背景

BIOS（Basic Input/Output System）和UEFI（Unified Extensible Firmware Interface ）是不同的计算机引导固件，

BIOS启动流程

上电

当计算机按下电源键时，主板上各组件通，此时，CPU的指令寄存器是一个默认的值，指向存有BIOS固件的ROM芯片地址（ROM芯片和内存是统一编址的，可以直接执行指令），随着时钟信号的输入，ROM芯片的BIOS固件被CPU执行，系统的控制权交给了BIOS。

选择引导设备

BIOS程序完成基本外设的初始化和自检后，需要进行引导设备的选择，主要是确定计算机从哪个设备启动，通常是硬盘或可移动设备。这一步也是我们常说的BIOS下的启动顺序，计算机需要知道下一个阶段要启动的程序具体放在了哪一个设备上。

加载引导程序

从BIOS设计角度来讲，BIOS只有足够简单才能足够通用，所以BIOS不关心引导设备上数据本身，只负责将主引导设备上符合要求的引导程序加载进内存执行。具体的执行流程是按照COMS中设定的顺序，依次读取设备的前512字节，判断若以0x55aa结尾，则认为是有效的MBR并跳入MBR执行。

MBR

MBR存在于储存设备的第一个扇区(大小512个字节)，它存放了用于启动操作系统的引导程序代码和分区表。
主引导记录由三个部分组成：

• 占446个字节：主引导程序（也叫Boot+Loader），如果启动管理器grub是直接写进mbr硬盘的主引导记录中的，计算机BIOS在启动时，按照预定的方式，将MBR内的代码加载至内存指定位置，然后跳转至那里，mbr的代码就开始运行了。
• 占64个字节：记录分区表，由于硬盘可以分区，每个区可以安装不同的操作系统，所以主引导记录必须知道将控制权转交给哪个区。
• 占2个字节：主引导记录的签名（0x55和0xAA）%2C如果这512字节的最后两个字节是0x55和0xAA，表明这个设备可以用于启动；如果不是，表明设备不能用于启动，控制权于是被转交给"启动顺序"中的下一个设备。如果到最后还是没找到符合条件的，直接报出一个无启动区的error。
  

BootLoader

由于 MBR 仅有 512 字节，无法完成过多的任务，因此通常的设计是由 MBR 从硬盘上读取第二阶段的 boot loader，由其来完成后续的系统环境初始化、载入操作系统内核等工作。

UEFI启动

我们知道在 UEFI 之前的 BIOS 时代，操作系统的 bootlloader 是存放在主引导记录（MBR）中的，容量受限，所以 UEFI 中引入了一个新的系统分区 ESP (EFI System Partition) ，该分区用来存储操作系统的 bootloader 和 EFI 驱动程序等数据，当计算机启动后，UEFI 固件从该分区中加载所需要的硬件驱动，执行 bootloader 启动指定的操作系统。在 Windows 系统中默认该分区不可见，可以参照 如何查看 EFI 分区内容 查看 EFI 分区中的内容。
它也不仅仅是BIOS替换。UEFI本质上是一个运行在PC固件之上的微型操作系统，它可以做的比BIOS多得多。它可以存储在主板的闪存中，也可以在启动时从硬盘或网络共享加载。一般的UEFI系统仅能识别FAT32，不同于BIOS只能识别固定位置的磁盘引导块。这意味着只要将引导程序放到FAT32分区里，UEFI系统就能通过分区表的指引找到这个保存着引导程序的FAT32分区。UEFI系统是由模块化的C语言程序写出来的，所以通过添加或修改程序模块就能获得更多的功能。例如支持更多的文件系统，图形界面，甚至能使用浏览器浏览网页。

硬盘分区表

磁盘分区表格式目前主要有两种，分别是MBR分区表和GPT分区表。

MBR分区表

MBR格式的分区表主要是BIOS使用，由三部分组成：

• MBR：主引导记录位置在磁盘的第一个逻辑扇区，即LBA0的位置。一个逻辑扇区仅有512B（字节） ，MBR引导代码占446B，MBR分区表占64B，最后的magic number占2B（即上述以0x55 0xAA结尾的标识符）。因为每个分区只有16B大小的分区表记录，所以寻址最大只能到2.2TB，并且由于分区表总共只占64B，所以MBR分区表最多4个分区。下图的绿色部分。
• PBR：即Partition Boot Record，对应主引导记录，每个分区都存在引导记录，位置在每个磁盘分区的开始部分，占用扇区不定。这个扇区一般保存着操作系统引导程序的所在位置。下图的红色部分。
• File System：操作系统对磁盘的所有操作都需要经过文件系统，删除文件指的是在文件系统里删除文件的索引条目，创建文件就是在在文件系统里添加索引条目并将具体数据写入磁盘。常见的文件系统格式有：FAT、ext4、NTFS。文件系统位置一般在PBR之后。下图黄色部分。

GPT分区表

上面提到BIOS分区表类型为MBR，只能管理最大2.2T的硬盘，并且分区数上限最大为4个，尽管后来为了支持更多的分区，引入了扩展分区及逻辑分区的概念，但是换汤不换药，满足不了硬盘容量和分区数目急速增长的需求。而UEFI采用GPT分区表的方式后，硬盘容量和分区数目几乎没有上限（目前windows支持最大128个分区）。

GPT，即Globally Unique Identifier Partition Table，全局唯一标识码分区表，简称GPT或GUID分区表，它是UEFI规范的一部分。由于MBR分区表 的局限性（还有BIOS的），而UEFI BIOS的推广也为GPT的实现打下了坚实的技术基础，GPT应运而生。GPT由GPT头和GPT主体，GPT备份组成。起始于磁盘LBA1的位置，相对的LBA0仍然为MBR，但是这个MBR是被保护的，没有引导代码，仅仅有一个被标识为未知的分区，当支持GPT分区表的操作系统检索到这个MBR后就会自动忽略并跳到LBA1读取GPT分区表。如下图，由于篇幅的关系，表的长度比例不等同与实际在磁盘地址里的实际比例。

相较于MBR，GPT具有以下优点：

• 得益于LBA提升至64位，以及分区表中每项128位设定，GPT可管理的空间近乎无限大，假设一个扇区大小仍为512字节，可表示扇区数为，算下来，可管理的硬盘容量=18EB(1EB=1024PB=1,048,576TB)，2.2T在它面前完全不在话下。按目前的硬盘技术来看，确实近乎无限。
• 分区数量几乎没有限制，由于可在表头中设置分区数量的大小，如果愿意，设置分区也可以（有人愿意管理这么多分区吗），不过，目前windows仅支持最大128个分区。
• 自带保险，由于在磁盘的首尾部分各带一个GPT表头，任何一个受到破坏后都可以通过另一份恢复，极大地提高了磁盘的抗性。循环冗余检验值针对关键数据结构而计算，提高了数据崩溃的检测几率。
• 尽管目前分区类型不超过百数，GPT仍提供了16字节的GUID来标识分区类型，使其更不容易产生冲突。
• 每个分区都可以拥有一个特别的名字，最长72字节，足够满足种奇葩命名需求。
• 完美支持UEFI，毕竟它就是UEFI规范的衍生品。在将来全行业UEFI的情境下，GPT必将更快淘汰MBR。