前文提到,UEFI系统的两个主要功能:
平台初始化(Platform initialization: PI);启动操作系统;平台初始化(PI)必须支持6个阶段的处理:
Security (SEC) phasePre-EFI Initialization (PEI) phaseDriver Execution Environment (DXE) phaseBoot Device Selection (BDS) phaseRuntime (RT) service phaseAfter Life (AL) phase在BDS和RT之间,是由操作系统制造商负责处理的TLS(Transient System Load)phase,主要工作是引导操作系统启动。
UEFI阶段示意图
下面我将分别对UEFI在每个阶段的行为作一个简单的介绍。
先解释几个概念;
SPI flashSPI:Serial Peripheral Interface, 是Motorola 公司推出的一种同步串行接口技术,是一种高速的,全双工,同步的通信总线;
SPI Flash:使用SPI总线接口的Flash,Flash ROM是当今主流的固件存储芯片,BIOS/UEFI以使用NOR Flash为主。
SPI flash在内存中的分布示意图如下:
上电后的内存分布示意图
UEFI的Flash ROM固件由一个或多个Firmware volume(FV)构成,每个FV里存放了FFS Image(EFI Firmware File system),FFS Image则由多个EFI Section构成,EFI Section包含了PE32/PE32+/Coff Image文件。UEFI的固件内存映射情况如下:
UEFI SPI Flash内存映射
各FV说明:
FV_Recovery:包含UEFI的启动代码(init boot block):SEC和PEI;
FV_MAIN: 压缩的驱动和剩下其余阶段的代码;
FV_Variable Store: UEFI环境下的数据区,包含所有使用的变量;
Other FVs: Microcode updates and other resources;
在上电之后,DMI控制器通过DMI地址总线将 Flash ROM映射到物理内存的4G的最高位内存段,CPU复位CS和EIP寄存器,加载位于0xFFFFFFF0地址的第一条指令, 该地址为Reset Vector(ResetVectorVtf0.asm)。
resetVector:;; Reset Vector;; This is where the processor will begin execution; nop nop jmp EarlyBspInitReal16ALIGN 16
IDA SPI SEC反汇编-逻辑地址0xFFF0
CPU上电后指令跳转到FV_Recovery, 执行UEFI平台初始化(PI)架构中的第一个阶段:SEC;
在SEC阶段执行简单的初始化代码,并会下一阶段准备相关的数据,SEC主要负责事务:
1) 处理所有的平台启动和重置事件;
2) 创建临时内存: (主要使用CPU缓存,此时的内存还未初始化,不可用);
3) 作为整个系统完整性链条的可信根,验证下一个阶段的模块完整性;
4) 向下一个阶段PEI传递信息(hand-off block)
SEC 处理的重置事件包括:
? 从断电状态加电启动系统;
? 系统活动状态下的重启命令;
? 接收到各种异常条件重启;
SEC加载PEI模块时必需向PEI传递的数据:
? PI的当前状态;
? Boot Firmware Volume的位置和大小(用于检索PEIM);
? 临时内存的位置和大小(CPU Cache);
? 栈的位置和大小;
可信根:
在设计安全系统时,后续模块的完整性需要由它的调用者确认,而系统的第一个加载的模块被当作整个系统的可信根模块,在UEFI构架设计中,SEC 就是整个UEFI系统中的可信根(SEC也可以被其他模块验证,比如CPU,相关内容将在下一篇文章《UEFI安全启动》详细介绍)。对于PI构架而言,SEC phase是控制整个系统的初始代码,平台部署时可以在加载下一个阶段PEI之前验证PEI的模块完整性。
在SEC执行较简单的逻辑处理后就进入PEI phase,PEI phase最初在平台处于初始状态的情况下运行,只能利用处理器上的资源(如作为调用堆栈的处理器缓存)来派遣Pre-EFI初始化模块(PEIM),PEI阶段主要任务是通过PEIM发现内存并对其进行初始化。
PEI phase流程
PEI phase两个主要的PEIMs:
1. 通常为芯片组内存控制器特有的PEIM初始化和测试物理内存,通过PEI Memory Service向UEFI平台注册内存信息,之后所有的所需内存都从注册的内存信息中申请。
2. DXE IPL(Initial program load) PEIM, 在所有其他PEIMs执行完之后,加载DXE阶段代码,移交控制权。
除了以上两个PEIMs,在PEI阶段,也需要对CPU和芯片组做一部分的初始化,在调用DXE IPL之前,CPU需要设置成特定的状态;
在调用DXE IPL之前Intel CPU必需的状态
Driver Execution Environment(DXE) phasePEI需要完成最基本的环境初始化,以满足DXE模块运行时所需的最小系统状态。PEI在完成初始化后通过PEIM DXE IPL加载DXE的初始模块,并将控制权转移给DXE。DXE是UEFI系统环境中大部分初始化工作的执行阶段;独立硬件制造商IHVs(Independent hardware vendors)和OEM将会在DXE中实现驱动,完成硬件的检测和初始化等相关任务。
DXE阶段主要包括三大组件:
1) DXE Foundation
2) DXE Dispatcher
3) DXE驱动
DXE Foundation
DXE Foundation将构建Boot Services, Runtime Services和DXE Services,而Boot Service和Runtime Service是UEFI固件系统为上层应用提供的基础服务,上层应用通过这两个服务调用UEFI固件系统中的资源,比如获取内存使用情况。
Boot Service: 主要提供内存管理、事件、定时器、Image加载卸载、驱动连接等功能,在操作系统启动后失效。Runtime Service:主要提供在UEFI固件环境中的变量相关操作(添加、删除,查找)、时钟、系统重置和虚拟内存等功能,在操作系统启动后仍有效。Boot Service and Runtime Service向上层提供基础服务
Boot Service和Runtime Service提供的具体服务项
DXE Dispatcher按照依赖关系和驱动搜索列表,依次加载DXE驱动。
DXE驱动负责初始化CPU、芯片组和平台其他组件,这些组件将提供启动操作系统所需的服务。DXE和引导设备选择(BDS)一起协同工作,建立控制台并尝试引导操作系统,当操作系统成功引导时,DXE阶段终止。
Boot Device Selection (BDS) phase在所有的DXE驱动都执行完成之后,UEFI的系统环境就已准备完毕;UEFI将通过应用程序启动管理器加载BDS阶段的Boot Code,并根据引导策略(如windows bcdedit)引导操作系统启动。操作系统引导程序由操作系统制造商提供,因此操作系统制造商可以自定义系统引导行为,比如安全启动(Secure Boot)。如果BDS阶段任务操作失败,将退回到DXE阶段去重新执行驱动检测。
BDS阶段的主要任务:
1. 初始化控制台(显示引导菜单)
2. 加载设备驱动;
3. 启动所选引导项;
OS启动时序
Transient System Load由操作系统制造商实现启动程序,引导操作系统启动,以windows为例,具体过程感兴趣的同学可以参看《Windows Internal》;
Windows Boot Sequence
Runtime(RT)此时的操作系统已经启动,控制权由UEFI移交给了操作系统,在此阶段,UEFI的runtime service依旧有效,在加载操作引导模块时,会传递runtime service的地址,通过此地址,可以使用runtime service提供的功能服务;
After Life(AL)由UEFI的驱动组成,用于在操作系统关闭、睡眠、休眠或者重启时保存系统的状态。
参考文档:
《EDK II Build Specification》
《UEFI Platform Initialization (PI) Specification》
《UEFI Firmware Security Concerns and Best Practices》—— Phoenix Technologies Ltd.
《Unified Extensible Firmware Interface (UEFI) Specification》
《Beyond BIOS: Developing with the Unified Extensible Firmware Interface 2nd edition》
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