UEFI-编程开发C语言1-简介与预览

• 本系列文章主要参考：【双语视界】UEFI编程开发（C语言）: 第1课程-简介与概览_哔哩哔哩_bilibili

• 主要实现：开发一个64位，面向x86架构的长模式引导程序，为较新的机器编写EFI程序

• 了解更多关于UEFI编程的内容可以参考这个网站：Home | Unified Extensible Firmware Interface Forum

UEFI介绍

初步介绍

• UEFI的全称是Unified Extensible Firmware Interface即统一可扩展固件接口。它是用来定义操作系统与系统固件之间的软件界面，是作为BIOS的替代方案，可扩展固件接口负责加电自检、联系操作系统以及提供连接操作系统与硬件的接口。
• UEFI最初被称为EFI，最初是Intel公司开发，英特尔已于2005年将此规范格式交由UEFI论坛来推广与发展，这样对于EFI的标准就有了一个组织进行统一，所以EFI后来被更名为UEFI。
• 固件是机器中软件与硬件的中间层面，固件其实是一个软件，这个软件一般是存储在非易失性的ROM或者Flash上。

• UEFI其实就相当于一个管理固件的小型操作系统，这个操作系统向上为真正的操作系统，比如Windows、Linux，这些提供服务接口，向下又与真正的系统硬件、固件等进行交互。UEFI是用来取代BIOS的，所以UEFI会具有如下与BIOS相同的功能：

  • 硬件初始化：在计算机启动时，UEFI 负责对 CPU、内存、显卡、存储设备、网络等硬件进行初始化和配置。
  • 执行电源自检（Power-On Self Test，POST）
  • 初始化 CPU 和内存控制器
  • 检测并配置 PCIe 设备、USB 控制器等
  • 直接引导操作系统，无需引导扇区。

• 除此之外UEFI还有其他BIOS所没有的功能：

  • UEFI Shell：UEFI还提供了shell环境，我们可以通过shell命令来查看已识别的磁盘和设备
  • 提供驱动程序接口：这些驱动以.efi文件形式存在，支持热拔插、动态加载等特性
  • 具有用户界面（GUI）
  • 能更安全的进行启动

• 接下来我们再进一步理解UEFI这个名称的具体由来，以及它取代BIOS的原因：

  • 在早期，各个硬件的厂商都有自己的BIOS来管理或者自检自己生产的主板等硬件，这就使得BIOS的类型太多，并且各个BIOS也不兼容。
  • 这时UEFI就对这些厂商的设计进行了一定的规范，各个厂商在设计主板的时候都遵循这个规范，并且让UEFI取代BIOS，作为自检的固件。并且UEFI还兼容不同的架构，即x86、x86_64、ARM，这就使得底层的设计变得稍微轻松一点。这就是UEFI中U（统一）的由来。
  • 早期使用BIOS的时候，固件的功能已经固定了，如果我们要添加新的固件，比如新添加一个网卡，这时我们就需要更新整个BIOS，使得BIOS增加新网卡的这一固件，这样上层操作系统才能够与新的固件网卡交互。
  • 而UEFI的出现就使得我们添加新固件后并不需要再更新UEFI，这时我们如果新添加一个SSD，就无需更新UEFI，它可以将SSD中的.efi程序加载进来，实现灵活扩展的功能。这就是E（可扩展的由来）
  • 而F也就是Firmware(固件)的由来是UEFI本身就存储在ROM、Flash中，并且是一个软件，所以就被称为固件。
  • I就是Interface（接口）：也就是UEFI为操作系统提供了统一的可以访问底层硬件的方式。

• 接下来我们再具体介绍一下UEFI，当我们计算机还没有开机的时候，架构是这样的，此时我们主板的FIRMWARE其实也就是UEFI，然后Loader和kernel被放入到磁盘格式为FAT32的文件中

• 但是主板的UEFI 固件只认识efi格式的文件，加载不了exe或者elf文件（下文都使用elf文件），即我们的内核kernel就没办法加载到内存中。

• 这时我们就需要使用Loader，Loader这个程序起到承上启下的作用，它会解析kernel这个elf文件格式，并对其进行加载。而Loader则是一个efi格式并且会保存在特定位置，这时计算机启动的时候主板的UEFI 固件就能识别并运行Loader，然后Loader又可以将Kernal加载进内存当中。

• 而Loader所处的特定位置，要求位于启动设备的FAT32格式分区，一个U盘或者其他东西，只要是FAT32的格式，在启动的时候就会被计算机识别，并标明UEFI的字样，说明固件发现了这个磁盘格式。

• 当我们启动时，选择了该位置则计算机就会在这里去寻找Loader，计算机会按照/EFI/Boot/BootX64.efi这个路径去寻找Loader
• 一般这个FAT32分区，都位于磁盘最开始，大小在100M左右

• 总结：

  • UEFI固件会将是FAT32格式分区的磁盘（一个磁盘可能有多个格式分区），都当做启动磁盘，并将这些发现的磁盘都添加到开机菜单中
  • 接下去我们就可以选择一个启动磁盘，如果是带UEFI前缀，就去搜索固定路径。

• 而在加载kernal中又会出现如下问题：

  • kernal在FAT32分区应该如何读取？
  • kernal以何种方式载入内存，应该放入内存的什么位置？
  • kernal放入的内存是空闲的吗？
  • kernal应该采取段式内存载入还是进行内存分页呢？
  • 这些问题如果没有统一的API，就会使得Loader的开发相当复杂，所以UEFI存在的目的不仅仅是加载Loader，还为开发者创造一个统一、便捷的启动环境
  • 并且对于UEFI其提供的API，不仅仅是提供给Loader，还提供给了运行时的操作系统，例如操作系统是通过UEFI提供的API来获取物理内存的大小。

关于开发文档

• 我们可以去这个网站下载关于UEFI的一些开发规范：Specifications | Unified Extensible Firmware Interface Forum

• 在访问这个网站的时候我们还会看到一个固件规范：ACPI，这个固件和UEFI一起密切协作，共同负责系统启动、硬件管理和电源控制。不过这里主要是对UEFI的开发。特别地：休眠状态与ACPI这个固件关系比较大

• 在这个网站中有UEFI规范、UEFI Shell规范、UEFI平台初始化规范，但是我们只使用UEFI规范，其他两个在这边并不需要使用。这边视频教程中使用的是2.10版本的规范，这边我就也使用2.10版本的规范（还比较新，没旧到哪里去）。网址在这里：UEFI_Spec_2_10_A_Aug8.pdf (SECURED)

环境与工具

• 首先要明确一点：UEFI的制定很大程度上借鉴了Microsoft，它的编写规范似乎遵循了Microsoft的编程习惯，并且UEFI规定需要使用PE可执行文件。所以我们一般是在windows上对UEFI进行开发，或者也可以在Linux下，使用交叉编译工具对UEFI进行编译。
• 这个内容将会使用gcc交叉编译，并且使用make来构建编译脚本，然后使用qemu模拟运行它，然后使用OVMF充当固件，之后会使用工具创建一个GPT磁盘镜像（EFI规范的镜像格式），用于存放EFI应用。之后可以使用模拟器运行EFI也可以将镜像装入U盘在真实机中运行UEFI（这一步就不做了）。

编译器安装

• gcc或者mingw或者clang，这里gcc需要的是交叉编译的gcc即能编译出PE文件的gcc。

sudo apt update
sudo apt install gcc-mingw-w64-x86-64

• 安装好后查看是否安装成功

x86_64-w64-mingw32-gcc --version

自动化构建工具

• 使用make这一自动化构建工具，通过制作make文件，使得make调用编译器去编译。安装如下：

sudo apt update
sudo apt install make

• 安装好后检查是否安装成功

make --version

虚拟化运行工具

• 安装qemu，使用qemu运行我们所编译好的UEFI，这样我们就可以查看我们所编写的UEFI的具体功能和效果。

sudo apt install qemu-system-x86_64
// 如果这个命令安装不成功就查看其他安装命令

• 然后使用命令，查看qemu是否安装成功，可以使用Ctrl+Alt+加号放大终端，也可以使用Ctrl+ALT+减号缩小终端。

qemu-system-x86_64

UEFI模拟文件

• 安装ovmf，UEFI模拟文件，在虚拟机中ovmf充当UEFI/BIOS的功能，在虚拟机启动的时候完成对应的功能。这个文件存储在/usr/share/ovmf这个目录下。

• 我们需要额外下载一个OVMF-pure-efi.fd这个文件，从这里下载：Index of /repos/jenkins/edk2

• 下载后解压文件夹就会看到这个.fd文件，然后将这个文件复制到/usr/share/ovmf这个文件夹中。

• 我们使用qemu先运行一下这个fd文件看看真实效果，这时我们会发现我们进入了UEFI Shell中

qemu-system-x86_64 -bios /usr/share/ovmf/OVMF-pure-efi.fd -net none 

• 之后我们要将这个OVMF-pure-efi.fd移动到这个目录下，并重新命名为bios64.bin：

/home/myheart/program/my_uefi

• 之后我们制作好了BOOTX64.EFI ，使用qemu启动时，bios64.bin使用的就是OVMF-pure-efi.fd

#!/bin/sh
qemu-system-x86_64 \
-drive format=raw,unit=0,file=test.hdd \
-bios ../bios64.bin \
-m 256M \
-vga std \
-name TESTOS \
-machine q35 \
-net none

UEFI_GPT镜像生成器

• GPT disk image，磁盘分区格式，通常用于存储UEFI文件。在github上使用这个项目的软件：queso-fuego/UEFI-GPT-image-creator: GPT Disk Image Creator for UEFI Development, with EFI System Partition and FAT32 Filesystem

git clone https://github.com/queso-fuego/UEFI-GPT-image-creator.git

• 拉取到本地文件夹后，就可以使用cd命令进入该文件夹，在该文件夹中会看到.sh文件，这是自动编译该镜像生成器的命令，在windos上可以使用.bat文件实现自动编译。编译后就会出现write_gpt这个文件

U盘（不详细说明）

• U盘（可选）：用于测试真实硬件环境是否可以启动UEFI

Hello_world

• 这里简单介绍一下EFI应用的一个例子，初步编写一个在终端上显示Hello_world的UEFI固件。我们只需要两个文件分别为efi.c和efi.h
• 然后我们要使用make对这两个C语言文件进行交叉编译。
• 可以将这些代码敲一遍，也可以直接复制，建议还是敲一遍。

efi.h编写

• 我们先来看efi.h的代码

#include <uchar.h>
#include <stdint.h>

typedef uint16_t UINT16;
typedef uint32_t UINT32;
typedef uint64_t UINT64;
typedef uint64_t UINTN;
typedef char16_t CHAR16;
typedef void     VOID;

typedef UINTN    EFI_STATUS;
typedef VOID*    EFI_HANDLE;

#define IN
#define OUT
#define OPTIONAL
#define CONST const

#define EFIAPI __attribute__((ms_abi))

#define EFI_SUCCESS 0

typedef struct EFI_SIMPLE_TEXT_INPUT_PROTOCOL
EFI_SIMPLE_TEXT_INPUT_PROTOCOL;

typedef struct{
        UINT16 ScanCode;
        CHAR16 UnicodeChar;
} EFI_INPUT_KEY;

typedef
EFI_STATUS
(EFIAPI *EFI_INPUT_READ_KEY) (
 IN EFI_SIMPLE_TEXT_INPUT_PROTOCOL *This,
 OUT EFI_INPUT_KEY                 *Key
);

typedef struct EFI_SIMPLE_TEXT_INPUT_PROTOCOL {
        void* Reset;
        EFI_INPUT_READ_KEY ReadKeyStroke;
        void* WaitForKey;
} EFI_SIMPLE_TEXT_INPUT_PROTOCOL;

typedef struct EFI_SIMPLE_TEXT_OUTPUT_PROTOCOL EFI_SIMPLE_TEXT_OUTPUT_PROTOCOL;

#define EFI_BLACK  0x00
#define EFI_BLUE   0x01
#define EFI_GREEN  0x02
#define EFI_CYAN   0x03
#define EFI_RED    0x04
#define EFI_YELLOW 0x0E
#define EFI_WHITE  0x0F

#define EFI_TEXT_ATTR(Foreground,Background) \
        ((Foreground) | ((Background) << 4))

typedef
EFI_STATUS
(EFIAPI *EFI_TEXT_STRING) (
  IN EFI_SIMPLE_TEXT_OUTPUT_PROTOCOL *This,
  IN CHAR16                          *String
);


typedef
EFI_STATUS
(EFIAPI *EFI_TEXT_SET_ATTRIBUTE) (
  IN EFI_SIMPLE_TEXT_OUTPUT_PROTOCOL *This,
  IN UINTN                           Attribute
);

typedef
EFI_STATUS
(EFIAPI *EFI_TEXT_CLEAR_SCREEN) (
  IN EFI_SIMPLE_TEXT_OUTPUT_PROTOCOL *This
);

typedef struct EFI_SIMPLE_TEXT_OUTPUT_PROTOCOL {
        void *                      Reset;
        EFI_TEXT_STRING             OutputString;
        void *                      TestStringl;
        void *                      QueryMode;
        void *                      SetMode;
        EFI_TEXT_SET_ATTRIBUTE      SetAttribute;
        EFI_TEXT_CLEAR_SCREEN       ClearScreen;
        void *                      SetCursorPosition;
        void *                      EnableCursor;
        void *                      Mode;
} EFI_SIMPLE_TEXT_OUTPUT_PROTOCOL;

typedef enum {
        EfiResetColde,
        EfiResetWarm,
        EfiResetShutdown,
        EfiResetPlatformSpecific
} EFI_RESET_TYPE;

typedef
VOID
(EFIAPI *EFI_RESET_SYSTEM) (
        IN EFI_RESET_TYPE ResetType,
        IN EFI_STATUS     ResetStatus,
        IN UINTN          DataSize,
        IN VOID           *ResetData OPTIONAL
);


typedef struct {
        UINT64 Signature;
        UINT32 Revision;
        UINT32 HeaderSize;
        UINT32 CRC32;
        UINT32 Reserved;
} EFI_TABLE_HEADER;

typedef struct {
        EFI_TABLE_HEADER Hdr;
        void*                           GetTime;
        void*                           SetTime;
        void*                           GetWakeupTime;
        void*                           SetWakeupTime;

        void*                           SetVirtualAddressMap;
        void*                           ConvertPointer;

        void*                           GetVariable;
        void*                           GetNextVariableName;
        void*                           SetVariable;

        void*                           GetNextHighMonotonicCount;
        EFI_RESET_SYSTEM                ResetSystem;

        void*                           UpdateCapsule;
        void*                           QueryCapsuleCapabilities;

        void*                           QueryVariableInfo;
} EFI_RUNTIME_SERVICES;

typedef struct {
        EFI_TABLE_HEADER                Hdr;

        void*                           FirmwareVendor;
        UINT32                          FirmwareRevision;
        void*                           ConsoleInHandle;
        EFI_SIMPLE_TEXT_INPUT_PROTOCOL  *ConIn;
        void*                           ConsoleOutHandle;
        EFI_SIMPLE_TEXT_OUTPUT_PROTOCOL *ConOut;
        void*                           StandardErrorHandle;
        void*                           StdErr;
        EFI_RUNTIME_SERVICES            *RuntimeServices;
        void*                           BootServices;
        UINTN                           NumberOfTableEntries;
        void*                           ConfigurationTable;
} EFI_SYSTEM_TABLE;

efi.c编写

• 然后再查看efi.c这个代码

#include "efi.h"
EFI_STATUS EFIAPI efi_main(EFI_HANDLE ImageHandle, EFI_SYSTEM_TABLE *SystemTable) {
        (void)ImageHandle;

        SystemTable->ConOut->SetAttribute(SystemTable->ConOut,
                EFI_TEXT_ATTR(EFI_YELLOW,EFI_GREEN));

        SystemTable->ConOut->ClearScreen(SystemTable->ConOut);

        SystemTable->ConOut->OutputString(SystemTable->ConOut, u"Hello, World!\r\n\r\n");

        SystemTable->ConOut->SetAttribute(SystemTable->ConOut,
                        EFI_TEXT_ATTR(EFI_RED,EFI_BLACK));
        SystemTable->ConOut->OutputString(SystemTable->ConOut,
                        u"Press any key to shutdown...");
        EFI_INPUT_KEY key;
        while (SystemTable->ConIn->ReadKeyStroke(SystemTable->ConIn,&key) != EFI_SUCCESS)
                ;
        SystemTable->RuntimeServices->ResetSystem(EfiResetShutdown, EFI_SUCCESS, 0, NULL);

        return EFI_SUCCESS;
}

makefile编写

• 编写好着两个代码后，我们就可以创建一个makefile，向该文件写入如下内容，其中--subsystem,10这个参数需要在MinGW 链接器版本在v2.36版本及以上才能使用：

gcc:
        x86_64-w64-mingw32-gcc efi.c \
        -std=c17   \
        -Wall      \
        -Wextra    \
        -Wpedantic \
        -mno-red-zone \
        -ffreestanding \
        -nostdlib \
        -Wl,--subsystem,10 \
        -e efi_main \
        -o BOOTX64.EFI

其他步骤

• 编译好后我们就会生成一个BOOTX64.EFI这个PE文件

• 然后我们将使用cp命令，将BOOTX64.EFI这个文件复制一份到UEFI-GPT-image-creator这个目录下

cp ./BOOTX64.EFI ./UEFI-GPT-image-creator/

• 然后我们进入到UEFI-GPT-image-creator文件下，使用./write_gpt，就可以将BOOTX64.EFI写入到GPT格式的磁盘中。

• 之后我们就使用sh脚本，运行qemu来模拟UEFI的运行

#!/bin/sh
qemu-system-x86_64 \
-drive format=raw,unit=0,file=test.hdd \
-bios ../bios64.bin \
-m 256M \
-vga std \
-name TESTOS \
-machine q35 \
-net none

• 运行后具体效果如下：

efi.h和efi.c详解

• 按顺序我们应该先搞清楚efi.h这个文件中的内容，然后再搞清楚efi.c中的内容。