UEFI原理与编程第一章学习汇总

BIOS

BIOS功能：

• 加电自检程序，用于开机时对硬件的检测。
• 系统初始化代码，包括硬件设备的初始化，创建 BIOS 中断向量等。
• 基本的外围I/O处理的子程序代码。
• CMOS程序设置。

BIOS工作流程：

1. 加电自检（Power On Self Test，POST）：检测关机设备是否正常工作，设备设置是否与CMOS（CMOS是是电脑主板上的一块可读写的RAM芯片，常用来保存BIOS设置完电脑硬件参数后的数据）中的设置一致。如果出现硬件错误则发出警报（鸣笛）。POST检测通过后进行初始化
2. 初始化：初始化显示设备、显示显卡信息，然后初始化其他设备。
3. 检查CPU和内存并显示检测结果。进行标准设备检测（如：硬盘、光驱、串口设备等）。结束标准设备检测后进行即插即用设备，并为其分配中断号、I/O端口号和DMA通道等资源。硬件设备发生改变时将变化记录到CMOS中。
4. 根据配置的启动顺序从设备启动，将启动设备主引导记录的启动代码通过BIOS终端读入内存，然后将控制权交至引导程序，最终引导进入操作系统。

BIOS缺点：

1. 开发效率较低：大部分BIOS使用汇编语言开发，使用汇编语言开发与硬件的耦合度过高，使得开发出来的BIOS严重受硬件影响。
2. 性能差：BIOS基本输入/输出服务需要依靠中断来完成，而且BIOS没有异步工作模式，有大量的时间被消耗在等待。
3. 不易进行功能扩展：在添加硬件功能时，必须将16位的代码放置在0x0C0000~0x0DFFFF间，初始化时才能将其设置为约定的中断处理程序。而且BIOS不能动态的加载设备驱动方案。
4. 安全性较差：BIOS没有考虑运行过程中执行代码的安全性。
5. 不支持从硬盘2 TB及以上的地址进行引导：BIOS硬盘采用32位地址，因此引导扇区的最大逻辑块地址是2^{32（字节地址为：(2}32)*512=2 TB）

UEFI（Unified Extensible Firmware Interface）

UEFI简介：

• UEFI是统一可扩展固件接口，定义了操作系统和平台固件之间交互的接口，它是UEFI Forum发布的一种标准，并没有提供实现。
• UEFI的实现可以分为两部分：
  1. 平台初始化。
  2. 固件-操作系统接口。

UEFI系统组成：

• UEFI供系统调用的接口：

  • 启动时服务（Boot Service，BS）

  • 运行时服务（Runtime Service，RT）

• 隐藏在BS后的Protocol

  其中BS和RT以表的形式（C语言中的结构体）存在，UEFI驱动和服务以Protocol的形式通过BS提供给操作系统。

UEFI模式的启动的几个阶段：

1. 操作系统加载器（OS Loader）被加载。

2. OS Loader执行ExitBootServices()。

   从1->2的过程是从UEFI环境向操作系统过渡的过程，在该过程中，OS Loader可以通过BS和RT使用UEFI提供的服务，将计算机资源逐渐从UEFI转至操作系统。该过程被称为TSL（Transient System Load）

   当OS Loader完全掌握计算机系统资源是，BS便完成了其使命。OS Loader调用ExitBootServices()结束BS并回收BS占用的资源。计算机系统进入UEFI Runtime阶段。在Runtime阶段中只有RT继续为OS提供服务，BS已经被计算机系统销毁。

TSL阶段系统通过BS管理系统资源，此时BS提供的服务有：

• 事件服务：事件是异步操作的基础。有了事件的支持，才可以在UEFI系统内执行并发操作。
• 内存管理：主要提供内存的分配与释放，管理系统的内存映射。
• Protocol管理：提供了安装Protocol与卸载Protocol的服务，以及注册Protocol通知函数（该函数会在Protocol安装时调用）的服务。【UEFI驱动和服务通过Protocol的形式通过BS提供给系统】
• Protocol的实用类服务：包括Protocol的打开与关闭，查找支持Protocol的控制器。（比如：需要读写某个PCI设备的寄存器，可以通过OpenProtocol服务打开这个设备上的PciIo Protocol，用PciIo->Io.Read()服务读取这个设备上的寄存器。
• 驱动管理：包括用于将驱动安装到控制器的connect服务，及将驱动从控制器上卸载的disconnect服务。（例如：如果我们启动时需要网络支持，则可以通过loadImage将驱动加载到内存，然后通过connect服务将驱动安装到设备）。
• Image管理：此类服务包括加载、卸载、启动和推出UEFI应用程序或驱动。
• ExitBootServices：用于结束启动服务，注销BS。

RT主要提供以下几个方面的业务：

• 时间服务：读取/设置系统时间
• 读写UEFI系统变量：读取/设置系统变量。（例如：BootOrder用于指定启动项顺序）更改这些系统变量可以改变系统配置。
• 虚拟内存服务：将物理地址转换为虚拟地址。
• 其它服务：重启系统、获取系统提供的下一个单调单增值等。

UEFI的优点

1. UEFI具有较高的开发效率：BIOS一般采用汇编语言，代码多是与硬件相关的代码。而UEFI中大部分的代码可以用C语言进行编写，UEFI的应用程序和驱动也可以用C++编写。UEFI通过固件-操作系统接口（BS和RT服务）为OS和OS Loader屏蔽了底层硬件细节，使UEFI的上层应用可以重用。
2. UEFI系统的可扩展性：UEFI系统的可扩展性主要体现在 驱动的模块化设计以及软硬件升级的兼容性。UEFI模式中驱动的模块化设计在于，大部分硬件的初始化通过UEFI驱动实现。每个驱动都是一个独立的模块，可以包含在固件中，也可以放在设备上，运行时根据需要来动态加载。软硬件升级的兼容性体现在，UEFI中每个表、每个Protocol（包括驱动）都有版本号，这使得系统可以很方便的进行平滑升级。
3. UEFI系统的性能较高：相比于BIOS，UEFI有很大的性能提升，从启动到进入操作系统的事件大大缩短。原因主要有一下几点
   • 1、UEFI支持基于事件的异步操作，提高了CPU的效率，减少了总的等待时间；
   • 2、关于中断，UEFI仅保留了时钟中断，舍弃了其余的中断操作外部设备的方式，改为“事件+异步操作”；
   • 3、高效遍历设备的方式，启动时可以仅遍历启动所需的设备，从而加速系统启动；
   • 4、UEFI具有更高的安全性：相比于BIOS，UEFI的一个重要突破就是其在安全性方面的考虑。在系统的安全启动模式下UEFI在执行应用程序和驱动前会先检测程序和驱动的证书，仅当证书被信任时才会执行该程序或驱动。（UEFI的应用程序和驱动采用PE/COFF格式，其签名放在签名块中）

UEFI系统的启动过程

UEFI系统从加电到关机可分为以下七个阶段：

SEC(安全验证)->PEI(EFI前期初始化)->DXE（驱动执行环境)

->BDS(BS?)(启动设备选择)->TSL(操作系统加载前期)

->RT(Run Time)

->AL(系统灾难恢复期)

其中，前三个阶段为UEFI初始化加载阶段，DXE阶段结束后UEFI环境已经准备完毕。

BDS和TSL是UEFI运行OS Loader的阶段。

OS Loader调用ExitBootServices()服务后系统启动进入RT阶段，操作系统加载后期和操作系统运行期均属于RT阶段。

硬件系统或操作系统出现严重错误不能继续正常运行时，固件会尝试进行修复，此时系统进入AL期。但是PI规范和UEFI规范都没有规定AL期的行为。AL期的系统行为由系统供应商自行定义。

上述过程可见下图：

每个阶段具体的功能和流程：

1. SEC（Security Phase，安全阶段）阶段

   SEC阶段是平台初始话的第一个阶段，计算机系统加电后首先进入这个阶段。

   • SEC阶段的功能：UEFI系统开机或重启后首先进入SEC阶段，SEC阶段系统执行以下四种任务：

     • 接收并处理系统启动和重启信号，系统加电信号、系统重启信号、系统运行过程中的异常信号。
     • 初始化临时存储区域：系统运行在SEC阶段时，仅CPU和CPU内部资源被初始化，而各种外部设备和内存都没有被初始化。因此系统需要一部分临时内存用于代码和数据的存储，一般称为临时RAM，临时RAM只能位于CPU内部（CPU和CPU内部的资源最先被初始化）。最常用的临时RAM是Cache，通过将Cache设置为no-eviction模式，来把其当成内存使用（此时读取命中则返回Cache中的数据，读取缺失并不会向主存发出缺失事件；写命中时写入Cache，写缺失时也不会向主存发出缺失事件），这种技术称为CAR（Cache As RAM）。
     • SEC阶段是可信系统的根：作为系统启动的第一部分，只有SEC能被系统信任，以后的各个阶段才有被信任的基础。因此，大部分情况下SEC再转交控制权给PEI前可以验证PEI是否可信。
     • 传递系统参数给下一阶段：SEC阶段的一切工作都是为PEI阶段做准备的，最重要把系统的控制权转交给PEI，并将SEC阶段的运行信息汇报给PEI。SEC通过将以下信息作为参数传递给PEI的入口程序来向PEI汇报信息：
       • 系统当前状态，PEI根据状态值判断系统当前的健康情况。
       • 可启动固件（Boot Firmware Volume）的地址和大小，PEI据此判断可用硬件。
       • 临时RAM区域的地址和大小。
       • 栈的地址和大小。

   • SEC阶段执行流程：

     根据临时RAM是否初始化为界限，SEC阶段分为两部分：临时RAM初始化前称为Reset Vector阶段；临时RAM初始化后调用SEC入口函数从而进入SEC功能区。其流程如下图：

     

     其中Reset Vector的执行流程如下：

     1. 进入固件接口。
     2. 从实模式转换到32位平坦模式。
     3. 定位固件中的BFV（Boot Firmware Volume）。
     4. 定位BFV中的SEC影响。
     5. 如果是64位系统，则从32位模式转换至64位模式。
     6. 调用SEC入口函数。
     7. 在SEC功能区中初始化 临时RAM ，完成其功能后找到PEI的入口函数（PEI Image？）

2. PEI（Pre-EFI Initialization，预先EFI初始化）阶段

   虽然SEC阶段对CPU和CPU内的资源进行了初始化，但是PEI阶段可用的资源依旧十分有限，该阶段对内存进行初始化，主要功能是为DXE阶段准备执行环境，将所需要传递给DXE的信息组成HOB（Hand Off Block）列表，最终将控制权转交到DXE。

   UEFI具有模块化设计的特点，PEI就是一个模块。PEI Image的入口函数调用PEI模块的入口函数PEICore。

   • PEI阶段的功能：

     • 初始化内存。
     • 为DXE阶段准备执行环境。

   • PEI划分：

     • PEI内核（PEI Foundation）：负责PEI基础服务和流程。

     • PEIM（PEI Module）派遣器：找出系统中的所有PEIM，并根据PEIM之间的依赖关系按顺序执行PEIM。PEI阶段对系统的初始化主要由PEIM完成。

       每个PEIM都是一个独立的模块。通过PEIServices，PEIM可以调用PEI阶段（UEFI？）提供的系统服务。通过调用这些服务，PEIM可以访问PEI内核。PEIM之间的的通信通过PPI（PEIM-to-PEIM Interfaces）完成。

   • PEI阶段执行流程：

     1. 进入PEI入口。

     2. 根据SEC阶段传入的信息初始化PS（PEI Core Service）。

     3. 调度系统中的PEIM（PEI Module），准备HOB列表。

        具体调用的系统中的PEIM有：CPU PEIM（提供CPU相关功能，如进行Cache设置、主频设置等）；平台相关PEIM（初始化内存控制器、I/O控制器等）；内存初始化PEIM（对内存进行初始化，此时内存才可用，之前使用的CPU模拟的临时内存）。

     4. 调用PEIServices得到DEX IPL PPI的Entry服务（即DEXLoadCore）。

        注：PPI与DEX阶段的Protocol类似，每个PPI都是一个结构体，包含有函数指针和变量。每个PPI都有一个GUID。通过PEIServices的LocatePPI服务可以找到GUID对应的PPI实例。

     5. DXELoadCore服务找出并运行DXEImage的入口函数，将HOB列表传递给DXE。

     PEI阶段执行流程完整描述：SEC模块找到PEI Image的入口函数 _ModuleEntryPoint（该函数位于MdePkg/Library/PeimEntryPoint/PeimEntryPoint.c）， _ModuleEntryPoint函数最终调用PEI模块的入口函数PEICore（该函数位于MdeModulePkg/Core/Pei/PeiMain/PeiMain.c），进入PEICore后，首先根据从SEC阶段出入的信息设置PEI Core Services，然后调用PEIDispatcher执行系统总的PEIM，在内存初始化完成后，系统切换栈并重新进入PEICore。重新进入PEICore后使用的不再是 临时RAM 而是真正的内存。在所有PEIM执行完成后，调用PEIServices的LocatePPI服务得到DXE IPL PPI，并调用DXE IPL PPI的Entry服务（即DEXLoadCore），找出DEX Image的入口函数，执行DXE Image函数并将HOB列表传递给DXE。

     PEI阶段执行流程如下图：

     

3. DXE（Driver Execution Environment，执行驱动配置环境）阶段

   DXE阶段执行系统大部分的初始化工作。由于此阶段内存已经可以被正常使用，因此该阶段可以执行大量复杂的工作。从程序设计角度DXE阶段与PEI阶段相似。

   • DXE阶段的功能：

     • 执行系统大部分的初始化工作
     • 提供系统表、启动服务以及Run Time Services。

   • DXE划分：

     • DXE内核：负责DXE的基础服务和执行流程
     • DXE派遣器：负责调度执行DXE驱动，初始化系统设备。

   • DXE执行流程：

     1. 从DXE入口进入DXE阶段。

     2. 根据HOB列表初始化系统服务。

     3. 调度系统中的Driver。

        详：遍历固件中所有的Driver，当Driver所依赖的资源得到满足时，调度Driver到执行队列执行，直到所有满足条件的Driver都被执行。

     4. 打开EFI_BDS_ARCH_PROTOCOL。

     5. EFI_BDS_ARCH_PROTOCOL->Entry。

     DXE驱动之间通过Protocol通信。Protocol是一种特殊的结构体，每个Protocol都有一个GUID，通过系统BootServices的OpenProtocol，可以根据GUID调用对应的Protocol，从而使用这个Protocol提供的服务。

     在所有的Driver都执行完成后，系统完成初始化，DEX通过EFI_BDS_ARCH_PROTOCOL找到BDS并屌用BDS的入口函数，从而进入BDS阶段（从本质上讲BDS是一种贴无数的DXE）。

     DXE的执行流程如下图所示：

     

4. BDS（Boot Device Selection，选择boot设备）阶段

   • BDS阶段的功能有：

     • 执行启动策略（主要功能）。
     • 初始化控制台设备。
     • 加载必要的设备驱动。
     • 根据系统设置加载和执行启动项。

     当加载项其启动失败时，系统将重新执行DXE dispatcher以加载更多的驱动，然后重新尝试加载驱动项。BDS策略通过全局NVRAM变量配置，这些变量可以被运行时服务的GetVariable()读取，通过SetVariable()设置（如BootOrder定义了启动顺序，Boot####对应不同的启动项，#为十六进制数）。当用户选中某个启动项（或进入系统默认启动项）后，OS Loader启动，系统进入TSL阶段。

5. TSL（Transient System Load）阶段

   TSL阶段是OS Loader（操作系统加载器）执行的第一阶段，这一阶段的OS Loader作为一个UEFI应用程序运行，系统资源有UEFI内核控制。但是当ExitBootServices()服务被调用后，系统将进入Run Time阶段。

   TSL阶段被称为临时系统的原因在于，其存在的目的就是为操作系统加载器准备执行环境。虽然是临时系统，但已经具备操作系统的雏形，UEFI Shell是这个临时系统的人机交互界面。正常运行中，系统不会进入UEFI Shell，而是直接执行OS Loader，只有在用户干预或是操作系统加载器出现严重问题时才会进入UEFI Shell。

6. RT（Run Time，运行）阶段

   系统进入RT阶段后系统控制权从UEFI内核转交至OS Loader，UEFI占用的各种资源被OS Loader接管。随着OS Loader的继续执行，操作系统将完全取得对电脑的控制权。

7. AL（After Life）阶段

   在RT阶段如果系统（硬件或是软件）遇到灾难性错误，系统固件需要提供错误处理以及灾难恢复机制，这种机制运行在AL阶段。UEFI和UEFI PI均未对AL阶段的行为和规范进行定义。

总结

与BIOS相比，UEFI具有更好的可编程性（PPI、Protocol）、更高的安全性（SEC）、更强的可扩展性，并且其设计相比BIOS能更好的适应64位平台，这使得UEFI能迅速的取代BIOS。

UEFI定义了操作系统和平台间的接口。UEFI接口可以分为以下两个部分：

1. 启动服务：启动时服务的主要对象是操作系统（OS）、操作系统加载器（OS Loader）以及其他UEFI应用程序和UEFI驱动。操作系统加载器（OS Loader）通过启动服务逐步取得对整个计算机资源的控制。当加载器完全控制计算机软硬件资源后，系统会结束启动服务，进入运行时服务。启动服务主要包括有：时间服务、内存管理、Protocol管理、Protocol使用类服务、驱动管理、Image管理及ExitBootServices服务。
2. 运行时服务：运行时服务主要的服务对象是操作系统、操作系统加载器以及UEFI应用和UEFI驱动。运行时服务主要包括：时间服务、读写UEFI系统变量服务、虚拟内存服务以及重启系统服务。