UEFI系统的启动过程

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遵从PI标准,分为7个阶段

SEC->PEI->DXE->BDS->TSL->RT->AL

安全验证-》EFI前期初始化-》驱动执行环境-》启动设备选择-》操作系统加载前期-》Run Time->系统灾难恢复期

当系统硬件或操作系统出现严重错误不能继续正常运行时,固件会尝试修复错误,这时系统进入AL期。但PI规范和UEFI规范都没有规定AL期的行为。“?”号表示其行为由系统供应商自行定义。

SEC(Security Phase)安全验证

1、功能

(1)接受并处理系统启动和重启信号

(2)CAR(Cache as RAM):系统运行在SEC阶段时,仅CPU和CPU内部资源被初始化,各种外部设备和内存都还没被初始化,因而需要一些临时RAM区域,用于代码和数据的存取(SEC最后及PEI阶段为C语言环境,C语言中的局部变量需要堆栈,这一步是为后续C语言环境准备好堆栈。一句话,C语言是基于栈的程序计),我们称之为临时RAM,以示与内存的区别。这些RAM只能位于CPU内部。最常用的临时RAM是Cache,当Cache被配置为no-eviction模式时,可以作为内存使用,读命中时返回Cache中的数据,读缺失时不会向主存发出缺失事件;写命中时将数据写入Cache中,写缺失时不会向主存发出缺失事件,这种技术被称为CAS。

(3)作为可信系统的根:SEC阶段为安全验证阶段,作为取得系统控制权的第一部分,SEC阶段是整个可信任系统的根。SEC阶段能被系统信任,是其后各个阶段被信任的基础。通常,SEC把控制权交给PEI阶段前,可以验证PEI阶段。

(4)传递系统参数全PEI阶段:SEC阶段的一切工作都是为PEI阶段做准备,最终要把控制权交给PEI阶段,同时要将现阶段的成果汇报给PEI。 汇报的手段就是将如下信息作为参数传递给PEI的入口函数,例如:

系统当前状态,PEI可以根据这些状态判断系统的健康状况。

可启动固件(Boot Firmware Volume ,BFV)的地址和大小

临时RAM区域的地址和大小

栈的地址和大小

2、执行流程

加电-》Reset Vector ->SEC入口函数-》PEI入口函数

其中Reset Vector执行的流程如下:

(1)进入固件入口

(2)从实模式转换成32位平坦模式

(3)定位固件中的BFV

(4)定位BFV中的SEC映像

(5)若是64位系统,从32位转换到64位模式

(6)调用SEC入口函数

在Reset Vector部分,因为系统还没有RAM,所以不能使用基于栈的程序设计,所有的函数调用都使用jmp指令模拟。

PEI(Pre-EFI Initialization)EFI前期初始化

1、功能

PEI阶段资源依然十分有限,内存到了PEI后期才被初始化,其主要功能是为DXE准备执行环境,将需要传递给DXE的信息组成HOB(Handoff Block)列表,最终将控制权交给DXE。从功能上讲,PEI可分为两上部分:

(1)PEI Core Services (PEI Foundation):负责PEI基础服务和流程

(2)PEIM(PEI Module)Dipatch:主要功能是找出系统中所有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是由PEIM完成的(CPU初始化、Chipset初始化、内存控制器初始化、IO控制器初始化、内存初始化等功能)。每个PEIM是一个独立模块,模块的入口函数传入两个参数,FileHandle和**PeiServices。通过PEIServices,PEIM可以使用PEI阶段提供的系统服务,通过这些服务,PEIM可以访问PEICore。PEIM之间通过PPI(PEIM-to-PEIM Interface)完成。

2、PEI阶段执行流程

DXE(Driver Execution Environment)驱动执行环境

1、功能

执行大部分系统初始化工作,进入此阶段时,内存已经可以被完全使用,因而此阶段可以进行大量的复杂工作。可以完成大量的驱动加载和初始化工作。遍历固件中所有的Driver,当Driver所依赖的资源都满足要求时,调度Driver到执行队列执行,直到所有的Driver都被加载和执行完毕,系统完成初始化。

DXE驱动之间通过Protocol通信(PEIM之间通过PPI通信),Protocol是一种特殊的结构体,每个Protocol都有一个对应的GUID,利用BootServices的OpenProtocol(HandleProtocol或LocateProtocol),并根据GUID来打开对应的Protocol,进而使用这个Protocol提供的服务。

当所有的DXE Drivers都执行完成后,系统完成初始化,DXE通过EFI_BDS_ARCH_PROTOCOL找到BDS并调用BDS的入口函数,从而进入到BDS阶段。

从本质上来说,BDS是一种特殊的DXE阶段的应用程序。

与PEI类似,功能分为两部分:

(1)DXE内核:负责DXE基础服务和执行流程

(2)DXE派遣器:负责调度执行DXE驱动,初始化系统设备。DXE提供的基础服务包括系统列表、启动服务、Run Time Services。

2、执行流程

BDS(Boot Device Selection)设备启动选择

1、功能

(1)初始化控制台设备(ConsoleIn/ConsoleOut, USB/PS2键盘鼠标,VGA等 )

(2)加载必要的设备驱动(PCI枚举动作在这一阶段被执行)

(3)根据系统设置加载和执行启动项

如果加载启动项失败,系统将重新执行DXE
dispatcher以加载更多的驱动,然后重新尝试加载启动项。BDS策略通过全局NVRAM变量配置。这些变量可以通过运行时服务的GetVariable()读取,通过SetVariable()设置。用户选中某个启动项(或系统进入默认的启动项)后,OS Loader启动,系统进入TSL阶段。

TSL(Transient System Load)操作系统加载前期

TSL阶段之所以称为临时系统,在于它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,但其功能已经很强大,已经具备了操作系统的雏形,UEFI Shell是这个临时系统的人机交互界面。正常情况下,系统不会进入UEFI Shell,而是直接执行操作系统加载器,只有在用户干预下或操作系统加载器遇到严重错误时才会进入UEFI Shell。

在这一阶段OS Loader作为一个UEFI应用程序运行,系统资源仍然由UEFI内核控制。当启动服务的ExitBootServices()服务被调用后,系统进入RunTime阶段。

RT (Run Time)

系统的控制权从UEFI内核转交到OS Loader手中,UEFI占用的各种资源被回收到OS Loader,因此要清理和回收一些之前被UEFI占用的资源,RT Services随着操作系统的运行提供相应的运行时的服务,这个期间一旦出现错误和异常,将进入AL进行修复。

AL 系统灾难恢复前期

如果系统(硬件或软件)遇到灾难性错误,系统固件需要提供错误处理和灾难恢复机制,这种机制运行在AL(After Life)阶段。UEFI和UEFI PI标准都没有定义此阶段的行为和规范,根据厂家自定义修复方案。

 




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