165 Windows 系统在 UEFI 和 Legacy BIOS 上的启动流程详解

Windows 系统在 UEFI 和 Legacy BIOS 上的启动流程详解

Windows 系统的启动流程根据不同的固件环境（UEFI 或 Legacy BIOS）存在显著差异，同时针对特殊应用场景（如 WIMBoot、VHD 和 RAMDisk）也提供了相应的启动技术。这些启动方式各有优缺点，适用于不同硬件配置和用户需求。UEFI 作为现代计算机的主流启动方式，相比传统 Legacy BIOS 提供了更快的启动速度、更大的磁盘容量支持和更安全的启动机制，而 WIMBoot、VHD 和 RAMDisk 则为特定场景提供了灵活的系统部署方案。

一、UEFI 启动流程

UEFI 启动流程是 Windows 现代系统的主流启动方式，其核心优势在于简化了启动步骤并提高了启动效率。在 UEFI 环境下，Windows 系统的启动过程主要分为以下几个关键阶段：

首先，计算机上电后，固件执行上电自检(POST)，但与 Legacy BIOS 不同的是，UEFI 的 POST 过程更为简化且高效。UEFI 固件运行于 32 位或 64 位模式，突破了 Legacy BIOS 的 16 位代码寻址限制，因此能够更灵活地处理硬件资源。固件初始化完成后，会直接加载并执行位于 EFI 分区中的启动管理器（如 bootmgfw.efi），无需经过传统的 MBR 和 PBR 阶段。

启动管理器（bootmgfw.efi）加载后，会读取位于 EFI 分区中的启动配置数据(BCD)文件，该文件决定了系统启动菜单和启动顺序。在 BCD 文件中，可以配置多个启动项，包括常规 Windows 系统、VHD 文件中的系统或 WIMBoot 映像。启动管理器根据 BCD 配置显示启动菜单，用户选择后，启动管理器会加载相应的引导程序（如 winload.efi）。

引导程序（winload.efi）负责加载 Windows 内核和必要的驱动程序，最终将控制权交给操作系统。在 UEFI 环境中，Windows 能够直接利用 UEFI 提供的驱动程序接口，无需依赖传统的 16 位实模式驱动程序。

UEFI 启动流程的简化使得启动速度显著提升，尤其是在使用 SSD 等高速存储设备时。UEFI 还支持 Secure Boot 安全启动功能，可以防止恶意软件在启动阶段运行，提高了系统安全性。此外，UEFI 支持 GPT 分区表，能够处理超过 2TB 的大容量硬盘，打破了 Legacy BIOS 的 MBR 分区限制。

二、Legacy BIOS 启动流程

Legacy BIOS 是传统计算机的启动方式，尽管现代计算机已普遍采用 UEFI，但在某些旧设备或特定场景下仍可能使用。Legacy BIOS 的启动流程更为复杂，主要包括以下几个阶段：

计算机上电后，BIOS 首先执行上电自检(POST)，这一过程会检查基本硬件配置并初始化关键硬件。与 UEFI 不同的是，Legacy BIOS 的 POST 过程较为冗长，会逐一检测硬件并进行初始化。自检完成后，BIOS 会寻找硬盘上的主引导记录 master boot record/main boot record(MBR)，该记录位于硬盘的前 512 字节，包含硬盘分区表信息和分区引导代码。

MBR 中的分区引导代码会读取硬盘分区表 disk partition table(DPT)，并根据活动分区标志找到活动主分区。然后，MBR 会将控制权交给该活动分区的分区引导记录 partition boot record(PBR)。PBR 是位于每个分区第一个扇区的引导代码，负责初始化分区并加载分区根目录内的引导管理器（如 bootmgr）。

引导管理器（bootmgr）加载后，会读取位于活动分区中的 boot 文件夹中的 BCD 启动配置数据文件。BCD 文件决定了系统启动菜单和启动顺序，可以配置多个操作系统或启动项。引导管理器根据 BCD 配置显示启动菜单，用户选择后，引导管理器会加载相应的操作系统内核（如 winload.exe）。

内核加载程序（winload.exe）负责加载 Windows 内核和必要的驱动程序，最终将控制权交给操作系统。在 Legacy BIOS 环境中，Windows 需要通过传统的 16 位实模式驱动程序初始化硬件，这些驱动程序通常位于系统的 boot.ini 文件中。

Legacy BIOS 的主要限制在于仅支持 MBR 分区表，最大支持 2TB 硬盘，且最多只能有 4 个主分区。此外，Legacy BIOS 的启动速度较慢，不支持 Secure Boot 等现代安全特性，且无法直接利用 UEFI 提供的高级功能。

三、特殊启动技术详解

除了常规的 UEFI 和 Legacy BIOS 启动方式外，Windows 还提供了几种特殊的启动技术，适用于特定场景和需求：

1. WIMBoot 启动技术

WIMBoot 是 Windows 8.1 及更高版本引入的一种启动技术，其核心原理是直接从压缩的 Windows 映像文件(WIM)中启动系统，而无需将系统文件完全解压到物理硬盘上。WIMBoot 技术能够将 Windows 系统压缩至 4GB 左右，比传统安装方式节省约 60-70% 的磁盘空间，特别适合小容量存储设备。

WIMBoot 的启动流程如下：

• 计算机启动时，UEFI 固件加载 EFI 分区中的引导管理器（bootmgfw.efi）
• 引导管理器读取 BCD 配置文件，识别出 WIMBoot 启动项
• 系统通过指针文件从 WIM 分区中读取系统文件，动态解压到内存中
• 加载 Windows 内核和必要的驱动程序，完成系统启动

WIMBoot 技术的关键在于文件系统筛选器驱动程序(WoF.sys)，它负责管理 WIM 文件的读取和解压。当系统需要读取某个文件时，WoF.sys 会从 WIM 文件中动态解压该文件到内存中；当系统需要写入文件时，新文件会被写入指针分区，而非修改原始 WIM 文件。

WIMBoot 的配置要求包括：

• 必须使用 UEFI 固件环境
• 存储设备必须是 SSD,不支持传统机械硬盘
• 适用于 Windows 8.1、Windows 10 及更高版本

使用 WIMBoot 的注意事项：

• 系统更新可能导致占用更多磁盘空间
• 不支持 BitLocker 等磁盘加密功能
• 需要定期备份 WIM 分区和指针分区，确保系统恢复能力
• 某些系统备份工具和杀毒软件可能与 WIMBoot 不兼容

2. VHD 原生启动技术

VHD（Virtual Hard Disk,虚拟硬盘）原生启动技术允许 Windows 系统直接从虚拟硬盘文件启动，无需依赖虚拟机软件。VHD 启动技术提供了灵活的系统部署方案，支持在同一物理设备上部署多个操作系统环境，便于系统测试、恢复和迁移。

VHD 启动流程如下：

• 计算机启动时，UEFI 固件加载 EFI 分区中的引导管理器（bootmgfw.efi）
• 引导管理器读取 BCD 配置文件，识别出 VHD 启动项
• 系统加载 VHD 文件为虚拟磁盘设备
• 从 VHD 文件中加载 Windows 内核和必要的驱动程序
• 完成系统启动并挂载 VHD 文件为系统分区

VHD 启动技术的关键在于 BCD 配置文件中的特殊参数，需要使用 bcdedit 命令添加指向 VHD 文件的路径。例如，添加一个从 VHD 启动的项需要执行以下命令：

bcdedit /copy {current} /d "Windows from VHD" bcdedit /set {新创建的标识符} osdevice vhd=[C:]\Windows.vhd bcdedit /set {新创建的标识符} device vhd=[C:]\Windows.vhd

VHD 启动的配置要求包括：

• 必须使用 UEFI 固件环境
• VHD 文件必须存储在 NTFS 格式的物理分区上
• 建议使用 VHDx 格式
• 适用于 Windows 7 企业版/旗舰版、Windows 8/10 及更高版本

使用 VHD 启动的注意事项：

• VHD 启动不支持系统休眠（Hibernation）
• VHD 文件不能保存在加密或压缩的分区上
• VHD 文件不能嵌套（即不能在 VHD 内再使用 VHD）
• VHD 启动不支持 BitLocker 加密功能
• VHD 文件的最大附加数量约为 512 个
• 无法在 VHD 文件上使用服务器消息块(SMB)共享
• 动态磁盘配置和软件 RAID 不支持 VHD 启动

3. RAMDisk 启动技术

RAMDisk 是一种将系统内存虚拟为磁盘的技术，可以用于加速系统性能。虽然微软官方不支持从 RAMDisk 启动常规 Windows 系统，但在 Windows PE 环境中，RAMDisk 技术被广泛使用，用于快速启动和系统维护。

RAMDisk 启动流程（以 Windows PE 为例）：

• 计算机启动时，UEFI 固件加载 EFI 分区中的引导管理器（bootmgfw.efi）
• 引导管理器读取 BCD 配置文件，识别出 RAMDisk 启动项
• 系统在内存中创建虚拟磁盘（RAMDisk）
• 从 WIM 文件中解压系统文件到 RAMDisk 虚拟磁盘
• 从 RAMDisk 加载 Windows PE 内核和必要的驱动程序
• 完成系统启动并提供临时环境

RAMDisk 技术的关键在于将内存划分为虚拟磁盘空间，并通过文件系统驱动程序（如 ramdisk.sys）管理内存访问。在 Windows PE 环境中，系统文件会被临时解压到内存中，从而提供快速启动和运行环境。

RAMDisk 的配置要求包括：

• 需要足够的物理内存空间（建议至少保留 4GB 内存给系统使用）
• 适用于 Windows PE 环境，常规 Windows 系统不支持直接从 RAMDisk 启动
• 可以用于临时文件加速（如将系统的 TEMP 和 TMP 文件夹指向 RAMDisk）

使用 RAMDisk 的注意事项：

• RAMDisk 中的数据在断电后会丢失，重要数据需及时保存到物理存储设备
• 划分过多的内存空间给 RAMDisk 可能导致系统运行不稳定
• RAMDisk 的性能提升主要体现在临时文件读写方面，对系统核心性能影响有限
• 需要根据内存容量合理设置 RAMDisk 大小和缓存粒度
• 适用于需要快速启动临时环境的场景（如系统维护或游戏加速）

下表对常规 Windows 安装、WIMBoot、VHD 和 RAMDisk 四种启动方式进行了全面对比：

启动方式	分区要求	系统支持	启动速度	存储空间占用	安全特性	主要优势	主要限制
常规安装（UEFI）	GPT 分区	Windows 8/10/11 64 位	快（减少自检步骤）	约 15-20GB	支持 Secure Boot	启动速度快，支持大容量硬盘	需 UEFI 环境
常规安装（Legacy BIOS）	MBR 分区	Windows 7 及更早版本	较慢（需完整自检）	约 15-20GB	不支持 Secure Boot	兼容性好，支持旧系统	不支持 >2TB 硬盘，最多 4 主分区
WIMBoot	GPT 分区	Windows 8.1/10/11	中等	约 4-6GB	支持 Secure Boot	节省空间，快速部署	需 UEFI，仅支持 SSD，不支持 BitLocker
VHD 启动	GPT 分区	Windows 7 企业版/旗舰版、Win8/10+	中等	约 15-20GB（VHD 文件）	支持 Secure Boot	多系统支持，迁移方便	不支持休眠，文件不能嵌套
RAMDisk 启动（WinPE）	任意	仅限 Windows PE 环境	极快	几乎为零（内存中）	不支持	内存速度，系统纯净	断电数据丢失，需足够内存

常规安装（UEFI）与常规安装（Legacy BIOS）：UEFI 启动方式相比 Legacy BIOS 具有明显优势，包括更快的启动速度、更大的磁盘容量支持和更安全的启动机制。但 Legacy BIOS 在旧设备或需要安装旧版 Windows 系统时仍有一定价值。

WIMBoot 技术：WIMBoot 特别适合小容量存储设备，通过压缩技术显著减少系统占用空间。但其不支持传统机械硬盘和 BitLocker 加密，且系统更新可能导致空间占用增加。

VHD 启动技术：VHD 启动提供了灵活的多系统管理方案，便于系统测试和恢复。但其不支持休眠功能，且对 VHD 文件的存储位置和格式有严格限制。

RAMDisk 启动（WinPE）：RAMDisk 在 Windows PE 环境中提供了极快的启动速度，但无法直接启动常规 Windows 系统，且数据在断电后会丢失。

五、各类启动方式的实现原理

1. 常规安装的实现原理

常规 Windows 安装是最基础的启动方式，其核心是将系统文件直接写入物理硬盘分区。在 UEFI 环境下，系统安装会创建以下关键分区：

• System 分区（ESP/EFI 分区）：存储启动所需的 EFI 文件和 BCD 配置文件
• Windows 分区：存储操作系统文件和应用程序

在 Legacy BIOS 环境下，系统安装会创建传统的 MBR 分区表，并将启动管理器（bootmgr）放置于分区根目录,把 BCD 配置文件存储在活动分区的 boot 文件夹中。

常规安装的启动过程依赖于物理硬盘的读写性能，启动速度受限于硬盘类型和性能。SSD 硬盘相比传统机械硬盘能提供更快的启动速度，但仍然不如 WIMBoot 或 RAMDisk 等特殊启动技术。

2. WIMBoot 的实现原理

WIMBoot 技术的核心是通过文件系统筛选器驱动程序（WoF.sys）直接从压缩的 WIM 文件中读取系统文件，无需完全解压到物理硬盘。WIMBoot 系统包含两个关键分区：存储 WIM 文件的分区和存储指针文件的分区。指针文件是小型文件，指向 WIM 文件中的对应文件。

当系统需要读取某个文件时，WoF.sys 会从 WIM 文件中动态解压该文件到内存中；当系统需要写入文件时，新文件会被写入指针分区，而非修改原始 WIM 文件。这种机制使得系统能够保持 WIM 文件的完整性，同时允许用户进行系统更新和文件修改。

WIMBoot 的实现原理还包括：

• 生成指针文件并配置 BCD 启动项
• 在 UEFI 环境下加载 WoF.sys 驱动程序管理文件系统
• 系统更新和补丁会直接写入指针分区，而非解压到物理分区

这种技术特别适合小容量存储设备，可以释放更多空间用于用户数据和应用程序存储。

3. VHD 启动的实现原理

VHD 启动技术允许操作系统直接从虚拟硬盘文件启动，该文件可以是固定大小或动态扩展的 VHD/VHDX 格式。VHD 启动的核心是 BCD 配置文件中的特殊参数，指向 VHD 文件作为系统分区。

在启动过程中，Windows 引导程序会加载 VHD 文件为虚拟磁盘设备，并将其挂载为系统分区。VHD 文件中的系统文件结构与物理硬盘分区相同，包括必要的引导文件和系统文件。

VHD 启动的实现原理还包括：

• 将系统镜像写入 VHD 文件
• 创建 BCD 存储并配置 VHD 启动项
• 在引导阶段加载 VHD 驱动程序并挂载虚拟磁盘
• 系统运行时，VHD 文件会被视为物理磁盘，支持正常读写操作

这种技术特别适合需要在同一物理设备上部署多个操作系统环境的场景，如开发测试或系统恢复。

4. RAMDisk 启动的实现原理

RAMDisk 启动技术（主要在 Windows PE 环境中使用）的核心是将系统内存划分为虚拟磁盘空间，并通过文件系统驱动程序管理内存访问。RAMDisk 启动的优势在于内存读写速度远高于物理硬盘，可以显著提升启动速度和系统响应。

在 Windows PE 环境中，系统文件会被临时解压到 RAMDisk 虚拟磁盘，然后从该虚拟磁盘加载系统内核和驱动程序。这种机制使得 Windows PE 能够在极短时间内启动，提供轻量级的系统维护环境。

RAMDisk 启动的实现原理还包括：

• 将系统镜像解压到内存中
• 创建虚拟磁盘驱动程序（ramdisk.sys）管理内存访问
• 在启动过程中动态分配内存空间作为虚拟磁盘
• 系统运行时，所有文件操作都直接在内存中进行

这种技术特别适合需要快速启动临时环境的场景，如系统维护或游戏加速。

六、配置与实施指南

1. UEFI 启动的配置步骤

要配置 UEFI 启动，需要先确保主板支持 UEFI 固件，并在 BIOS 设置中启用 UEFI 模式。具体步骤如下。

创建必要的 UEFI 分区，包括 System 分区（ESP 分区，通常需要 100-200MB 空间）和 Windows 分区（存储系统文件）。

最后，使用 bcdboot 命令或 bootcie.exe 创建 BCD 配置文件并配置启动项。例如：

bcdboot C:\Windows /s S: /f UEFI

其中，C:是 Windows 系统分区，S:是 System 分区（ESP 分区），/f UEFI 指定使用 UEFI 格式创建引导文件。

2. WIMBoot 的配置步骤

要配置 WIMBoot 启动，具体步骤如下：

生成 WIM 的指针文件并配置 BCD 启动项：

Dism /Apply-Image /ImageFile:D:\wimboot.wim /ApplyDir:E:\ /Index:1 /WIMBoot bcdboot E:\Windows /s S: /f UEFI

其中，E:是存储指针文件的分区，S:是 System 分区（ESP 分区）。

最后，在启动菜单中选择 WIMBoot 启动项，系统将直接从 WIM 文件启动。

3. VHD 启动的配置步骤

要配置 VHD 启动，需要先创建 VHD 文件并安装系统到其中。具体步骤如下：

首先，使用磁盘管理工具创建 VHD 文件.

然后，安装 Windows 系统到 VHD 文件中：

bcdboot C:\Windows /s S: /f UEFI bcdedit /copy {current} /d "Windows from VHD" bcdedit /set {新创建的标识符} osdevice vhd=[C:]\Windows.vhd bcdedit /set {新创建的标识符} device vhd=[C:]\Windows.vhd

最后，在启动菜单中选择 VHD 启动项，系统将从 VHD 文件启动。

使用 winntsetup 安装 VHD 系统更加方便.具体请阅读我的《22 安装 VHD 系统》

七、实际应用场景与选择建议

不同启动方式适用于不同场景，选择合适的启动方式需要考虑硬件条件、系统需求和性能期望。

常规安装（UEFI）：适合大多数现代计算机，尤其是使用 SSD 等高速存储设备的场景。UEFI 启动提供最佳的启动速度和系统性能，同时支持 Secure Boot 等安全特性。推荐作为新计算机的首选启动方式，特别是需要快速启动和大容量存储的场景。

常规安装（Legacy BIOS）：适合旧计算机或需要安装旧版 Windows 系统（如 Windows 7 32 位）的场景。Legacy BIOS 启动虽然速度较慢，但兼容性更好，可以在不支持 UEFI 的设备上使用。

WIMBoot：特别适合小容量存储设备（如 16GB 或 32GB 存储空间的平板电脑或轻薄本）。WIMBoot 可以将 Windows 系统压缩至 4GB 左右，释放更多空间用于用户数据和应用程序存储。推荐用于需要最大化存储空间利用率的场景，如移动设备或低配置计算机。

VHD 启动：适合需要在同一物理设备上部署多个操作系统环境的场景，如开发测试、系统恢复或多环境工作。VHD 启动提供了灵活的系统管理方案，便于系统迁移和备份。推荐用于需要系统隔离或快速部署的场景，如企业 IT 部门或软件开发者。

RAMDisk 启动（WinPE）：适合系统维护、故障修复或临时性能优化的场景。RAMDisk 启动提供了极快的启动速度和系统响应，但数据在断电后会丢失。推荐用于需要快速启动临时环境的场景，如系统维护或游戏加速。

在选择启动方式时，应考虑以下因素：

• 硬件兼容性：确保选择的启动方式与主板固件和存储设备兼容
• 系统需求：根据需要的功能（如休眠、BitLocker）选择合适的启动方式
• 存储空间：对于小容量存储设备，WIMBoot 可能是更好的选择
• 性能期望：对于需要快速启动的场景，UEFI 或 RAMDisk 可能是更好的选择
• 维护需求：对于需要系统隔离或多环境工作的场景，VHD 启动可能是更好的选择

八、未来发展趋势与技术展望

随着计算机硬件和软件技术的发展，Windows 系统的启动方式也在不断演进。未来的 Windows 系统可能会进一步优化 UEFI 启动流程，提高启动速度和安全性。同时，WIMBoot、VHD 和 RAMDisk 等特殊启动技术也可能得到更多功能支持和性能优化。

UEFI 技术的未来发展可能包括：

• 更高效的启动流程和更强大的硬件管理能力
• 更广泛的安全启动（Secure Boot）支持和更灵活的证书管理
• 更好的兼容性和更丰富的功能支持，如网络启动、远程管理等

WIMBoot 技术的未来发展可能包括：

• 更高效的压缩算法和更灵活的文件管理系统
• 更广泛的功能支持，如与 BitLocker 等加密功能的兼容
• 更好的性能优化，减少系统更新导致的空间占用增加

VHD 技术的未来发展可能包括：

• 更广泛的功能支持，如与休眠、冬眠等特性的兼容
• 更高效的虚拟磁盘管理和更稳定的性能表现
• 更灵活的部署方案，如支持网络存储、云存储等新型存储方式

RAMDisk 技术的未来发展可能包括：

• 更广泛的功能支持，如支持从 RAMDisk 启动常规 Windows 系统
• 更高效的内存管理算法和更稳定的性能表现
• 更灵活的部署方案，如支持与物理存储设备的混合使用

随着这些技术的发展，Windows 系统的启动方式将变得更加灵活、高效和安全，为用户提供更好的使用体验。

九、常见问题与解决方案

在使用不同启动方式时，可能会遇到各种问题，以下是常见问题及解决方案：

1. UEFI 启动失败

UEFI 启动失败的常见原因包括：

• System 分区（ESP 分区）未正确创建或配置
• 缺少必要的 UEFI 驱动程序

解决方案：

• 确保 System 分区（ESP 分区）已正确创建并分配至少 100MB 空间
• 检查 Secure Boot 设置，必要时禁用或更新证书

2. WIMBoot 系统空间不足

WIMBoot 系统空间不足的常见原因包括：

• 系统更新导致指针分区空间占用增加
• 用户安装了大量应用程序和数据
• WIM 文件损坏或解压失败

解决方案：

• 定期清理系统更新缓存和临时文件
• 将用户数据和应用程序安装到非指针分区
• 使用 Dism 工具重新创建 WIMBoot 映像

3. VHD 启动性能问题

VHD 启动性能问题的常见原因包括：

• VHD 文件存储在性能较慢的物理分区上
• VHD 文件格式不适合（如使用动态扩展而非固定大小）
• 系统频繁写入操作导致性能下降

解决方案：

• 将 VHD 文件存储在 SSD 等高速存储设备上
• 使用固定大小的 VHD/VHDX 文件格式
• 优化系统设置，减少频繁写入操作

通过了解这些常见问题及解决方案，可以更好地管理和维护不同启动方式的 Windows 系统，确保系统稳定性和性能表现。

十、总结与建议

Windows 系统的启动方式多样，每种方式都有其特点和适用场景。UEFI 作为现代计算机的主流启动方式，提供了最佳的启动速度和系统性能，同时支持 Secure Boot 等安全特性。常规安装是最基础的启动方式，适合大多数现代计算机；WIMBoot 特别适合小容量存储设备；VHD 启动提供了灵活的多系统管理方案；RAMDisk 启动（主要在 Windows PE 环境中使用）则提供了极快的启动速度和系统响应。

在选择启动方式时，应根据具体需求和硬件条件做出合理决策。对于新计算机，推荐使用 UEFI+GPT 分区格式安装 Windows 10/11；对于小容量存储设备，可以考虑 WIMBoot 技术；对于需要多系统管理的场景，VHD 启动提供了灵活的解决方案；对于系统维护或临时环境需求，Windows PE 中的 RAMDisk 启动技术可以提供快速响应。

无论选择哪种启动方式，都应确保系统配置正确，定期备份重要数据，并关注系统更新和驱动兼容性。随着技术的发展，Windows 系统的启动方式将变得更加灵活、高效和安全，为用户提供更好的使用体验。