Как происходит загрузка с UEFI

Наверняка вы не раз слышали о понятии BIOS. Напомним: это прошивка, которая встроена в материнскую плату и обеспечивает начальную загрузку операционной системы. Однако на современных системах используется более новый интерфейс прошивки под названием UEFI. Именно о нем пойдет речь в этой статье.

Что такое UEFI

UEFI — это современный интерфейс прошивки, который является усовершенствованной заменой BIOS. Он запускается при включении компьютера и отвечает:

Всё актуальное — в наших соцсетях. Подписывайтесь!

Телеграм ВКонтакте

• за инициализацию оборудования — процессора, памяти, дисков и многое другое;
• за передачу управления загрузчику операционной системы.

Изначально BIOS (Basic Input/Output System) был доминирующей прошивкой для ПК с начала восьмидесятых годов. BIOS был простым и надежным, однако к концу девяностых годов ограничения его функционала начали создавать неудобства. Основными были:

• 16-битный режим, из-за которого возникали проблемы с доступом к памяти на этапе загрузки;
• упор на устаревшие службы прерываний (например, INT);
• отсутствие стандартизации, из-за которого каждый производитель реализовывал свой собственный код инициализации оборудования. Это делало процесс запуска сложным и медленным;
• ограничение MBR, из-за которого не поддерживалась загрузка с дисков объемом более 2,2 ТБ.

Первой попыткой замены BIOS стало создание EFI. Всё началось с того, что компания Intel разработала новую 64-битную архитектуру Itanium (IA-64). После этого стало очевидно, что прежний BIOS с 16-битным режимом не справится с новой платформой. Поэтому в 2000 году Intel представили первую официальную спецификацию EFI 1.02. Она имела следующие отличительные особенности:

• поддержка 32-битного и 64-битного режимов;
• использование таблиц разделов GPT;
• модульная архитектура, которая позволяла загружать драйверы из памяти;
• предзагрузочная среда с возможностью запуска приложений;
• использование стандартного языка C.

Таким образом, EFI оказался функциональнее своего предшественника. Это способствовало массовому распространению технологии. Ради этой идеи Intel передала разработку и продвижение стандарта независимой организации, которая впоследствии собрала Объединенный форум EFI, в состав которого вошли лидеры IT-рынка:

• Intel,
• AMD,
• Apple,
• Dell,
• HP,
• IBM,
• Lenovo,
• Microsoft,
• Phoenix Technologies,
• AMI и многие другие.

Со временем название интерфейса сменилось с EFI на UEFI (Unified Extensible Firmware Interface). Приставка «Unified» (от англ. «объединенный») давала понять, что UEFI — это открытый стандарт, который разрабатывает и поддерживает консорциум компаний.

Особенности UEFI

UEFI имеет ряд отличительных особенностей в сравнении со своими предшественниками. Например, можно выделить семь преимуществ UEFI перед BIOS:

1. Модульная и драйверная архитектура.
2. Безопасная загрузка.
3. Поддержка GPT и загрузка с больших дисков.
4. Расширенные возможности управления.
5. Сетевые возможности.
6. Быстрая загрузка и параллельная инициализация.
7. Встроенный менеджер загрузки.

Разберем каждый из этих пунктов подробнее.

Модульная и драйверная архитектура

UEFI имеет модульную структуру, которая состоит из двух основных компонентов:

1. Ядро (UEFI Core), которое отвечает за базовые службы и их менеджмент.
2. Драйверы (.efi файлы) — отдельные модули, которые загружаются в процессе инициализации. Драйверы могут использоваться для конкретного оборудования (например, сетевой карты, контроллера или дисков) и храниться в прошивке, на самом устройстве или на диске.

Такая архитектура дает следующие преимущества:

• гибкость. Производитель материнской платы может легко добавлять или обновлять драйверы без перепрошивки всей UEFI;
• функциональность до загрузки операционной системы. Так как UEFI имеет собственные драйверы для сети, графики и дисков, вы можете использовать полнофункциональные приложения еще до запуска ОС: например, запустить браузер для диагностики сети, программу для резервного копирования или среду восстановления системы.

Безопасная загрузка

Безопасная загрузка (Secure Boot) — функция, при которой UEFI проверяет цифровую подпись каждого «участника» запуска системы: загрузчика ОС, ядра и собственных драйверов.

Secure Boot работает по следующему алгоритму:

1. UEFI хранит сертификаты безопасности от доверенных центров.
2. При запуске проверяется цифровая подпись загрузчика. Если подпись действительна и соответствует доверенному сертификату — загрузка продолжается. Если же подпись недействительна или отсутствует, UEFI блокирует запуск.

Поддержка GPT и загрузка с больших дисков

GPT — это современная схема разделов, которая является частью стандарта UEFI.

Что делает GPT в составе UEFI:

• использует 64-битные поля для адресации и поддерживает диски астрономических размеров (до 9.4 зеттабайт);
• хранит циклическую избыточность контрольных сумм данных о разделах для защиты от повреждений;
• хранит несколько копий заголовка и таблицы разделов: в начале и в конце диска. Это повышает шансы на восстановление данных в случае аварии;
• поддерживает практически неограниченное количество разделов.

Расширенные возможности управления

UEFI Setup Utility — это меню современного интерфейса UEFI. Оно позволяет изменять параметры самого UEFI работы компьютера до загрузки операционной системы.

UEFI Setup Utility обладает следующим функционалом:

• графический интерфейс с поддержкой высоких разрешений, цветовых схем и тем оформления;
• управление мышью, которое упрощает навигацию;
• локализация, которая включает в себя поддержку разных языков (в том числе русского);
• расширенные настройки для разгона процессора, управления питанием и периферией в удобном виде.

Сетевые возможности

UEFI включает в себя полноценный сетевой стек, благодаря которому доступна:

• загрузка операционной системы по сети (PXE). Это значит, что компьютер может загрузить образ операционной системы напрямую с сервера в локальной сети, не используя USB-накопитель или диск;
• удаленная настройка и диагностика. Этот функционал позволяет администратору удаленно подключаться к UEFI другого компьютера в сети, чтобы изменить настройки или провести диагностику. Подключение состоится, даже если на удаленном ПК не установлена операционная система.

Быстрая загрузка и параллельная инициализация

Быстрая загрузка (Fast Boot) — это специальная технология, которая помогает ускорить загрузку операционной системы. Быстрая загрузка возможна благодаря следующим компонентам:

• параллельная инициализация, которая позволяет запускать проверку и инициализацию нескольких устройств одновременно;
• режим Fast Boot, при котором UEFI проводит лишь минимально необходимую проверку оборудования. Он пропускает длительные тесты памяти и кэширует данные об оборудовании. При следующем включении UEFI запускает систему, используя кэшированные данные. Благодаря этому время загрузки сокращается с 30-40 секунд до 10-15 секунд и менее.

Встроенный менеджер загрузки

Boot Manager — это встроенный менеджер загрузки в UEFI, который:

• хранит список загрузочных опций в своей энергонезависимой памяти;
• использует подход, при котором каждая загрузочная запись — это путь к файлу загрузчика;
• позволяет выбрать ОС для загрузки без изменения порядка устройств в списке;
• позволяет добавлять собственные загрузочные записи (например, для USB-накопителя), которые будут сохраняться между перезагрузками оборудования.

Как происходит загрузка с UEFI

Загрузка операционной системы с UEFI происходит по четкому алгоритму. Он состоит из семи пунктов:

1. Аппаратная инициализация.
2. Проверка безопасности.
3. Предварительная инициализация EFI.
4. Инициализация драйверов.
5. Выбор загрузочного устройства.
6. Запуск загрузчика операционной системы.
7. Загрузка ядра операционной системы.

Рассмотрим каждый этап загрузки.

Этап 1. Аппаратная инициализация

Этот процесс начинается сразу после включения ПК. Что происходит после нажатия кнопки включения:

1. Материнская плата подает питание на встроенные компоненты: процессор, оперативная память и другие.
2. Процессор делает сброс и начинает выполнять код с фиксированного адреса памяти — он указывает на чип прошивки UEFI.

Этап 2. Проверка безопасности

На этом этапе UEFI создает минимальное безопасное окружение для выполнения следующего блока кода. В этот момент интерфейс делает следующее:

1. Процессор работает в ограниченном режиме — кэш отключен и работает с ОЗУ напрямую.
2. Выполняется проверка целостности следующего этапа кода (подробнее о нем в следующем шаге).
3. UEFI инициализирует временную оперативную память для перехода к следующему этапу.

Этап 3. Предварительная инициализация EFI

Во время предварительной инициализации EFI (PEI) происходит загрузка оборудования, которое необходимо для запуска основной оперативной памяти. Это происходит по следующему алгоритму:

1. Загрузка PEIM — программных модулей, которые отвечают за запуск основного оборудования: оперативной памяти, процессора и чипсета.
2. Запуск основной оперативной памяти.

Этап 4. Запуск драйверов

Запуск драйверов (DXE) — этап, на котором выполняется инициализация оставшегося оборудования и поиск загрузчика операционной системы.

В это время система следует такому алгоритму:

1. Запускается DXE Core — ядро DXE.
2. DXE Dispatcher (диспетчер DXE) загружает .efi файлы (они же DXE-драйверы) из прошивки и с подключенных устройств, после чего исполняет их.
3. DXE-драйверы инициализируют контроллеры PCIe, PCI-устройства, контроллеры дисков, USB-контроллеры и многие другие устройства.
4. Протоколы UEFI — интерфейсы для работы с оборудованием (например, протокол блочного ввода-вывода или графического вывода) — становятся доступны.

Этап 5. Выбор загрузочного устройства

Boot Device Selection (BDS) — это этап, на котором UEFI:

• подготавливает среду для запуска операционной системы;
• выбирает устройство, с которого нужно загрузить ОС.

Если разобрать этот этап детально, то получится следующий порядок действий:

1. Загрузка физических консольных устройств, таких как монитор, мышь и клавиатура.
2. Менеджер загрузки UEFI обращается к энергонезависимой памяти, на которой хранятся переменные загрузки — список всех известных загрузочных устройств и ОС.
3. Начинается проверка цифровых подписей загрузочных устройств. Это происходит только при включенном Secure Boot.
4. Менеджер загрузки выбирает приоритетное загрузочное устройство из списка.

Этап 6. Передача управления загрузчику операционной системы

Как можно понять из заголовка, на данном этапе UEFI передает управление загрузчику операционной системы по алгоритму:

1. Менеджер загрузки UEFI ищет ESP (EFI System Partition) — небольшой системный раздел (обычно объемом от 100 Мб до 500 Мб) с файловой системой FAT32. Именно на нем хранятся загрузчики ОС в формате .efi-файлов. Путь к загрузчику Windows может выглядеть так: \EFI\Microsoft\Boot\bootmgfw.efi

2. Boot Manager загружает и выполняет файл загрузчика, после чего передает управление системой загрузчику ОС.

Этап 7. Запуск загрузчика операционной системы

На финальном этапе выполняется загрузка ядра операционной системы, а также всех необходимых драйверов и модулей. Это происходит согласно следующему алгоритму:

1. Boot Manager читает конфигурацию загрузки из файла \EFI\Microsoft\Boot\BCD и передает управление Windows Boot Manager.

2. Windows Boot Manager (bootmgfw.efi) исполняет winload.efi. Он, в свою очередь, загружает ядро Windows — чаще всего оно носит название ntoskrnl.exe.

3. Ядро ОС инициализирует свои драйверы и забирает управление оборудованием у драйверов UEFI.

В результате выполнения всех этапов начинается загрузка пользовательского сеанса.

Возможные ошибки загрузки

Иногда при запуске устройства могут возникать ошибки. Их можно исправить, изменив настройки UEFI.

Важно: перед изменением конфигурации UEFI обязательно сделайте резервную копию, чтобы сохранить возможность вернуться к начальным настройкам.

Также для решения проблем необходимо открыть UEFI. После этого выполните действия в зависимости от возникших ошибок.

UEFI не видит загрузочное устройство

Подобная ошибка сопровождается следующим текстом:

No Bootable Device Found

или

Boot Device Not Found

Для решения проблемы выполните следующие действия:

1. В разделе Boot проверьте, отображается ли нужный диск в списке устройств. Если он не виден, переподключите кабель NVMe или SATA (в зависимости от того, какой из них подключен к ПК).
2. В разделе Storage Configuration проверьте значение в поле режима SATA. Оно должно иметь следующий вид:
   • Режим SATA: AHCI
3. Используйте другой порт для SATA или M.2.
4. Отключите все USB-накопители.

Ошибка Secure Boot

Эта ошибка сопровождается текстом:

Secure Boot Violation

или кодом 0xC0000428.

Ошибка Secure Boot Violation возникает, когда система не может загрузиться с выбранного накопителя из-за включенного Secure Boot и неподписанного загрузчика. Чтобы исправить это, выполните следующие действия:

1. Перейдите в раздел Security/BOOT — Secure Boot и выберите вариант Disabled.
2. Сбросьте ключи. Для этого в разделе Secure Boot выберите пункт Clear Keys, а затем Restore Factory Keys.

Конфликт с оборудованием

При возникновении этой проблемы ПК может зависать после отображения логотипа материнской платы на экране. Чтобы это исправить, выполните следующие действия:

1. Отключите Fast Boot.
2. Обновите прошивку видеокарты.
3. Проверьте наличие обновлений UEFI для материнской платы.
4. Переключитесь на другой слот PCIe.

UEFI — один из самых важных инструментов администрирования. Понимание принципов его работы помогает вовремя диагностировать проблемы и оперативно их решать. UEFI используется не только на классических ПК, но и на серверном оборудовании. К нему относятся физические серверы, VPS и даже облачные решения. Например, в Рег.облаке для заказа доступны ИИ-ассистент, приватное объектное хранилище, кластеры Kubernetes, JupyterHub, платформа данных и многое другое.