背景
继上一篇《CPU的重置和初始化》文章之后，这次就到了启动过程的第三步了，激活BIOS/UEFI。 这里就有很多疑问：
- BIOS和UEFI是什么？它们都有什么作用？两者又是什么关系？
- BIOS/UEFI存储在哪里？
- CPU是通过预设的起始地址去找到BIOS/UEFI的启动代码的，那这个地址是多少？为什么要用这个起始地址？
- CPU是怎么运行BIOS/UEFI的？
- 没有物理内存，光靠CPU能运行起来吗？
解析
1. 了解BIOS/UEFI
1.1 什么是BIOS
BIOS（Basic Input Output System，基本输入输出系统）是计算机上存储在非易失性存储器中的软件，是在计算机启动时最先被执行的软件。
1.2 什么是UEFI
UEFI（Unified Extensible Firmware Interface），即统一可扩展固件接口，是一种现代的固件接口标准，用于替代传统的BIOS（基本输入输出系统）。
- Unified：统一，为各种不同的计算机硬件平台提供一个共同的接口标准;
- Extensible：可扩展，指UEFI并不是一个封闭的系统，而是可以通过添加驱动程序和应用来扩展其功能的平台。这种扩展性使得UEFI能够支持新的硬件设备和技术，而无需等待UEFI固件本身的更新;
- Firmware Interface：固件接口，代表它是一种软件，嵌入在计算机的固件中，为操作系统和计算机的硬件提供一个接口。通过这个接口，操作系统能够在启动时通过固件层提供的服务与硬件进行交互；
1.3 BIOS/UEFI作用是什么
它们的主要作用是在操作系统接管计算机之前，初始化和测试计算机硬件系统，提供一组固定的低级接口，以便操作系统和应用程序与硬件设备交互。
1.4 两者的关系
其实上面已经讲过了，UEFI是用于替代传统的BIOS的。相对于BIOS，UEFI有许多改进和优势：
- 突破了启动盘大小限制：BIOS受限于MBR（主引导记录）分区表的约束，只能支持最大2TB的硬盘。UEFI使用GPT（GUID分区表）替代了MBR，理论上可以支持高达9.4ZB（亿TB）的硬盘；
- 更好看的图形用户界面：UEFI提供图形用户界面（GUI），使得配置过程更加直观和用户友好，相比之下，BIOS通常只提供文本界面；
PS：为什么BIOS通常只提供文本界面，你们可以去查查资料，跟计算架构有一定的关系。 - 支持安全启动：UEFI引入了安全启动（Secure Boot）功能，可以在启动过程中验证操作系统加载器的数字签名，防止恶意软件（如引导级的rootkits）篡改启动过程。只有经过签名的操作系统才能被允许启动，这大大提高了系统的安全性；
PS：谁是第一个获取到UEFI签名认证的国产系统呢？有兴趣的同学可以自己去查查。 - 强大的扩展性：UEFI固件可以加载第三方驱动程序和应用程序，这为硬件诊断、系统修复工具、操作系统安装器等提供了更大的灵活性。
1.5 小结
BIOS和UEFI是计算机启动过程中关键的固件组件，负责初始化硬件并为操作系统的加载做准备。BIOS是早期的系统，提供基础的输入输出支持，而UEFI作为其现代替代品，带来了多项改进，包括支持更大的硬盘、图形用户界面、安全启动等特性，同时UEFI的模块化和扩展性还允许更灵活地支持新硬件和技术。
2. 存储BIOS/UEFI固件媒介
我们在介绍BIOS的时候就说过，BIOS固件是存储在非易失性存储器中的，那这个非易失性存储器是什么媒介呢？
自奔腾时代起，现代计算机主板普遍采用闪存芯片来存储BIOS/UEFI固件代码，主要有两种类型的闪存：NOR Flash 和 NAND Flash。
它们的区别：
- NOR Flash：提供很好的随机读取性能，允许执行代码直接从Flash中运行（即XIP，执行原地），但写入和擦除操作速度相对较慢，成本也较高。
- NAND Flash：提供更高的数据密度和更快的写入速度，成本较低，但随机读取性能较差，不适合XIP应用。因此通常用于数据存储应用，如固态硬盘（SSD）、USB闪存驱动器等。
目前市场上众多现代主板使用的是NOR Flash来作为存储BIOS/UEFI固件代码的媒介。
3. 预设起始地址
这个地址通常是0xffff fff0。这个地址位于内存地址空间的顶端，确保CPU能够立即找到启动代码。那这个地址是怎么来的呢？
在计算机启动时，CPU的硬件设计确保代码段寄存器（CS）被预设为0xF000 ，而指令指针寄存器被设置为0xFFF0。这种设定是由CPU的设计固定的。但CPU内部使用的内存地址都是逻辑地址，所以需要转化为物理地址，上面两个寄存器预设值转化为物理地址就为CS=0xFFFF F000，PA=CS<<4+IP=0xFFFF FFF0。
4. 启动BIOS
在有了这个预设起始地址之后，CPU就开始寻址：
（1）CPU会将转换后的物理地址放到地址总线上；
（2）DMI（Direct Media Interface）控制器把该请求通过DMI总线发给南桥芯片组；
（3）南桥芯片组发现该地址被BIOS的ROM映射过；
（4）CPU就读到了写在BIOS ROM中的数据，该数据是一个远跳指令；
（5）该远跳指令具体跳到什么地址上是由BIOS厂商决定，地址空间范围肯定在[0xe 0000...0x10 0000]；
（6）CPU从跳转后的地址开始执行BIOS程序。
这整个过程叫做Shadow（映射）。
5. XIP（Execute In Place）
这里大家可能还有一个问题，一般来说，CPU在执行程序的时候是需要内存的，但是在此阶段物理内存还未初始化，那BIOS程序为何能运行起来？
其实之前我们在讲存储BIOS/UEFI固件媒介时，就有提到一个关键词是XIP（Execute In Place） ，中文翻译位“原地执行”，什么意思呢？
它指的是一种程序直接从非易失性存储器（如闪存）执行，而不需要先复制到RAM中的方法。现代主板都是使用NOR Flash来作为存储BIOS/UEFI固件代码的媒介，它具备较快的读取速度和随机访问能力（字节寻址），所以CPU可以直接从NOR Flash中读取并执行代码，而不需要将代码预先加载到RAM（随机访问存储器）中。
还有一个关键概念是Cache As RAM（CAR） ，是指在主内存还未被初始化之前，可以暂时被用作快速存储空间，以支持CPU的基本运算和执行过程。虽然可以在特定情况下提供便利，但直接从非易失性存储执行代码（即XIP，Execute In Place）通常更为高效和直接。
所以，没有物理内存，BIOS也是可以运行起来的。
总结
- BIOS是计算机启动时最先被执行的软件，它的作用是初始化和测试计算机硬件系统，并提供一组固定的低级接口，以便操作系统和应用程序与硬件设备交互；UEFI是用于替代传统的BIOS的。
- 在计算机启动时，CPU通过预设的逻辑地址，转化为物理地址0xFFFFFFF0寻找BIOS/UEFI启动代码，这个过程叫做Shadow（映射）；
- CPU能够读取存储在NOR Flash中的BIOS/UEFI固件，这是因为NOR Flash支持XIP（Execute In Place，原地执行），允许CPU直接执行存储器中的代码，而不需加载到RAM中。
