学习戴正华大佬的《UEFI原理与编程》第5章记录如下。UEFI 的核心任务是为 OS 准备好软硬件运行环境。它向上暴露的接口分两种启动服务Boot Services和运行时服务Runtime Services统称为 UEFI 服务。任何 UEFI 应用或驱动都是通过系统表拿到这两个服务表的指针。5.1 系统表5.1.1 概述系统表是整个 UEFI 编程的入口。它本质上是一个全局结构体在 DXE 阶段被初始化也就是说 SEC、PEI 阶段用不了只有到了 DXE 及以后才能访问。每个 .efi 文件Image被加载到内存后UEFI 固件会调用它的入口函数并把系统表指针传进去。入口函数的签名typedef EFI_STATUS(EFIAPI *EFI_IMAGE_ENTRY_POINT) ( IN EFI_HANDLE ImageHandle, IN EFI_SYSTEM_TABLE *SystemTable );Image 和 ImageHandle 的区别Image 是加载到内存后的可执行程序实体一个数据结构ImageHandle 是这个 Image 的句柄——可以理解为 Image 的身份证用来唯一标识这个 Image。驱动/应用之间的交互比如 Protocol 的安装和查找都是通过 Handle 来关联的。具体调用链.efi 文件加载后形成 Image 对象_ModuleEntryPoint的地址被填到Image-EntryPoint然后固件执行Image-EntryPoint(ImageHandle, SystemTable)最终进入 .inf 里指定的模块入口函数。5.1.2 系统表的结构typedef struct { EFI_TABLE_HEADER Hdr; CHAR16 *FirmwareVendor; // 固件厂商名 UINT32 FirmwareRevision; // 固件版本 EFI_HANDLE ConsoleInHandle; EFI_SIMPLE_TEXT_INPUT_PROTOCOL *ConIn; // 键盘输入 EFI_HANDLE ConsoleOutHandle; EFI_SIMPLE_TEXT_OUTPUT_PROTOCOL *ConOut; // 屏幕输出 EFI_HANDLE StandardErrorHandle; EFI_SIMPLE_TEXT_OUTPUT_PROTOCOL *StdErr; // 错误输出也是屏幕 EFI_RUNTIME_SERVICES *RuntimeServices; // 运行时服务表 EFI_BOOT_SERVICES *BootServices; // 启动服务表 UINTN NumberOfTableEntries; EFI_CONFIGURATION_TABLE *ConfigurationTable; // 配置表数组 } EFI_SYSTEM_TABLE;几点理解1表头 EFI_TABLE_HEADERUEFI 里所有表都用EFI_TABLE_HEADER开头启动服务表、运行时服务表都是。这个 Header 里有 64 位 Signature跟 GUID 类似的思路用于标识表的类型、版本号、整表大小、CRC32 校验值。CRC32 是这样算的先把 CRC32 字段清零算整表的 CRC再填回去。如果表被篡改或者损坏校验就对不上。2控制台系统表提供了 3 套控制台ConIn键盘、ConOut屏幕、StdErr屏幕。每套包含一个设备句柄和一个对应的 Protocol。有了这些UEFI 应用不用关心底层硬件细节直接调 Protocol 的函数就行。3配置表ConfigurationTable是一个数组每一项是一对GUID 数据指针。ACPI 表、SMBIOS 表、设备树等等都挂在这上面。OS Loader 通过它获取硬件信息交给内核这个设计很巧妙——用 GUID 做索引随意扩展不用改系统表结构。5.2 启动服务启动服务表在 DXE 阶段初始化通过gST-BootServices或gBS访问。它提供的服务覆盖了 UEFI 应用在启动阶段ExitBootServices 之前几乎所有需求共 8 类。注虽然也叫表但它不像系统表那样存数据——启动服务表里基本都是函数指针。5.2.1 八类服务概览类别说明典型使用场景事件服务事件、定时器、任务优先级TPL创建回调事件、设置定时器内存管理分配/释放内存页或池驱动分配缓冲区Protocol 管理安装/卸载 Protocol、注册通知驱动提供 ProtocolProtocol 使用查找/打开/关闭 Protocol应用调用驱动服务驱动管理Connect/Disconnect 控制器加载驱动到设备Image 服务加载/卸载/启动 .efi 文件OS Loader 加载内核ExitBootServices结束启动服务移交控制权OS Loader 接管系统其他CopyMem、SetMem、CRC32、Stall 等通用工具操作启动服务表的结构体非常大100 行但理清分类后其实很好记。额外提几点TPL任务优先级RaiseTPL/RestoreTPL 用来在关键区域提升优先级防止其他事件打断。跟中断屏蔽的思路类似但用的是软件优先级。事件UEFI 的事件模型支持多种类型通知事件、定时器事件等。CreateEvent 的时候可以指定回调函数和触发条件核心是异步通知机制。Protocol 函数的历史包袱InstallProtocolInterface和ReinstallProtocolInterface是早期版本遗留下来的新代码应该用InstallMultipleProtocolInterfaces它一次可以安装多个 Protocol而且会在失败时自动回滚。5.2.2 内存管理服务详解内存管理服务分三组1AllocatePool / FreePool —— 按字节分配最常用的内存分配方式类似 C 的 malloc/free。必须成对调用。CHAR16 *Buffer NULL; gBS-AllocatePool(EfiBootServicesCode, 1024, (VOID**)Buffer); gBS-FreePool(Buffer);内存类型是关键参数。AllocatePool第一个参数指定内存类型这决定了内存在 ExitBootServices 之后的命运EfiBootServicesCode/EfiBootServicesDataExitBootServices 后固件回收。用于 UEFI 驱动和应用自身。EfiLoaderCode/EfiLoaderData由 OS Loader 和 OS 决定是否回收。用于存放交给内核的数据比如内存映射表。EfiACPIReclaimMemoryACPI 表初始化完成后回收。EfiRuntimeServicesCode/EfiRuntimeServicesData等ExitBootServices 后保留给运行时服务继续用。理解这个很重要——如果你在 Boot Service 里分配了一块EfiBootServicesData内存想在 RT 阶段继续用那就会挂掉因为这块内存已经被回收了。2AllocatePages / FreePages —— 按物理页分配当你需要整页内存或者不想分配跨页时用这个。驱动开发中很常见因为有些硬件 DMA 要求物理连续而且 DMA 缓冲区通常以页为单位。EFI_PHYSICAL_ADDRESS pages 0; // 0 表示让固件自己选地址 gBS-AllocatePages(AllocateAnyPages, EfiBootServicesCode, 3, pages); // 拿到的是物理地址操作内存前要转成指针 CHAR16 *Str (CHAR16*)pages; gBS-FreePages(pages, 3);重要AllocatePages返回的是物理地址EFI_PHYSICAL_ADDRESS不是指针。在 32 位 UEFI 上如果物理内存超过 4GBAllocateAnyPages可能分配到 4G 以上的物理地址32 位指针够不着——这时候要用AllocateMaxAddress限制允许分配的最大物理地址。Type参数的三种分配方式AllocateAnyPages任意地址AllocateMaxAddress分配的页面物理地址不能超过传入值AllocateAddress强制分配到指定物理地址3GetMemoryMap —— 获取系统内存布局这是 ExitBootServices 之前必须调用的服务。它返回整个系统的内存映射表每个条目EFI_MEMORY_DESCRIPTOR描述了一块内存的类型、物理地址、虚拟地址、页数和属性。调用有个经典的两步走模式先传个 0 大小的 Buffer 让固件告诉你需要多大分配好再调一次。MapKey是当前内存映射的版本标识ExitBootServices 时要传这个 Key防止内存映射在你获取之后被修改如果 Key 变了说明驱动对内存做了操作就得重新获取。5.2.3 启动服务的生命周期总结gBS从 DXE 初始化开始可用到gBS-ExitBootServices()成功后结束。ExitBootServices 执行后被回收的启动服务表中除EFI_TABLE_HEADER外的所有函数指针都失效ConIn、ConOut、StdErr相关的控制台设备/Protocol 失效EfiBootServicesCode和EfiBootServicesData类型的内存被回收保留的gRT—— 运行时服务继续可用ConfigurationTable—— 配置表保留ACPI、SMBIOS 等 HW 信息FirmwareVendor和FirmwareRevision字符串调试技巧在 ExitBootServices 前后分别看gST的地址和其成员地址可以确认哪些区域被释放了。书中提到可以用asm int 3打调试断点来观察。MapKey的坑如果第一次 GetMemoryMap 拿到 MapKey 后在调用 ExitBootServices 之前又有代码调了分配/释放内存MapKey 就对不上了ExitBootServices 会失败。正确的做法是检测到失败后重新 GetMemoryMap 再调。5.3 运行时服务运行时服务同样在 DXE 阶段初始化但它的生命周期比启动服务长得多——一直到操作系统运行期间都存活给 OS 提供底层服务。gRT提供了 4 类服务类别说明时间服务读写硬件 RTC、唤醒定时器虚拟内存SetVirtualAddressMap、ConvertPointer变量服务读写 UEFI 变量Get/Set Variable其他ResetSystem重启、Capsule 更新、查询变量信息5.3.1 时间服务GetTime / SetTime直接操作 RTC 硬件。时间结构体包含年月日时分秒纳秒和时区。注意几个细节EFI_TIME有两个 Padding 字节Pad1、Pad2这是为了字节对齐TimeZone-1440 到 1440单位分钟UTC 时区是 0。还有一个特殊值 2047 表示时区未知Daylight夏令时标志Nanosecond字段精度看起来很高但实际受限于 RTC 硬件精度EFI_TIME_CAPABILITIES描述时钟硬件能力Resolution时钟每秒脉冲数Accuracy精度单位 ppm百万分之一SetsToZero是否在设置时间时清零亚秒计数器GetWakeupTime / SetWakeupTime操作系统用这个实现定时开机——比如笔记本在 AC 状态下设置唤醒时间关机后 RTC 到时触发上电。5.3.2 变量服务UEFI 变量是运行在 Flash 上的键值存储用 (GUID Name) 作为唯一标识。OS 装好后的启动项、Secure Boot 密钥、固件设置都存成变量。核心三个接口GetVariable读取变量SetVariable写入变量可以附加属性如 Non-Volatile、BootService、Runtime、Authenticated Write 等GetNextVariableName遍历所有变量5.3.3 虚拟内存服务这两个接口只能在 ExitBootServices 之后调用。由于 OS 启用分页后物理地址就不能直接用了所以 RT 阶段要先把运行时服务使用的物理地址映射到虚拟地址。调用流程SetVirtualAddressMap传入内存映射表物理地址→虚拟地址的映射固件内部遍历并更新。然后ConvertPointer用于将某个指针的指向从物理地址改为虚拟地址——注意它转换的是指针的指针。小结UEFI 的这套服务设计其实很清晰系统表 导航中心从这里拿到一切启动服务 DXE 到 OS Loader 期间的工具箱内存管理 Protocol 操作 Image 加载功能最强运行时服务 OS 运行后还能用的精简接口时间 变量 复位理解生命周期这个概念特别重要什么内存在什么时候分配、什么时候回收什么服务在什么时候可用。
学习戴正华大佬的《UEFI原理与编程》第5章记录如下。UEFI 的核心任务是为 OS 准备好软硬件运行环境。它向上暴露的接口分两种启动服务Boot Services和运行时服务Runtime Services统称为 UEFI 服务。任何 UEFI 应用或驱动都是通过系统表拿到这两个服务表的指针。5.1 系统表5.1.1 概述系统表是整个 UEFI 编程的入口。它本质上是一个全局结构体在 DXE 阶段被初始化也就是说 SEC、PEI 阶段用不了只有到了 DXE 及以后才能访问。每个 .efi 文件Image被加载到内存后UEFI 固件会调用它的入口函数并把系统表指针传进去。入口函数的签名typedef EFI_STATUS(EFIAPI *EFI_IMAGE_ENTRY_POINT) ( IN EFI_HANDLE ImageHandle, IN EFI_SYSTEM_TABLE *SystemTable );Image 和 ImageHandle 的区别Image 是加载到内存后的可执行程序实体一个数据结构ImageHandle 是这个 Image 的句柄——可以理解为 Image 的身份证用来唯一标识这个 Image。驱动/应用之间的交互比如 Protocol 的安装和查找都是通过 Handle 来关联的。具体调用链.efi 文件加载后形成 Image 对象_ModuleEntryPoint的地址被填到Image-EntryPoint然后固件执行Image-EntryPoint(ImageHandle, SystemTable)最终进入 .inf 里指定的模块入口函数。5.1.2 系统表的结构typedef struct { EFI_TABLE_HEADER Hdr; CHAR16 *FirmwareVendor; // 固件厂商名 UINT32 FirmwareRevision; // 固件版本 EFI_HANDLE ConsoleInHandle; EFI_SIMPLE_TEXT_INPUT_PROTOCOL *ConIn; // 键盘输入 EFI_HANDLE ConsoleOutHandle; EFI_SIMPLE_TEXT_OUTPUT_PROTOCOL *ConOut; // 屏幕输出 EFI_HANDLE StandardErrorHandle; EFI_SIMPLE_TEXT_OUTPUT_PROTOCOL *StdErr; // 错误输出也是屏幕 EFI_RUNTIME_SERVICES *RuntimeServices; // 运行时服务表 EFI_BOOT_SERVICES *BootServices; // 启动服务表 UINTN NumberOfTableEntries; EFI_CONFIGURATION_TABLE *ConfigurationTable; // 配置表数组 } EFI_SYSTEM_TABLE;几点理解1表头 EFI_TABLE_HEADERUEFI 里所有表都用EFI_TABLE_HEADER开头启动服务表、运行时服务表都是。这个 Header 里有 64 位 Signature跟 GUID 类似的思路用于标识表的类型、版本号、整表大小、CRC32 校验值。CRC32 是这样算的先把 CRC32 字段清零算整表的 CRC再填回去。如果表被篡改或者损坏校验就对不上。2控制台系统表提供了 3 套控制台ConIn键盘、ConOut屏幕、StdErr屏幕。每套包含一个设备句柄和一个对应的 Protocol。有了这些UEFI 应用不用关心底层硬件细节直接调 Protocol 的函数就行。3配置表ConfigurationTable是一个数组每一项是一对GUID 数据指针。ACPI 表、SMBIOS 表、设备树等等都挂在这上面。OS Loader 通过它获取硬件信息交给内核这个设计很巧妙——用 GUID 做索引随意扩展不用改系统表结构。5.2 启动服务启动服务表在 DXE 阶段初始化通过gST-BootServices或gBS访问。它提供的服务覆盖了 UEFI 应用在启动阶段ExitBootServices 之前几乎所有需求共 8 类。注虽然也叫表但它不像系统表那样存数据——启动服务表里基本都是函数指针。5.2.1 八类服务概览类别说明典型使用场景事件服务事件、定时器、任务优先级TPL创建回调事件、设置定时器内存管理分配/释放内存页或池驱动分配缓冲区Protocol 管理安装/卸载 Protocol、注册通知驱动提供 ProtocolProtocol 使用查找/打开/关闭 Protocol应用调用驱动服务驱动管理Connect/Disconnect 控制器加载驱动到设备Image 服务加载/卸载/启动 .efi 文件OS Loader 加载内核ExitBootServices结束启动服务移交控制权OS Loader 接管系统其他CopyMem、SetMem、CRC32、Stall 等通用工具操作启动服务表的结构体非常大100 行但理清分类后其实很好记。额外提几点TPL任务优先级RaiseTPL/RestoreTPL 用来在关键区域提升优先级防止其他事件打断。跟中断屏蔽的思路类似但用的是软件优先级。事件UEFI 的事件模型支持多种类型通知事件、定时器事件等。CreateEvent 的时候可以指定回调函数和触发条件核心是异步通知机制。Protocol 函数的历史包袱InstallProtocolInterface和ReinstallProtocolInterface是早期版本遗留下来的新代码应该用InstallMultipleProtocolInterfaces它一次可以安装多个 Protocol而且会在失败时自动回滚。5.2.2 内存管理服务详解内存管理服务分三组1AllocatePool / FreePool —— 按字节分配最常用的内存分配方式类似 C 的 malloc/free。必须成对调用。CHAR16 *Buffer NULL; gBS-AllocatePool(EfiBootServicesCode, 1024, (VOID**)Buffer); gBS-FreePool(Buffer);内存类型是关键参数。AllocatePool第一个参数指定内存类型这决定了内存在 ExitBootServices 之后的命运EfiBootServicesCode/EfiBootServicesDataExitBootServices 后固件回收。用于 UEFI 驱动和应用自身。EfiLoaderCode/EfiLoaderData由 OS Loader 和 OS 决定是否回收。用于存放交给内核的数据比如内存映射表。EfiACPIReclaimMemoryACPI 表初始化完成后回收。EfiRuntimeServicesCode/EfiRuntimeServicesData等ExitBootServices 后保留给运行时服务继续用。理解这个很重要——如果你在 Boot Service 里分配了一块EfiBootServicesData内存想在 RT 阶段继续用那就会挂掉因为这块内存已经被回收了。2AllocatePages / FreePages —— 按物理页分配当你需要整页内存或者不想分配跨页时用这个。驱动开发中很常见因为有些硬件 DMA 要求物理连续而且 DMA 缓冲区通常以页为单位。EFI_PHYSICAL_ADDRESS pages 0; // 0 表示让固件自己选地址 gBS-AllocatePages(AllocateAnyPages, EfiBootServicesCode, 3, pages); // 拿到的是物理地址操作内存前要转成指针 CHAR16 *Str (CHAR16*)pages; gBS-FreePages(pages, 3);重要AllocatePages返回的是物理地址EFI_PHYSICAL_ADDRESS不是指针。在 32 位 UEFI 上如果物理内存超过 4GBAllocateAnyPages可能分配到 4G 以上的物理地址32 位指针够不着——这时候要用AllocateMaxAddress限制允许分配的最大物理地址。Type参数的三种分配方式AllocateAnyPages任意地址AllocateMaxAddress分配的页面物理地址不能超过传入值AllocateAddress强制分配到指定物理地址3GetMemoryMap —— 获取系统内存布局这是 ExitBootServices 之前必须调用的服务。它返回整个系统的内存映射表每个条目EFI_MEMORY_DESCRIPTOR描述了一块内存的类型、物理地址、虚拟地址、页数和属性。调用有个经典的两步走模式先传个 0 大小的 Buffer 让固件告诉你需要多大分配好再调一次。MapKey是当前内存映射的版本标识ExitBootServices 时要传这个 Key防止内存映射在你获取之后被修改如果 Key 变了说明驱动对内存做了操作就得重新获取。5.2.3 启动服务的生命周期总结gBS从 DXE 初始化开始可用到gBS-ExitBootServices()成功后结束。ExitBootServices 执行后被回收的启动服务表中除EFI_TABLE_HEADER外的所有函数指针都失效ConIn、ConOut、StdErr相关的控制台设备/Protocol 失效EfiBootServicesCode和EfiBootServicesData类型的内存被回收保留的gRT—— 运行时服务继续可用ConfigurationTable—— 配置表保留ACPI、SMBIOS 等 HW 信息FirmwareVendor和FirmwareRevision字符串调试技巧在 ExitBootServices 前后分别看gST的地址和其成员地址可以确认哪些区域被释放了。书中提到可以用asm int 3打调试断点来观察。MapKey的坑如果第一次 GetMemoryMap 拿到 MapKey 后在调用 ExitBootServices 之前又有代码调了分配/释放内存MapKey 就对不上了ExitBootServices 会失败。正确的做法是检测到失败后重新 GetMemoryMap 再调。5.3 运行时服务运行时服务同样在 DXE 阶段初始化但它的生命周期比启动服务长得多——一直到操作系统运行期间都存活给 OS 提供底层服务。gRT提供了 4 类服务类别说明时间服务读写硬件 RTC、唤醒定时器虚拟内存SetVirtualAddressMap、ConvertPointer变量服务读写 UEFI 变量Get/Set Variable其他ResetSystem重启、Capsule 更新、查询变量信息5.3.1 时间服务GetTime / SetTime直接操作 RTC 硬件。时间结构体包含年月日时分秒纳秒和时区。注意几个细节EFI_TIME有两个 Padding 字节Pad1、Pad2这是为了字节对齐TimeZone-1440 到 1440单位分钟UTC 时区是 0。还有一个特殊值 2047 表示时区未知Daylight夏令时标志Nanosecond字段精度看起来很高但实际受限于 RTC 硬件精度EFI_TIME_CAPABILITIES描述时钟硬件能力Resolution时钟每秒脉冲数Accuracy精度单位 ppm百万分之一SetsToZero是否在设置时间时清零亚秒计数器GetWakeupTime / SetWakeupTime操作系统用这个实现定时开机——比如笔记本在 AC 状态下设置唤醒时间关机后 RTC 到时触发上电。5.3.2 变量服务UEFI 变量是运行在 Flash 上的键值存储用 (GUID Name) 作为唯一标识。OS 装好后的启动项、Secure Boot 密钥、固件设置都存成变量。核心三个接口GetVariable读取变量SetVariable写入变量可以附加属性如 Non-Volatile、BootService、Runtime、Authenticated Write 等GetNextVariableName遍历所有变量5.3.3 虚拟内存服务这两个接口只能在 ExitBootServices 之后调用。由于 OS 启用分页后物理地址就不能直接用了所以 RT 阶段要先把运行时服务使用的物理地址映射到虚拟地址。调用流程SetVirtualAddressMap传入内存映射表物理地址→虚拟地址的映射固件内部遍历并更新。然后ConvertPointer用于将某个指针的指向从物理地址改为虚拟地址——注意它转换的是指针的指针。小结UEFI 的这套服务设计其实很清晰系统表 导航中心从这里拿到一切启动服务 DXE 到 OS Loader 期间的工具箱内存管理 Protocol 操作 Image 加载功能最强运行时服务 OS 运行后还能用的精简接口时间 变量 复位理解生命周期这个概念特别重要什么内存在什么时候分配、什么时候回收什么服务在什么时候可用。
技术解析与应用实践)
