UEFI系统的启动过程

UEFI系统的启动遵循UEFI平台初始化（PlatformInitialization）标准。UEFI系统从加电到关机可分为7个阶段：

SEC（安全验证）→PEI（EFI前期初始化）→DXE（驱动执行环境）

→BDS（启动设备选择）→TSL（操作系统加载前期）

→RT（Run Time）

→AL（系统灾难恢复期）

图1-2展示了UEFI系统从加电到关机的7个阶段（以图中竖线为界）。

前三个阶段是UEFI初始化阶段，DXE阶段结束后UEFI环境已经准备完毕。

BDS和TSL是操作系统加载器作为UEFI应用程序运行的阶段。

操作系统加载器调用ExitBootServices()服务后进入RT阶段，RT阶段包括操作系统加载器后期和操作系统运行期。

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。

1.SEC阶段

SEC（Security Phase）阶段是平台初始化的第一个阶段，计算机系统加电后进入这个阶段。

（1）SEC阶段的功能

UEFI系统开机或重启进入SEC阶段，从功能上说，它执行以下4种任务。

1）接收并处理系统启动和重启信号：系统加电信号、系统重启信号、系统运行过程中的严重异常信号。

2）初始化临时存储区域：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没有被初始化，因而系统需要一些临时RAM区域，用于代码和数据的存取，我们将之称为临时RAM，以示与内存的区别。这些临时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Cahce，写缺失时不会向主存发出缺失事件，这种技术称为CAR（Cache As Ram）。

3）作为可信系统的根：作为取得对系统控制权的第一部分，SEC阶段是整个可信系统的根。SEC能被系统信任，以后的各个阶段才有被信任的基础。通常，SEC在将控制权转移给PEI之前，可以验证PEI。

4）传递系统参数给下一阶段（即PEI）：SEC阶段的一切工作都是为PEI阶段做准备，最终SEC要把控制权转交给PEI，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。

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）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）SEC阶段执行流程

上面介绍了SEC的功能，下面再来看看SEC的执行流程，如图1-3所示。

UEFI系统的启动过程（2）

以临时RAM初始化为界，SEC的执行又分为两大部分：临时RAM生效之前称为Reset Vector阶段，临时RAM生效后调用SEC入口函数从而进入SEC功能区。

其中Reset Vector的执行流程如下。

1）进入固件入口。

2）从实模式转换到32位平坦模式（包含模式）。

3）定位固件中的BFV（Boot Firmware Volume）。

4）定位BFV中的SEC映像。

5）若是64位系统，从32位模式转换到64位模式。

6）调用SEC入口函数。

下面的代码描述了从固件入口Reset Vector到SEC入口函数的执行过程：

在Reset Vector部分，因为系统还没有RAM，因而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。OneTimeCall是宏，用于模拟call指令。例如，宏调用OneTimeCall EarlyInit16，如图1-4所示。
进入SEC功能区后，首先利用CAR技术初始化栈，初始化IDT，初始化EFI_SEC_PEI_HAND_OFF，将控制权转交给PEI，并将EFI_SEC_PEI_HAND_OFF传递给PEI。

不同的硬件平台，SEC代码会有不同的实现方式，但大致执行过程相似。下面以OVMF（具体介绍参见第2章）为例，介绍SEC功能区的执行过程。

UEFI系统的启动过程（3）

2.PEI阶段

PEI（Pre-EFI Initialization）阶段资源仍然十分有限，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，将需要传递到DXE的信息组成HOB（Handoff Block）列表，最终将控制权转交到DXE手中。PEI执行流程如图1-5所示。

从功能上讲，PEI可分为以下两部分。

PEI 内核（PEI Foundation）：负责PEI基础服务和流程。

PEIM（PEI Module）派遣器：主要功能是找出系统中的所有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。

每个PEIM是一个独立的模块，模块的入口函数类型定义如下所示：

typedef EFI_STATUS(EFIAPI *EFI_PEIM_ENTRY_POINT2)(IN EFI_PEI_FILE_HANDLE FileHandle,IN CONST EFI_PEI_SERVICES **PeiServices);

通过PeiServices，PEIM可以使用PEI阶段提供的系统服务，通过这些系统服务，PEIM可以访问PEI内核。PEIM之间的通信通过PPI（PEIM-to-PEIM Interfaces）完成。
PPI与DXE阶段的Protocol类似，每个PPI是一个结构体，包含了函数指针和变量，例如：

struct _EFI_PEI_DECOMPRESS_PPI {EFI_PEI_DECOMPRESS_DECOMPRESS Decompress;}
extern EFI_GUID gEfiPeiDecompressPpiGuid;

每个PPI都有一个GUID。根据GUID，通过PeiServices的LocatePpi服务可以得到GUID对应的PPI实例。

UEFI的一个重要特点是其模块化的设计。模块载入内存后生成Image。Image的入口函数为_ModuleEntryPoint。PEI也是一个模块，PEI Image的入口函数_ModuleEntryPoint，位于MdePkg/Library/PeiCoreEntryPoint/PeiCoreEntryPoint.c。_ModuleEntryPoint最终调用PEI模块的入口函数PeiCore，位于MdeModulePkg/Core/Pei/PeiMain/PeiMain.c。进入PeiCore后，首先根据从SEC阶段传入的信息设置Pei Core Services，然后调用PeiDispatcher执行系统中的PEIM，当内存初始化后，系统会发生栈切换并重新进入PeiCore。重新进入PeiCore后使用的内存为我们所熟悉的内存。所有PEIM都执行完毕后，调用PeiServices的LocatePpi服务得到DXE IPL PPI，并调用DXE IPL PPI的Entry服务，这个Entry服务实际上是DxeLoadCore，它找出DXE Image的入口函数，执行DXE Image的入口函数并将HOB列表传递给DXE。

3.DXE阶段

DXE（Driver Execution Environment）阶段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。从程序设计的角度讲，DXE阶段与PEI阶段相似，执行流程如图1-6所示。

UEFI系统的启动过程（4）

与PEI类似，从功能上讲，DXE可分为以下两部分。

DXE内核：负责DXE基础服务和执行流程。

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表、启动服务、Run Time Services。

每个DXE驱动是一个独立的模块，模块入口函数类型定义为：

typedef EFI_STATUS(EFIAPI *EFI_IMAGE_ENTRY_POINT)(IN EFI_HANDLE ImageHandle, IN EFI_SYSTEM_TABLE *SystemTable);
DXE驱动之间通过Protocol通信。Protocol是一种特殊的结构体，每个Protocol对应一个GUID，利用系统BootServices的OpenProtocol，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Driver都执行完毕后，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BDS阶段。从本质上讲，BDS是一种特殊的DXE阶段的应用程序。

4.BDS阶段

BDS（Boot Device Selection）的主要功能是执行启动策略，其主要功能包括：

初始化控制台设备。

加载必要的设备驱动。

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。例如，变量BootOrder定义了启动顺序，变量Boot####定义了各个启动项（####为4个十六进制大写符号）。

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。

5.TSL阶段

TSL（Transient System Load）是操作系统加载器（OS Loader）执行的第一阶段，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Run Time阶段。

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。

6.RT阶段

系统进入RT（Run Time）阶段后，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，仅有UEFI运行时服务保留给OS Loader和OS使用。随着OS Loader的执行，OS最终取得对系统的控制权。

7.AL阶段

在RT阶段，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。