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，以及硬件可魔改升級的特點，至今依然得到大批粉絲的喜愛。
我去年開始與一群愛好者共同研究小米平板2雙系統(tǒng)刷機方法，研制的刷機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。在這個過程中，我對小米平板2的啟動過程和雙系統(tǒng)切換機制有了一定的了解，通過這篇文章進行簡單的總結。
我將結合遇到問題、解決問題的過程來講述，沒有什么專業(yè)術語。關注我的公眾號的朋友們中，有很多是小米平板的用戶，你們既然花了這么多時間來刷機，那就再花點兒時間來了解你手中的這臺機器吧。
小米平板2采用了目前主流的 UEFI 引導管理機制，具備安全、靈活的特點，也為用戶自行定制提供了基礎。
一、啟動過程
小米平板2加電后完成硬件自檢與 BIOS 引導，然后將控制權交給 UEFI 。UEFI 的運行過程可以簡單理解為：訪問 U盤或硬盤里 Fat32 格式的EFI系統(tǒng)分區(qū)（ESP），調(diào)用后綴為 .efi 的系統(tǒng)啟動文件（OS Loader），通過啟動文件加載 MIUI 或 Win10 等操作系統(tǒng)，最后把控制權交給新啟動的系統(tǒng)，完成啟動過程。
但是平板中可能有很多啟動文件，UEFI 怎么知道該調(diào)用哪個呢？原來，調(diào)用過程遵守“按啟動序列中的順序依次調(diào)用啟動項”的原則。
平板中有兩個全局變量，一個存放所有啟動項，一個存放啟動順序，這兩個變量共同定義了啟動序列。UEFI 獲得控制權后會先訪問這兩個變量，以決定下一步的操作。用戶可以修改這兩個變量的內(nèi)容，增加自己的啟動項，調(diào)整啟動順序，以達到優(yōu)先調(diào)用用戶的啟動文件，啟動用戶想要的系統(tǒng)的目的。
但有個問題：如果由于用戶失誤，設置了無法正常啟動的文件，那么每次開機時平板都先調(diào)用有問題的啟動項，導致系統(tǒng)無法正常進入操作系統(tǒng)，那豈不進入了無法控制的狀態(tài)，導致所謂的“變磚”？
小米平板2設計者充分考慮了這個情況，內(nèi)置了另一個機制：只要平板識別到 U盤，就會檢查 U盤中是否有 Fat32 格式的分區(qū)，如果有，則在這個分區(qū)中查找 \EFI\Boot\Bootx64.efi 文件。如果找到了，就會自動把這個文件添加到啟動項中，并把它設置為啟動順序中的第一個，然后啟動該啟動項。因此，只要 U盤的這個啟動文件正常，你就可以以它為入口，進入某個系統(tǒng)，比如PE，獲得控制權去修正之前犯下的錯誤。因為對 U盤的控制權在你的手里，你可以隨時重做 U盤，甚至更換 U盤，因此只要你把 U盤做好，你就一定能取回對平板的控制權。
這就是我經(jīng)常安慰機友的原因：“小米平板2變磚并不容易，只要屏幕能亮，U口沒壞，平板就變不了磚”。平板啟動失敗后一般會不斷嘗試重啟，即使有時剛開機或強行重啟時不識讀 U盤，也沒有關系，等它自動重啟（不通過按電源鍵重啟）后，一般都能恢復識讀。
二、安全機制
使用 UEFI 的計算機普遍啟用了安全啟動選項（UEFI Secure Boot），用于避免非授權啟動文件的運行。小米平板2也不例外，并且更甚一步，不但啟用了安全啟動，而且即使用戶進入 BIOS 手工把安全啟動關閉，一段時間后平板會把它自動打開。
因此，小米平板2的安全啟動機制是做得比較嚴格的，但在保證安全的同時，也降低了用戶 DIY 的靈活度。也就有了那個梗：有用戶對“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，“游戲塵間”建議用戶“致電雷軍”。
UEFI Secure Boot 的存在，導致只有兩種 efi 文件可以成為小米平板2的啟動文件：一種是小米公司自己制作的 efi，它可以使用小米平板2最底層的一些機制獲得合法運行權，這個文件就是我們在安裝 MIUI 后，在 ESP 分區(qū)中看到的那個 \EFI\Boot\Bootx64.efi 文件；另一種就是獲得了微軟CA認證的文件。因為 Secure Boot 最初是由微軟公司推出的，多年來微軟利用其自身地位強行推廣，已經(jīng)形成廣泛使用的既成事實，目前基本上所有使用 UEFI 的計算機主板都集成了微軟的 CA 證書，主流的 Linux（如：Ubuntu、Redhat）等操作系統(tǒng)通過取得微軟的證書簽名，得以在使用 UEFI 的計算機上合法運行。
目前各大操作系統(tǒng)廠商之所以甘于屈居微軟的認證體系之下，一是由于反抗即成事實的代價太大，二是微軟用實力和信譽做擔保，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 是否會成為中國公司的一個軟肋，已經(jīng)成為國內(nèi)業(yè)界的熱門話題。這個留到以后再說。
在小米平板2雙系統(tǒng)刷機過程中，共涉及三個啟動文件，第一個是前面說到的MIUI 的 Bootx64.efi，第二個是 Win10 的啟動文件 Bootmgfw.efi，第三個是 Shimx64.efi。后面這兩個屬于取得微軟證書簽名的第二種文件，但 Shimx64.efi 不是操作系統(tǒng)的啟動文件，它與 rEFInd 共同為用戶提供選擇界面，讓用戶決定下一步啟動哪個系統(tǒng)。關于 Shimx64.efi 我會在后面詳細講解。
看到這里，你大概能明白小米平板2的雙系統(tǒng)開機切換功能為什么不容易實現(xiàn)了：由于安全啟動的存在，導致第三方開發(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、選擇機制
在小米平板2上安裝雙系統(tǒng)，實現(xiàn)雙系統(tǒng)切換功能，實際就是要給用戶以選擇權，讓用戶能自主決定進入哪個系統(tǒng)。我們使用了 rEFInd 提供的選擇機制來實現(xiàn)這個目標。
rEFInd 是一個被廣泛用于 UEFI 多系統(tǒng)啟動場景的解決方案，最大特點是平臺無關和操作簡便。它最初被“游戲塵間”用于實現(xiàn)小米平板2刷機和雙系統(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工具和雙系統(tǒng)開機切換方案中。
rEFInd 與 Shimx64.efi 相結合，完美地在刷機和開機時給用戶提供了美觀、易操作的選擇界面，并在一定程度上減少了 UEFI Secure Boot 對用戶 efi 的限制。
Shimx64.efi 使用了 Secure Boot 的鏈式認證機制。前面已經(jīng)說過，Shimx64.efi 已經(jīng)取得微軟CA認證簽名，可以在小米平板2開機時合法運行，鏈式認證機制允許 Shimx64.efi 對 rEFInd 的 grubx64.efi 進行合法性認證，只要認證通過就可以被 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際也是調(diào)用某個 efi 文件，grubx64.efi 對用戶選擇的 efi 認證通過后授權其運行。通過這種鏈式授權方式，減少了 UEFI Secure Boot 對 efi 的限制，未直接獲得微軟認證的軟件只要能由這種鏈式授權認證通過，也將被允許運行，因此簡化了認證過程，用戶可以使用的 efi 大為增加。
那么什么樣的 efi 能通過這種方式獲得授權呢？Shimx64.efi 調(diào)用 grubx64.efi 時，會對比小米平板2主板中存放的個人證書（注意：是個人證書，不是微軟發(fā)布的正式證書），如果 grubx64.efi 已經(jīng)獲得該證書的簽名，則認證通過予以運行，否則彈出“驗證失敗，拒絕訪問”的報錯。
然后要求用戶導入 cer 證書，如果用戶能導入對應的 cer 證書文件，則允許 grubx64.efi 運行，否則退出。
用戶在 grubx64.efi 提供的選擇菜單調(diào)用的某個 efi 文件，也是通過這種方法進行認證。因此，用戶如果能保證 cer 證書正確導入平板，并且除 Bootx64.efi、Bootmgfw.efi 和 Shimx64.efi 這三個文件外的所有其它 efi 都經(jīng)過該證書簽名，就可以在小米平板2上通過這種鏈式認證方式得以合法運行。
我們制作的刷機包中提供了個人證書，也就是上圖中的 Butterfly_of_Amazon.cer，刷機包中的各個 efi 文件也用該證書進行了簽名，因此只要按教程把這個證書導入平板，就可以正常使用刷機包和它提供的開機切換功能。
第一次使用刷機包進行刷機時，由于證書尚未導入，所以需要進入 BIOS 手工關閉安全啟動選項，等完成證書導入后就可以省略這個步驟了。
證書是存放在主板上的，導入一次永久有效，哪怕將硬盤中所有分區(qū)都刪除，也不會影響已導入的證書。但重刷 BIOS 會清除證書，因此每次刷完 BIOS 都會出現(xiàn)藍色窗口讓用戶重新導入。
四、雙系統(tǒng)切換功能的實現(xiàn)
前面講了小米平板2的啟動過程、安全機制和選擇機制，有了這些基礎，下面說說我們是怎么實現(xiàn)雙系統(tǒng)切換功能的。
我們制作的刷機工具提供了兩種雙系統(tǒng)切換方法：一鍵切換和開機切換。
1. 一鍵切換
一鍵切換的原理相對簡單：（1）用戶在 MIUI 系統(tǒng)中運行 And2Win，這個 APP 會將 Win10 的 Bootmgfw.efi 改名為 Bootx64.efi，復制到平板的 ESP 分區(qū)中替換 MIUI 啟動文件 \EFI\Boot\Bootx64.efi，然后重啟平板。平板啟動時調(diào)用 \EFI\Boot\Bootx64.efi，而此時這個文件實際是 Bootmgfw.efi，因此實際啟動的將是 Win10；（2）由 Win10 切換到 MIUI 系統(tǒng)的過程類似，用戶在 Win10 中運行 Android 快捷方式，它將 MIUI 啟動文件 Bootx64.efi 復制回 ESP 分區(qū)的 \EFI\Boot\ 中，替換掉 Bootmgfw.efi，然后重啟平板，平板啟動還是調(diào)用 \EFI\Boot\Bootx64.efi，而此時這個文件是 MIUI 的啟動文件，因此平板將啟動 MIUI 系統(tǒng)。
原理詳見下圖：
2. 開機切換
如果你安裝的是開機切換功能，那么每次啟動平板時，會出現(xiàn)下圖的系統(tǒng)選擇菜單：
左邊大圖標為進入 Win10 系統(tǒng)，右邊大圖標為進入MIUI 系統(tǒng)。
原理詳見下圖：
理論這層窗戶紙捅破后，其實很簡單。我動筆前覺得這篇文章需要寫好幾天，可寫了3500 字后，卻發(fā)現(xiàn)畫完上面兩張流程圖后就可以收尾了。
實際在刷機包的研發(fā)過程中，我和小伙伴們克服了無數(shù)的困難，比如：PE 分辨率太高字體太小問題、安裝 Win10 經(jīng)常異常問題、Win10 映像的驅(qū)動集成問題、Remix 和 Lineage、RR 的硬盤克隆問題、第三方 REC 刷入 zip升級包問題、安卓系統(tǒng)下如何自動恢復 rEFInd 啟動文件問題、個人證書更換問題、BIOS 刷入工具移植問題、Win10 啟動序列自動更改問題、開機切換圖標用戶DIY問題、ESP 序號變化導致一鍵切換失效問題、開機切換多按一下確認鍵問題、啟動分區(qū)過小導致 Win10 引導文件生成失敗問題、Win10 啟動分區(qū)容量不足導致升級失敗問題，等等。每一個問題的解決都花費了我們諸多的心血。由這個項目，我深深體會了將理論知識轉(zhuǎn)換為工程成果需要經(jīng)歷多少艱苦的工作，但這些工作卻又無法寫進文章，否則顯得太過瑣碎和龐雜。
現(xiàn)在這個刷機包雖然得到這么多用戶的喜歡，但我知道遠沒有達到完美，比如：安裝 Win10 時對異常情況的提示和處理還很不完善，存在很多個例情況不能自動處理，初次使用者容易感到困惑，等等。限于精力，只能以后有時間再慢慢完善了。有愿意進一步了解的朋友歡迎加我微信探討。
