶體空間。
會造成這項限制，主要還是真實模式的副作用。16位元的CPU，其定址能力為20條定址線所能處理的2^20位元組（Bytes），也就是1024千位元組（KB）。換句話說，在進入OS之前的開機階段，即使安裝了高達4GB的記憶體，絕大部分都無法使用。
3. 組合語言難維護
假設某天你買了一張高階工作站主機板，再裝上一張SCSI或SAS的磁碟陣列卡，竟然發現安裝後你的主機板開機開不下去，然後顯示「Not enough space to copy PCI option ROM」或「Option ROM memory space exhausted」警告字串。然後本來你那雀躍快樂的心情消失了，取而代之的是「歸LP火」熊熊燃燒著。
當你打電話給陣列卡商，電話那頭的死公務員聲音說著：「你要不要問問主機板廠有沒有新的BIOS？」。好不容易找上主機板廠商客服問：「你們有沒有辦法解決？」然後，你和主機板BIOS工程師之間的攻防就此展開。
對板卡廠的BIOS工程師而言，除非剛好有下單下很大的客戶遇到類似相關問題，否則很有可能就是不了了之。你只好趁購買七天內退掉那張陣列卡，不然就是再找一張可以正常搭配的主機板。
由於傳統BIOS是用組合語言編寫的，而軟體界早就已經是C/C++高階語言甚至是.NET滿天飛，為了相對難找的人才（組合語言高手相對少，要BIOS真正寫得好的更是少數）來減緩新產品上市的速度，不管是消費者或廠商都無法接受。
此時UEFI BIOS標準化和模組化的特徵，便可加速產品推出和減少debug的時間。另外C語言寫的UEFI BIOS體積也會變大，連帶使儲存BIOS的EEPROM需要擴增。
別忘了，這也是Intel的勢力範圍，如果EFI BIOS推廣成功，板卡廠就得多採購一顆晶片。

▲ 由於傳統BIOS的先天侷限，有時候磁碟陣列卡就是裝不上去。
4. 十年不變的程式碼
上述三大問題是以開發廠商的角度來觀察。其他隱而不現的部分，則包含了功能的侷限性和對使用者不夠友善的操作介面。對照現今的視窗介面作業系統，傳統BIOS以文字介面為主且充滿著火星文，加上除了單純的開機，作為仲介硬體初始化和作業系統的功能外實在陽春的可憐。
在開發Itanium CPU之際，業界大魔王Intel實在不想再受制於這些顧慮。試想，既然這是一個新生的CPU架構，那系統韌體和作業系統之間的介面就順便一起重新定義。
並且這一次，Intel為了讓以後各種新的規格和技術可以快速導入，嚴格定義這個傳統BIOS接班人必須具有擴展彈性，而且採取標準化的韌體介面規範，以避免發生傳統BIOS的IBV程式碼更新太被動的問題。
筆者不是開玩笑，業界之前盛傳一句話，如果Award BIOS當時（Intel Pentium處理器時代）沒有華碩，那肯定沒有後來功能齊全的BIOS程式編碼。傳統BIOS靜態連結，缺乏遠見且疊牀架屋，而幾乎全基於經驗和約定的見招拆招。所以纔有2000年開發出來所謂的EFI（Extensible Firmware Interface；可擴展韌體介面）技術作為工業標準規格，定義了一個驅動介面，用以溝通硬體／韌體和作業系統。

UEFI的版本發展
最初制定的EFI版本2000年12月的1.02版。在2002年的12月又釋出了加入EFI驅動程式模型的1.10版。於2005年，Intel將此規格提供給負責UEFI開發和推廣的UEFI論壇。為了反映這點，EFI也被更名為UEFI。在大部分的文件資料中，EFI和UEFI講的是一樣的東西。
UEFI論壇在2007年1月釋出2.1版的規範。目前最新公開的版本就是2009年5月發佈的2.3版。概括而論，凡依照UEFI論壇規範，使用C語言寫作的BIOS即為UEFI BIOS。
UEFI論壇成員類別
IBV（獨立BIOS 廠商） AMI、Insyde、Phoenix
IHV（獨立硬體廠商） AMD、Apple、Dell、HP、
IBM、Intel、聯想
ISV（獨立軟體廠商）微軟
UEFI BIOS哪裡好？
UEFI是藉由UEFI論壇制定的嚴謹規範來達成標準化，並用模組化之C語言方式的參數堆疊傳遞，藉由動態連結形式所建構出來的系統，相較於使用組合語言的傳統BIOS更易於實作，在容錯和錯誤更正的表現上更加優良，更好開發。UEFI是以32或64位元CPU保護模式執行（也稱為Flat Mode），突破傳統16位元代碼的定址能力，可達到CPU的最大定址空間。
1. 定址空間更彈性
UEFI BIOS利用載入EFI driver的形式，來進行硬體的辨識／控制及系統資源掌控。
傳統BIOS是以真實模式中斷向量的方式增加硬體功能。它要將一段類似於驅動程式的16位元代碼，放置在記憶體0x000C0000至0x000DFFFF之間。這段記憶體空間有限（128KB），因此，當必須放置的option ROM超過128KB時，傳統BIOS便無能為力。
很多時候傳統BIOS的工程師為瞭解決這類問題，像剛剛提到的介面卡BIOS容量過大，便要想辦法利用可能的排列組合硬擠出空間來放驅動代碼。而重組過程有時不小心造成一些副作用，例如纔剛解決的bug，重組後又再發生！也就是說，UEFI BIOS可以更有系統的分配儲存空間，避免使用強制定址。
2. 什麼系統都能用
另外，傳統BIOS的硬體服務程式都是以16位元代碼的形式存在，在增強模式下執行的作業系統想存取這些服務會有困難。因此BIOS提供的服務在現實中只能提供給MS-DOS之類的系統用。
相對的，UEFI系統下的驅動並不是可以直接在CPU執行的代碼，而是用EBC（EFI Byte Code）這種專用於EFI driver的虛擬機器指令，該指令必須在UEFI的DXE階段被解壓縮後翻譯執行。
如此便有更佳的向下相容性，因為EFI driver是彈性的驅動程式模組架構，可不斷的擴充驅動程式及介面，不用重新編寫，所以就無需考慮因系統升級所衍生的相容性因素。
3. 開發維護更容易
加上EFI driver開發簡單，所有的PC零組件廠商都可以參與，就像現代作業系統的開發模式，這樣的模式曾使Windows系統短短几年就變得無比強大。有了EFI driver，也可以讓顯示卡在開機階段就載入某種程度的功能，進而可以把傳統文字介面為主的BIOS轉成圖形介面。
4. 精簡系統用途大
最後還有EFI Shell，這是個精簡的作業系統，可以讓使用者進行BIOS的更新、系統診斷、安裝特定軟體。有了UEFI BIOS甚至可以播放CD和DVD而不需完全載入OS，EFI driver可以被載入或卸載，連TCP/IP核心程式都可以使用。基於EFI的driver model可使UEFI系統接觸到所有的硬體功能，在進入作業系統之前瀏覽網站不再是天方夜譚，甚至實作起來也非常簡單。總之，對使用者而言，多了一個方便的環境以及華麗的圖形介面，是最明顯的好處。
傳統BIOS vs. UEFI BIOS重點差異
BIOS種類傳統BIOS UEFI BIOS
程式語言組合語言 C語言
資源控制中斷向量
寫死的記憶體存取
寫死的輸出／輸入存取驅動程式／協定
處理器運行環境 X86 16位元 CPU保護模式
擴充方式接合中斷向量載入驅動程式
第三方IHV和ISV支援性較差較佳且可以支援多平臺
圖形化能力較差較佳
內建簡化的作業系統前環境無有
有誰在用UEFI？
UEFI支援必須藉由軟硬體的相互合作來達成，我們來看看目前市面上流通的產品中，哪些已經採用了UEFI。
支援UEFI的硬體
1. 2006年，蘋果電腦推出第一臺使用Intel處理器架構的麥金塔電腦。從此開始用EFI/UEFI framework，而非以往搭載IBM PowerPC處理器的麥金塔電腦用的、發源於Sun Microsystems（昇陽電腦公司）的Open Firmware。

▲ 目前新版的Mac OS X都已經支援UEFI。
2. Intel自家的行動型、桌上型和伺服器電腦主機板自2006年起開始全面轉換為EFI/UEFI BIOS。例如從945系列晶片組開始，Intel的主機板就已經使用了該framework。
3. 此外，2008年開始，許多64位元電腦系統也正式支援EFI/UEFI BIOS。如IBM的x3450伺服器、微星科技具備ClickBIOS的主機板（包括下一篇介紹的EFINITY主機板）、HP筆記型電腦EliteBook系列和平板電腦、HP Compaq筆記型電腦較新的機種。

▲ 微軟到了Windows Server 2008纔開始支援UEFI。
支援UEFI的作業系統
1. 早在2000年，Linux作業系統便可以支援EFI，當時是elilo EFIboot loader（開機載體），演化至今是EFI版本的grub。
2. 蘋果電腦到了Mac OS X 10.4（代號Tiger）的Intel版便可以支援EFI。
3. 2002年微軟給Itanium CPU使用的Windows 2000 Advanced Server Limited Edition及Datacenter Server Limited Edition版支援了EFI v1.10規範。後來的Windows Server 2003 for IA-64版和Windows XP 64-bit版本也支援EFI。至於UEFI的支援是從Windows Server 2008和Vista SP1的64位元版本開始，包括Windows 7也只有64位元版完整支援UEFI。

▲ Intel自家的D945PSN主機板。