深入理解与修改UEFI/BIOS固件技术指南

零、环境准备

硬件与软件需求

1. 虚拟机环境（推荐VMware或VirtualBox）及Windows镜像
2. 编译环境配置
3. 必要工具下载：
   • NASM汇编器：nasm-2.16.03-installer-x64.exe
   • EDK2开发框架：GitHub链接
   • LLVM编译器：llvmorg-18.1.8
   • Cygwin环境：setup-x86_64.exe
   • Python 3.9：python-3.9.13-amd64.exe

重要警告

• 固件修改可能导致系统无法启动或硬件损坏
• 必须在安全环境下进行实验
• 务必备份当前固件并准备恢复方案
• 本指南仅供学习研究使用，严禁用于非法用途

一、BIOS/UEFI基础概念

1. BIOS与UEFI对比

2. 启动过程差异

传统BIOS启动流程：

1. 硬件初始化
2. 读取MBR引导记录
3. 加载操作系统引导程序

UEFI启动流程：

1. 硬件初始化
2. 从EFI系统分区加载引导程序
3. 执行操作系统引导

二、识别当前固件类型

Windows系统检测方法

1. 系统信息法：

   • Win+R → 输入msinfo32
   • 查看"BIOS模式"项：显示"UEFI"或"传统"

2. 磁盘分区法：

   • 管理员命令提示符：

     diskpart
     list disk
     

   • 查看GPT列标记

3. 磁盘管理法：

   • Win+X → 磁盘管理 → 右键硬盘 → 属性 → 卷标签页
   • 查看"分区样式"：GUID分区表(GPT)或主引导记录(MBR)

Linux系统检测方法

1. 检查EFI目录：

   ls /sys/firmware/efi
   

2. 使用dmesg：

   dmesg | grep -i efi
   

3. 查看分区表：

   sudo fdisk -l
   

三、UEFI工作原理深度解析

1. UEFI运行阶段

1. 硬件初始化阶段：

   • CPU、内存、存储设备初始化
   • 支持64位代码和大内存访问

2. 驱动加载阶段：

   • 加载硬件专用驱动
   • 解决硬件兼容性问题

3. EFI系统分区访问：

   • 读取FAT32格式的ESP分区
   • 定位引导程序(如bootmgfw.efi)

4. 操作系统交接：

   • 移交控制权给OS引导程序
   • 完成启动过程

2. UEFI核心组件

1. UEFI固件：

   • 硬件初始化和自检
   • 提供可扩展的引导环境

2. EFI系统分区(ESP)：

   • FAT32格式专用分区
   • 存储引导程序和驱动程序

3. Bootloader：

   • Windows: bootmgfw.efi
   • Linux: grubx64.efi

4. EFI驱动程序：

   • 硬件控制接口
   • 支持网络、存储等设备

5. Secure Boot：

   • 安全启动机制
   • 验证引导程序签名

四、UEFI文件格式详解

1. 关键文件类型

1. .efi文件：

   • UEFI可执行文件标准格式
   • 包含引导程序和驱动程序
   • 存储路径示例：
     • /EFI/BOOT/bootx64.efi
     • /EFI/Microsoft/Boot/bootmgfw.efi

2. .bin/.rom文件：

   • 完整固件映像
   • 用于刷写主板闪存

3. EFI系统分区：

   • 必须的FAT32分区
   • 典型目录结构：

     /EFI/
       ├── BOOT/
       │   └── bootx64.efi
       └── Microsoft/
           └── Boot/
               └── bootmgfw.efi
     

五、UEFI修改实战指南

1. 开发环境搭建

1. 安装EDK2工具链：

   git clone https://github.com/tianocore/edk2
   cd edk2
   git submodule update --init
   

2. 环境变量配置：

   • 添加NASM到PATH：

     C:\Program Files\NASM
     

   • 设置NASM_PREFIX环境变量

3. Python依赖安装：

   pip install -r requirements.txt
   

2. UEFI程序开发

1. 创建项目结构：

   edk2/
   └── MyShellcodeApp/
       ├── MyShellcodeApp.c
       └── MyShellcodeApp.inf
   

2. 示例C代码模板：

   #include <Uefi.h>
   #include <Library/UefiLib.h>
   #include <Library/ShellCEntryLib.h>
   
   // Shellcode示例
   unsigned char shellcode[] = {0x90, 0x90, 0xCC}; // NOP, NOP, INT3
   
   INTN EFIAPI ShellAppMain(IN UINTN Argc, IN CHAR16 **Argv)
   {
     // 执行Shellcode
     void (*func)() = (void(*)())shellcode;
     func();
   
     return 0;
   }
   

3. INF文件配置：

   [Defines]
   INF_VERSION = 0x00010005
   BASE_NAME = MyShellcodeApp
   FILE_GUID = 12345678-1234-1234-1234-123456789ABC
   MODULE_TYPE = UEFI_APPLICATION
   VERSION_STRING = 1.0
   ENTRY_POINT = ShellCEntryLib
   
   [Sources]
   MyShellcodeApp.c
   
   [Packages]
   MdePkg/MdePkg.dec
   
   [LibraryClasses]
   UefiApplicationEntryPoint
   UefiLib
   

3. 编译与部署

1. 编译命令：

   build -a X64 -p EmulatorPkg/EmulatorPkg.dsc -m MyShellcodeApp/MyShellcodeApp.inf
   

2. 部署到ESP分区：

   • 将生成的.efi文件复制到：

     /EFI/BOOT/bootx64.efi
     

   • 或自定义路径并通过UEFI引导菜单添加

3. 设置默认启动项：

   • 通过UEFI设置界面调整启动顺序
   • 或使用UEFI Shell命令：

     bcfg boot add 0 fs0:\EFI\BOOT\MyApp.efi "My Custom Loader"
     

4. 自动化思路

1. 完整流程：

   • 编译C代码为.efi格式
   • 实现远程下载或本地存储机制
   • 静默安装UEFI修改工具
   • 刷写修改后的固件
   • 清理操作痕迹

2. 注意事项：

   • 确保每一步都有错误处理和回滚机制
   • 考虑不同硬件平台的兼容性
   • 实现安全验证机制

六、安全与最佳实践

1. 操作守则：

   • 始终在虚拟机或专用测试设备上实验
   • 保留完整的原始固件备份
   • 使用版本控制管理修改记录

2. 风险规避：

   • 避免在生产环境直接测试
   • 准备硬件编程器用于紧急恢复
   • 测试前断开非必要外设

3. 合法合规：

   • 严格遵守当地法律法规
   • 仅用于授权范围内的系统
   • 禁止用于破坏性测试

本技术文档提供了从基础理论到实践操作的完整指南，涵盖了UEFI/BIOS固件修改的核心知识与关键技术要点。实际应用中请务必谨慎操作，并充分评估风险。