BIOS开发之路(三)——UEFI的概念及启动阶段

一、UEFI概述

1、UEFI的全称是Unified Extensible Firmware Interface，统一可扩展固件接口，定义了操作系统和平台固件之间的接口，可以让PC从预启动的操作环境，加载到操作系统上，是BIOS的替代者。UEFI提供给操作系统的接口包括启动时服务和运行时服务。

2、UEFI相对于BIOS的改进：

（1）UEFI对硬件的支持超过BIOS。UEFI可以使用2.2TB以上的硬盘作为启动盘，而BIOS不借助第三方软件只能作为数据盘。

（2）UEFI提供了一个高分辨率的图形化界面，用户进去后可以像在操作系统下那样使用鼠标进行设置和调整，操作上更为简单快捷。

（3）UEFI多使用C语言，而不是汇编语言，采用了模块化的设计，在逻辑上可以分为硬件控制和软件管理两部分。前者采用标准化的通用设置，而后者是可编程的开放接口，因此i主板厂商可以借助开放接口在自家的产品上实现各种丰富的功能，包括截图、数据备份、硬件故障诊断、脱离操作系统进行UEFI在线升级等。

二、UEFI的构成与启动阶段

UEFI主要由初始化模块、驱动执行环境、驱动程序、兼容性支持模块、UEFI应用和GUID磁盘分区组成。初始化模块和驱动执行环境是UEFI运行的基础，通常被整合在主板的闪存芯片中。UEFI的启动可以分为七个阶段，前三个阶段是CEFI初始化阶段，后四个阶段是操作系统加载阶段。

1、SEC（Security Phase）安全验证阶段

SEC是整个系统的起点，计算机加电后首先进入这个阶段，它主要做四件事请：

（1）接收并处理系统启动、重启、异常的信号。

（2）在SEC阶段时，仅有CPU和CPU内部资源被初始化。而各种外部设备和内存没有被初始化。因此系统需要一部分临时的内存用于代码和数据的存储，称为临时RAM（易失性），此时位于CPU内部。最常用的临时RAM是Cache。（Cache一般由SRAM构成，运算器、控制器、存储器、Cache都被封装在CPU内部。）（CAR技术，Cache as RAM）

（3）SEC作为可信系统的根，只有被SECX阶段被系统信任，下面的各阶段才有被信任的基础。

（4）将控制权交给下一阶段PEI phase，传递系统参数，包括：栈（位于内存）的地址和大小、系统当前的状态、可启动固件的地址和大小、临时RAM区域的地址和大小。

SEC的执行流程如图所示：

以临时RAM初始化为界，SEC的执行又分为两大部分：临时RAM生效之前称为Reset Vector阶段，临时RAM生效后调用SEC入口函数从而进入SEC功能区。计算机启动时如何执行BIOS程序

2、PEI（Pre-EFI Initialization）前期初始化阶段

PEI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，将需要传递给DXE的信息组成HOB列表，将控制权转交给DXE。

（1）初始化内存，内存可以被使用。

（2）为DXE阶段准备执行环境：基本的chipset（芯片组）初始化、Memory Sizing、BIOS Recovery、S3 Resume、切换Stack到Memory、启动DXEIPL。

【HOB（Hand-Off Block）是在PEI阶段使用的数据结构，主要作用如下：

1、数据传递：HOB用于在PEI阶段的各个模块之间数据传递，由于在PEI阶段内存管理还没有完全建立，HOB提供了一个机制，允许不同的PEIM（PEI模块）共享数据和信息。

2、资源描述：HOB可以描述系统的资源，如内存、设备、ACPI表等

3、构建内存映射：PEI阶段的一个重要任务是建立内存映射，HOB用于记录内存的类型、大小和属性，帮助构建系统的内存映射表。

4、系统配置：HOB可以包含系统的配置信息，如固件设置、BIOS设置等，这些信息在后续阶段会被用于配置系统。

5、引导参数：HOB可以包含引导参数，这些参数会影响系统的启动行为，例如启动设备选择、启动选项等。

6、为DXE阶段准备：在PEI阶段结束后，HOB会被传递到DXE阶段。DXE阶段的初始化代码会使用这些HOB来进一步初始化系统，加载必要的驱动信息。

】

3、DXE（Driver Execution Environment）驱动执行环境阶段

DXE阶段执行大部分系统初始化工作，进入此阶段时，已经有足够的内存可以使用，因此完成大量驱动加载和初始化工作。产生System Table，来提供服务给各阶段使用。将控制权给BDS。

4、BDS（Boot Device Select）启动设备选择阶段

初始化控制台设备（指允许用户与计算机系统直接交互的物理硬件设备。它包括键盘和显示器等组件），加载必要的驱动，根据用户选择执行启动项。

5、TSL（Transient System Load）操作系统加载前期阶段

TSL是操作系统加载器（OS Loader）执行的第一个阶段，为操作系统加载器准备执行环境，被称为临时系统，具有操作系统的雏形，UEFI Shell是临时系统的交互界面。在人工干预或系统加载器出现严重问题的时候会进入UEFI Shell。

在TSL阶段，系统资源管理通过BS管理，BS提供的服务有：时间服务、内存管理：内存的管理与释放，管理系统的内存映射、Protocol管理、Protocol的实用类服务、驱动管理：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、image管理、ExitBoolServices。

6、RT（Run Time）运行阶段

操作系统加载器取得系统的控制权，对UEFI占用的资源进行回收和清理。提供的服务有：时间服务、读写UEFI系统变量、虚拟内存服务和其它服务。若在这个阶段出现错误和异常，将进入AL进行修复。

7、AL（After Life）灾难恢复阶段

 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。根据厂家自定义修复方案，UEFI和UEFI PI均未对AL阶段的行为和规范进行定义。

参考文章链接：https://blog.csdn.net/weixin_73231980/article/details/132336491