BIOS的BDS阶段解析

姜兴业

2023-12-01

1、概述

BDS全称：Boot Dev Select（启动设备选择)
主要功能是加载并连接驱动程序，管理并启动引导项。在引导操作系统之前会初始化设备（USB键盘鼠标，VGA设备等），然后通过Variable功能来控制启动顺序，根据启动策略加载对应的引导项，启动操作系统或应用程序。
BDS主要功能：
• 加载设备驱动程序
• 初始化控制台设备
• 创建引导启动项
• 启动操作系统或应用程序
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。例如，变量BootOrder定义了启动顺序，变量Boot###定义了各个启动项。
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。

2、如何进入BDS阶段

此模块为BDS阶段- BdsEntry生成主入口。当DxeCore分派此模块时，gEfiBdsArchProtocolGuid将被安装 ,包含BdsEntry接口。 DxeCore完成DXE阶段后，gEfiBdsArchProtocolGuid->BdsEntry将被调用。
通过方法BdsEntry();

• 构造函数安装 gEfiBdsArchProtocolGuid Protocol
• DxeMain.c
1. 文件最上面对gBS,gST,gRT全局变量进行初始化
2. DxeMain()
  //函数结尾调用
  gBds->Entry (gBds);
• BdsDxe.inf
MODULE_TYPE = DXE_DRIVER
ENTRY_POINT = BdsInitialize

3、BdsEntry()

3.1 代码流程

设置厂商及版本号
校验Variable,如果异常则进行删除
获取进度条时间
设置默认语言
前平台初始化
初始化热键服务
处理驱动程序
连接所有控制台设备
后平台初始化
获取启动菜单
判断是否进入Setup
等待按键按下，如果按键按下则，启动对应引导项
判断BootNext，如果不为空，则启动对应引导项
根据启动顺序依次尝试启动
要想理解BDS的启动流程，主要理解两部分 Connect Controller和Boot
Manger

3.2 Connect Controller

3.2.1 驱动初始化过程

硬件相关初始化（大部分在PEI阶段或DXE阶段进行）
前平台初始化中添加Driver####并更新DriverOrder
根据DriverOrder获取Driver####存储的DriverOption
根据DriverOption中的DevicePath进行Connect
加载DriverOption中DevicePath对应的Image，并运行该Image
Disconnect Controller All
连接控制台
Connect Controller All
连接控制台
后平台相关初始化，如串口等设备进行连接
•gBS->ConnectController()
• 排序
• 连接
将驱动安装到指定的设备控制器
• gBS->DisconnectController
将驱动从指定的设备控制器上卸载
.驱动初始化源码分析

|--> BdsEntry()
  |--> PlatformBootManagerBeforeConsole()            //前平台初始化
  |--> LoadOptions = EfiBootManagerGetLoadOptions()  //获取所有的DeviceOption
  |--> ProcessLoadOptions(LoadOptions)
      |--> for EfiBootManagerProcessLoadOption(LoadOptions)
            |--> EfiBootManagerConnectDevicePath(LoadOption->FilePath)  //Connect DevicePath
            |--> while
                   |--> BmGetNextLoadOptionBuffer(LoadOption->FilePath)      //Image
                   |--> gBS->LoadImage()
                   |--> gBS->StartImage()
       |--> EfiBootManagerDisconnectAll()
       |--> EfiBootManagerConnectAll()
|--> PlatformBootManagerAfterConsole()

3.2.2 优先级顺序

Context Override
参数传入的Image Handle
Platform Driver Override
gEfiPlatformDriverOverrideProtocolGuid->GetDriver(ImageHandle)
Driver Family Override
支持gEfiDriverFamilyOverrideProtocolGuid
Bus Specific Driver Override
BusSpecificDriverOverride->GetDriver(ImageHandle)
Driver Binding
其他
根据版本号排序
优先级排序源码分析

    |--> while 
      |--> if BusSpecificDriverOverride->GetDriver()
        |--> AddSortedDriverBindingProtocol(TRUE) // 函数内部进行递归
          |--> for
            |--> CoreHandleProtocol(DriverBinding)
            |--> if DriverBinding->ImageHandle == DriverBindingHandle
              |--> AddSortedDriverBindingProtocol(FALSE)
    |--> for AddSortedDriverBindingProtocol() // 5 添加剩下所有的
    |--> for 根据Version对最后添加的进行排序

3.2.3 连接设备控制器

在Start或Stop函数中执行Controller相关的一些初始化
在ControllerHandle下去安装一些Protocol去实现或管理Controller某些特定功能或数据
Start中通常不会执行硬件初始化的操作
硬件相关初始化动作，大部分都是在Pei Phase、Dxe 前期Non EFI Driver Model的Driver，初始化Processor、Chipset或Platform，当然有些也通过Oprom 或file in an EFI System Partition来进行初始化。
连接设备控制器源码分析

  |--> BdsEntry()
  |--> ProcessLoadOptions()
    |--> EfiBootManagerDisconnectAll()
    |--> EfiBootManagerConnectAll()
      |--> BmConnectAllDriversToAllControllers()
        |--> gBS->LocateHandleBuffer()
        |--> for gBS->ConnectController()
   
|--> CoreConnectController()
  |--> CoreConnectSingleController()
    |--> 排序
    |--> for
      |--> if DriverBinding->Supported() // 返回 Success
        |--> DriverBinding->Start()      // 一般用于安装 Protocol
  |--> if                                //判断是否有子控制器
    |--> CoreConnectController()         //递归调用

3.3 Boot Manger

概要：

3.3.1 BootManager运行流程

获取BootNext Variable
初始化平台恢复引导项
添加UEFIShell等引导项
获取Setup引导选项
添加Hotkey并注册CallBack
初始化Hotkey服务
删除无效的引导项
如果默认进入Setup，则启动该引导项
等待按键按下
如果有按键按下则启动按键对应引导选项
如果BootNext引导项存在，则启动该引导项
根据BootOrder获取引导选项
按照BootOrder中的顺序依次尝试启动
如果平台恢复选项启动，最后尝试启动平台恢复对应的启动引导选项

3.3.2 启动项与Hotkey

BdsEntry()

获取引导项
添加Key####
获取所有的Key####
将Key####中内容加入mBmHotkeyList链表
为Key####创建Callback
等待按键按下
启动 mBmHotkeyBootOption
BmHotkeyCallback()
获取当前按键对应引导项
引导项保存至 mBmHotkeyBootOption

|--> BdsEntry()
   |--> PlatformBootManagerBeforeConsole()           //前平台初始化
       |--> PlatformRegisterOptionsAndKeys()           
       |--> EfiBootManagerGetBootManagerMenu()       //获取Setup启动项  
       |--> EfiBootManagerAddKeyOptionVariable()     //添加key#### Variable
   |--> EfiBootManagerStartHotkeyService()           
   |--> BmGetKeyOptions()
       |--> for BmProcessKeyOption()
       |--> BmGenerateKeyShiftState()
       |--> InsertTailList(mBmHotkeyList)
       |--> BmRegisterHotkeyNotify()
          |-->RegisterKeyNotify(BmHotkeyCallback)   //注册callback
    |--> BdsWait()
        |--> while    
            |--> PlatformBootManagerWaitCallback()  //显示
            |--> BdsReadKeys()                   
        |--> EfiBootManagerHotkeyBoot()         
            |--> EfiBootManagerBoot(&mBmHotkeyBootOption)
     |--> BmHotkeyCallback()
        |--> EfiBootManagerVariableToLoadOption(Hotkey->BootOption, &mBmHotkeyBootOption)

3.3.3 如何添加引导项

添加 UEFI Shell 启动选项

根据gUefiShellFileGuid获取设备节点信息
创建新DevicePath，指向该节点
添加至Boot#### Variable，需要DevicePath和描述符，返回对应的Number
根据Number设置 Key#### Variable
根据Key####中的Opation注册Callback函数
Callback中根据Number获取的BootOption并记录在全局变量中
如果有按键按下则启动全局变量中的BootOption选项

添加 FileSystem 启动选项

获取所有的 BlockIo Protocol 对应的 Handle
依次获取 BlockIo Protocol
跳过逻辑分区
跳过 Fixed Block IO 和可移动设备（USB，移动硬盘）
获取当前BlockHandle对应的设备路径类型

//ACPI boot type
#define  BDS_EFI_ACPI_FLOPPY_BOOT         0x0201
//Message boot type
#define  BDS_EFI_MESSAGE_ATAPI_BOOT       0x0301 // Type 03; Sub-Type 01
#define  BDS_EFI_MESSAGE_SCSI_BOOT        0x0302 // Type 03; Sub-Type 02
#define  BDS_EFI_MESSAGE_USB_DEVICE_BOOT  0x0305 // Type 03; Sub-Type 05
#define  BDS_EFI_MESSAGE_SATA_BOOT        0x0312 // Type 03; Sub-Type 18
#define  BDS_EFI_MESSAGE_MAC_BOOT         0x030b // Type 03; Sub-Type 11
#define  BDS_EFI_MESSAGE_MISC_BOOT        0x03FF
//Media boot type
#define  BDS_EFI_MEDIA_HD_BOOT            0x0401 // Type 04; Sub-Type 01
#define  BDS_EFI_MEDIA_CDROM_BOOT         0x0402 // Type 04; Sub-Type 02
//BBS boot type
#define  BDS_LEGACY_BBS_BOOT              0x0501 //  Type 05; Sub-Type 01
#define  BDS_EFI_UNSUPPORT                0xFFFF

初始化BootOption并加入BootOptions数组
获取所有的SimpleFileSystemProtocol对应的Handle
依次获取 SimpleFileSystemProtocol对应的IO设备
如果文件系统中可以搜索到.\EFI\BOOT\boot.efi 文件系统启动设备，加入BdsBootOptionList启动项
搜索包含PXE启动项的文件系统，加入到BdsBootOptionLis链表
核实是否有shell启动项，加入链表

3.3.4 如何启动引导项

引导流程

搜索该选项是否存在
设置BootCurrent
gBS->LocateDevicePath(Handle)
gBS->ConnectController(Handle)
FileBuffer = BmGetNextLoadOptionBuffer(BootOption->FilePath) //获取引导文件
gBS->LoadImage() //加载Image
gBS->SetWatchdogTimer() //开启看门狗
gBS->StartImage() //启动Image
gBS->SetWatchdogTimer() //关闭看门狗
gRT->SetVariable() //删除BootCurrent Variable