UEFI与GPT（7.3课上作业）

一、UEFI：统一可扩展固件接口

1、什么是UEFI

        统一可扩展固件接口（Unified Extensible Firmware Interface,UEFI）是一种PC系统规格，用来定义操作系统与系统固件之间的软件界面，作为BIOS的替代方案。UEFI负责加电自检（POST），联系操作系统以及提供操作系统与硬件连接的接口。下图为EFI在软件层次中的位置：

2、UEFI引导过程

    1、系统开机 – 加电自检（POST）

    2、UEFI固件被加载，并由它初始化要启动的硬件

    3、固件读取其引导管理器以确定从何处（比如从哪个硬盘及分区）加载哪个UEFI应用（如windows boot manager）

    4、固件按照引导管理器中的启动项目，加载UEFI应用

    5、根据已启动的UEFI应用还可以启动其他应用（对应于UEFI shell或rEFInd之类的引导管理器的情况）或者启动内核及initramfs（对应于GRUB之类引导器的情况），这取决于UEFI应用的配置

3、UEFI与BIOS的比较

1，EFI使用了模块化，C语言风格的参数堆栈传递方式，动态链接的形式构建的系统，相比BIOS而言更容易实现，容错和纠错的特性更强，缩短了系统开发的时间。

2，EFI运行于32或64乃至未来增强的处理器模式下，突破传统BIOS16位代码的寻址能力，达到CPU的最大寻址。使得EFI驱动可以操控所有硬件设备。而BIOS只能以16位代码的形式提供硬件服务程序，这使其只能提供给操作系统引导程序或MS-DOS类操作系统使用。

3，EFI系统下的驱动不是直接运行于CPU上的代码写成，而是用EFIBC编写而成的，这是一组专用于EFI驱动的虚拟机器语言，需要EFI驱动环境（DXE）下被解释运行，这提供了不同系统平台间的向下兼容性。另外EFI驱动开发简单，所有PC部件供应商都可以参与开发，对于丰富其功能十分有利。

4、EFI与操作系统的关系

      EFI理论上非常类似于一个低级操作系统，并且具有操控所有硬件资源的能力。但它有其局限性：在EFI规范中，

1，EFI只是硬件和预启动软件间的接口规范

2，不提供负载的内存保护功能，只具备简单的内存管理机制。

3，EFI不提供中断机制，即每个驱动程序必须使用轮询+解释的方式运行，效率较低

当EFI所有组件加载王城后，系统可以开启一个类似操作系统shell 的命令解释环境，在这里用户可以使用各种EFI应用程序，如硬件检测及排错软件，引导管理等等。

5、EFI的组成

一般来说，EFI由如下几部分组成

1，Pre-EFI初始化模块：初始化CPU，主桥及存储器

2，EFI驱动执行环境：加载DXE

3，EFI驱动程序：枚举、识别及加载其他设备驱动程序

4，兼容性支持模块（CSM）：为不支持EFI的操作系统提供支持

5，EFI高层应用：如引导程序，排错程序等

6，GUID磁盘分区表：GPT（见下文）

二、全局唯一标识分区表：GPT

全局唯一标识分区表（GUID Partition Table，GPT）是一个实体硬盘的分区表的结构布局的标准。它是EFI标准的一部分，被用于替代BIOS系统中的主引导记录（MBR）分区表。

特点：

     在MBR硬盘中，分区信息直接存储于主引导记录（MBR）中。但在GPT硬盘中，分区表信息存储于GPT头中。（处于兼容性考虑，硬盘的第一个扇区仍然用作MBR，之后才是GPT头）

     跟现代的MBR一样，GPT也使用逻辑区块地址（LBA）作为寻址方式。传统MBR信息存储与LBA0，GPT头存储于LBA1，接下来LBA2 ~ LBA33是分区表，使用16384字节（32扇区）作为GPT分区表。LBA34是硬盘上第一个分区的开始。

     为了减少分区表损坏的风险，GPT在硬盘的最后保存了一份分区表的副本

传统MBR（LBA0）

     在GPT分区表的开头，处于兼容性考虑仍然存储了一份传统的MBR，用来放置不支持GPT的硬盘管理工具错误识别并破坏硬盘中的数据，这个MBR叫做保护MBR。在支持GPT启动的操作系统中，这里也用于存储第一阶段的启动代码。在这个MBR中，只有一个标识为0xEE的分区，表示这块硬盘使用GPT分区表。不能识别GPT的操作系统通常会识别到一块未知类型的分区，并且拒绝对其进行操作，除非用户删除这个分区。另外，能够识别GPT的操作系统会检查保护MBR中的分区表，如果分区类型不是0xEE或分区表中有多个项，也会拒绝对硬盘进行操作。

另外在MBR与GPT共存的混合分区表硬盘中，可以使不支持GPT启动的操作系统从MBR启动，启动后只能操作MBR分区表中的分区。

GPT分区表头（LBA1）

     分区表头定义了硬盘的可用空间以及组成分区表的项的大小和数量。一般最多可以创建128个分区，即分区表中保留128个项，每个都是128字节。

     分区表头还记录了这块硬盘的GUID，记录了分区表头本身的位置和大小（位置总是在LBA1）以及备份分区表头和分区表的位置和大小（在硬盘的最后）。它还储存着它本身和分区表的CRC32校验。固件，引导程序和操作系统可以根据校验值来判断分区表是否出错，如果出错，则使用软件从硬盘最后的备份GPT中恢复整个分区表，如果备份的也校验错误，硬盘将不可用，所以GPT分区表不能直接使用16进制编辑器修改。

分区表项（LBA2-33）

GPT分区表使用简单而直接的方式表示分区。一个分区表项的前16字节是分区类型GUID。接下来的16字节是该分区唯一的GUID（这个GUID指的是该分区本身，而之前的GUID指的是该分区的类型）。再接下来是分区起始和末尾的64位LBA编号，以及分区的名字和属性。

GPT的优点

    1，使用GUID来表明分区类型 – 无冲突

    2，为每个分区提供了一个唯一硬盘GUID和一个唯一分区GUID – 一个好的不依赖文件系统封的引用分区和硬盘的方式

    3，任意分区数 – 取决于给分区表分配的空间 – 不需要扩展和逻辑分区。默认定义了128个分区的空间。

    4，使用64位LBA存储扇区数 – 最大硬盘可寻址大小为2 ZB。

    5，存储了备份头和分区表可用于主要部分损坏时进行急救。

    6，CRC32校验值用于检测头和分区表的错误与损坏

GPT体系

GPT分区表项的格式

资料来源：Wiki、ArchLinux