UEFI下Windows引导过程

引导文件
在UEFI安装完操作系统后,Windows至少使用两个分区,一个叫做ESP分区(EFI SYSTEM PARTITION),用于存放启动文件,另一个则是BIOS下正常的系统分区,不同的是,BIOS下引导文件是winload.exe,UEFI下引导文件式winload.efi,两者都是pecoff格式的,但UEFI用的是各种固件接口,而BIOS使用的是中断。有时还会有一个MSR分区,不过这个分区并不重要,实验可以删除。
安装完成后,Windows还会将自己的启动管理器的信息写入固件的优先启动项中,这样在BDS阶段,固件会默认引导Windows启动管理器。默认情况下,UEFI固件加载的启动文件式EFI\BOOT\bootx64.efi(bootia32.efi),而Windows强制写入的启动项则会加载EFI\MICROSOFT\BOOT\bootmgfw.efi,这两个文件其实是一模一样的文件。
注册表项
系统安装完成后,安装程序会将引导信息保存在ESP中的BCD文件中,路径为EFI\microsoft\boot\BCD,BCD文件是一个注册表巢文件,反应到注册表里就是LOCAL_MACHINE下的BCD00000000,一般情况下hivelist是不导入这个文件的,我们可以在regedit中手工导入这个文件来查看。现在可以通过BOOTICE和REGEDIT一起看来理解这个文件。在Object下面是所有的启动ENTRY,每个ENTRY用一个GUID值标识。
UEFI下Windows引导过程_第1张图片
每个ENTRY下有一个Description和Elements,其中Description就是这个ENTRY的描述信息,而Elements则是一系列键值对,其中键用一个数字表示,比如12000004就是引导名称,而1100001则是引导位置信息,这个键值对在BOOTICE中就表现位右边那一栏。
UEFI下Windows引导过程_第2张图片
UEFI下Windows引导过程_第3张图片
引导定位
现在分析这个1100001,选择完要启动的操作系统后,启动管理器就是从这个键值对来确定加载哪个分区的winload.efi。打开DiskGenius,点击系统分区,看它的分区GUID,可以看出0x20处的16字节是分区GUID,而0X38开始的16字节则是硬盘GUID。
在UEFI系统中,各种设备使用设备路径来标识,比如分区的路径可能就是pcicontroller()/pci(0,1)/sata(0,0,0)/hd(2,分区GUID,起始地址,结束地址)。
UEFI下Windows引导过程_第4张图片
而对于Windows的loader来说,它只需要一个满足这样条件的设备路径就可以从那个设备启动:倒数第二个设备安装有EFI_BLOCK_IO_PROTOCOL,这样它就可以读取磁盘GUID来和0x38处的值进行比较,而倒数第一个设备是个分区设备(MSG_DP_TYPE),loader会通过这个设备的GUID和注册表中的进行比较来确定启动分区,这两个都匹配,那么Windows便会加载一个小型的NTFS文件系统,然后尝试着从那个分区设备中加载12000002也就是BOOTICE中ApplicationPath指定的引导文件。
启动过程
启动管理器(bootxxx.efi)会首先加载BCD文件,从BCD中读取所有启动项,如果有多个启动项并且没有默认启动项就会有一个菜单来显示,当用户选中其中某个启动项后,启动管理器就会从对应的分区(通过分区GUID)中读取winload.efi,如果这时找不到winload.efi,或者winload.efi签名校验失败,就会蓝屏0xc000000e,即找不到引导文件,加载完winload.efi后,控制权就正式交给winload.efi。
Winload.efi做的第一件事就是通过BootService的GetMemoryMap提供的物理内存信息来构造页表以及PFN数据库,然后将ntoskrnl,hal以及SYSTEM\Service下的所有Boot型驱动以及他们需要的导入库读取加载到内存中,因为此时还是保护模式下,所以需要页表中建立这些文件的映射信息。(在IA32e下的UEFI开机后是会默认开启分页的,但是虚拟内存和物理内存是1:1映射的,所以进了Windows内核后不可能还用原来的地址)读取完成后,会对这些文件进行签名校验,如果校验失败,那么会蓝屏INACCESSIBLE_BOOT_DEVICE,即启动设备无效。这一步完成后,Windows会进一步初始化GDT和IDT,然后在页表中分配内核堆栈,初始化SystemPTE。最后调用ExitBootService退出引导阶段,调用SetVirtualAddress将EFI部分固件内存映射到虚拟内存,然后把页表基址载入CR3寄存器,开启分页并跳转到ntoskrnl的KiSytemStartup进入内核。

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