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UEFI 开发入门

UEFI最初由Intel开发用于其IA-64平台。作为传统BIOS的继任者，UEFI在各种现代计算机中得到了广泛应用。UEFI适用于各种类型的CPU，目前大部分基于x86_64的计算机以及近几年开始出现的基于ARM的服务器都广泛使用了UEFI

参考

UEFI原理与编程, 戴正华, 2015

0 UEFI 是什么

UEFI全称Unified Extensible Firmware Interface（统一可扩展固件接口），用于取代传统BIOS。UEFI只是一种标准，而具体实现由开源组织或公司提供，目前主要有Intel公司开源的TianoCore

1 UEFI 基本概念

1.1 UEFI 组成

UEFI提供的接口分为启动服务（Boot Services, BS）以及运行时服务（Runtime Sercice, RT）。

从操作系统的Bootloader（比如GRUB）被加载，到Bootloader执行ExitBootServices()，这个过程被称为TSL（Transient System Load），在这个过程中Bootloader可以通过BS或RT使用UEFI提供的服务，将计算机的资源转移到自己手中

Bootloader只是UEFI中的一个应用程序，一般的操作系统都会提供一个Bootloader放在ESP分区，为.efi后缀

当Bootloader掌握所有资源之后，BS就会被结束并且资源会被回收。接下来进入Runtime阶段，此时只有RT会继续提供服务

TSL阶段的系统资源通过BS管理。BS提供以下服务：

  1. 事件服务：是异步操作的基础。异步操作是并发执行的基础

  2. 内存管理：负责内存的分配或释放，以及管理内存的映射

  3. Protocol管理：提供安装/卸载Protocol的服务，以及注册Protocol通知函数（Protocol安装时被调用）

  4. Protocol使用类服务：包括了Protocol的打开与关闭，以及查找支持Protocol的控制器。比如读写一个PCI设备的寄存器，就会用到这些服务

  5. 驱动管理：包括了用于将驱动安装到控制器的connect服务，以及用于卸载的disconnect服务。比如网络驱动的加载，可以先将驱动Image加载到内存，再通过connect将驱动安装到设备

  6. Image管理：提供了加载、卸载、启动以及退出UEFI的驱动或应用程序的服务

  7. ExitBootService：用于结束BS

而RT提供以下服务：

  1. 时间服务：用于读取或设定系统时间，或系统从睡眠状态唤醒的时间

  2. 读写UEFI系统变量：比如启动顺序等，这些变量会被保存（非易失，一般位于NVRAM）

  3. 虚拟内存服务：逻辑地址、物理地址的转换

  4. 其他：比如重启ResetSystem等

1.2 UEFI 启动流程

UEFI的启动遵循UEFI的平台初始化标准。UEFI从启动到关机会经历7个不同的阶段

1.2.1 SEC：安全验证

Security Phase。之所以被称为安全阶段，是因为SEC是整个系统的可信任的基础。

SEC阶段主要有4个功能

  1. 接收处理系统启动以及重启信号：比如上电信号，重启信号，运行异常信号

  2. 初始化临时存储区域：将Cache初始化为RAM使用（no-eviction模式），这种技术被称为CAR（Cache As RAM）技术

  3. 作为可信任系统的基础：只有SEC可信任，之后的步骤才是可信任的

  4. 将参数传递给PEI：为PEI阶段做准备，将系统当前状态、可启动固件（Boot Firmware Volume）的地址以及大小、临时RAM的地址以及大小、栈的地址以及大小传递给PEI

SEC的执行流程分为两部分：其中临时RAM生效之前为Reset Vector阶段，在临时RAM生效之后调用SEC入口函数进入SEC功能区

Reset Vector执行流程有以下6步

  1. 进入固件入口

  2. 从16位实模式转为32位包含模式

  3. 定位固件中的BFV（Boot Firmware Volume）

  4. 定位BFV中的SEC映像

  5. 64位系统则从32位模式转为64位模式

  6. 调用SEC入口函数

SEC功能区一般会进行以下步骤

  1. 由于此时临时RAM已经可用，所以已经可以使用栈，先初始化栈，之后可以进行函数调用

  2. 初始化IDT、浮点寄存器等，并且将临时RAM地址、栈地址、BFV地址装入SecCoreData（EFI_SEC_PEI_HAND_OFF类型结构体）

  3. 最后调用PEI入口函数（在BFV中），同时传递SecCoreData给下一阶段PEI，将控制权转移给PEI

1.2.2 PEI：前期EFI初始化

Pre-EFI Initialization。PEI为下一步的DXE做准备，会对内存进行初始化，同时将信息构成HOB（Handoff Block）传递给PEI

PEI的执行流程同样分为两部分：PEI内核（PEI Foundation）以及PEIM（PEI Module）派遣器，PEI内核负责PEI基础服务，PEI阶段初始化工作主要由PEIM完成，PEIM为独立模块，而派遣器就是负责找出这些PEIM并按顺序执行。PEI本身其实也是一个PEIM。PEIM载入临时内存以后生成PEI Image，可以调用_ModuleEntryPoint进入

PEIM都有自己的入口函数。PEIM的入口处会传入一个PeiServices，通过这个指针可以调用PEI阶段的系统服务，以及访问PEI内核。PEIM之间通过PPI通信。每个PPI都是一个结构体，并且都有一个GUID，可以通过PEI服务中的LocatePpi获取对应GUID的PPI

PEI执行流程如下

  1. 首先入口调用PeiCore

  2. 根据SEC传入的的信息初始化PEI Core Services

  3. 调用PeiDispatcher执行PEIM

  4. 内存初始化后，再次进入PeiCore，此时使用的是初始化后的内存

  5. 获取DXE IPL PPI，调用其Entry服务（DxeLoadCore），执行DXE入口函数并将HOB传递给DXE

1.2.3 DXE：驱动执行环境

Driver Execution Environment。此时内存已经被初始化，是最重要的部分，绝大多数初始化都在此完成，原理和PEI类似

DXE同样分为内核与派遣器两部分。在这里，DXE的每一个模块被称为驱动，通过Protocol进行通信，每个Protocol都有一个GUID。可以通过BootServices的OpenProtocol使用该Protocol提供的服务，Protocol可以根据GUID找到

DXE执行流程如下

  1. 调用DXE入口

  2. 根据PEI传入的HOB初始化系统服务

  3. 执行驱动

  4. DXE通过EFI_BDS_ARCH_PROTOCOL查找到BDS并且调用其入口函数进入BDS阶段

1.2.4 BDS：启动设备选择

Boot Device Selection。BDS本质也是一个DXE应用，用于执行启动策略

BDS主要有以下功能

  1. 初始化控制台设备

  2. 加载必要的设备驱动

  3. 根据设置加载执行启动项

BDS通过NVRAM配置，选项变量可以通过RT提供的GetVariable()和SetVariable()配置。

使用过efibootmgr的应该知道BootOrder显示为BootXXXX，这就是一个变量

选中一个启动项以后就会调用Bootloader，系统进入TSL阶段

1.2.5 TSL：系统加载前期

Transient System Load。是Bootloader执行的第一阶段，此时Bootloader作为一个UEFI应用执行，资源仍然由UEFI内核控制。在ExitBootServices()被调用之后系统才会进入RT阶段

TSL阶段的功能已经非常强大，已经类似于一个微型的操作系统。UEFI Shell就是这个系统的Shell

1.2.6 RT：运行时

Run Time。此时系统资源从UEFI内核回收转交给Bootloader，系统控制权由Bootloader掌控，只有RT服务会留下来继续给Bootloader以及OS使用

1.2.7 AL：灾难恢复

After Life。在运行中出现错误后的错误处理以及灾难恢复机制

2 开发环境搭建

基于Linux