Hành trình khám phá bí mật của Firmware: Từ BIOS/UEFI đến OS

Bạn đã bao giờ tự hỏi điều gì xảy ra khi bạn nhấn nút nguồn trên máy tính của mình chưa? Đằng sau khoảng dừng ngắn ngủi đó, trước khi màn hình của bạn sáng lên, một loạt các quy trình phức tạp đang diễn ra. Bài viết này sẽ đi sâu vào , khám phá cách . thế giới hấp dẫn của chương trình cơ sở các thành phần khác nhau tương tác trong quá trình khởi động Bằng cách hiểu những kết nối này, bạn sẽ có được bức tranh rõ ràng hơn về các yếu tố nền tảng giúp hệ thống của bạn trở nên sống động. Trọng tâm chính của chúng tôi sẽ là , nhưng nhiều nguyên tắc cũng áp dụng cho các kiến trúc khác. kiến trúc Intel x86 Nếu bạn đã bỏ lỡ phần đầu tiên của loạt bài này, để xem lại. hãy nhấp vào đây Bây giờ, chúng ta hãy cùng khám phá những bí ẩn đằng sau phần mềm. Mục lục: Định nghĩa Kiến trúc phần mềm tổng thể Bộ nạp khởi động giai đoạn đầu (FSBL) BIOS (giai đoạn POST) Khởi tạo nền tảng UEFI (PI) khởi động lõi Các giải pháp khác Bộ nạp khởi động giai đoạn thứ hai (SSBL) BIOS UEFI Bộ nạp khởi động hệ điều hành Định nghĩa : một loại phần mềm chuyên dụng được nhúng trong phần cứng, cung cấp khả năng kiểm soát cấp thấp và cho phép phần cứng hoạt động chính xác và tương tác với các thành phần khác của hệ thống. Phần mềm cơ sở : một chương trình cơ sở cũ (ban đầu được tạo cho ) chịu trách nhiệm khởi tạo phần cứng sau khi bật nguồn nền tảng. Ngày nay, nó thường được gọi một cách mơ hồ là bộ chương trình cơ sở hoàn chỉnh. Hệ thống đầu vào/đầu ra cơ bản (BIOS) IBM PC : tên chung cho chương trình cơ sở chịu trách nhiệm khởi động máy tính. Nó được sử dụng như một khái niệm hiện đại thay cho , thường cung cấp một với mã bootstrap để khởi tạo bộ xử lý và chipset, cũng như giao diện cho bên thứ ba (ví dụ: nhà phát triển bo mạch chủ) để thực hiện khởi tạo nền tảng cụ thể. Bootloader BIOS khuôn khổ : Phần mềm được thực thi khi bộ nạp khởi động thoát. Có thể là bộ nạp khởi động giai đoạn hai, Hệ điều hành, ứng dụng BIOS/UEFI, v.v. Nó thường xử lý luồng khởi động theo thiết kế chương trình cơ sở. Payload Việc sử dụng các thuật ngữ và có thể gây nhầm lẫn, vì ý nghĩa của chúng phụ thuộc vào ngữ cảnh. Tuy nhiên, khi ai đó đề cập đến , hoặc , họ thường đề cập đến . BIOS bootloader firmware BIOS bootloader toàn bộ bộ firmware chạy giữa hệ điều hành và phần cứng so với : là thông số kỹ thuật ban đầu do Intel phát triển. là phiên bản kế thừa của , do tạo ra để chuẩn hóa và mở rộng thông số kỹ thuật ban đầu. Trong hầu hết các trường hợp, và được sử dụng thay thế cho nhau. EFI UEFI Giao diện phần mềm mở rộng (EFI) Giao diện phần mềm mở rộng hợp nhất (UEFI) EFI Diễn đàn UEFI EFI UEFI Kiến trúc phần mềm tổng thể Để hiểu cách các thành phần chương trình cơ sở tương tác, chúng ta sẽ khám phá toàn bộ kiến trúc với tất cả các phần được kết nối của nó. Luồng thực thi, được hiển thị trong sơ đồ bên dưới, bắt đầu từ , là một phần của . Từ đó, nó tiến triển qua các giai đoạn chương trình cơ sở khác nhau: vectơ đặt lại Bộ nạp khởi động giai đoạn đầu tiên Phần mềm cơ sở hoặc BIOS thường có thể được chia thành hai phần chính, với giao diện tối thiểu giữa chúng: : Chịu trách nhiệm khởi tạo các thành phần phần cứng của hệ thống. Khởi tạo phần cứng : Cung cấp các giao diện cần thiết cho hệ điều hành và người dùng. Giao diện với hệ điều hành và người dùng Thiết kế của phần mềm nền tảng có thể là , kết hợp khởi tạo phần cứng và chức năng khởi động, hoặc có thể theo và theo giai đoạn. Lựa chọn thiết kế phụ thuộc vào yêu cầu hệ thống và có thể được ưu tiên cho một số thiết bị nhất định. nguyên khối luồng khởi động theo mô-đun Sơ đồ sau đây minh họa cách các thành phần chương trình cơ sở khác nhau tương tác và có thể được sử dụng cùng nhau để hỗ trợ quá trình khởi động (các mũi tên chỉ ra trình tự thực hiện): Nếu các sơ đồ này có vẻ phức tạp, đừng lo lắng. Hãy xem lại chúng sau khi đọc bài viết này và chúng sẽ rõ ràng hơn. Bộ nạp khởi động giai đoạn đầu (FSBL) Phần mềm này được thiết kế để khởi tạo máy tính và hệ thống nhúng với : chỉ làm những gì thực sự cần thiết, sau đó chuyển quyền điều khiển cho để khởi động hệ điều hành. không tải hệ điều hành từ phương tiện lưu trữ khác ngoài . Vì nó chỉ khởi tạo phần cứng cơ bản và không xử lý phương tiện khởi động như ổ cứng, SSD hoặc ổ đĩa flash USB, nên cần có một phần mềm khác để thực sự khởi động . trọng tâm là khởi tạo phần cứng tối thiểu Second-Stage Bootloader FSBL chip flash hệ điều hành : Trách nhiệm chính của FSBL : Chuyển từ 16 bit sang 32 bit ( : hoặc ở trong trường hợp BIOS). CPU Chế độ thực Chế độ bảo vệ lưu ý chế độ Virtual 8086 : Gọi để cấu hình cho Sử dụng bộ nhớ đệm FSP-T Cache-As-RAM môi trường C. : Khởi tạo cổng gỡ lỗi được cấu hình bằng cách gọi các phương thức khởi tạo cụ thể cho từng bo mạch. Cổng gỡ lỗi : Gọi để khởi tạo bộ nhớ chính của hệ thống và lưu thông tin bộ nhớ hệ thống quan trọng. Khởi tạo bộ nhớ FSP-M : Cấu hình các chân Đầu vào/Đầu ra đa năng (GPIO) để giao tiếp với các thiết bị bên ngoài. GPIO : Thực hiện khởi tạo nền tảng sớm và sử dụng để hoàn tất khởi tạo chipset, CPU và bộ điều khiển IO. Silicon FSP-S : Liệt kê các thiết bị PCI và phân bổ tài nguyên như địa chỉ bộ nhớ và IRQ. Liệt kê PCI : Thiết lập các bảng và , bao gồm thông tin chuẩn bị (bảng coreboot, HOB) cần thiết để truyền tới tải trọng. Chuẩn bị tải trọng SMBIOS ACPI : Tải và chuyển giao quyền điều khiển cho tải trọng. Tải và chuyển giao BIOS (Giai đoạn POST) Vào những ngày đầu của máy tính, phần mềm nguồn mở không được phổ biến rộng rãi và hầu hết các triển khai BIOS đều là độc quyền. Chỉ có một số ít giải pháp mở có sẵn cung cấp mã nguồn BIOS POST, chẳng hạn như và . Các dự án này được thiết kế để hoạt động trên các hệ thống IBM 5150/5155/5160 và hầu hết các bản sao XT. Super PC/Turbo XT BIOS GLaBIOS Tuy nhiên, các triển khai BIOS nguồn mở nổi tiếng hơn, như và , không thực hiện khởi tạo phần cứng vì chúng không nhằm mục đích chạy trên phần cứng trần. Nhưng chúng được sử dụng rộng rãi như và chạy gốc trong các môi trường ảo như QEMU và Bochs. OpenBIOS SeaBIOS Second-Stage Bootloader Trong mọi trường hợp, khả năng bạn cần làm việc trực tiếp với các BIOS ban đầu này hoặc tìm hiểu sâu hơn về các thông số kỹ thuật của chúng là rất thấp. Nhưng nếu bạn muốn khám phá, các kho lưu trữ đã đề cập là điểm khởi đầu tốt. Xét về xu hướng phát triển hiện tại, có vẻ như không có sự phát triển liên tục nào về các giải pháp BIOS độc quyền và các dự án như vậy đã trở nên lỗi thời khi đối mặt với các giải pháp thay thế hiện đại. Khởi tạo nền tảng UEFI (PI) Quá trình khởi động theo một luồng được phân giai đoạn, bắt đầu từ bên trái và di chuyển sang bên phải trong hình tiếp theo. Dòng thời gian của quá trình khởi động nền tảng được chia thành các cụm từ sau được chỉ ra bằng các hộp màu vàng: : Giai đoạn đầu tiên sau , chức năng chính của nó là thiết lập RAM tạm thời (CPU hoặc SRAM). Bảo mật (SEC) vectơ thiết lập lại Cache-As-RAM : Giai đoạn này phân phối các trình điều khiển chuyên biệt được gọi là . Các mô-đun này xử lý khởi tạo phần cứng thiết yếu, chẳng hạn như cấu hình CPU và chipset và thiết lập . Khởi tạo trước EFI (PEI) Mô-đun khởi tạo trước EFI (PEIM) bộ nhớ chính (DRAM) : Trong giai đoạn này, phần còn lại của quá trình khởi tạo hệ thống được thực hiện. Giai đoạn DXE cung cấp và hỗ trợ nhiều giao thức và trình điều khiển cần thiết cho hoạt động của hệ thống. Môi trường thực thi trình điều khiển (DXE) các dịch vụ UEFI : Giai đoạn này triển khai chính sách khởi động nền tảng, xác định trình tự khởi động và chọn thiết bị/bộ tải khởi động phù hợp. Chọn thiết bị khởi động (BDS) : Trong giai đoạn này, hệ thống chạy các ứng dụng bằng dịch vụ UEFI để chuẩn bị cho hệ điều hành. Nó bao gồm quá trình chuyển đổi từ môi trường UEFI sang hệ điều hành, kết thúc bằng lệnh gọi . Tải hệ thống tạm thời (TSL) ExitBootServices() : Ở giai đoạn này, hệ điều hành hoạt động hoàn toàn, quản lý toàn bộ hệ thống dưới sự kiểm soát của mình. Thời gian chạy (RT) : Giai đoạn này xử lý các tình huống mà phần cứng hoặc hệ điều hành bị sập/tắt/khởi động lại. Phần mềm có thể thử các hành động khôi phục, tuy nhiên, UEFI PI Specification không xác định các yêu cầu hoặc hành vi cụ thể cho giai đoạn này. After Life (AL) Quá trình này và các giai đoạn thực hiện của nó được đề cập trong . Tuy nhiên, cũng có (được chỉ ra bằng đường màu xanh đậm trong hình), không phải là một phần của tài liệu trước đó và được mô tả trong . Mặc dù tên và việc sử dụng thường xuyên có thể gây nhầm lẫn, nhưng hai tài liệu này có trọng tâm khác nhau: Đặc tả khởi tạo nền tảng UEFI (PI) Giao diện UEFI Đặc tả UEFI UEFI : Tập trung vào giao diện giữa các thành phần chương trình cơ sở cấp thấp và trình bày chi tiết cách các mô-đun này tương tác để khởi tạo nền tảng. Đặc tả UEFI PI : Xác định giao diện tương tác giữa Hệ điều hành (OS) và chương trình cơ sở. Điều này sẽ được thảo luận thêm trong bối cảnh của . Lưu ý rằng UEFI Specification dựa trên PI Specification. UEFI Spec Second-Stage Bootloader Về cơ bản, cả hai thông số kỹ thuật đều liên quan đến giao diện, nhưng ở các cấp độ khác nhau. Để biết thông tin chi tiết, bạn có thể truy cập cả hai thông số kỹ thuật trên . trang web Diễn đàn UEFI ban đầu được thiết kế như một giải pháp phần mềm thống nhất, không xem xét sự khác biệt giữa bộ nạp khởi động giai đoạn một và giai đoạn hai. Tuy nhiên, khi chúng ta gọi là , nó bao gồm các giai đoạn , và . Lý do chúng ta chia DXE thành giai đoạn và giai đoạn là do vai trò khác nhau của chúng trong quá trình khởi tạo. UEFI PI UEFI Bộ nạp khởi động giai đoạn một SEC PEI DXE đầu đầu cuối Trong giai đoạn , trình điều khiển thường thực hiện khởi tạo CPU/PCH/bo mạch cần thiết và cũng tạo ra , giúp cô lập giai đoạn DXE khỏi phần cứng dành riêng cho nền tảng. đóng gói các chi tiết dành riêng cho nền tảng, cho phép giai đoạn hoạt động độc lập với các thông số kỹ thuật của phần cứng. DXE đầu Giao thức kiến trúc DXE (AP) AP DXE sau Coreboot Các bài viết chi tiết về cách Coreboot hoạt động sẽ sớm ra mắt. Hãy theo dõi phương tiện truyền thông xã hội của tôi – chúng sẽ sớm được xuất bản! Các giải pháp khác : bộ nạp khởi động giai đoạn đầu tiên thuần túy chỉ cung cấp khởi tạo các thành phần phần cứng cốt lõi, sau đó tải trọng. Tuy nhiên, nó và không hỗ trợ AMD x86 hoặc các kiến trúc khác. Intel Slim Bootloader (SBL) chỉ hoạt động trên nền tảng Intel x86 : vừa là bộ nạp khởi động giai đoạn một vừa là bộ nạp khởi động giai đoạn hai. Tuy nhiên, hỗ trợ khởi động trực tiếp từ x86 của nền tảng (được gọi là chế độ trần) bị hạn chế so với các chương trình cơ sở khác. Nó phổ biến hơn trên các hệ thống nhúng và các thiết bị dựa trên ARM. Là bộ nạp khởi động giai đoạn hai, U-Boot triển khai một nhưng tập trung vào các hệ thống nhúng. Das U-Boot vectơ đặt lại tập hợp con của UEFI Bộ nạp khởi động giai đoạn thứ hai (SSBL) Sau khi thiết lập phần cứng ban đầu hoàn tất, sẽ bắt đầu. Vai trò chính của nó là thiết lập , đảm bảo rằng hệ điều hành có thể quản lý tài nguyên hệ thống và tương tác với các thành phần phần cứng. giai đoạn thứ hai giao diện phần mềm giữa hệ điều hành và phần mềm nền tảng nhằm mục đích càng nhiều càng tốt, đơn giản hóa việc phát triển hệ điều hành và ứng dụng bằng cách xử lý hầu hết các giao diện cấp phần cứng. Sự trừu tượng này cho phép các nhà phát triển tập trung vào các chức năng cấp cao hơn mà không phải lo lắng về sự khác biệt phần cứng cơ bản. SSBL ẩn các biến thể phần cứng : Trách nhiệm chính của SSBL : Thu thập thông tin cụ thể về nền tảng từ , bao gồm ánh xạ bộ nhớ, SMBIOS, bảng ACPI, flash SPI, v.v. Truy xuất thông tin nền tảng Bộ nạp khởi động giai đoạn đầu : Bao gồm trình điều khiển cho SMM, SPI, PCI, SCSI/ATA/IDE/DISK, USB, ACPI, giao diện mạng, v.v. Chạy trình điều khiển độc lập với nền tảng : Cung cấp một bộ dịch vụ giúp tạo điều kiện thuận lợi cho việc giao tiếp giữa hệ điều hành và các thành phần phần cứng. Triển khai dịch vụ (hay còn gọi là Giao diện) : Cung cấp menu thiết lập cấu hình hệ thống, cho phép người dùng điều chỉnh các cài đặt liên quan đến thứ tự khởi động, tùy chọn phần cứng và các thông số hệ thống khác. Menu thiết lập : Cơ chế định vị và tải dữ liệu (có thể là hệ điều hành) từ phương tiện khởi động có sẵn. Boot Logic BIOS Giao diện trong BIOS được gọi là . Các chức năng này cung cấp một tập hợp các thói quen để truy cập phần cứng, nhưng các chi tiết cụ thể về cách chúng được thực hiện trên phần cứng cụ thể của hệ thống bị ẩn khỏi người dùng. BIOS services/functions/interrupt calls Ở 16 bit, chúng có thể dễ dàng truy cập bằng cách gọi ngắt phần mềm thông qua lệnh ngôn ngữ lắp ráp x86. Ở 32 bit, hầu như tất cả các dịch vụ BIOS đều không khả dụng do cách xử lý giá trị khác nhau. Chế độ thực INT chế độ bảo vệ phân đoạn Hãy lấy ví dụ về ( ), cung cấp dịch vụ đọc và ghi đĩa cứng và đĩa mềm dựa trên sector sử dụng địa chỉ , như một ví dụ về cách sử dụng giao diện này. Giả sử chúng ta muốn đọc 2 sector (1024 byte) và tải chúng tại địa chỉ bộ nhớ , thì có thể thực thi đoạn mã sau: Disk Services INT 13h Cylinder-Head-Sector (CHS) 0x9020 mov $0x02, %ah # Set BIOS read sector routine mov $0x00, %ch # Select cylinder 0 mov $0x00, %dh # Select head 0 [has a base of 0] mov $0x02, %cl # Select sector 2 (next after the # boot sector) [has a base of 1] mov $0x02, %al # Read 2 sectors mov $0x00, %bx # Set BX general register to 0 mov %bx, %es # Set ES segment register to 0 mov $0x9020, %bx # Load sectors to ES:BX (0:0x9020) int $0x13 # Start reading from drive jmp $0x9020 # Jump to loaded code Nếu bạn quan tâm đến cách dịch vụ này được viết trong SeaBios, hãy xem . src/disk.c Giai đoạn KHỞI ĐỘNG Bắt đầu tìm kiếm (có thể là ổ cứng, CD-ROM, đĩa mềm, v.v.) bằng cách đọc ( sector số 0) từ các thiết bị. thiết bị có thể khởi động sector 512 byte đầu tiên Trình tự khởi động trong BIOS sẽ tải hợp lệ đầu tiên mà nó tìm thấy vào bộ nhớ vật lý của máy tính tại địa chỉ (gợi ý: và tham chiếu đến cùng một địa chỉ vật lý). Bản ghi khởi động chính (MBR) vật lý 0x7C00 0x0000:0x7c00 0x7c0:0x0000 BIOS chuyển quyền điều khiển đến của payload. này, quá nhỏ để chứa toàn bộ mã payload, có mục đích tải phần còn lại của payload từ . Tại thời điểm này, payload có thể sử dụng giao diện được BIOS hiển thị. 512 byte đầu tiên Sector được tải thiết bị có thể khởi động Điều đáng chú ý là trong những ngày đầu. BIOS là một - nó hoạt động theo cách mà nó hoạt động trên các máy tính IBM thực tế, vào những năm 1980. Các nhà sản xuất còn lại chỉ và tạo ra các BIOS tương thích với IBM. Do đó, không có quy định nào ngăn cản các nhà sản xuất BIOS phát minh ra các chức năng BIOS mới hoặc có các chức năng chồng chéo. các thông số kỹ thuật BIOS không tồn tại tiêu chuẩn thực tế thiết kế ngược Giao diện phần mềm mở rộng hợp nhất (UEFI) Như đã đề cập trước đó, bản thân UEFI chỉ là một thông số kỹ thuật và có nhiều triển khai. Triển khai được sử dụng rộng rãi nhất là , một nguồn mở của thông số kỹ thuật UEFI và PI. Mặc dù EDKII không đủ để tạo ra một chương trình cơ sở khởi động đầy đủ chức năng, nhưng nó cung cấp nền tảng vững chắc cho hầu hết các giải pháp thương mại. TianoCore EDK II triển khai tham chiếu Để hỗ trợ khác nhau và cung cấp giao diện UEFI, dự án được sử dụng. Dự án này dựa trên thiết lập ban đầu được thực hiện và thông tin nền tảng do chương trình cơ sở khởi động cung cấp để chuẩn bị hệ thống cho môi trường UEFI. các First-Stage Bootloader UEFI Payload UEFI Payload sử dụng các giai đoạn và , được thiết kế để độc lập với nền tảng. Nó cung cấp một payload chung có thể thích ứng với các nền tảng khác nhau. Trong hầu hết các trường hợp, nó không yêu cầu bất kỳ tùy chỉnh hoặc điều chỉnh cụ thể nào cho nền tảng và có thể được sử dụng như hiện trạng bằng cách sử dụng thông tin nền tảng từ . DXE BDS First-Stage Bootloader : Các biến thể của UEFI Payload : Yêu cầu thư viện phân tích cú pháp để trích xuất thông tin nền tảng cụ thể cần thiết cho việc triển khai. Nếu bộ nạp khởi động cập nhật API của nó, tải trọng cũng phải được cập nhật. Tải trọng UEFI cũ : Tuân theo , sử dụng hoặc làm định dạng hình ảnh chung. Thay vì tự phân tích cú pháp, nó mong đợi nhận được tại mục nhập tải trọng. Tải trọng UEFI phổ quát Đặc tả phần mềm có thể mở rộng phổ quát (USF) Định dạng có thể thực thi và liên kết (ELF) Cây hình ảnh phẳng (FIT) các Khối chuyển giao (HOB) Trong khi hoạt động tốt, cộng đồng EDK2 đang cố gắng chuyển hướng ngành công nghiệp sang . Sự lựa chọn giữa các payload phụ thuộc vào các thành phần chương trình cơ sở của bạn. Ví dụ, không thể chạy trên mà không có . Mặt khác, sử dụng với coreboot yêu cầu một lớp shim để dịch thành , một tính năng chỉ có trong . Payload UEFI Legacy Payload UEFI Universal Payload Legacy với hỗ trợ SMM Slim Bootloader bản vá của tôi Payload Universal các bảng coreboot HOB nhánh EDK2 của StarLabs Giao diện Mỗi hệ thống tuân thủ UEFI đều cung cấp một được truyền đến mọi mã đang chạy trong môi trường UEFI (trình điều khiển, ứng dụng, trình tải hệ điều hành). Cấu trúc dữ liệu này cho phép tệp thực thi UEFI truy cập vào như , và một bộ sưu tập . Bảng hệ thống các bảng cấu hình hệ thống ACPI SMBIOS các dịch vụ UEFI Cấu trúc bảng được mô tả trong : MdePkg/Include/Uefi/UefiSpec.h typedef struct { EFI_TABLE_HEADER Hdr; CHAR16 *FirmwareVendor; UINT32 FirmwareRevision; EFI_HANDLE ConsoleInHandle; EFI_SIMPLE_TEXT_INPUT_PROTOCOL *ConIn; EFI_HANDLE ConsoleOutHandle; EFI_SIMPLE_TEXT_OUTPUT_PROTOCOL *ConOut; EFI_HANDLE StandardErrorHandle; EFI_SIMPLE_TEXT_OUTPUT_PROTOCOL *StdErr; // // A pointer to the EFI Runtime Services Table. // EFI_RUNTIME_SERVICES *RuntimeServices; // // A pointer to the EFI Boot Services Table. // EFI_BOOT_SERVICES *BootServices; UINTN NumberOfTableEntries; EFI_CONFIGURATION_TABLE *ConfigurationTable; } EFI_SYSTEM_TABLE; Dịch vụ bao gồm các loại sau: , và . Dịch vụ khởi động Dịch vụ thời gian chạy Dịch vụ do giao thức cung cấp UEFI trừu tượng hóa quyền truy cập vào thiết bị bằng cách thiết lập . và được xác định bằng cho phép các mô-đun khác định vị và sử dụng chúng. Chúng có thể được phát hiện thông qua Dịch vụ khởi động. Giao thức UEFI Các giao thức này là các cấu trúc dữ liệu chứa các con trỏ hàm Mã định danh duy nhất toàn cầu (GUID) tạo ra các giao thức này và các chức năng thực tế (không phải con trỏ!) được chứa trong chính trình điều khiển. Cơ chế này cho phép các thành phần khác nhau trong môi trường UEFI giao tiếp với nhau và đảm bảo rằng hệ điều hành có thể tương tác với các thiết bị trước khi tải trình điều khiển của riêng nó. Trình điều khiển UEFI Trong khi một số giao thức được xác định trước và mô tả trong thông số kỹ thuật UEFI, các nhà cung cấp phần mềm cũng có thể để mở rộng chức năng của nền tảng. tạo ra các giao thức tùy chỉnh của riêng họ Dịch vụ khởi động Cung cấp các chức năng có thể sử dụng trong thời gian khởi động. Các dịch vụ này vẫn khả dụng cho đến khi hàm được gọi ( ). chỉ EFI_BOOT_SERVICES.ExitBootServices() MdeModulePkg/Core/Dxe/DxeMain/DxeMain.c Các con trỏ tới tất cả các dịch vụ khởi động được lưu trữ trong ( ): Bảng dịch vụ khởi động MdePkg/Include/Uefi/UefiSpec.h typedef struct { EFI_TABLE_HEADER Hdr; ... EFI_GET_MEMORY_MAP GetMemoryMap; EFI_ALLOCATE_POOL AllocatePool; EFI_FREE_POOL FreePool; ... EFI_HANDLE_PROTOCOL HandleProtocol; ... EFI_EXIT_BOOT_SERVICES ExitBootServices; ... } EFI_BOOT_SERVICES; Dịch vụ thời gian chạy Một tập hợp tối thiểu các dịch vụ vẫn có thể truy cập được trong khi Hệ điều hành đang chạy. Không giống như Dịch vụ khởi động, các dịch vụ này vẫn hợp lệ sau khi bất kỳ tải trọng nào (ví dụ: bộ nạp khởi động hệ điều hành) đã kiểm soát nền tảng thông qua lệnh gọi đến . EFI_BOOT_SERVICES.ExitBootServices() Các con trỏ tới tất cả các dịch vụ thời gian chạy được lưu trữ trong ( ): Bảng dịch vụ thời gian chạy MdePkg/Include/Uefi/UefiSpec.h typedef struct { EFI_TABLE_HEADER Hdr; ... EFI_GET_TIME GetTime; EFI_SET_TIME SetTime; ... EFI_GET_VARIABLE GetVariable; EFI_GET_NEXT_VARIABLE_NAME GetNextVariableName; EFI_SET_VARIABLE SetVariable; ... EFI_GET_NEXT_HIGH_MONO_COUNT GetNextHighMonotonicCount; EFI_RESET_SYSTEM ResetSystem; ... } EFI_RUNTIME_SERVICES; Hình ảnh bên dưới hiển thị dòng thời gian cho các dịch vụ khởi động và thời gian chạy, do đó bạn có thể biết chính xác thời điểm mỗi dịch vụ hoạt động. Giai đoạn chọn thiết bị khởi động (BDS) Đặc tả UEFI định nghĩa một công cụ chính sách khởi động được gọi là . Công cụ này sẽ cố gắng tải theo thứ tự cụ thể. Thứ tự này và các thiết lập khác có thể được cấu hình bằng cách sửa đổi toàn cục. Chúng ta hãy thảo luận về những biến quan trọng nhất trong số chúng: trình quản lý khởi động UEFI các ứng dụng UEFI các Biến NVRAM (bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên không dễ bay hơi) ( được thay thế bằng một giá trị hex duy nhất) — tùy chọn khởi động/tải. Boot#### #### — tùy chọn khởi động được sử dụng để khởi động hệ thống đang chạy. BootCurrent — tùy chọn khởi động chỉ dành cho lần khởi động tiếp theo. Tùy chọn này thay thế chỉ cho một lần khởi động và bị trình quản lý khởi động xóa sau lần sử dụng đầu tiên. Tùy chọn này cho phép bạn thay đổi hành vi khởi động tiếp theo mà không cần thay đổi . BootNext BootOrder BootOrder — danh sách tải tùy chọn khởi động được sắp xếp. Trình quản lý khởi động cố gắng khởi động tùy chọn hoạt động đầu tiên trong danh sách này. Nếu không thành công, nó sẽ thử tùy chọn tiếp theo, v.v. BootOrder — các loại tùy chọn khởi động được trình quản lý khởi động hỗ trợ. BootOptionSupport — thời gian chờ của trình quản lý khởi động chương trình cơ sở, tính bằng giây, trước khi tự động chọn giá trị khởi động từ hoặc . Timeout BootNext BootOrder Những biến này có thể dễ dàng lấy được từ Linux bằng cách sử dụng : efibootmgr(8) [root@localhost ~]# efibootmgr BootCurrent: 0000 Timeout: 5 seconds BootOrder: 0000,0001,2001,2002,2003 Boot0000* ARCHLINUX HD(5,GPT,d03ca3cf-1511-d94e-8400-c7a125866442,0x40164000,0x100000)/File(\EFI\ARCHLINUX\grubx64.efi) Boot0001* Windows Boot Manager HD(1,GPT,6f185443-09fc-4f15-afdf-01c523565e52,0x800,0x32000)/File(\EFI\Microsoft\Boot\bootmgfw.efi)57a94e544f5753000100000088900100780000004200430044039f0a42004a004500430054003d007b00390064006500610038003600320063002d1139006300640064002d0034006500370030102d0061006300630031002d006600330032006200330034003400640034003700390035007d00000033000300000710000000040000007fff0400 Boot0002* ARCHLINUX HD(5,GPT,d03ca3cf-1511-d94e-8400-c7a125866442,0x40164000,0x100000) Boot2001* EFI USB Device RC Boot2002* EFI DVD/CDROM RC Boot2003* EFI Network RC Hãy cùng xem xét quá trình khởi động bằng cách dựa vào đoạn mã ở trên. UEFI sẽ bắt đầu lặp lại danh sách . Đối với mỗi mục trong danh sách, nó sẽ tìm kiếm một biến tương ứng — cho 0000, cho 2003, v.v. Nếu biến không tồn tại, nó sẽ tiếp tục đến mục tiếp theo. Nếu biến tồn tại, nó sẽ đọc nội dung của biến. Mỗi biến tùy chọn khởi động chứa một mô tả là một bộ đệm đóng gói byte của các trường có độ dài thay đổi (nó chỉ là cấu trúc dữ liệu). BootOrder Boot#### Boot0000 Boot2003 EFI_LOAD_OPTION Cấu trúc dữ liệu được mô tả trong [MdePkg/Include/Uefi/UefiSpec.h][ ) https://github.com/tianocore/edk2/blob/edk2-stable202405/MdePkg/Include/Uefi/UefiSpec.h#L2122 typedef struct _EFI_LOAD_OPTION { /// The attributes for this load option entry. UINT32 Attributes; /// Length in bytes of the FilePathList. UINT16 FilePathListLength; /// The user readable description for the load option. /// Example: 'ARCHLINUX' / 'Windows Boot Manager' / `EFI USB Device` // CHAR16 Description[]; /// A packed array of UEFI device paths. /// Example: 'HD(5,GPT,d03ca3cf-1511-d94e-8400-c7a125866442,0x40164000,0x100000)/File(\EFI\ARCHLINUX\grubx64.efi)' // EFI_DEVICE_PATH_PROTOCOL FilePathList[]; /// The remaining bytes in the load option descriptor are a binary data buffer that is passed to the loaded image. /// Example: '57a9...0400' in Boot0001 variable // UINT8 OptionalData[]; } EFI_LOAD_OPTION; Tại thời điểm này, chương trình cơ sở sẽ kiểm tra ( ). Trong hầu hết các trường hợp, máy tính của chúng ta được khởi động từ thiết bị lưu trữ (Ổ cứng/SSD/NVMe/v.v.). Vì vậy, sẽ chứa . Đường dẫn thiết bị EFI_DEVICE_PATH_PROTOCOL Đường dẫn thiết bị HD(Partition Number, Type, Signature, Start sector, Size in sectors) — biểu thị định dạng được sử dụng cho lược đồ phân vùng với các từ khóa (1) hoặc (2). Loại MBR GPT — chữ ký MBR 4 byte nếu Loại là hoặc 16 byte nếu Loại là . Chữ ký MBR UUID GPT : Nếu bạn quan tâm đến cách dịch các đường dẫn khác, hãy đọc . Lưu ý Đặc tả UEFI v2.10, Tham chiếu nút thiết bị văn bản 10.6.1.6 UEFI sẽ xem xét đĩa và xem nó có phân vùng khớp với nút hay không. Nếu có, nó sẽ được gắn nhãn với cụ thể đánh dấu nó là . Phân vùng này được định dạng bằng hệ thống tệp có thông số kỹ thuật dựa trên phiên bản cụ thể của và được đặt tên là ; thực tế, nó chỉ là thông thường. Mã định danh duy nhất toàn cầu (GUID) Phân vùng hệ thống EFI (ESP) hệ thống tệp FAT Hệ thống tệp EFI FAT12/16/32 : nếu chứa đường dẫn rõ ràng đến thì UEFI sẽ tìm kiếm tệp cụ thể đó. Ví dụ: tùy chọn chứa . Khởi động gốc Đường dẫn thiết bị File(\Path\To\The\File.efi) Boot0000 File(\EFI\ARCHLINUX\grubx64.efi) : nếu chỉ trỏ đến một đĩa, thì trong những tình huống như vậy, chương trình cơ sở sẽ sử dụng dựa trên kiến trúc — ( cho hoặc cho / ). Cơ chế này cho phép (ví dụ: ổ USB) hoạt động trong UEFI; chúng chỉ sử dụng . Ví dụ: tùy chọn sẽ sử dụng cơ chế này. Khởi động dự phòng Đường dẫn thiết bị đường dẫn khởi động dự phòng \EFI\BOOT\BOOT{arch}.EFI BOOTx64.EFI amd64 BOOTia32.EFI i386 IA32 phương tiện di động có thể khởi động đường dẫn khởi động dự phòng Boot0002 Tất cả các tùy chọn được đề cập ở trên đều đề cập đến các tùy chọn khởi động được hiển thị trong ví dụ đầu ra của . Lưu ý: Boot#### efibootmgr Trong cả hai trường hợp, sẽ tải (có thể là , UEFI Shell, phần mềm tiện ích, Thiết lập hệ thống và bất kỳ thứ gì) vào bộ nhớ. Tại thời điểm này, quyền điều khiển sau đó được chuyển đến điểm nhập của . Không giống như , có thể trả lại quyền điều khiển cho chương trình cơ sở (ngoại trừ trường hợp ứng dụng chiếm quyền điều khiển hệ thống). Nếu điều đó xảy ra hoặc có bất kỳ sự cố nào xảy ra, sẽ chuyển sang mục nhập tiếp theo và thực hiện chính xác quy trình tương tự. UEFI Boot Manager Ứng dụng UEFI bộ nạp khởi động hệ điều hành ứng dụng UEFI BIOS ứng dụng UEFI Boot Manager Boot#### Đặc tả đề cập rằng trình có thể tự động duy trì các biến cơ sở dữ liệu. Điều này bao gồm việc xóa các biến tùy chọn tải không được tham chiếu hoặc không thể phân tích cú pháp. Ngoài ra, nó có thể viết lại bất kỳ danh sách có thứ tự nào để xóa bất kỳ tùy chọn tải nào không có các biến tùy chọn tải tương ứng. quản lý khởi động Văn bản trên mô tả quá . Ngoài ra, chương trình cơ sở UEFI có thể chạy ở mô phỏng BIOS. trình khởi động UEFI chế độ Mô-đun hỗ trợ tương thích (CSM) Bộ nạp khởi động hệ điều hành Một phần mềm được khởi động bởi chương trình cơ sở (thường là ) và sử dụng giao diện của nó để . Nó có thể phức tạp như một hệ điều hành, cung cấp các tính năng như: Second-Stage Bootloader tải hạt nhân hệ điều hành Đọc từ nhiều hệ thống tập tin khác nhau (HFS+, ext4, XFS, v.v.) Tương tác qua mạng (ví dụ: TFTP, HTTP) Khởi động các hạt nhân tương thích với Multiboot Tải chuỗi Đang tải ramdisk ban đầu ( ) initrd Và nhiều hơn thế nữa! Thiết kế chung của các chương trình này nằm ngoài phạm vi của bài viết này. Để so sánh chi tiết các trình khởi động hệ điều hành phổ biến, bạn có thể tham khảo và . wiki ArchLinux bài viết Wikipedia Hệ thống Windows sử dụng trình nạp khởi động hệ điều hành độc quyền được gọi là . Trình quản lý khởi động Windows (BOOTMGR) Firmware không còn là một đoạn mã nữa. Nó đã trở thành một và xu hướng hiện tại chỉ góp phần vào điều này. Chúng ta có thể chạy , và nhiều ứng dụng thú vị khác trên đó. nhỏ, phức tạp lượng lớn mã phức tạp Doom Twitter Hiểu được kiến trúc tổng thể giúp sắp xếp các thành phần này trong tâm trí bạn. Bằng cách kiểm tra thiết kế của chương trình cơ sở hiện có, bạn sẽ hiểu sâu hơn về quá trình hấp dẫn diễn ra mỗi khi máy tính được bật nguồn. Góc nhìn từ trên xuống này không chỉ làm rõ vai trò của từng bộ phận mà còn làm nổi bật bản chất tinh vi và đang phát triển của các hệ thống chương trình cơ sở hiện đại. Tài nguyên Đặc điểm kỹ thuật UEFI Phiên bản 2.10 Đặc tả khởi tạo nền tảng UEFI Phiên bản 1.8 (Lỗi A) Tài liệu EDK II Tài liệu dự án Slim Bootloader Khởi động UEFI: vậy thì nó thực sự hoạt động như thế nào? Hiểu về khởi động nền tảng hiện đại dựa trên UEFI Giải phẫu của chuỗi khởi động UEFI trên Intel Galileo Ghi chú rất đơn giản về "đường dẫn" thiết bị đĩa trong một số kiến trúc phổ biến. Máy tính khởi động như thế nào