Unified Extensible Firmware Interface (简体中文)

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统一可扩展固件界面(Unified Extensible Firmware Interface),简称 UEFI, 是操作系统与固件交互的新模式,提供了启动操作系统或程序的标准环境。该方式有别于传统BIOS系统所使用的“MBR”,二者启动的区别见 Arch boot process#Firmware types。若要配置 UEFI 引导器,详见 Boot loaders (简体中文).

UEFI 发展历史

  • UEFI起始于Intel的EFI 1.x版。
  • 从2.0版本起,一个名为UEFI论坛的公司组织接管了其开发工作,并更名为Unified EFI(统一EFI).
  • 除非特别指明是EFI 1.x, EFI和UEFI均指代UEFI 2.x固件。
  • 自2015年4月,UEFI 标准 2.5 是最新的版本。
  • 苹果公司的EFI实现不是EFI 1.x也不是UEFI 2.x而是这两者的混合体。这类固件不被归入到任何(U)EFI规格中,因而并没有一个标准的UEFI固件。除非特别指明,以下说明可通用但部分可能会在Apple Macs上有所不同或是会不起效。

检测 UEFI 固件架构

UEFI 下每一个程序,无论它是某个 OS 引导器还是某个内存测试或数据恢复的工具,都要兼容于 EFI 固件位数或体系结构。

目前主流的 UEFI 固件,包括近期的 Apple Macs,都采用了 x86_64 EFI 固件。目前还在用 IA32 即 32 位的 EFI 的已知设备只有于 2008 年前生产的 Apple Macs,一些 Intel Cloverfield 超级本和采用 EFI 1.10 固件的 Intel 服务器主板。

x86_64 EFI 不能兼容 32 位 EFI 程序。所以 UEFI 应用程序必须依固件处理器位数/体系结构编译而成。

Apple Mac

2008年以前的 Mac 大都使用 i386-efi 固件, 2008年以后大都使用 x86_64-efi 。有能力运行 Mac OS X Snow Leopard 64位内核的 Mac 都是 x86_64 EFI 1.x 版的固件。 在 Mac OS 下输入以下命令可以找出该 Mac 的 efi 固件:

ioreg -l -p IODeviceTree | grep firmware-abi

如果命令返回 EFI32 则对应的是 i386 EFI 1.x 版本的固件,返回 EFI64 对应的则是 x86_64 EFI 1.x 版的固件. Mac 没有 UEFI 2.x 固件,Apple的 EFI 实现也不完全跟 UEFI 标准兼容。

Linux 内核中有关 UEFI 的配置选项

UEFI 系统所要求的 Linux 内核配置选项设置如下:

CONFIG_RELOCATABLE=y
CONFIG_EFI=y
CONFIG_EFI_STUB=y
CONFIG_FB_EFI=y
CONFIG_FRAMEBUFFER_CONSOLE=y

UEFI运行时变量支持 (efivarfs 文件系统 - /sys/firmware/efi/efivars). 该选项十分重要,因为它是使用如 /usr/bin/efibootmgr 的工具来操作UEFI运行时变量所必须的。下面的选项已添加进了版本3.10及以上的内核中。

CONFIG_EFIVAR_FS=y

UEFI运行时变量支持 (老式 efivars sysfs 接口 - /sys/firmware/efi/vars). 应当禁用该选项来防止同时启用 efivarfs 和 sysfs-efivars 所导致的潜在问题。

CONFIG_EFI_VARS=n

GUID 分区表 GPT 配置选项 - UEFI 支持的强制需求

CONFIG_EFI_PARTITION=y
注意: 以上所有选项是通过 UEFI 启动 Linux 所必须的,并已在官方源的 Archlinux 内核中启用。

来自于 https://git.kernel.org/cgit/linux/kernel/git/torvalds/linux.git/plain/Documentation/x86/x86_64/uefi.txt .

UEFI 变量

UEFI 定义了变量,通过它们操作系统可以与固件进行交互。 UEFI 引导变量只在早期系统启动时由引导加载程序和操作系统使用。UEFI运行时变量允许操作系统来管理固件的某些设置(如UEFI引导管理器)或 UEFI Secure Boot 协议的密钥。你可通过下面的命令来获得变量列表:

$ efivar -l

Linux 内核中的 UEFI 变量支持

Linux 内核通过两个接口来把 EFI 变量数据传递给用户空间:

  • 老式 sysfs-efivars 接口 (CONFIG_EFI_VARS) - 由位于 /sys/firmware/efi/vars 的内核模块 efivars 生成 - 每个变量数据最大大小为1024B, 不支持 UEFI Secure Boot 变量(由于大小限制),并再也不被上游推荐使用。现仍被上游支持但在 Arch 官方内核中已完全禁用
  • 新式 efivarfs (EFI VARiable FileSystem) 接口 (CONFIG_EFIVAR_FS) - 由位于 /sys/firmware/efi/efivarsefivarfs 内核模块挂载使用 - 老式 sysfs-efivars 接口的替代品,不限制变量数据大小,支持 UEFI Secure Boot 变量并被上游推荐使用。在3.8版的内核中引入,新的 efivarfs 模块在3.10版内核中从旧的 efivars 内核模块中分离。

efivarfs 和 sysfs-efivars 的不一致

同时启用老式的 sysfs-efivars 和新式的 efivarfs 会导致数据不一致的问题(更多信息见 https://lkml.org/lkml/2013/4/16/473 )。由于(自从 core/linux-3.11core/linux-lts-3.10)老式的 sysfs-efivars 在 Arch 官方内核中已完全禁用,新式的 efivarfs 将会被继续地启用/支持下去。自2013年10月1日起,在官方源中所有与 UEFI 变量相关的工具都支持 efivarfs.

注意: 作为禁用老式 sysfs-efivars 的副作用,efi_pstore 在 Arch 官方内核中也被禁用,因为 EFI pstore 功能依赖老式 sysfs-efivars 支持。

如果在使用任何用户空间工具访问 EFI VAR 数据前你同时开启了这两者,请禁用其中之一并重新开启另一个接口 (为了刷新数据和防止不一致) :

禁用 sysfs-efivars 并刷新 efivarfs:

# modprobe -r efivars

# umount /sys/firmware/efi/efivars
# modprobe -r efivarfs

# modprobe efivarfs
# mount -t efivarfs efivarfs /sys/firmware/efi/efivars

禁用 efivarfs 并刷新 sysfs-efivars:

# umount /sys/firmware/efi/efivars
# modprobe -r efivarfs

# modprobe -r efivars
# modprobe efivars

UEFI 变量正常工作的需求

  1. 内核处理器的位数/架构应该与EFI处理器的位数/架构相符。
  2. 内核应以 EFI 模式(通过 EFISTUBEFI 引导器,而不是 BIOS/CSM 或者同为 BIOS/CSM 的"bootcamp")启动。
  3. EFI 运行时服务支持应出现在内核中 (CONFIG_EFI=y, 运行 zgrep CONFIG_EFI /proc/config.gz 来核对是否共存 ).
  4. EFI 运行时服务在内核命令行中不应被禁用,即不应使用内核参数 noefi.
  5. efivarfs 文件系统应被挂载在 /sys/firmware/efi/efivars, 否则参考下文 #挂载 efivarfs 部分。
  6. efivar 应无错列出 (选项 -l) EFI 变量。参见输出内容 #Sample_List_of_UEFI_Variables[broken link: invalid section].

如果 EFI 变量支持在满足以上条件后仍有问题,尝试以下解决方案:

  1. 如果所有的用户空间工具都不能修改 EFI 变量数据,检查 /sys/firmware/efi/efivars/dump-* 文件是否存在。如果是,删掉,重启,再试一次。
  2. 如果上面的步骤没有解决问题,尝试以内核参数 efi_no_storage_paranoia 启动以禁用内核 EFI 变量存储空间来防止对 EFI 变量的写入/修改。
注意: efi_no_storage_paranoia 仅当需要时使用且不应留下作为正常启动参数。该内核参数的效果是关闭正在实施的安全保护,来避免 NVRAM 过满时机器故障。

挂载 efivarfs

如果 efivarfs 启动时并没有被 systemd 自动挂载在 /sys/firmware/efi/efivars, 你需要手动挂载来把 EFI 变量支持传递给像 efibootmgr 等的用户空间工具:

# mount -t efivarfs efivarfs /sys/firmware/efi/efivars
注意: 这个命令即使要运行的话也要在 chroot 之外(之前)和之内都运行一次。

如下通过 /etc/fstab 来自动挂载 efivarfs 也是极好的:

/etc/fstab
efivarfs    /sys/firmware/efi/efivars    efivarfs    defaults    0    0

用户空间工具

只有少量工具能够访问/修改 UEFI 变量,即

  1. efivar - 操作 UEFI 变量的库和工具 (被 efibootmgr 用到) - https://github.com/vathpela/efivar - efivarefivar-gitAUR
  2. efibootmgr - 操作 UEFI 固件启动管理器设置的工具- https://github.com/vathpela/efibootmgr - efibootmgrefibootmgr-gitAUR
  3. uefivars - 转储 UEFI 变量和 PCI 相关信息 (内部使用 efibootmgr 源码) - https://github.com/fpmurphy/Various/tree/master/uefivars-2.0 仅支持 efivarfs ,以及 https://github.com/fpmurphy/Various/tree/master/uefivars-1.0 仅支持 sysfs-efivars . AUR 软件包 uefivars-gitAUR
  4. efitools - 创建与设置自己的 UEFI Secure Boot 证书,密钥和签名过的程序的工具 (需要 efivarfs) - efitools-gitAUR
  5. Ubuntu的固件测试套件 - https://wiki.ubuntu.com/FirmwareTestSuite/ - fwts-gitAUR

efibootmgr

注意:
  • 如果 efibootmgr 完全无效,你可以重启进入 UEFI Shell v2 使用 bcfg 命令来给引导器创建一个启动条目。
  • 如果你不能使用 efibootmgr, 某些 UEFI 固件允许用户用内建的启动时界面管理启动条目。例如,某些华硕机有 "Add New Boot Option" 选项,能让你选择本地 EFI 系统分区并手动进入 EFI 存根位置 (例如 \EFI\refind\refind_x64.efi).
  • 下面的命令用 refind-efi 引导器作为例子。

假设要启动的引导器文件是 /boot/efi/EFI/refind/refind_x64.efi, /boot/efi/EFI/refind/refind_x64.efi 可被分拆为 /boot/efi/EFI/refind/refind_x64.efi, 其中 /boot/efi 是 EFI 系统分区的挂载点,假设是 /dev/sdXY (在这里 XY 只是真实值的占位符 - 例如:- 位于 /dev/sda1 , X==a Y==1).

为确定 EFI 系统分区的设备路径 (此例假设挂载点是 /boot/efi) (应为 /dev/sdXY 形式), 尝试:

# findmnt /boot/efi
TARGET SOURCE  FSTYPE OPTIONS
/boot/efi  /dev/sdXY  vfat         rw,flush,tz=UTC

检查内核中的 UEFI 变量支持是否正常运行:

# efivar -l

如果 efivar 无错列出变量,那么你可以开始了。如果不是,检查 #Requirements for UEFI Variables support to work properly[broken link: invalid section] 中的要求是否全部满足。

然后用 efibootmgr 如下创建启动条目:

 # efibootmgr --create --disk /dev/sdX --part Y --loader /EFI/refind/refind_x64.efi --label "rEFInd Boot Manager"
注意: UEFI 使用反斜杠 \ 作为路径分隔符 (类似于 Windows 路径),但是官方 efibootmgr 包使用 -l/--loader 选项时也支持 Unix 风格的路径分隔符斜杠 / . Efibootmgr 解析路径之前内部会把 / 转换为 \.

在上面的命令中 /boot/efi/EFI/refind/refind_x64.efi 转译为 /boot/efi/EFI/refind/refind_x64.efi , 进一步译为 /dev/sdX -> 分区 Y -> 文件 /EFI/refind/refind_x64.efi.

'label' 是出现在 UEFI 启动菜单的菜单条目名。用户可随便起名,这并不影响系统启动。更多内容见 efibootmgr GIT README .

FAT32 文件系统大小写不敏感因为它默认不使用 UTF-8 编码格式。这种情况下固件使用大写字母 'EFI' 而不是小写的 'efi', 因此 \EFI\refind\refindx64.efi\efi\refind\refind_x64.efi 都没问题 (当文件系统采用 UTF-8 编码时就不同了).

UEFI Shell

UEFI Shell 是固件的终端,可用于启动包括引导器的 UEFI 程序。除此之外, Shell也可用于采集固件和系统的各种信息,例如内存映射 (memmap), 修改启动管理器变量 (bcfg), 运行分区程序 (diskpart), 加载 UEFI 驱动,编辑文本文件 (edit), 十六进制编辑等等。

获取 UEFI Shell

你可从 Intel 的 Tianocore UDK/EDK2 Sourceforge.net 工程下载以 BSD 许可证发布的 UEFI Shell.

Shell v2 在 UEFI 2.3+ 系统上表现最好,并比 Shell v1 优先推荐。Shell v1 应该在所有 UEFI 系统上有效并且与它们遵循的 UEFI 标准版本无关。更多信息见 ShellPkg这封邮件

启动 UEFI Shell

部分基于华硕和 AMI Aptio x86_64 UEFI 固件的主板 (从 Sandy Bridge 起) 提供了一个叫做 "Launch EFI Shell from filesystem device" 的选项。对于这些主板,下载 x86_64 UEFI Shell ,复制进 EFI 系统分区,命名为 <EFI_SYSTEM_PARTITION>/shellx64.efi (大部分是 /boot/efi/shellx64.efi) .

Phoenix SecureCore Tiano UEFI 固件已内嵌 UEFI Shell, 可按 F6, F11F12 键来启动。

注意: 如果你用以上方法不能启动 UEFI Shell, 创建一个 FAT32 格式的 USB 并把 Shell.efi 复制到 (USB)/efi/boot/bootx64.efi. 这个 USB 会出现在固件的启动菜单里。启动它就会启动到 UEFI Shell.

重要 UEFI Shell 命令

UEFI Shell 命令通常支持 -b 选项,它在输出的每页末尾暂停. 运行 help -b 来列出所有可用命令。

更多信息见 http://software.intel.com/en-us/articles/efi-shells-and-scripting/

bcfg

bcfg 命令用于修改 UEFI NVRAM 条目,它能让用户改变启动条目或驱动器选项。在"UEFI Shell Specification 2.0" PDF 文档的83页 (Section 5.3) 有详细描述。

注意:
  • 仅当 efibootmgr 无法创建启动条目时才推荐尝试 bcfg.
  • UEFI Shell v1 官方二进制文件不支持 bcfg 命令。你可以下载一个 modified UEFI Shell v2 二进制文件,它在 UEFI 2.3前的固件有效。

转储当前启动条目:

Shell> bcfg boot dump -v

为 rEFInd (作为例子) 添加一个启动菜单条目,在启动菜单里是第4个 (从0开始计数) 选项:

Shell> bcfg boot add 3 fs0:\EFI\refind\refind_x64.efi "rEFInd"

fs0: 映射到 EFI 系统分区,fs0:\EFI\refind\refind_x64.efi i是要启动的文件。


To add an entry to boot directly into your system without a bootloader, configure a boot option using your kernel as an EFISTUB:

Shell> bcfg boot add N fsV:\vmlinuz-linux "Arch Linux"	
Shell> bcfg boot -opt N "root=/dev/sdX# initrd=\initramfs-linux.img"

where N is the priority, V is the volume number of your EFI partition, and /dev/sdX# is your root partition.

删除第4个启动选项:

Shell> bcfg boot rm 3

把第3个启动选项移动到第0 (也就是说第1个是 UEFI 启动菜单的默认启动选项):

Shell> bcfg boot mv 3 0

bcfg 帮助文档:

Shell> help bcfg -v -b

或:

Shell> bcfg -? -v -b

map

map displays a list of device mappings i.e. the names of available file systems (fs0) and storage devices (blk0).

Before running file system commands such as cd or ls, you need to change the shell to the appropriate file system by typing its name:

 Shell> fs0:
 fs0:\> cd EFI/

edit

EDIT 命令提供了类似于 nano 界面的基本编辑器,但是功能略少一点。它以 UTF-8 编码并且行尾结束符兼容 LF 和 CRLF.

本例中,编辑在固件 EFI 系统分区 (fs0: 中 rEFInd 的 refind.conf

 Shell> edit FS0:\EFI\refind\refind.conf

输入 Ctrl-E 以获得帮助。

UEFI Linux 硬件兼容性

主要文章见 Unified Extensible Firmware Interface/Hardware.

UEFI 可启动介质

从 ISO 创建 UEFI 可启动 USB

教程见 USB flash installation media#BIOS and UEFI Bootable USB.

从光学介质里移除 UEFI 启动支持

注意: 本部分提及的是给 CD/DVD only (光学介质)而不是 USB 闪存移除 UEFI 启动支持。

大部分32位 EFI Mac 机和部分64位 EFI Mac 机无法从 UEFI(X64)+BIOS 可启动 CD/DVD 启动。如果希望使用光学介质完成安装,可能首先需要移除 UEFI 启动支持。

  • 挂载官方安装介质并如前所述获取 archisolabel .
# mount -o loop input.iso /mnt/iso
  • 然后重建 ISO, 使用 libisoburnxorriso 移除 UEFI 光学介质启动支持。确认已设置正确的 archisolabel, 例如 "ARCH_201411"或类似的:
$ xorriso -as mkisofs -iso-level 3 \
    -full-iso9660-filenames\
    -volid "archisolabel" \
    -appid "Arch Linux CD" \
    -publisher "Arch Linux <https://www.archlinux.org>" \
    -preparer "prepared by $USER" \
    -eltorito-boot isolinux/isolinux.bin \
    -eltorito-catalog isolinux/boot.cat \
    -no-emul-boot -boot-load-size 4 -boot-info-table \
    -isohybrid-mbr "/mnt/iso/isolinux/isohdpfx.bin" \
    -output output.iso /mnt/iso/
  • output.iso 烧制进光学介质并照常完成安装。

原生无支持情况下测试 UEFI

虚拟机使用 OVMF

OVMF 是一个 tianocore 工程用以对虚拟机支持 UEFI. OVMF 为 QEMU 包含了一个样本 UEFI 固件。

安装 ovmf,建立 OVMF (有 Secure Boot 支持), 运行如下命令:

$ qemu-system-x86_64 -enable-kvm -net none -m 1024 -drive file=/usr/share/ovmf/ovmf_x64.bin,format=raw,if=pflash,readonly

As shorter alternative, ovmf can be loaded using -bios parameter

$ qemu-system-x86_64 -enable-kvm -m 1G -bios /usr/share/ovmf/ovmf_x64.bin

仅 BIOS 的系统使用 DUET

DUET 是一个 tianocore 工程用以从 BIOS 启动到完整 UEFI 环境,这与 BIOS 启动操作系统相似。在 http://www.insanelymac.com/forum/topic/186440-linux-and-windows-uefi-boot-using-tianocore-duet-firmware/ 里有广泛讨论。预建立的 DUET 镜像可从其中一个源 https://gitorious.org/tianocore_uefi_duet_builds 下载。教程见 https://gitorious.org/tianocore_uefi_duet_builds/tianocore_uefi_duet_installer/blobs/raw/master/Migle_BootDuet_INSTALL.txt.

也可考虑 http://sourceforge.net/projects/cloverefiboot/ , 它提供的 DUET 镜像可能包含了一些系统的专用补丁,并且比 gitorious 源更新得更频繁。

疑难问题

Windows 7 无法以 UEFI 模式启动

如果你把 Windows 安装进了另一个 GPT 格式的硬盘并且你电脑里还有一个 MBR 格式的硬盘,那么可能 UEFI 固件启动了 CSM 支持(为从 MBR 分区启动的支持) 因而 Windows 无法启动。为解决问题,把 MBR 硬盘的内容合并到 GPT 硬盘中并禁用 MBR 硬盘使用的 SATA 接口或者直接把硬盘拔下来。

有此类问题的主板:

Gigabyte Z77X-UD3H rev. 1.1 (UEFI 版本 F19e)

- 固件启动选项 "UEFI Only" 并不妨碍以 CSM 启动。

Windows 改变了启动次序

例如你升级 Windows 后直接启动了Windows而不是选择启动菜单:

  • 确定UEFI固件设置中的"安全启动"(Secure Boot) 和 Windows 中的"快速启动" 选项没有启用.
  • 确定UEFI固件设置的启动顺序中Linux Boot Manager 先于 Windows Boot Manager.
Note: Windows 8.x+,和 Windows 10,可能会覆盖你在UEFI固件设置中设置的启动顺序并把自己设置成第一启动选项. 所以你应该知道如何修改"一次性启动选项".

你可以通过组策略和一个批处理文件(".bat")来阻止Windows更改启动设置,在Windows上这样做:

  1. 以管理员身份打开命令提示符,运行 bcdedit /enum firmware
  2. 寻找描述中带有"linux"的启动选项,例如 "Linux Boot Manager"
  3. 复制带大括号的描述符, 例如 {31d0d5f4-22ad-11e5-b30b-806e6f6e6963}
  4. 创建一个批处理文件 (例如 bootorder.bat) ,包含下列的内容: bcdedit /set {fwbootmgr} DEFAULT {这里是你在第三步中获得的描述符} (例如 bcdedit /set {fwbootmgr} DEFAULT {31d0d5f4-22ad-11e5-b30b-806e6f6e6963}).
  5. 运行 gpedit (组策略对象编辑器)本地计算机策略 > 计算机设置 > Windows 设置 > 脚本(启动/关机)中,选择"启动,会打开一个名为"启动选项:的对话框.
  6. 添加第四步中创建的批处理文件到"脚本"列表中.

或者让Windows 启动管理器加载systemd-boot的EFI应用程序,要这样做的话在Windows上以管理员身份运行:

bcdedit /set {bootmgr} path \EFI\systemd\systemd-bootx64.efi

USB 介质卡在黑屏界面

可能是 KMS 的问题。从 USB 启动时尝试 Disabling KMS.

Booting 64-bit kernel on 32-bit UEFI

官方 ISO (Archiso) 和 Archboot iso 都用 EFISTUB (通过 systemd-boot 启动管理器) 来让内核以 UEFI 模式启动。这种情况下参考下文来使用 GRUB 作为 USB 的引导器。

使用 GRUB

  • link 所述创建 USB 闪存安装介质。之后按照以下步骤来使用 GRUB 替代 Gummiboot.
  • <USB>/EFI/boot/loader.efi 备份为 <USB>/EFI/boot/gummiboot.efi
  • 按如下内容创建 <USB>/EFI/boot/grub.cfg (替换 ARCH_YYYYMM 为 USB 盘,例如 ARCH_201404):
grub.cfg for Official ISO
insmod part_gpt
insmod part_msdos
insmod fat

insmod efi_gop
insmod efi_uga
insmod video_bochs
insmod video_cirrus

insmod font

if loadfont "${prefix}/fonts/unicode.pf2" ; then
    insmod gfxterm
    set gfxmode="1024x768x32;auto"
    terminal_input console
    terminal_output gfxterm
fi

menuentry "Arch Linux archiso x86_64" {
    set gfxpayload=keep
    search --no-floppy --set=root --label ARCH_YYYYMM
    linux /arch/boot/x86_64/vmlinuz archisobasedir=arch archisolabel=ARCH_YYYYMM add_efi_memmap
    initrd /arch/boot/x86_64/archiso.img
}

menuentry "UEFI Shell x86_64 v2" {
    search --no-floppy --set=root --label ARCH_YYYYMM
    chainloader /EFI/shellx64_v2.efi
}
    
menuentry "UEFI Shell x86_64 v1" {
    search --no-floppy --set=root --label ARCH_YYYYMM
    chainloader /EFI/shellx64_v1.efi
}
grub.cfg for Archboot ISO
insmod part_gpt
insmod part_msdos
insmod fat

insmod efi_gop
insmod efi_uga
insmod video_bochs
insmod video_cirrus

insmod font

if loadfont "${prefix}/fonts/unicode.pf2" ; then
    insmod gfxterm
    set gfxmode="1024x768x32;auto"
    terminal_input console
    terminal_output gfxterm
fi

menuentry "Arch Linux x86_64 Archboot" {
    set gfxpayload=keep
    search --no-floppy --set=root --file /boot/vmlinuz_x86_64
    linux /boot/vmlinuz_x86_64 cgroup_disable=memory loglevel=7 add_efi_memmap
    initrd /boot/initramfs_x86_64.img
}

menuentry "UEFI Shell x86_64 v2" {
    search --no-floppy --set=root --file /boot/vmlinuz_x86_64
    chainloader /EFI/tools/shellx64_v2.efi
}
    
menuentry "UEFI Shell x86_64 v1" {
    search --no-floppy --set=root --file /boot/vmlinuz_x86_64
    chainloader /EFI/tools/shellx64_v1.efi
}

参阅