Linux：在使用UEFI固件的计算机上内核是如何被启动的

前言

启动计算机通常不是一件难事：按下电源键，稍等片刻，你就能看到一个登录界面，再输入正确的密码，就可以开启一天的网上冲浪之旅了。

但偶尔这件事没那么顺利，有时候迎接你的不是熟悉的登录界面，而是一个令人生畏的命令提示符界面，一闪一闪的提示符告诉你：“你碰到麻烦了”。于是你对着错误提示查找解决方法，按照网页上的步骤，你对着提示符输入并执行了几条你完全不理解的命令，计算机又能正常启动了，但同时你发现你那存有大学舍友糗照的硬盘分区被清空了。

为了防止这样的悲剧发生，了解一下计算机的启动流程是非常有必要的，这能帮助你下次再碰到计算机启动问题时不至于手忙脚乱，而误把硬盘分区格式化掉。

下面开始正题，我会以一个Linux使用者（而不是专业的UEFI开发工程师）的视角来叙述一下UEFI固件计算机的启动流程。虽然BIOS看起来已经成为历史，但它实际上还运行在许多存量设备上——我数年前供职的第一家公司其生产的基于Linux的设备就仍在使用BIOS固件，因此也会对其进行介绍。

BIOS+MBR

在BIOS+MBR时代，对于固件来说，并没有文件的概念，甚至没有分区的概念，它只认识扇区。在把对CPU的控制权交给存储于硬盘MBR中的bootloader代码后，固件就完成了它在启动过程中的大部分工作，后续的流程由bootloader来负责。

标准MBR结构¹：

标准MBR结构
MBR分区表项格式²：

MBR分区表项格式
而MBR空间非常有限，最多只有446个字节，这并不足以容纳全部的启动流程，因此通常bootloader会把启动流程划分为多个阶段，每个阶段的逻辑存储在不同的地方。

以曾经广泛使用的GRUB Legacy为例，它的启动流程分为三个阶段：stage1、stage1.5和stage2，其中stage1.5是可选的。stage1只是一个用来加载stage1.5或者stage2的入口；stage1.5提供了文件系统驱动，如果存在stage1.5，后面的stage2的代码就可以通过文件路径来加载，否则还是要通过扇区列表来加载；stage2才是最终启动内核的地方，根据配置，它可以加载指定路径下的内核镜像，也可以加载安装在其他分区PBR中的bootloader，由另外的bootloader完成系统的启动。³

UEFI+GPT

UEFI和BIOS很不一样，根据标准，UEFI固件需实现对FAT文件系统的支持⁴，而有了对文件系统的支持以后，许多事情都变得豁然开朗了：bootloader再也不用争抢MBR这块弹丸之地，也不需要切割逻辑，把代码见缝插针地安置在磁盘分区之间的空隙中，bootloader现在完全可以作为文件系统中的合法公民，不再是游离在外的幽灵。

GPT

UEFI虽然也可以以CSM模式从MBR硬盘中启动，但如今大多数情况都是配合GPT硬盘使用的，因此了解一下GPT分区表是很有必要的。本文后续也都基于UEFI+GPT的组合，并且不考虑U盘和光盘等移动存储设备。

GPT分区表的结构⁵：

GPT分区表的结构
出于兼容性的考虑，在GPT硬盘的第0个LBA仍然保存有一份MBR格式的分区表，但这个分区表将硬盘余下的所有区域标记为一个受保护的分区⁶：

GPT disk layout with protective MBR
GPT硬盘的第1个LBA才是真正的GPT分区表头，其格式如下⁵：

分区表头的格式
GPT分区表头后面跟随着分区表项，每个分区表项大小为128字节，其格式如下⁵：

GPT分区表项的格式
需要注意的是，这里的“分区类型GUID”里面的“分区类型”并不是根据FAT32、NTFS和ext4等具体格式划分的，而是根据用途划分的。下面是gnome-disk-utility在编辑分区时支持的部分分区类型GUID：

分区类型GUID
既然GPT分区表项中并没有表示分区格式的字段，那么磁盘管理工具是如何获取分区格式的呢？以libblkid为例，它实现了一系列的probe_*函数，通过读取分区头部的superblock中的数据来探测分区格式：

probe_vfat
probe_ext4
probe_ext3
probe_ext2
probe_ntfs

需要注意的是，在lsblk等工具的输出中，有一列UUID，但这个UUID并不是GPT分区表项中的分区类型GUID或者分区GUID，而是文件系统UUID，它不是GPT标准的一部分。文件系统的UUID通常存储于superblock中，并且由于没有统一的标准，其存储位置和大小也不尽相同，ext系列文件系统的UUID长度为16个字节，FAT系列文件系统的UUID长度为4个字节，NTFS文件系统的UUID长度为8个字节⁷：

struct ext2_super_block {
    // *
    unsigned char		s_uuid[16];
    // *
};

struct msdos_super_block {
    // *
/* 27*/	unsigned char	ms_serno[4];
    // *
};

struct vfat_super_block {
    // *
/* 43*/	unsigned char	vs_serno[4];
    // *
};

struct ntfs_super_block {
    // *
    uint64_t	volume_serial;
    // *
};

在lsblk中，分区类型GUID和分区GUID字段名分别为PARTTYPE和PARTUUID：

$ lsblk /dev/sda --fs -o +PARTTYPE,PARTUUID
NAME FSTYPE FSVER LABEL UUID                                 FSAVAIL FSUSE% MOUNTPOINTS PARTTYPE                             PARTUUID
sda                                                                                                                          
├─sda1
│    vfat   FAT32       81DE-2849                             504.9M     1% /boot/efi   c12a7328-f81f-11d2-ba4b-00a0c93ec93b 3c1a61a2-5829-7598-8673-16494a668884
└─sda2
     ext4   1.0         5ae3cdb0-e1d3-372b-82d9-253144874891  395.5G     5% /           0fc63daf-8483-4772-8e79-3d69d8477de4 01c4ade9-2f93-e266-b517-858b6af37179

EFI系统分区（ESP）

在UEFI+GPT时代，bootloader不再存放于MBR，而是作为普通文件存放在EFI系统分区（ESP）。ESP实际上就是一个FAT格式的分区（通常是FAT32），其分区类型GUID为为c12a7328-f81f-11d2-ba4b-00a0c93ec93b，其GPT分区表项中属性字段的bit1被设置为0⁸，除此之外，它与普通的FAT格式分区并没有什么不同。

ESP在Windows上默认是隐藏的，在Linux上可以作为普通的块设备正常挂载。在Ubuntu上，ESP被默认挂载于/boot/efi目录，/etc/fstab中有这样一个配置项：

# /boot/efi was on /dev/sda1 during installation
UUID=81DE-2849  /boot/efi       vfat    umask=0077      0       1

这个配置项的一个细节是被挂载的分区并没有使用/dev/sd1这样的设备路径，而是使用了UUID=81DE-2849来指定，这样可以防止由于硬件配置变动导致错误的分区被挂载到/boot/efi目录。

bootloader也不是随意地放在ESP中，UEFI标准还对ESP的目录结构做了规定。按照标准，ESP的根目录中需包含一个名为EFI的目录，所有的bootloader均需放置在EFI目录的子目录下⁹：

\EFI
   \<OS Vendor 1 Directory>
         <OS Loader Image>
   \<OS Vendor 2 Directory>
         <OS Loader Image>
  …

   \<OS Vendor N Directory>
         <OS Loader Image>
   \<OEM Directory>
         <OEM Application Image>
   \<BIOS Vendor Directory>
         <BIOS Vendor Application Image>
   \<Third Party Tool Vendor Directory>
         <Third Party Tool Vendor Application Image>
   \BOOT
         BOOT{machine type short name}.EFI

其中BOOT目录是一个缺省目录，缺省目录中又有一个缺省bootloader，当没有其他可加载的bootloader时，固件就会尝试加载它。这个缺省bootloader文件名和处理器架构相关，在x86_64机器上，它的名字是BOOTX64.EFI⁹。

我本机ESP目录结构如下：

/boot/efi
└── EFI
    ├── BOOT
    │   ├── BOOTX64.EFI
    │   ├── fbx64.efi
    │   └── mmx64.efi
    └── ubuntu
        ├── BOOTX64.CSV
        ├── grub.cfg
        ├── grubx64.efi
        ├── mmx64.efi
        └── shimx64.efi

UEFI镜像

虽然我前面一直在说bootloader，但UEFI固件能够加载的不仅仅是bootloader，任何符合格式的文件都可以被加载，它们被统称为UEFI镜像，其后缀名为efi。UEFI镜像可分为两类：UEFI应用和UEFI驱动，bootloader是UEFI应用的一个子类，它实现了加载操作系统的功能。除了bootloader之外还有其他类型的UEFI应用，例如提供了命令行交互接口的UEFI shell，能够以菜单形式选择不同bootloader加载的boot manager，甚至连python都被移植成了UEFI应用¹⁰。

UEFI目前使用的镜像格式为PE32+，这是一种和Windows上的exe可执行文件大同小异的格式，感兴趣的可以自己查找相关资料。在Linux下使用file命令识别它们，输出如下：

$ file BOOTX64.EFI 
BOOTX64.EFI: PE32+ executable (EFI application) x86-64 (stripped to external PDB), for MS Windows

objdump也认识它们：

$ objdump -f BOOTX64.EFI 

BOOTX64.EFI:     file format pei-x86-64
architecture: i386:x86-64, flags 0x00000133:
HAS_RELOC, EXEC_P, HAS_SYMS, HAS_LOCALS, D_PAGED
start address 0x0000000000023000

NVRAM变量

前面提到了UEFI标准对ESP目录结构有规定，bootloader需要放置在EFI目录的子目录下，但是这还不够，想要能够被UEFI固件直接加载，还要配合NVRAM变量。

UEFI使用NVRAM来保存配置，这些配置在机器断电重启后也依然能够保持，其中有一些与启动过程息息相关。

名为Boot####的NVRAM变量定义了启动项条目，保存了bootloader的路径，其中####是一个16进制的序号。当机器启动后，我们手动选择启动项时，实际上就是在选择不同的Boot####变量中保存的bootloader路径进行加载。因此想要添加一个新的启动项时，不但要把bootloader放在符合UEFI标准的路径下，还要创建一个指向这个bootloader的Boot####变量。

名为BootOrder的NVRAM变量定义了启动项顺序，当我们没有手动选择启动项时，UEFI固件就会按照这个变量中配置的顺序依次加载bootloader，直到有bootloader被成功加载为止¹¹。

在Linux上可以使用efibootmgr工具来管理它们：

$ efibootmgr -v
BootCurrent: 0000
Timeout: 0 seconds
BootOrder: 0002,0004,2001,2002,2003
Boot0000* USB HDD: KingstonDataTraveler 3.0	PciRoot(0x0)/Pci(0x14,0x0)/USB(17,0)/HD(1,GPT,a3382272-59c0-2911-3af9-29919cc5c581,0x800,0x1ce77df)
Boot0002* ubuntu	HD(1,GPT,3c1a61a2-5829-7598-8673-16494a668884,0x800,0x100000)/File(\EFI\ubuntu\shimx64.efi)
Boot0004* Windows Boot Manager	HD(1,GPT,44b82d72-7651-803f-9a23-2cf241e4c839,0x800,0x32000)/File(\EFI\Microsoft\Boot\bootmgfw.efi)
Boot2001* EFI USB Device	RC
Boot2002* EFI DVD/CDROM	RC
Boot2003* EFI Network	RC

至于如何增删启动项，可以自行查阅efibootmgr手册。

如果因为某种原因NVRAM中数据被清空了，那么计算机该如何启动呢？一种方式是前面提到过的缺省bootloader，你可以把一个GRUB2的UEFI镜像重命名为BOOTX64.EFI放到BOOT目录下来引导机器启动，也可以使用fbx64.efi这种能够重建NVRAM启动项的UEFI应用来修复启动项，甚至把UEFI shell作为缺省启动项，手动加载要启动的bootloader；另一种方式是依赖UEFI固件的一些非标准逻辑——你机器上的UEFI固件很可能无论如何都会查看ESP中的EFI/Microsoft/Boot/bootmgfw.efi文件是否存在并尝试加载它，而无视NVRAM中的配置。¹²

GRUB2

前面是任何使用UEFI固件的计算机启动时都会涉及的流程，而当bootloader被成功加载后，操作系统如何被加载，就不在UEFI标准之中了。下面以GRUB2为例，看一下Linux内核是如何被加载的。

GRUB2安装在ESP中的bootloader镜像在x86_64机器上名字是grubx64.efi，即使在UEFI时代，GRUB2也没有把全部的代码和数据统统塞进ESP中，主配置和数据仍然保存在普通数据分区中。GRUB2在ESP中有一份简单的配置文件grub.cfg，它的作用就是告诉grubx64.efi应当去哪里加载主配置文件，下面是我机器上ESP分区中grub.cfg的内容：

search.fs_uuid 5ae3cdb0-e1d3-372b-82d9-253144874891 root hd0,gpt2 
set prefix=($root)'/boot/grub'
configfile $prefix/grub.cfg

grubx64.efi可以根据这份配置文件的内容，首先按照文件系统UUID找到存放主配置文件的分区，然后再根据路径找到主配置文件加载。

而主配置文件的内容就比较长了，此处列出其中三个启动项的配置：

第一个是Ubuntu启动项，在以正常方式启动Ubuntu时，这个启动项会被GRUB2加载。这个启动项被加载时，GRUB2首先会进行必要的配置，使用insmod命令加载必要的模块，然后根据文件系统UUID找到存放内核镜像的分区，找到内核镜像后，使用linux命令向其传递启动参数并加载，使用initrd命令加载initrd，最后会执行隐含的boot命令，启动内核¹³：

menuentry 'Ubuntu' --class ubuntu --class gnu-linux --class gnu --class os $menuentry_id_option 'gnulinux-simple-5ae3cdb0-e1d3-372b-82d9-253144874891' {
	recordfail
	load_video
	gfxmode $linux_gfx_mode
	insmod gzio
	if [ x$grub_platform = xxen ]; then insmod xzio; insmod lzopio; fi
	insmod part_gpt
	insmod ext2
	set root='hd0,gpt2'
	if [ x$feature_platform_search_hint = xy ]; then
	  search --no-floppy --fs-uuid --set=root --hint-bios=hd0,gpt2 --hint-efi=hd0,gpt2 --hint-baremetal=ahci0,gpt2  5ae3cdb0-e1d3-372b-82d9-253144874891
	else
	  search --no-floppy --fs-uuid --set=root 5ae3cdb0-e1d3-372b-82d9-253144874891
	fi
	linux	/boot/vmlinuz-5.19.0-50-generic root=UUID=5ae3cdb0-e1d3-372b-82d9-253144874891 ro  quiet splash $vt_handoff
	initrd	/boot/initrd.img-5.19.0-50-generic
}

第二个是Windows Boot Manager启动项，GRUB2并不单纯是一个bootloader，它还可以使用chainloader命令加载其他UEFI镜像，在这个启动项中，它就加载了Windows的bootloader：

menuentry 'Windows Boot Manager (on /dev/nvme0n1p1)' --class windows --class os $menuentry_id_option 'osprober-efi-9493-2BA0' {
	insmod part_gpt
	insmod fat
	search --no-floppy --fs-uuid --set=root 9493-2BA0
	chainloader /efi/Microsoft/Boot/bootmgfw.efi
}

第三个是UEFI Firmware Settings，GRUB2还可以放弃加载内核或者其他bootloader，调用fwsetup重启机器，并进入UEFI固件配置界面：

menuentry 'UEFI Firmware Settings' $menuentry_id_option 'uefi-firmware' {
	fwsetup
}

总结

总结一下，使用UEFI固件的计算机从开机到Linux内核启动的典型流程如下：

UEFI固件初始化
UEFI固件根据NVRAM配置，或者手动选择，在ESP中加载bootloader。如果想要启动Linux，这个bootloader大部分情况是GRUB2
GRUB2加载ESP分区的配置文件，找到主配置文件路径
加载主配置文件，展示GRUB2启动项选择菜单
手动或者默认选择Linux启动项
通过一系列的insmod、linux、initrd和boot命令加载并启动Linux内核

当然了，UEFI固件的实现并不一定会完全按照标准来，Linux也并不只是有GRUB2这一个bootloader可用，所以每台计算机实际的启动流程并不一定和这里完全相符。但是万变不离其宗，在正常启动的情况下，CPU的控制权总还是会按照UEFI固件->UEFI应用->Linux内核的顺序流转的。

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%B8%BB%E5%BC%95%E5%AF%BC%E8%AE%B0%E5%BD%95 ↩︎
https://wiki.osdev.org/Partition_Table ↩︎
https://www.system-rescue.org/disk-partitioning/Grub-boot-stages/ ↩︎
https://uefi.org/specs/UEFI/2.10/13_Protocols_Media_Access.html#file-system-format ↩︎
https://zh.wikipedia.org/wiki/GUID%E7%A3%81%E7%A2%9F%E5%88%86%E5%89%B2%E8%A1%A8 ↩︎ ↩︎ ↩︎
https://uefi.org/specs/UEFI/2.10/05_GUID_Partition_Table_Format.html#protective-mbr ↩︎
https://github.com/util-linux/util-linux/tree/master/libblkid/src/superblocks ↩︎
https://uefi.org/specs/UEFI/2.10/13_Protocols_Media_Access.html#partition-discovery ↩︎
https://uefi.org/specs/UEFI/2.10/13_Protocols_Media_Access.html#directory-structure ↩︎ ↩︎
https://github.com/tianocore/edk2-staging/tree/MicroPythonTestFramework ↩︎
https://uefi.org/specs/UEFI/2.10/03_Boot_Manager.html#globally-defined-variables ↩︎
https://www.rodsbooks.com/efi-bootloaders/fallback.html ↩︎
https://www.gnu.org/software/grub/manual/grub/grub.html#boot ↩︎