《UEFI内核导读》UEFI Firmware Storage简介

本文介绍了UEFI固件如何存储在非易失性存储器,特别是固件仓库(FD)和逻辑设备FV(Firmware Volume)。固件设备可以通过NorFlash进行分区,而FV作为基本管理单元,使用GUID进行区分。Firmware File由GUID命名,包含文件类型和大小等属性,可借助UEFI服务进行访问。Firmware File Section是文件的最小构成,由类型和大小定义。文章还提到了FFS PI的Firmware File和Section类型。

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          UEFI固件一般存储在被称之为“固件仓库”的非易失性存储器中,简称为FD(固件设备),当前主流的存储介质是NorFlash它拥有非易失性、XIP以及可二次编程的特性。

        固件设备可以分为物理设备和逻辑设备,一个NorFlash固件设备可以被划分为多个逻辑设备FV(Firmware Volume),同理多个物理固件设备也可以组成更大的逻辑设备,FV是最基本的“固件设备”管理单元,被称之为FFS(Firmware File System)。FV以唯一的GUID来区分,同时它会有不同的类型如FFS2或FFS3,以及对其读写控制的其他的属性。FD组织方式是:Section->Firmware File->FV->FD,下文分别介绍。

        Firmware File:用来存储代码或数据,在FV当中它是由GUID来唯一命名,具有文件类型、存储对齐方式、文件大小等属性。UEFI提供了基本的服务来访问Fireware File,在PEI阶段用EFI_PEI_SERVICES->(FfsFindNextFile, FfsFindFileByName、FfsGetFileInfo),在DXE阶段用EFI_FIRMWARE_VOLUME2_PROTOCOL->(ReadFile, ReadSection、WriteFile、GetNextFile), 或EFI_BOOT_SERVICES->LoadImage()。

        Firmware File Section:组成Firmware File的最小单元,由2个最基本的属性,一个是类型,另一个是所占用的存储空间大小。UEFI提供了基本的服务来访问Fireware File Section,在PEI阶段用EFI_PEI_SERVICES->FfsFindSectionData,在DXE阶段用EFI_FIRMWARE_VOLUME2_PROTOCOL->ReadSection

FFS PI Firmware File Types:

PI File Type

Value

Mnemonic

EFI_FV_FILETYPE_RAW

0x01

Binary data

EFI_FV_FILETYPE_FREEFORM

0x02

Sectioned data

EFI_FV_FILETYPE_SECURITY_CORE

0x03

Platform core code used during the SEC phase

EFI_FV_FILETYPE_PEI_CORE

0x04

PEI Foundation

EFI_FV_FILETYPE_DXE_CORE

0x05

DXE Foundation

EFI_FV_FILETYPE_PEIM

0x06

PEI module (PEIM)

EFI_FV_FILETYPE_DRIVER

0x07

DXE driver

EFI_FV_FILETYPE_COMBINED_PEIM_DRIVER

0x08

Combined PEIM/DXE driver

EFI_FV_FILETYPE_APPLICATION

0x09

Application

EFI_FV_FILETYPE_MM

0x0A

Contains a PE32+ image that will be loaded into MMRAM in MM Traditional Mode.

EFI_FV_FILETYPE_FIRMWARE_VOLUME_IMAGE

0x0B

Firmware volume image

EFI_FV_FILETYPE_COMBINED_MM_DXE

0x0C

Contains PE32+ image that will be dispatched by the DXE Dispatcher and will also be loaded into MMRAM in MM Tradition Mode.

EFI_FV_FILETYPE_MM_CORE

0x0D

MM Foundation that support MM Traditional Mode

EFI_FV_FILETYPE_MM_STANDALONE

0x0E

Contains a PE32+ image that will be loaded into MMRAM in MM Standalone Mode.

EFI_FV_FILETYPE_MM_CORE_STANDALONE

0x0F

MM Foundation that support MM Tradition Mode and MM Standalone Mode

EFI_FV_FILETYPE_OEM_MIN… EFI_FV_FILETYPE_OEM_MAX

0xC0-0xDF

OEM File Types

EFI_FV_FILETYPE_DEBUG_MIN… EFI_FV_FILETYPE_DEBUG_MAX

0xE0- 0xEF

Debug/Test File Types

EFI_FV_FILETYPE_FFS_MIN… EFI_FV_FILETYPE_FFS_MAX

0xF0- 0xFF

Firmware File System Specific File Types

EFI_FV_FILETYPE_FFS_PAD

0xF0

Pad File For FFS

FFS PI Section Types:

PI Section Type

Value

Mnemonic

EFI_SECTION_COMPRESSION

0x01

Encapsulation section where other sections are compressed

EFI_SECTION_GUID_DEFINED

0x02

Encapsulation section where other sections have format defined by a GUID

EFI_SECTION_DISPOSABLE

0x03

Encapsulation section used during the build process but not required for execution

EFI_SECTION_PE32

0x10

PE32+ Executable image.

EFI_SECTION_PIC

0x11

Position-Independent Code

EFI_SECTION_TE

0x12

Terse Executable image

EFI_SECTION_DXE_DEPEX

0x13

DXE Dependency Expression

EFI_SECTION_VERSION

0x14

Version, Text and Numeric.

EFI_SECTION_USER_INTERFACE

0x15

User-Friendly name of the driver

EFI_SECTION_COMPATIBILITY16

0x16

DOS-style 16-bit EXE

EFI_SECTION_FIRMWARE_VOLUME_IMAGE

0x17

PI Firmware Volume image

EFI_SECTION_FREEFORM_SUBTYPE_GUID

0x18

Raw data with GUID in header to define format

EFI_SECTION_RAW

0x19

Raw data

EFI_SECTION_PEI_DEPEX

0x1b

PEI Dependency Expression

EFI_SECTION_MM_DEPEX

0x1c

Leaf section type for determining the dispatch order for an MM Traditional driver in MM Traditional Mode or MM Standaline driver in MM Standalone Mode

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随着国家十四五新战略规划的推出,众多国内企业都参与到国产芯片替代浪潮中来,可以预测未来越多的国产芯片会被设计、生产和使用在我们日常所使用的电子产品中,国产芯片拥有巨大的市场前景。 目前国产芯片采用的体系架构主要有X86、ARM、MIPS、RISC V、PowerPC、Alpha等。我们知道电子产品正常工作必须要有操作系统和各种应用软件,没有操作系统和应用软件的芯片就是一堆废铁,而大多数人并不知道的是没有系统固件来加载操作系统的电脑亦是一堆废铁, UEFI就是由UEFI行业协会提出和维护一种行业标准的系统固件,它支持目前市面上的大多数芯片体系结构和操作系统,随着标准的不断演进相信越来越多的体系结构的芯片和操作系统会被支持。 笔者从事BIOS开发已有十余年的时间,见证了Legacy BIOS辉煌与隐退,也有幸了参与了新世纪初系统固件从Legacy BIOS往UEFI BIOS的迁移的全过程。科技行业风起云涌新技术新架构日新月异,每每回望不禁感慨我辈可谓是“眼见着他起高楼,眼见着他宴宾客”的那一波BIOS人。曾经系统固件江湖还是Legacy BIOS的天下,BIOS人使用汇编语言编码、通过中断来与操作系统沟通。自UEFI框架被广泛使以来开我们的发环境从纯汇编变成了99%的C语言加1%的汇编语言的模式,开发效率大大的加强了。 虽然UEFI框架大大加快了开发效率,但是由于系统固件开发属于比较偏门和专业的领域,学习和入门门槛比较高,现有的BIOS工程师又分布在大大小小的各个公司内部缺乏有效沟通和交流,同时BIOS源码又属于敏感和机密数据受到各种NDA限制,市面上对UEFI框架介绍的资料少之又少,因此笔者从2000左右开始就陆续以Cstyle_0x007为ID在https://blog.youkuaiyun.com/CStyle_0x007发布一系列博文,现已有数十篇原创文章。刚开始的想法是把博文当作工作笔记方便自己随时查阅,后来慢慢发展成了与业内外感兴趣的朋友的沟通交流的平台。 随手写的博文难免有错误与纰漏为了避免误导大众,准备把博文重新整理在纠正谬误同时也会补充一些新的内容,尽量做到所写的每句话都是无误的,也欢迎有兴趣的朋友踊跃提出意见和建议。组建了微信公众号,目的在于方便有兴趣的朋友一起交流,名字初步定为“固件C字营”,其中“固件”泛指一切固化的软件,这里主要指UEFI BIOS系统固件,“C”泛指“China“,我们可以把这里当作大家沟通交流的营地,我们会不定时发布一些行业资讯、工作、学习心得,感兴趣扫描下面二维码就可以加入,也可以发邮件到CstyleFirmWareCamp@outlook.com投稿分享你的想法。 本文取名《UEFI内核导读》这里的UEFI专指“UEFI BIOS”,全文专注于对UEFI内核的梳理与分享,同时兼顾对X86系统固件生态中常用的工程技术的介绍,主要包含以下内容:UEFI启动流程以及各个阶段主要完成的任务及参考的实现方式导读UEFI及PI规范中的常见Protocol的实现与使用技巧UEFI固件生态中常见外设、总线、行业标准的协议内容及使用方法 雄关漫道真如铁,而今迈步从头越,系统固件雄起之路道阻且长,相信我们的BIOS人一定可以为国产芯片的起飞助力、为系统固件团队的壮大贡献自己的一份微薄之力,为每一个不畏艰难、不惧寂寞坚守在工作岗位的BIOS人加油,好样的。
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