作者：亞馬遜的蝴蝶（Butterfly_of_Amazon）
小米公司于2015年11月推出小米平板2，至今已經(jīng)5年多，該款平板雖然已可歸為老機(jī)型，但以高分辨率的屏幕、美觀大方的外形、支持雙系統(tǒng)的x86架構(gòu)，以及硬件可魔改升級(jí)的特點(diǎn)，至今依然得到大批粉絲的喜愛(ài)。
我去年開(kāi)始與一群愛(ài)好者共同研究小米平板2雙系統(tǒng)刷機(jī)方法，研制的刷機(jī)包和配套教程成為網(wǎng)上傳播最廣、用戶最多的的雙系統(tǒng)安裝工具。在這個(gè)過(guò)程中，我對(duì)小米平板2的啟動(dòng)過(guò)程和雙系統(tǒng)切換機(jī)制有了一定的了解，通過(guò)這篇文章進(jìn)行簡(jiǎn)單的總結(jié)。
我將結(jié)合遇到問(wèn)題、解決問(wèn)題的過(guò)程來(lái)講述，沒(méi)有什么專業(yè)術(shù)語(yǔ)。關(guān)注我的公眾號(hào)的朋友們中，有很多是小米平板的用戶，你們既然花了這么多時(shí)間來(lái)刷機(jī)，那就再花點(diǎn)兒時(shí)間來(lái)了解你手中的這臺(tái)機(jī)器吧。
小米平板2采用了目前主流的 UEFI 引導(dǎo)管理機(jī)制，具備安全、靈活的特點(diǎn)，也為用戶自行定制提供了基礎(chǔ)。
一、啟動(dòng)過(guò)程
小米平板2加電后完成硬件自檢與 BIOS 引導(dǎo)，然后將控制權(quán)交給 UEFI 。UEFI 的運(yùn)行過(guò)程可以簡(jiǎn)單理解為：訪問(wèn) U盤(pán)或硬盤(pán)里 Fat32 格式的EFI系統(tǒng)分區(qū)（ESP），調(diào)用后綴為 .efi 的系統(tǒng)啟動(dòng)文件（OS Loader），通過(guò)啟動(dòng)文件加載 MIUI 或 Win10 等操作系統(tǒng)，最后把控制權(quán)交給新啟動(dòng)的系統(tǒng)，完成啟動(dòng)過(guò)程。
但是平板中可能有很多啟動(dòng)文件，UEFI 怎么知道該調(diào)用哪個(gè)呢？原來(lái)，調(diào)用過(guò)程遵守“按啟動(dòng)序列中的順序依次調(diào)用啟動(dòng)項(xiàng)”的原則。
平板中有兩個(gè)全局變量，一個(gè)存放所有啟動(dòng)項(xiàng)，一個(gè)存放啟動(dòng)順序，這兩個(gè)變量共同定義了啟動(dòng)序列。UEFI 獲得控制權(quán)后會(huì)先訪問(wèn)這兩個(gè)變量，以決定下一步的操作。用戶可以修改這兩個(gè)變量的內(nèi)容，增加自己的啟動(dòng)項(xiàng)，調(diào)整啟動(dòng)順序，以達(dá)到優(yōu)先調(diào)用用戶的啟動(dòng)文件，啟動(dòng)用戶想要的系統(tǒng)的目的。
但有個(gè)問(wèn)題：如果由于用戶失誤，設(shè)置了無(wú)法正常啟動(dòng)的文件，那么每次開(kāi)機(jī)時(shí)平板都先調(diào)用有問(wèn)題的啟動(dòng)項(xiàng)，導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常進(jìn)入操作系統(tǒng)，那豈不進(jìn)入了無(wú)法控制的狀態(tài)，導(dǎo)致所謂的“變磚”？
小米平板2設(shè)計(jì)者充分考慮了這個(gè)情況，內(nèi)置了另一個(gè)機(jī)制：只要平板識(shí)別到 U盤(pán)，就會(huì)檢查 U盤(pán)中是否有 Fat32 格式的分區(qū)，如果有，則在這個(gè)分區(qū)中查找 \EFI\Boot\Bootx64.efi 文件。如果找到了，就會(huì)自動(dòng)把這個(gè)文件添加到啟動(dòng)項(xiàng)中，并把它設(shè)置為啟動(dòng)順序中的第一個(gè)，然后啟動(dòng)該啟動(dòng)項(xiàng)。因此，只要 U盤(pán)的這個(gè)啟動(dòng)文件正常，你就可以以它為入口，進(jìn)入某個(gè)系統(tǒng)，比如PE，獲得控制權(quán)去修正之前犯下的錯(cuò)誤。因?yàn)閷?duì) U盤(pán)的控制權(quán)在你的手里，你可以隨時(shí)重做 U盤(pán)，甚至更換 U盤(pán)，因此只要你把 U盤(pán)做好，你就一定能取回對(duì)平板的控制權(quán)。
這就是我經(jīng)常安慰機(jī)友的原因：“小米平板2變磚并不容易，只要屏幕能亮，U口沒(méi)壞，平板就變不了磚”。平板啟動(dòng)失敗后一般會(huì)不斷嘗試重啟，即使有時(shí)剛開(kāi)機(jī)或強(qiáng)行重啟時(shí)不識(shí)讀 U盤(pán)，也沒(méi)有關(guān)系，等它自動(dòng)重啟（不通過(guò)按電源鍵重啟）后，一般都能恢復(fù)識(shí)讀。
二、安全機(jī)制
使用 UEFI 的計(jì)算機(jī)普遍啟用了安全啟動(dòng)選項(xiàng)（UEFI Secure Boot），用于避免非授權(quán)啟動(dòng)文件的運(yùn)行。小米平板2也不例外，并且更甚一步，不但啟用了安全啟動(dòng)，而且即使用戶進(jìn)入 BIOS 手工把安全啟動(dòng)關(guān)閉，一段時(shí)間后平板會(huì)把它自動(dòng)打開(kāi)。
因此，小米平板2的安全啟動(dòng)機(jī)制是做得比較嚴(yán)格的，但在保證安全的同時(shí)，也降低了用戶 DIY 的靈活度。也就有了那個(gè)梗：有用戶對(duì)“游戲塵間”（最早制作小米平板2雙系統(tǒng)切換功能的那位高手）吐槽切換操作不方便時(shí)，“游戲塵間”建議用戶“致電雷軍”。
UEFI Secure Boot 的存在，導(dǎo)致只有兩種 efi 文件可以成為小米平板2的啟動(dòng)文件：一種是小米公司自己制作的 efi，它可以使用小米平板2最底層的一些機(jī)制獲得合法運(yùn)行權(quán)，這個(gè)文件就是我們?cè)诎惭b MIUI 后，在 ESP 分區(qū)中看到的那個(gè) \EFI\Boot\Bootx64.efi 文件；另一種就是獲得了微軟CA認(rèn)證的文件。因?yàn)?Secure Boot 最初是由微軟公司推出的，多年來(lái)微軟利用其自身地位強(qiáng)行推廣，已經(jīng)形成廣泛使用的既成事實(shí)，目前基本上所有使用 UEFI 的計(jì)算機(jī)主板都集成了微軟的 CA 證書(shū)，主流的 Linux（如：Ubuntu、Redhat）等操作系統(tǒng)通過(guò)取得微軟的證書(shū)簽名，得以在使用 UEFI 的計(jì)算機(jī)上合法運(yùn)行。
目前各大操作系統(tǒng)廠商之所以甘于屈居微軟的認(rèn)證體系之下，一是由于反抗即成事實(shí)的代價(jià)太大，二是微軟用實(shí)力和信譽(yù)做擔(dān)保，至少到目前做到了公平。但在極端情況下，比如中美脫鉤，微軟是否還能保證公平，UEFI 是否會(huì)成為中國(guó)公司的一個(gè)軟肋，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)業(yè)界的熱門(mén)話題。這個(gè)留到以后再說(shuō)。
在小米平板2雙系統(tǒng)刷機(jī)過(guò)程中，共涉及三個(gè)啟動(dòng)文件，第一個(gè)是前面說(shuō)到的MIUI 的 Bootx64.efi，第二個(gè)是 Win10 的啟動(dòng)文件 Bootmgfw.efi，第三個(gè)是 Shimx64.efi。后面這兩個(gè)屬于取得微軟證書(shū)簽名的第二種文件，但 Shimx64.efi 不是操作系統(tǒng)的啟動(dòng)文件，它與 rEFInd 共同為用戶提供選擇界面，讓用戶決定下一步啟動(dòng)哪個(gè)系統(tǒng)。關(guān)于 Shimx64.efi 我會(huì)在后面詳細(xì)講解。
看到這里，你大概能明白小米平板2的雙系統(tǒng)開(kāi)機(jī)切換功能為什么不容易實(shí)現(xiàn)了：由于安全啟動(dòng)的存在，導(dǎo)致第三方開(kāi)發(fā)者的選擇非常有限，只能在狹窄的縫隙中尋找騰挪空間。
三、選擇機(jī)制
在小米平板2上安裝雙系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)雙系統(tǒng)切換功能，實(shí)際就是要給用戶以選擇權(quán)，讓用戶能自主決定進(jìn)入哪個(gè)系統(tǒng)。我們使用了 rEFInd 提供的選擇機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。
rEFInd 是一個(gè)被廣泛用于 UEFI 多系統(tǒng)啟動(dòng)場(chǎng)景的解決方案，最大特點(diǎn)是平臺(tái)無(wú)關(guān)和操作簡(jiǎn)便。它最初被“游戲塵間”用于實(shí)現(xiàn)小米平板2刷機(jī)和雙系統(tǒng)切換，我們繼承了“游戲塵間”的思路，將其用于目前這版廣泛流傳的刷機(jī)工具和雙系統(tǒng)開(kāi)機(jī)切換方案中。
rEFInd 與 Shimx64.efi 相結(jié)合，完美地在刷機(jī)和開(kāi)機(jī)時(shí)給用戶提供了美觀、易操作的選擇界面，并在一定程度上減少了 UEFI Secure Boot 對(duì)用戶 efi 的限制。
Shimx64.efi 使用了 Secure Boot 的鏈?zhǔn)秸J(rèn)證機(jī)制。前面已經(jīng)說(shuō)過(guò)，Shimx64.efi 已經(jīng)取得微軟CA認(rèn)證簽名，可以在小米平板2開(kāi)機(jī)時(shí)合法運(yùn)行，鏈?zhǔn)秸J(rèn)證機(jī)制允許 Shimx64.efi 對(duì) rEFInd 的 grubx64.efi 進(jìn)行合法性認(rèn)證，只要認(rèn)證通過(guò)就可以被 Shimx64.efi 調(diào)用。grubx64.efi 的主要功能是給用戶提供選擇菜單（圖1），用戶選擇某一菜單的操作實(shí)際也是調(diào)用某個(gè) efi 文件，grubx64.efi 對(duì)用戶選擇的 efi 認(rèn)證通過(guò)后授權(quán)其運(yùn)行。通過(guò)這種鏈?zhǔn)绞跈?quán)方式，減少了 UEFI Secure Boot 對(duì) efi 的限制，未直接獲得微軟認(rèn)證的軟件只要能由這種鏈?zhǔn)绞跈?quán)認(rèn)證通過(guò)，也將被允許運(yùn)行，因此簡(jiǎn)化了認(rèn)證過(guò)程，用戶可以使用的 efi 大為增加。
那么什么樣的 efi 能通過(guò)這種方式獲得授權(quán)呢？Shimx64.efi 調(diào)用 grubx64.efi 時(shí)，會(huì)對(duì)比小米平板2主板中存放的個(gè)人證書(shū)（注意：是個(gè)人證書(shū)，不是微軟發(fā)布的正式證書(shū)），如果 grubx64.efi 已經(jīng)獲得該證書(shū)的簽名，則認(rèn)證通過(guò)予以運(yùn)行，否則彈出“驗(yàn)證失敗，拒絕訪問(wèn)”的報(bào)錯(cuò)。
然后要求用戶導(dǎo)入 cer 證書(shū)，如果用戶能導(dǎo)入對(duì)應(yīng)的 cer 證書(shū)文件，則允許 grubx64.efi 運(yùn)行，否則退出。
用戶在 grubx64.efi 提供的選擇菜單調(diào)用的某個(gè) efi 文件，也是通過(guò)這種方法進(jìn)行認(rèn)證。因此，用戶如果能保證 cer 證書(shū)正確導(dǎo)入平板，并且除 Bootx64.efi、Bootmgfw.efi 和 Shimx64.efi 這三個(gè)文件外的所有其它 efi 都經(jīng)過(guò)該證書(shū)簽名，就可以在小米平板2上通過(guò)這種鏈?zhǔn)秸J(rèn)證方式得以合法運(yùn)行。
我們制作的刷機(jī)包中提供了個(gè)人證書(shū)，也就是上圖中的 Butterfly_of_Amazon.cer，刷機(jī)包中的各個(gè) efi 文件也用該證書(shū)進(jìn)行了簽名，因此只要按教程把這個(gè)證書(shū)導(dǎo)入平板，就可以正常使用刷機(jī)包和它提供的開(kāi)機(jī)切換功能。
第一次使用刷機(jī)包進(jìn)行刷機(jī)時(shí)，由于證書(shū)尚未導(dǎo)入，所以需要進(jìn)入 BIOS 手工關(guān)閉安全啟動(dòng)選項(xiàng)，等完成證書(shū)導(dǎo)入后就可以省略這個(gè)步驟了。
證書(shū)是存放在主板上的，導(dǎo)入一次永久有效，哪怕將硬盤(pán)中所有分區(qū)都刪除，也不會(huì)影響已導(dǎo)入的證書(shū)。但重刷 BIOS 會(huì)清除證書(shū)，因此每次刷完 BIOS 都會(huì)出現(xiàn)藍(lán)色窗口讓用戶重新導(dǎo)入。
四、雙系統(tǒng)切換功能的實(shí)現(xiàn)
前面講了小米平板2的啟動(dòng)過(guò)程、安全機(jī)制和選擇機(jī)制，有了這些基礎(chǔ)，下面說(shuō)說(shuō)我們是怎么實(shí)現(xiàn)雙系統(tǒng)切換功能的。
我們制作的刷機(jī)工具提供了兩種雙系統(tǒng)切換方法：一鍵切換和開(kāi)機(jī)切換。
1. 一鍵切換
一鍵切換的原理相對(duì)簡(jiǎn)單：（1）用戶在 MIUI 系統(tǒng)中運(yùn)行 And2Win，這個(gè) APP 會(huì)將 Win10 的 Bootmgfw.efi 改名為 Bootx64.efi，復(fù)制到平板的 ESP 分區(qū)中替換 MIUI 啟動(dòng)文件 \EFI\Boot\Bootx64.efi，然后重啟平板。平板啟動(dòng)時(shí)調(diào)用 \EFI\Boot\Bootx64.efi，而此時(shí)這個(gè)文件實(shí)際是 Bootmgfw.efi，因此實(shí)際啟動(dòng)的將是 Win10；（2）由 Win10 切換到 MIUI 系統(tǒng)的過(guò)程類似，用戶在 Win10 中運(yùn)行 Android 快捷方式，它將 MIUI 啟動(dòng)文件 Bootx64.efi 復(fù)制回 ESP 分區(qū)的 \EFI\Boot\ 中，替換掉 Bootmgfw.efi，然后重啟平板，平板啟動(dòng)還是調(diào)用 \EFI\Boot\Bootx64.efi，而此時(shí)這個(gè)文件是 MIUI 的啟動(dòng)文件，因此平板將啟動(dòng) MIUI 系統(tǒng)。
原理詳見(jiàn)下圖：
2. 開(kāi)機(jī)切換
如果你安裝的是開(kāi)機(jī)切換功能，那么每次啟動(dòng)平板時(shí)，會(huì)出現(xiàn)下圖的系統(tǒng)選擇菜單：
左邊大圖標(biāo)為進(jìn)入 Win10 系統(tǒng)，右邊大圖標(biāo)為進(jìn)入MIUI 系統(tǒng)。
原理詳見(jiàn)下圖：
理論這層窗戶紙捅破后，其實(shí)很簡(jiǎn)單。我動(dòng)筆前覺(jué)得這篇文章需要寫(xiě)好幾天，可寫(xiě)了3500 字后，卻發(fā)現(xiàn)畫(huà)完上面兩張流程圖后就可以收尾了。
實(shí)際在刷機(jī)包的研發(fā)過(guò)程中，我和小伙伴們克服了無(wú)數(shù)的困難，比如：PE 分辨率太高字體太小問(wèn)題、安裝 Win10 經(jīng)常異常問(wèn)題、Win10 映像的驅(qū)動(dòng)集成問(wèn)題、Remix 和 Lineage、RR 的硬盤(pán)克隆問(wèn)題、第三方 REC 刷入 zip升級(jí)包問(wèn)題、安卓系統(tǒng)下如何自動(dòng)恢復(fù) rEFInd 啟動(dòng)文件問(wèn)題、個(gè)人證書(shū)更換問(wèn)題、BIOS 刷入工具移植問(wèn)題、Win10 啟動(dòng)序列自動(dòng)更改問(wèn)題、開(kāi)機(jī)切換圖標(biāo)用戶DIY問(wèn)題、ESP 序號(hào)變化導(dǎo)致一鍵切換失效問(wèn)題、開(kāi)機(jī)切換多按一下確認(rèn)鍵問(wèn)題、啟動(dòng)分區(qū)過(guò)小導(dǎo)致 Win10 引導(dǎo)文件生成失敗問(wèn)題、Win10 啟動(dòng)分區(qū)容量不足導(dǎo)致升級(jí)失敗問(wèn)題，等等。每一個(gè)問(wèn)題的解決都花費(fèi)了我們諸多的心血。由這個(gè)項(xiàng)目，我深深體會(huì)了將理論知識(shí)轉(zhuǎn)換為工程成果需要經(jīng)歷多少艱苦的工作，但這些工作卻又無(wú)法寫(xiě)進(jìn)文章，否則顯得太過(guò)瑣碎和龐雜。
現(xiàn)在這個(gè)刷機(jī)包雖然得到這么多用戶的喜歡，但我知道遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到完美，比如：安裝 Win10 時(shí)對(duì)異常情況的提示和處理還很不完善，存在很多個(gè)例情況不能自動(dòng)處理，初次使用者容易感到困惑，等等。限于精力，只能以后有時(shí)間再慢慢完善了。有愿意進(jìn)一步了解的朋友歡迎加我微信探討。
