傳統BIOS（Basic Input/Output System）由IBM 1981年在其第一代 IBM PC[1]中引入，負責啟動時的硬件檢測和初始化，并為操作系統提供硬件抽象層。這一設計被廣泛模仿，成為PC行業的標準。但其局限性（如開發效率低、啟動速度慢和MBR分區表缺陷）在新時代硬件面前愈發明顯。

為解決BIOS的不足，并提升安全性，UEFI[2]（Unified Extensible Firmware Interface）標準被引入。作為取代BIOS的現代化解決方案，UEFI不僅解決了BIOS的瓶頸，還引入了:

模塊化設計

安全啟動機制

更好的大容量存儲支持

更多的啟動設備支持

本文將簡單介紹UEFI的背景、核心組件及基于spacemit K1[3]平臺的解決方案。

歷史與演進

起源

UEFI的前身是Intel于1998年提出的EFI （Extensible Firmware Interface），旨在為Itanium服務器提供更高效的啟動環境。2005年，UEFI論壇成立，由Intel、微軟、AMD等廠商共同推動標準化。

版本

UEFI 2.0（2006）：UEFI論壇制定的首版規范，64位架構支持，奠定模塊化驅動和網絡協議基礎。

UEFI 2.4（2013）：強化安全啟動（Secure Boot）和ACPI集成。

UEFI 2.8（2022）：新增RISC-V架構支持。

UEFI 2.11（2024）：內存管理增強，錯誤處理改進，新增龍芯LoongArch架構的支持，新增國密算法（SM2, SM3）支持。

演進

UEFI標準未來會繼續關注如下幾個方向：

新的硬件標準支持，如PCIe 6.0，DDR6等；

安全性持續增加，加密算法和安全機制更新；

啟動速度提升，優化啟動流程，減少啟動時間；

多架構兼容（x86/ARM/RISCV）

核心組件

UEFI通過規范定義了一整套完整的標準化接口和服務，對上屏蔽硬件細節；在硬件平臺發生變更后，通過UEFI固件提供服務，確保操作系統不受影響。

UEFI組件總覽[4]

啟動服務

啟動服務（Boot Service）的主要功能是為操作系統加載前的系統初始化提供支持，啟動服務在操作系統加載完成后會被終止，操作系統接管系統資源。這一過程通過調用 ExitBootServices 函數實現：

ExitBootServices：通知 UEFI 固件操作系統已準備好接管系統資源，啟動服務將被禁用。

啟動服務提供的service羅列如下。

內存管理

分配和釋放內存，支持不同類型的物理內存（如常規內存和保留內存）。

事件處理

UEFI中只有timer中斷，利用timer來創建和管理事件，支持異步操作和定時器功能。

協議管理

安裝、卸載和查找協議（Protocol），用于驅動程序和應用程序之間的通信。

鏡像加載

加載和啟動操作系統內核或其他可執行鏡像。

設備管理

提供對硬件設備的訪問和控制。

運行時服務

運行時服務（Runtime Services） 在操作系統運行期間提供一系列關鍵功能，包括時間管理、變量服務和系統重置等。與啟動服務不同，運行時服務在操作系統加載完成后仍然可用，為操作系統和應用程序提供與固件的交互接口。

時間管理

獲取和設置系統時間。

變量服務

讀寫 UEFI 變量（如啟動順序、硬件配置等）。UEFI 變量通常用于存儲系統配置信息，例如：

啟動順序（BootOrder）：定義系統的啟動設備順序。

硬件配置：存儲硬件相關的設置（如網絡配置、安全設置等）。

系統重置

支持系統重啟或關機（RISC-V架構下，系統重啟和關機通過openSBI實現）。

虛擬內存管理

在操作系統運行期間管理虛擬內存映射。

SMBIOS

SMBIOS（System Management BIOS） 是由 DMTF（分布式管理任務組）制定的一項標準，旨在為操作系統和管理工具提供系統硬件信息的標準化接口。通過一種結構化的方式，將系統的硬件配置、固件版本、主板信息等數據傳遞給操作系統或管理工具。

SMBIOS 數據表由UEFI生成，存儲在系統內存中，操作系統可以通過system table訪問這些數據。

硬件信息描述：提供系統硬件配置的詳細信息，例如處理器、內存、主板、存儲設備等。

固件信息傳遞：傳遞固件版本、制造商信息等數據。

系統管理支持：為系統管理工具（如 IPMI、Redfish）提供硬件信息支持。

SMBIOS 表的訪問

操作系統或管理工具可以通過以下方式訪問 SMBIOS 表：

System table：kernel下通過EFI_SYSTEM_TABLE獲取EFI_CONFIGURATION_TABLE，進而定位SMBIOS表的地址

操作系統：用戶可以通過工具（如 dmidecode）查詢 SMBIOS 數據，獲取系統的硬件信息。

系統管理工具：IPMI、Redfish標準中使用 SMBIOS 數據監控硬件狀態、診斷故障和管理系統資源。

ACPI

ACPI（Advanced Configuration and Power Interface，高級配置與電源接口）是由 Intel、Microsoft、Toshiba 等公司聯合制定的一項標準，旨在取代傳統的 BIOS 電源管理接口（如APM，Advanced Power Management）。

ACPI用于定義操作系統與硬件之間的電源管理和硬件配置接口。ACPI 提供了一種標準化的方式，使操作系統能夠管理硬件資源、控制電源狀態，并支持即插即用功能。其不僅定義了電源管理功能，還提供了硬件資源的描述和配置接口。

ACPI 表

ACPI 表是 ACPI 的核心數據結構，用于描述硬件資源和電源管理信息。ACPI 表通常在 UEFI 的 DXE（Driver Execution Environment）階段生成，并由 UEFI 傳遞給操作系統。

ACPI框架[5]

ACPI table以二進制格式存儲，操作系統通過解析這些表獲取硬件信息。常見的 ACPI 表包括：

DSDT（Differentiated System Description Table）：包含系統的硬件描述和電源管理信息。

FADT（Fixed ACPI Description Table）：描述固定的硬件資源和電源管理寄存器。

SSDT（Secondary System Description Table）：提供額外的硬件描述信息。

MADT（Multiple APIC Description Table）：描述多處理器系統的中斷控制器配置。

SRAT（System Resource Affinity Table）：描述系統資源的親和性（例如 NUMA 架構中的內存和 CPU 關系）。

RHCT（RISC-V Hart Capabilities Table）：描述RISC-V CPU核心（HARTs）的能力和配置信息，如 CPU ID、支持的 ISA 擴展等。

ACPI 電源管理

ACPI 定義了多種電源狀態，用于管理系統的功耗和性能。

全局電源狀態轉換[5]

全局電源狀態（Global System States）

G0（Working State）：系統處于正常工作狀態。

G1（Sleeping State）：系統處于睡眠狀態，分為多個子狀態（S1-S4）。

S1：CPU 停止執行指令，但內存保持供電。

S2：CPU 斷電，內存保持供電。

S3（Suspend to RAM）：CPU 和大部分硬件斷電，內存保持供電。

S4（Suspend to Disk）：系統狀態保存到磁盤，內存斷電。

G2（Soft Off）：系統處于軟關機狀態，部分硬件（如網絡接口）可能保持供電。

G3（Mechanical Off）：系統完全斷電。

設備電源狀態（Device Power States）

D0：設備處于正常工作狀態。

D1/D2：設備處于低功耗狀態。

D3：設備處于關閉狀態。

Protocol

Protocol（協議） 是 UEFI中的一個核心概念，用于定義驅動程序、應用程序和固件之間的交互接口，通過 Protocol，UEFI 能夠實現模塊化設計和動態綁定，提供強大的硬件管理和擴展能力。

protocol的組成[4]

Protocol 類似于面向對象編程中的接口或抽象類，提供了一種標準化的方式，使不同組件能夠相互通信和協作。

每個 Protocol 包含一組函數指針和數據字段，用于實現特定的功能。

標準化接口：Protocol 定義了統一的接口規范，使不同組件能夠相互兼容。

動態綁定：Protocol 通過句柄（Handle）綁定到特定設備或服務，支持動態加載和卸載。

模塊化設計：Protocol 支持模塊化設計，便于擴展和維護。

OS LOADER

OS Loader（操作系統加載器） 是 UEFI 啟動流程的一部分，依賴于 UEFI 的啟動服務（Boot Services）和運行時服務（Runtime Services），從啟動設備（如硬盤、光盤或網絡）加載操作系統內核，并為其準備執行環境，將控制權從 UEFI 固件轉移到操作系統。

OS Loader 的實現通常由操作系統開發者完成，以下是一些常見的 OS Loader 實現：

Windows Boot Manager

Windows的OS Loader是bootmgfw.efi，其主要功能包括：

加載Windows內核

準備 Windows 啟動環境

GRUB（Grand Unified Bootloader）

GRUB 是 Linux 系統中常用的 OS Loader，其主要功能包括：

加載 Linux 內核（vmlinuz）和ramdisk（initrd）

支持多操作系統啟動

提供命令行界面，用于調試和配置

UEFI on Spacemit K1

Spacemit K1是一顆8核64位RISC-V AI CPU，基于開源Tianocore EDK2解決方案，完成了K1上的UEFI適配。

啟動流程

K1上UFEI解決方案啟動流程如下圖。

基于RISC-V當前的firmware標準和開源實現：

bootloader

bootloader存儲于spi nor flash上，包含如下圖3個主要模塊。

FSBL

FSBL基于uboot工程編譯而來，實現UEFI PEI階段的：

DDR初始化

加載opensbi與EDK2

更新memory信息，并通過dtb傳遞給EDK2

openSBI

基于開源openSBI解決方案，提供machine態的基礎服務：

Cache管理

TLB管理

suspend/resume管理

EDK2

基于開源tianocore EDK2開源解決方案，提供：

EFI boot service，提供系統啟動相關服務

存儲驅動（emmc，sd，nvme）和USB驅動，支持從卡、emmc、NVME、U盤中啟動

GOP（Graphic Output Protocol），支持通過HDMI顯示啟動菜單

Variable service，實現啟動選項的配置，如啟動順序、啟動時間等

grub

OS loader選擇基于開源grub2的解決方案。

grub作為一個EFI application，存儲于ESP分區，經EDK2加載和運行；

通過/boot/grub/grub.cfg配置文件，完成多系統識別與引導，并配置啟動菜單；

加載內核鏡像和init ramdisk，完成系統加載和控制權切換；

kernel鏡像與rootfs存儲于emmc或nvme等存儲器上。

通過上述提供的解決方案，實現在K1方案板上，支持從多種啟動介質上，完成linux系統的加載和啟動；并能通過EDK2啟動菜單，完成啟動優先級的配置和修改。