UEFI原理与编程学习笔记（一）——UEFI概述

一、学习目的

1、了解UEFI与BIOS之间的关系。
2、认识UEFI是什么？
3、了解UEFI启动的流程。

二、笔记内容

2.1 BIOS与UEFI基本知识

2.1.1 问题总结

UEFI是BIOS的替代者，BIOS的全称为基本输入/输出系统，其主要功能分为以下4部分：
（1）加电自检，开机时对硬件进行检测。（都进行哪些检测？）
（2）系统初始化代码，包括对硬件设备的初始化、创建BIOS中断向量等等。
（3）基本的外围I/O处理的子程序代码。（与单片机的外围I/O处理有何区别？）
（4）CMOS设置程序。（什么是CMOS？）
BIOS为何会被UEFI代替？

2.1.2 回答总结

UEFI是BIOS的替代者，BIOS的全称为基本输入/输出系统，其主要功能分为以下4部分：
（1）POST自检测过程大致为：加电－CPU－ROM－BIOS－System Clock－DMA－64KB RAM－IRQ－显卡等。
检测显卡以前的过程称过关键部件测试，如果关键部件有问题，计算机会处于挂起状态，习惯上称为核心故障。另一类故障称为非关键性故障，检测完显卡后，计算机将对64KB以上内存、I／O口、软硬盘驱动器、键盘、即插即用设备、CMOS设置等进行检测，并在屏幕上显示各种信息和出错报告。（所谓非关键性故障 / 核心故障 与 CE / UCE-non-fatal / UCE-fatal之间是否有关系？）
（2）暂无问题
（3）由于刚刚开始学习没有想到两者之间的对比，留到后面进行添加。
（4）CMOS简单的来说就是一块可读可写的RAM芯片，多数通过主板上的纽扣电池保持供电，使其在断AC过程中不会丢失数据。
通过BIOS程序可以将Setup阶段的参数保存于CMOS芯片中，同时每次进入Setup阶段也会从CMOS芯片中读取参数。“通过BIOS设置程序对CMOS参数进行设置”
BIOS为何会被UEFI代替？
BIOS存在五点缺陷：
（1）开发效率低 （2）性能差 （3）功能扩展性差，升级缓慢 （4）安全性（基本没有）（5）不支持从硬盘2TB以上的地址引导
UEFI存在三点优势：
（1）UEFI的开发效率：BIOS一般为汇编语言，代码多是硬件相关的代码；UEFI中，绝大部分代码由C语言编写。UEFI通过固件-操作系统接口（BS和RT服务）为OS和OS Loader屏蔽底层硬件细节。
（2）UEFI系统的可扩展性
（3）UEFI系统的性能：（a）UEFI提供了异步操作，提高了CPU利用率，减少了总的等待时间；（b）UEFI舍弃了中断，仅保留了时钟中断。外部设备的操作采用”事件+异步操作"的方式完成。（c）可伸缩的遍历设备的方式，启动时可以仅仅遍历启动所需的设备，从而加速系统的启动。（d）UEFI的安全性。

2.2 UEFI基本知识

UEFI全称（Unified Extensible Firmware Interface，统一可扩展固件接口），其本身知识一种标准，具体的实现由其他公司或开源组织提供。
UEFI提供给操作系统的接口包括BS(Boot Services，启动服务)和RT(Runtime Services，运行时服务)。UEFI驱动和服务以Protocol的形式通过BS提供给操作系统。

从OS Loadeer被加载，到OS Loader执行ExitBootService()的这段时间，是从UEFI环境向OS过渡的过程。OS Loader可以通过BS和RT使用UEFI提供的服务，把系统资源逐步转移到OS中，这就是所谓的TSL（Transient System Load）。当过渡到OS阶段后，BS就结束了，必须使用ExitBootService()结束BS并回收BS占用的资源，UEFI正式进入Runtime阶段。

BS(Boot Services)	备注	RT(Runtime Services)	备注
事件服务	有事件才能在UEFI系统内执行并发操作	时间服务	读取/设置系统时间
内存管理	内存分配与释放	读写UEFI系统变量	读取/设置系统变量
Protocol管理	安装Protocol与卸载Protocol（其中注册Protocol通知函数用于安装过程中）	虚拟内存服务	将物理内存转换为虚拟内存
Protocol使用类服务	包括打开、关闭Protocol和查找支持Protocol的控制器	其他服务	包括重启系统的ResetSystem，获取系统提供的下一个单调单增值等
驱动管理	将驱动安装或卸载到控制器的connect服务和disconnect服务
Image管理	加载、卸载、启动和退出UEFI应用程序或驱动
ExitBootService	结束启动服务

Step1

• SEC阶段：（Security Phase）安全验证
  1、接受系统的启动、重启、异常信号
  2、Cache AS RAM(CAR)，在Cache上开辟一段空间作为内存使用（此时内存还没初始化，相关C语言运行需要内存和栈的空间）
  3、传递系统参数给PEI阶段

Step2

• PEI阶段：（EFI前期的初始化）
  1、此阶段主要是为DXE阶段做的相关准备工作
  （1）做CPU和相关硬件的初始化，最主要的是内存初始化
  （2）将DXE阶段需要的参数以HOB列表形式进行封装，并传递给DXE阶段

Step3

• DXE阶段：（驱动执行环境）
  1、此阶段主要是进行大量的驱动加载和初始化工作
  （1）通过对固件中所有Driver的遍历，当Driver
  （2）当Driver都被执行完成了，系统即完成了初始化

Step4

• BDS阶段：（启动设备选择）
  1、此阶段主要初始化控制台设备
  （1）加载必要的设备驱动
  （2）根据用户选择执行相应启动项

Step5

• TSL阶段：（操作系统加载前期）
  1、此阶段是OS Loader执行的第一个阶段
  （1）为OS Loader准备执行环境
  （2）OS Loader调用EXITBootService结束启动服务
  （3）进入RT阶段（RunTime）阶段

Step6

-RT阶段：（OS环境执行时期）
1、此阶段主要是RT随着操作系统运行提供相应服务
（1）OS已经完全获得控制权，RT会清理和回收一些之前UEFI占用资源
（2）这一阶段运行出现错误时，将进入RL修复

Step7

-AL阶段：（灾难恢复）
1、此阶段主要根据厂家定义的修复方案进行，UEFI未进行相关规定

三、后续计划

1、继续阅读UEFI原理与编程第二章内容。
2、根据第二章内容，搭建EDK2模拟环境，写出第一个HelloWorld程序。
3、在此过程中，继续完善UEFI原理与编程学习笔记。
4、在网上继续寻找UEFI系统的7个阶段的深度解读，加深对UEFI系统的认识。
UEFI系统的7个阶段移植自浅谈UEFI之启动流程经历的7个阶段，感谢前辈的讲解。