UEFI实战——DEBUG

简述

在UEFI开发中，非常重要的一个部分就是添加串口调试信息打印，这个通过DEBUG宏来完成。

在UEFI的代码中可以看到非常多的DEBUG代码，比如：

  DEBUG ((EFI_D_INFO, "PlatformBootManagerBeforeConsole\n"));

需要注意的有几点：

1. 括号是双重的，下面以第一个参数，第二个参数来分别称呼EFI_D_xx和字符串，但实际上稍微有点问题；

2. 第二个参数是一个字符串，这个字符串里面也可以带格式化标志，下面是DEBUG常用的标志：

•   %a：表示ASCII字符串；
•   %c：表示ASCII字符；
•   %d：表示十进制，可以有%02d这样的用法；
•   %g：表示GUID；
•   %p：表示指针；
•   %r：表示函数的返回状态字符串，类型是EFI_STATUS；
•   %x：表示十六进制，可以有%016lx这样的用法，这样不足的前置位由0补充；
•   %lx：表示64位的十六进制；
•   %ld：表示64位的十进制；
•   %s/%S：表示宽字符串，就是类似L""的字符串，类型是CHAR16；

3. 第一个参数表示打印级别，下面是说有的打印级别：

//
// Declare bits for PcdDebugPrintErrorLevel and the ErrorLevel parameter of DebugPrint()
//
#define DEBUG_INIT      0x00000001  // Initialization
#define DEBUG_WARN      0x00000002  // Warnings
#define DEBUG_LOAD      0x00000004  // Load events
#define DEBUG_FS        0x00000008  // EFI File system
#define DEBUG_POOL      0x00000010  // Alloc & Free (pool)
#define DEBUG_PAGE      0x00000020  // Alloc & Free (page)
#define DEBUG_INFO      0x00000040  // Informational debug messages
#define DEBUG_DISPATCH  0x00000080  // PEI/DXE/SMM Dispatchers
#define DEBUG_VARIABLE  0x00000100  // Variable
#define DEBUG_BM        0x00000400  // Boot Manager
#define DEBUG_BLKIO     0x00001000  // BlkIo Driver
#define DEBUG_NET       0x00004000  // SNP Driver
#define DEBUG_UNDI      0x00010000  // UNDI Driver
#define DEBUG_LOADFILE  0x00020000  // LoadFile
#define DEBUG_EVENT     0x00080000  // Event messages
#define DEBUG_GCD       0x00100000  // Global Coherency Database changes
#define DEBUG_CACHE     0x00200000  // Memory range cachability changes
#define DEBUG_VERBOSE   0x00400000  // Detailed debug messages that may
                                    // significantly impact boot performance
#define DEBUG_ERROR     0x80000000  // Error

//
// Aliases of debug message mask bits
//
#define EFI_D_INIT      DEBUG_INIT
#define EFI_D_WARN      DEBUG_WARN
#define EFI_D_LOAD      DEBUG_LOAD
#define EFI_D_FS        DEBUG_FS
#define EFI_D_POOL      DEBUG_POOL
#define EFI_D_PAGE      DEBUG_PAGE
#define EFI_D_INFO      DEBUG_INFO
#define EFI_D_DISPATCH  DEBUG_DISPATCH
#define EFI_D_VARIABLE  DEBUG_VARIABLE
#define EFI_D_BM        DEBUG_BM
#define EFI_D_BLKIO     DEBUG_BLKIO
#define EFI_D_NET       DEBUG_NET
#define EFI_D_UNDI      DEBUG_UNDI
#define EFI_D_LOADFILE  DEBUG_LOADFILE
#define EFI_D_EVENT     DEBUG_EVENT
#define EFI_D_VERBOSE   DEBUG_VERBOSE
#define EFI_D_ERROR     DEBUG_ERROR

关于上面的宏定义也有可以说的：

1）首先这里宏定义了两层，这是因为EDK和EDKII的兼容关系，一般还是用EFI开头的版本比较好；

2）有一个比较特别的是EFI_D_ERROR，它是最高位为1，表示的错误；

哪些级别会被打印出来取决于全局PCD变量的配置，这个在后面会讲到。

4. DEBUG中打印字符的长度是有限制的，最多200个字符（可能不同的实现会不一样）。

 

宏实现

1. DEBUG宏的位置是在MdePkg\Include\Library\DebugLib.h文件中：

/**  
  Macro that calls DebugPrint().

  If MDEPKG_NDEBUG is not defined and the DEBUG_PROPERTY_DEBUG_PRINT_ENABLED 
  bit of PcdDebugProperyMask is set, then this macro passes Expression to 
  DebugPrint().

  @param  Expression  Expression containing an error level, a format string, 
                      and a variable argument list based on the format string.
  

**/
#if !defined(MDEPKG_NDEBUG)      
  #define DEBUG(Expression)        \
    do {                           \
      if (DebugPrintEnabled ()) {  \
        _DEBUG (Expression);       \
      }                            \
    } while (FALSE)
#else
  #define DEBUG(Expression)
#endif

需要注意这里的MDEPKG_NDEBUG宏，如果开启了这个宏，表示所有的DEBUG信息都不会有打印了，因为走了#else分支。

而MDEPKG_NDEBUG这个宏一般定义在dsc文件中，这里以OvmfPkgX64.dsc为例：

[BuildOptions]
  GCC:*_UNIXGCC_*_CC_FLAGS             = -DMDEPKG_NDEBUG
  GCC:RELEASE_*_*_CC_FLAGS             = -DMDEPKG_NDEBUG
  INTEL:RELEASE_*_*_CC_FLAGS           = /D MDEPKG_NDEBUG
  MSFT:RELEASE_*_*_CC_FLAGS            = /D MDEPKG_NDEBUG

可以看到在Release版本中通常会定义它来确定调试的打印，这也是可以理解的。

2. 除了MDEPKG_NDEBUG这个宏，这里还有一个判断条件：DebugPrintEnabled ()

这个函数定义在DebugLib中，不同的Pkg可能会有不同的实现，还是以OvmfPkgX64.dsc为例：

!ifdef $(DEBUG_ON_SERIAL_PORT)
  DebugLib|MdePkg/Library/BaseDebugLibSerialPort/BaseDebugLibSerialPort.inf
!else
  DebugLib|OvmfPkg/Library/PlatformDebugLibIoPort/PlatformDebugLibIoPort.inf
!endif

这里我们看下BaseDebugLibSerialPort.inf中的实现：

BOOLEAN
EFIAPI
DebugPrintEnabled (
  VOID
  )
{
  return (BOOLEAN) ((PcdGet8(PcdDebugPropertyMask) & DEBUG_PROPERTY_DEBUG_PRINT_ENABLED) != 0);
}

从中可以看到它是去判断PcdDebugPropertyMask这个PCD变量的值，而它定义在OvmfPkgX64.dsc中：

!ifdef $(SOURCE_DEBUG_ENABLE)
  gEfiMdePkgTokenSpaceGuid.PcdDebugPropertyMask|0x17
!else
  gEfiMdePkgTokenSpaceGuid.PcdDebugPropertyMask|0x2F
!endif

另外一个宏DEBUG_PROPERTY_DEBUG_PRINT_ENABLED定义如下：

//
// Declare bits for PcdDebugPropertyMask
//
#define DEBUG_PROPERTY_DEBUG_ASSERT_ENABLED       0x01
#define DEBUG_PROPERTY_DEBUG_PRINT_ENABLED        0x02
#define DEBUG_PROPERTY_DEBUG_CODE_ENABLED         0x04
#define DEBUG_PROPERTY_CLEAR_MEMORY_ENABLED       0x08
#define DEBUG_PROPERTY_ASSERT_BREAKPOINT_ENABLED  0x10
#define DEBUG_PROPERTY_ASSERT_DEADLOOP_ENABLED    0x20

所以可以确定对于OvmfPkgX64.dsc，函数DebugPrintEnabled ()返回的是TRUE。

3. 之后需要关注的是_DEBUG宏：

/**
  Internal worker macro that calls DebugPrint().

  This macro calls DebugPrint() passing in the debug error level, a format
  string, and a variable argument list.
  __VA_ARGS__ is not supported by EBC compiler, Microsoft Visual Studio .NET 2003
  and Microsoft Windows Server 2003 Driver Development Kit (Microsoft WINDDK) version 3790.1830.

  @param  Expression  Expression containing an error level, a format string,
                      and a variable argument list based on the format string.

**/

#if !defined(MDE_CPU_EBC) && (!defined (_MSC_VER) || _MSC_VER > 1400)
  #define _DEBUG_PRINT(PrintLevel, ...)              \
    do {                                             \
      if (DebugPrintLevelEnabled (PrintLevel)) {     \
        DebugPrint (PrintLevel, ##__VA_ARGS__);      \
      }                                              \
    } while (FALSE)
  #define _DEBUG(Expression)   _DEBUG_PRINT Expression
#else
#define _DEBUG(Expression)   DebugPrint Expression
#endif

这里又涉及到几个判断条件。

首先是编译器的支持情况，这个在注释中已经说明。

另外一个是DebugPrintLevelEnabled()函数，它有一个参数PrintLevel，它就是DEBUG函数的第一个参数。

这个函数也定义在DebugLib库中，我们同样使用BaseDebugLibSerialPort.inf中的实现：

/**
  Returns TRUE if any one of the bit is set both in ErrorLevel and PcdFixedDebugPrintErrorLevel.

  This function compares the bit mask of ErrorLevel and PcdFixedDebugPrintErrorLevel.

  @retval  TRUE    Current ErrorLevel is supported.
  @retval  FALSE   Current ErrorLevel is not supported.

**/
BOOLEAN
EFIAPI
DebugPrintLevelEnabled (
  IN  CONST UINTN        ErrorLevel
  )
{
  return (BOOLEAN) ((ErrorLevel & PcdGet32(PcdFixedDebugPrintErrorLevel)) != 0);
}

这里也涉及到一个PCD变量，它同样定义在MdePkg.dec文件中：

  ## This flag is used to control build time optimization based on debug print level.
  #  Its default value is 0xFFFFFFFF to expose all debug print level.
  #  BIT0  - Initialization message.

  #  BIT1  - Warning message.

  #  BIT2  - Load Event message.

  #  BIT3  - File System message.

  #  BIT4  - Allocate or Free Pool message.

  #  BIT5  - Allocate or Free Page message.

  #  BIT6  - Information message.

  #  BIT7  - Dispatcher message.

  #  BIT8  - Variable message.

  #  BIT10 - Boot Manager message.

  #  BIT12 - BlockIo Driver message.

  #  BIT14 - Network Driver message.

  #  BIT16 - UNDI Driver message.

  #  BIT17 - LoadFile message.

  #  BIT19 - Event message.

  #  BIT20 - Global Coherency Database changes message.

  #  BIT21 - Memory range cachability changes message.

  #  BIT22 - Detailed debug message.

  #  BIT31 - Error message.

  # @Prompt Fixed Debug Message Print Level.
  gEfiMdePkgTokenSpaceGuid.PcdFixedDebugPrintErrorLevel|0xFFFFFFFF|UINT32|0x30001016

它的值是全FF，所以这个函数必定返回TRUE，也因为这个DEBUG宏的第一个参数在这里并没有派上用处。

4.1. 之后就涉及到了真正的函数DebugPrint()，它也定义在DebugLib中，还是以BaseDebugLibSerialPort.inf为例：

VOID
EFIAPI
DebugPrint (
  IN  UINTN        ErrorLevel,
  IN  CONST CHAR8  *Format,
  ...
  )
{
  CHAR8    Buffer[MAX_DEBUG_MESSAGE_LENGTH];
  VA_LIST  Marker;

  //
  // If Format is NULL, then ASSERT().
  //
  ASSERT (Format != NULL);

  //
  // Check driver debug mask value and global mask
  //
  if ((ErrorLevel & GetDebugPrintErrorLevel ()) == 0) {
    return;
  }

  //
  // Convert the DEBUG() message to an ASCII String
  //
  VA_START (Marker, Format);
  AsciiVSPrint (Buffer, sizeof (Buffer), Format, Marker);
  VA_END (Marker);

  //
  // Send the print string to a Serial Port 
  //
  SerialPortWrite ((UINT8 *)Buffer, AsciiStrLen (Buffer));
}

函数也比较简单，有几点说明：

1）Buffer是一个有大小的数组，这说明DEBUG能够打印的信息是有大小限制的；

2）GetDebugPrintErrorLevel()函数获取PCD变量，并与DEBUG的第一个参数进行比较，来确定是否需要输出打印；

这里使用的PCD变量是PcdDebugPrintErrorLevel，它的值在dsc文件中定义：

  # DEBUG_INIT      0x00000001  // Initialization
  # DEBUG_WARN      0x00000002  // Warnings
  # DEBUG_LOAD      0x00000004  // Load events
  # DEBUG_FS        0x00000008  // EFI File system
  # DEBUG_POOL      0x00000010  // Alloc & Free (pool)
  # DEBUG_PAGE      0x00000020  // Alloc & Free (page)
  # DEBUG_INFO      0x00000040  // Informational debug messages
  # DEBUG_DISPATCH  0x00000080  // PEI/DXE/SMM Dispatchers
  # DEBUG_VARIABLE  0x00000100  // Variable
  # DEBUG_BM        0x00000400  // Boot Manager
  # DEBUG_BLKIO     0x00001000  // BlkIo Driver
  # DEBUG_NET       0x00004000  // SNP Driver
  # DEBUG_UNDI      0x00010000  // UNDI Driver
  # DEBUG_LOADFILE  0x00020000  // LoadFile
  # DEBUG_EVENT     0x00080000  // Event messages
  # DEBUG_GCD       0x00100000  // Global Coherency Database changes
  # DEBUG_CACHE     0x00200000  // Memory range cachability changes
  # DEBUG_VERBOSE   0x00400000  // Detailed debug messages that may
  #                             // significantly impact boot performance
  # DEBUG_ERROR     0x80000000  // Error
  # jw_debug, change 0x8000004F to 0x80000040
  gEfiMdePkgTokenSpaceGuid.PcdDebugPrintErrorLevel|0x80000040

5.1. 之后是SerialPortWrite()函数，它是具体输出到某个介质的实现了。

4.2. 除了BaseDebugLibSerialPort.inf这一种实现方式外（OVMF使用了这种方式），还有一个更加普遍的实现：PeiDxeDebugLibReportStatusCode.inf，它的实现方式是：

  //
  // Send the DebugInfo record
  //
  REPORT_STATUS_CODE_EX (
    EFI_DEBUG_CODE,
    (EFI_SOFTWARE_DXE_BS_DRIVER | EFI_DC_UNSPECIFIED),
    0,
    NULL,
    &gEfiStatusCodeDataTypeDebugGuid,
    DebugInfo,
    TotalSize
    );

这里又使用了一个宏REPORT_STATUS_CODE_EX，它的实现如下：

#define REPORT_STATUS_CODE_EX(Type,Value,Instance,CallerId,ExtendedDataGuid,ExtendedData,ExtendedDataSize)  \
  (ReportProgressCodeEnabled() && ((Type) & EFI_STATUS_CODE_TYPE_MASK) == EFI_PROGRESS_CODE)             ?  \
  ReportStatusCodeEx(Type,Value,Instance,CallerId,ExtendedDataGuid,ExtendedData,ExtendedDataSize)        :  \
  (ReportErrorCodeEnabled() && ((Type) & EFI_STATUS_CODE_TYPE_MASK) == EFI_ERROR_CODE)                   ?  \
  ReportStatusCodeEx(Type,Value,Instance,CallerId,ExtendedDataGuid,ExtendedData,ExtendedDataSize)        :  \
  (ReportDebugCodeEnabled() && ((Type) & EFI_STATUS_CODE_TYPE_MASK) == EFI_DEBUG_CODE)                   ?  \
  ReportStatusCodeEx(Type,Value,Instance,CallerId,ExtendedDataGuid,ExtendedData,ExtendedDataSize)        :  \
  EFI_UNSUPPORTED

这里会根据xxxEnabled()和一个type参数来确定是否执行函数ReportStatusCodeEx()。

其中Enabled是根据dsc文件中的PCD变量来的，以ReportDebugCodeEnabled()为例：

/**
  Returns TRUE if status codes of type EFI_DEBUG_CODE are enabled

  This function returns TRUE if the REPORT_STATUS_CODE_PROPERTY_DEBUG_CODE_ENABLED
  bit of PcdReportStatusCodeProperyMask is set.  Otherwise FALSE is returned.

  @retval  TRUE   The REPORT_STATUS_CODE_PROPERTY_DEBUG_CODE_ENABLED bit of
                  PcdReportStatusCodeProperyMask is set.
  @retval  FALSE  The REPORT_STATUS_CODE_PROPERTY_DEBUG_CODE_ENABLED bit of
                  PcdReportStatusCodeProperyMask is clear.

**/
BOOLEAN
EFIAPI
ReportDebugCodeEnabled (
  VOID
  )
{
  return (BOOLEAN) ((PcdGet8 (PcdReportStatusCodePropertyMask) & REPORT_STATUS_CODE_PROPERTY_DEBUG_CODE_ENABLED) != 0);
}

PCD变量指的是PcdReportStatusCodePropertyMask，它的值可以是

//
// Declare bits for PcdReportStatusCodePropertyMask
//
#define REPORT_STATUS_CODE_PROPERTY_PROGRESS_CODE_ENABLED          0x00000001
#define REPORT_STATUS_CODE_PROPERTY_ERROR_CODE_ENABLED             0x00000002
#define REPORT_STATUS_CODE_PROPERTY_DEBUG_CODE_ENABLED             0x00000004

这里的3个值刚好和REPORT_STATUS_CODE_EX宏里面的一一对应。

关于REPORT_STATUS_CODE_EX的第一个参数type也对应的有3种：

///
/// Definition of code types. All other values masked by
/// EFI_STATUS_CODE_TYPE_MASK are reserved for use by
/// this specification.
///
///@{
#define EFI_PROGRESS_CODE             0x00000001
#define EFI_ERROR_CODE                0x00000002
#define EFI_DEBUG_CODE                0x00000003
///@}

对于我们的DEBUG宏来说，使用的是EFI_DEBUG_CODE这种类型。

事实上REPORT_STATUS_CODE_EX宏可以单独的拿出来用，并使用不同的type类型，比如说BdsEntry.c中就有：

      REPORT_STATUS_CODE_EX (
        EFI_ERROR_CODE,
        PcdGet32 (PcdErrorCodeSetVariable),
        0,
        NULL,
        &gEdkiiStatusCodeDataTypeVariableGuid,
        SetVariableStatus,
        sizeof (EDKII_SET_VARIABLE_STATUS) + NameSize + DataSize
        );

5.2. 之后就涉及到函数ReportStatusCodeEx()了。

它的实现非常多，PEI阶段、DXE阶段、SMM模块，RUNTIME模块等等都有不同的实现。

下面以DXE阶段为例，它的实现位于MdeModulePkg/Library/DxeReportStatusCodeLib/DxeReportStatusCodeLib.inf（对于Coreboot来说）。

它的实现并不复杂，不过要注意其中有优先级的变化，这在实际应用中可能导致一些问题。

ReportStatusCodeEx()函数又调用了InternalReportStatusCode()函数，而后者是通过gEfiStatusCodeRuntimeProtocolGuid对应的Protocol来进行输出的。

6. 对于gEfiStatusCodeRuntimeProtocolGuid，它是在IntelFrameworkModulePkg/Universal/StatusCode/RuntimeDxe/StatusCodeRuntimeDxe.inf中安装的（对于Coreboot来说），该Protocol只包含一个函数：ReportDispatcher，在InternalReportStatusCode()函数中就是调用了该函数实现。

7. ReportDispatcher()函数需要关注的主要代码如下：

  if (FeaturePcdGet (PcdStatusCodeUseSerial)) {
    SerialStatusCodeReportWorker (
      CodeType,
      Value,
      Instance,
      CallerId,
      Data
      );
  }
  if (FeaturePcdGet (PcdStatusCodeUseMemory)) {
    RtMemoryStatusCodeReportWorker (
      CodeType,
      Value,
      Instance
      );
  }
  if (FeaturePcdGet (PcdStatusCodeUseDataHub)) {
    DataHubStatusCodeReportWorker (
      CodeType,
      Value,
      Instance,
      CallerId,
      Data
      );
  }
  if (FeaturePcdGet (PcdStatusCodeUseOEM)) {
    //
    // Call OEM hook status code library API to report status code to OEM device
    //
    OemHookStatusCodeReport (
      CodeType,
      Value,
      Instance,
      CallerId,
      Data
      );
  }

根据不同的PCD变量，可以选在不同的打印输出，甚至还有自定义的方式。

以SerialStatusCodeReportWorker()为例，它到最后也是调用了SerialPortWrite()，这跟OVMF中的实现就对应上了。

跟OVMF版本不同的是这里可以有更多的扩展。
 

以上就是DEBUG的实现。

另外再补充一个与DEBUG同一级别的调试代码ASSERT，它最终对应的代码是：

VOID
EFIAPI
DebugAssert (
  IN CONST CHAR8  *FileName,
  IN UINTN        LineNumber,
  IN CONST CHAR8  *Description
  )

使用ASSERT的时候要特别注意，当ASSERT之后代码可以进入CPU Dead Loop，这个时候代码就无法继续执行下去。

通常在发行版的UEFI中不会让这种情况出现，这个使用就需要设置DSC（或者DEC）中的一个PCD：PcdDebugPropertyMask，它可以设置不同的值，每个BIT代表的意义如下：

//
// Declare bits for PcdDebugPropertyMask
//
#define DEBUG_PROPERTY_DEBUG_ASSERT_ENABLED       0x01
#define DEBUG_PROPERTY_DEBUG_PRINT_ENABLED        0x02
#define DEBUG_PROPERTY_DEBUG_CODE_ENABLED         0x04
#define DEBUG_PROPERTY_CLEAR_MEMORY_ENABLED       0x08
#define DEBUG_PROPERTY_ASSERT_BREAKPOINT_ENABLED  0x10
#define DEBUG_PROPERTY_ASSERT_DEADLOOP_ENABLED    0x20

当设置了DEBUG_PROPERTY_ASSERT_DEADLOOP_ENABLED就会进入Dead Loop：

  //
  // Generate a Breakpoint, DeadLoop, or NOP based on PCD settings
  //
  if ((PcdGet8(PcdDebugPropertyMask) & DEBUG_PROPERTY_ASSERT_BREAKPOINT_ENABLED) != 0) {
    CpuBreakpoint ();
  } else if ((PcdGet8(PcdDebugPropertyMask) & DEBUG_PROPERTY_ASSERT_DEADLOOP_ENABLED) != 0) {
    CpuDeadLoop ();
  }

还没有说ASSERT的使用，这里举个例子：

ASSERT (FileHandle != NULL);

需要特别注意，这里（）中的条件是我们希望的，所以ASSERT(FALSE)才是真正错误的情况。

 

其实还有一种类型的ASSERT：ASSERT_EFI_ERROR (Status);

就是说当Status是错误的返回值时就ASSERT。