UEFI與GPT（7.3課上作業）

一、UEFI：統一可擴展固件接口

1、什么是UEFI

        統一可擴展固件接口（Unified Extensible Firmware Interface,UEFI）是一種PC系統規格，用來定義操作系統與系統固件之間的軟件界面，作為BIOS的替代方案。UEFI負責加電自檢（POST），聯系操作系統以及提供操作系統與硬件連接的接口。下圖為EFI在軟件層次中的位置：

2、UEFI引導過程

    1、系統開機 – 加電自檢（POST）

    2、UEFI固件被加載，并由它初始化要啟動的硬件

    3、固件讀取其引導管理器以確定從何處（比如從哪個硬盤及分區）加載哪個UEFI應用（如windows boot manager）

    4、固件按照引導管理器中的啟動項目，加載UEFI應用

    5、根據已啟動的UEFI應用還可以啟動其他應用（對應于UEFI shell或rEFInd之類的引導管理器的情況）或者啟動內核及initramfs（對應于GRUB之類引導器的情況），這取決于UEFI應用的配置

3、UEFI與BIOS的比較

1，EFI使用了模塊化，C語言風格的參數堆棧傳遞方式，動態鏈接的形式構建的系統，相比BIOS而言更容易實現，容錯和糾錯的特性更強，縮短了系統開發的時間。

2，EFI運行于32或64乃至未來增強的處理器模式下，突破傳統BIOS16位代碼的尋址能力，達到CPU的最大尋址。使得EFI驅動可以操控所有硬件設備。而BIOS只能以16位代碼的形式提供硬件服務程序，這使其只能提供給操作系統引導程序或MS-DOS類操作系統使用。

3，EFI系統下的驅動不是直接運行于CPU上的代碼寫成，而是用EFIBC編寫而成的，這是一組專用于EFI驅動的虛擬機器語言，需要EFI驅動環境（DXE）下被解釋運行，這提供了不同系統平臺間的向下兼容性。另外EFI驅動開發簡單，所有PC部件供應商都可以參與開發，對于豐富其功能十分有利。

4、EFI與操作系統的關系

      EFI理論上非常類似于一個低級操作系統，并且具有操控所有硬件資源的能力。但它有其局限性：在EFI規范中，

1，EFI只是硬件和預啟動軟件間的接口規范

2，不提供負載的內存保護功能，只具備簡單的內存管理機制。

3，EFI不提供中斷機制，即每個驅動程序必須使用輪詢+解釋的方式運行，效率較低

當EFI所有組件加載王城后，系統可以開啟一個類似操作系統shell 的命令解釋環境，在這里用戶可以使用各種EFI應用程序，如硬件檢測及排錯軟件，引導管理等等。

5、EFI的組成

一般來說，EFI由如下幾部分組成

1，Pre-EFI初始化模塊：初始化CPU，主橋及存儲器

2，EFI驅動執行環境：加載DXE

3，EFI驅動程序：枚舉、識別及加載其他設備驅動程序

4，兼容性支持模塊（CSM）：為不支持EFI的操作系統提供支持

5，EFI高層應用：如引導程序，排錯程序等

6，GUID磁盤分區表：GPT（見下文）

二、全局唯一標識分區表：GPT

全局唯一標識分區表（GUID Partition Table，GPT）是一個實體硬盤的分區表的結構布局的標準。它是EFI標準的一部分，被用于替代BIOS系統中的主引導記錄（MBR）分區表。

特點：

     在MBR硬盤中，分區信息直接存儲于主引導記錄（MBR）中。但在GPT硬盤中，分區表信息存儲于GPT頭中。（處于兼容性考慮，硬盤的第一個扇區仍然用作MBR，之后才是GPT頭）

     跟現代的MBR一樣，GPT也使用邏輯區塊地址（LBA）作為尋址方式。傳統MBR信息存儲與LBA0，GPT頭存儲于LBA1，接下來LBA2 ~ LBA33是分區表，使用16384字節（32扇區）作為GPT分區表。LBA34是硬盤上第一個分區的開始。

     為了減少分區表損壞的風險，GPT在硬盤的最后保存了一份分區表的副本

傳統MBR（LBA0）

     在GPT分區表的開頭，處于兼容性考慮仍然存儲了一份傳統的MBR，用來放置不支持GPT的硬盤管理工具錯誤識別并破壞硬盤中的數據，這個MBR叫做保護MBR。在支持GPT啟動的操作系統中，這里也用于存儲第一階段的啟動代碼。在這個MBR中，只有一個標識為0xEE的分區，表示這塊硬盤使用GPT分區表。不能識別GPT的操作系統通常會識別到一塊未知類型的分區，并且拒絕對其進行操作，除非用戶刪除這個分區。另外，能夠識別GPT的操作系統會檢查保護MBR中的分區表，如果分區類型不是0xEE或分區表中有多個項，也會拒絕對硬盤進行操作。

另外在MBR與GPT共存的混合分區表硬盤中，可以使不支持GPT啟動的操作系統從MBR啟動，啟動后只能操作MBR分區表中的分區。

GPT分區表頭（LBA1）

     分區表頭定義了硬盤的可用空間以及組成分區表的項的大小和數量。一般最多可以創建128個分區，即分區表中保留128個項，每個都是128字節。

     分區表頭還記錄了這塊硬盤的GUID，記錄了分區表頭本身的位置和大?。ㄎ恢每偸窃贚BA1）以及備份分區表頭和分區表的位置和大小（在硬盤的最后）。它還儲存著它本身和分區表的CRC32校驗。固件，引導程序和操作系統可以根據校驗值來判斷分區表是否出錯，如果出錯，則使用軟件從硬盤最后的備份GPT中恢復整個分區表，如果備份的也校驗錯誤，硬盤將不可用，所以GPT分區表不能直接使用16進制編輯器修改。

分區表項（LBA2-33）

GPT分區表使用簡單而直接的方式表示分區。一個分區表項的前16字節是分區類型GUID。接下來的16字節是該分區唯一的GUID（這個GUID指的是該分區本身，而之前的GUID指的是該分區的類型）。再接下來是分區起始和末尾的64位LBA編號，以及分區的名字和屬性。

GPT的優點

    1，使用GUID來表明分區類型 – 無沖突

    2，為每個分區提供了一個唯一硬盤GUID和一個唯一分區GUID – 一個好的不依賴文件系統封的引用分區和硬盤的方式

    3，任意分區數 – 取決于給分區表分配的空間 – 不需要擴展和邏輯分區。默認定義了128個分區的空間。

    4，使用64位LBA存儲扇區數 – 最大硬盤可尋址大小為2 ZB。

    5，存儲了備份頭和分區表可用于主要部分損壞時進行急救。

    6，CRC32校驗值用于檢測頭和分區表的錯誤與損壞

GPT體系

GPT分區表項的格式

資料來源：Wiki、ArchLinux