UEFI启动过程

UEFI背景介绍

UEFI（Unified Extensible Firmware Interface，统一可扩展固件接口）是一种现代化的固件接口标准，用于替代传统的BIOS（Basic Input/Output System）。UEFI提供了更强大的功能和灵活性，支持更大的硬盘、更快的启动速度以及更安全的启动过程。与BIOS相比，UEFI具有以下优势：

支持大容量硬盘：UEFI使用GPT（GUID分区表），支持超过2TB的硬盘。
更快的启动速度：UEFI通过并行初始化硬件设备，显著缩短了启动时间。
安全性增强：UEFI支持安全启动（Secure Boot），防止恶意软件在启动过程中加载。
模块化设计：UEFI采用模块化设计，便于扩展和更新。

UEFI启动过程从加电到关机分为7个阶段，每个阶段都有特定的任务和功能。以下是每个阶段的详细介绍。

UEFI启动过程的7个阶段

1. SEC（安全验证，Security Phase）

功能：
- 这是UEFI启动的第一个阶段，主要负责系统的初始化和安全验证。 - 在加电后，CPU从复位向量开始执行，首先进入SEC阶段。 - 该阶段的主要任务是验证固件的完整性和安全性，确保系统没有被恶意篡改。 - SEC阶段还会初始化一些关键的硬件资源，如CPU缓存和临时内存（Cache-as-RAM, CAR），以便后续阶段可以使用。

关键任务：
- 验证固件的完整性（如使用数字签名）。 - 初始化临时内存（CAR）。 - 为PEI阶段准备执行环境。

2. PEI（EFI前期初始化，Pre-EFI Initialization）

功能：
- PEI阶段的主要任务是初始化系统的关键硬件组件，如内存控制器、CPU和芯片组。 - 该阶段会加载和执行PEIM（PEI模块），这些模块负责初始化硬件并传递信息给后续阶段。 - PEI阶段还会检测和初始化系统内存，为DXE阶段提供可用的内存资源。

关键任务：
- 初始化内存控制器和系统内存。 - 加载和执行PEIM模块。 - 传递硬件信息给DXE阶段。

3. DXE（驱动执行环境，Driver Execution Environment）

功能：
- DXE阶段是UEFI启动过程中最复杂的阶段，负责加载和执行大量的驱动程序和服务。 - 该阶段会初始化系统中的大部分硬件设备，并为操作系统提供运行时服务。 - DXE阶段会加载DXE驱动程序，这些驱动程序负责初始化硬件设备（如显卡、存储设备、网络设备等）。 - 该阶段还会初始化UEFI的核心服务，如Boot Services和Runtime Services。

关键任务：
- 加载和执行DXE驱动程序。 - 初始化硬件设备。 - 提供UEFI Boot Services和Runtime Services。

4. BDS（启动设备选择，Boot Device Selection）

功能：
- BDS阶段的主要任务是选择合适的启动设备并加载操作系统。 - 该阶段会枚举系统中的所有启动设备（如硬盘、USB设备、网络设备等），并根据用户配置或默认设置选择启动设备。 - BDS阶段会加载操作系统的引导程序（如Windows的Bootmgr或Linux的GRUB），并将控制权交给引导程序。

关键任务：
- 枚举启动设备。 - 选择启动设备。 - 加载操作系统的引导程序。

5. TSL（操作系统前期加载，Transient System Load）

功能：
- TSL阶段是操作系统加载前的过渡阶段，负责为操作系统提供必要的运行时环境。 - 该阶段会继续提供UEFI Boot Services，直到操作系统完全加载并接管系统。 - 在操作系统加载过程中，UEFI Boot Services会被逐步关闭，操作系统会初始化自己的运行时环境。

关键任务：
- 提供UEFI Boot Services。 - 过渡到操作系统加载阶段。

6. RT（运行时，Runtime）

功能：
- RT阶段是操作系统运行时的阶段，UEFI的Runtime Services会继续为操作系统提供服务。 - 这些服务包括时间管理、硬件抽象、系统配置等。 - 在操作系统运行时，UEFI的Boot Services已经被关闭，但Runtime Services仍然可用。

关键任务：
- 提供UEFI Runtime Services。 - 支持操作系统的运行时需求。

7. AL（系统灾难恢复期，After Life）

功能：
- AL阶段是系统关机或出现灾难性错误后的恢复阶段。 - 该阶段负责处理系统的关机流程或灾难恢复操作。 - 在系统关机时，UEFI会执行一些清理操作，确保系统安全关闭。 - 如果系统出现严重错误，UEFI可能会尝试恢复系统或提供错误信息以便诊断。

关键任务：
- 处理系统关机流程。 - 灾难恢复操作。

UEFI启动过程从加电到关机分为7个阶段，每个阶段都有特定的任务和功能。这些阶段共同协作，确保系统能够安全、可靠地启动并运行操作系统。UEFI的设计使得系统启动过程更加模块化和灵活，支持更多的硬件设备和操作系统。

UEFI映像、应用程序、引导加载器及Rust开发

UEFI映像

UEFI映像是指符合UEFI规范的可执行文件，通常以.efi为扩展名。这些映像可以是操作系统引导加载器、驱动程序或应用程序。UEFI映像的特点包括：

PE/COFF格式：UEFI映像采用Windows的可移植可执行文件（PE/COFF）格式，确保跨平台兼容性。
独立运行：UEFI映像可以直接在UEFI环境中运行，无需操作系统的支持。
模块化设计：UEFI映像通常以模块化的方式设计，便于扩展和维护。

常见的UEFI映像包括： - 引导加载器：如Windows的bootmgfw.efi或Linux的grubx64.efi。 - 驱动程序：如硬盘控制器驱动或网络驱动。 - 应用程序：如系统配置工具或诊断工具。

UEFI应用程序

UEFI应用程序是运行在UEFI环境下的独立程序，通常用于系统配置、硬件诊断或引导管理。UEFI应用程序的特点包括：

直接访问硬件：UEFI应用程序可以直接访问硬件资源，如内存、存储设备和网络接口。
使用UEFI服务：UEFI应用程序可以通过UEFI Boot Services和Runtime Services与系统交互。
独立于操作系统：UEFI应用程序在操作系统加载之前运行，适用于系统初始化或故障排查。

常见的UEFI应用程序包括： - Shell应用程序：如UEFI Shell，提供命令行界面以执行脚本或加载其他映像。 - 诊断工具：如内存测试工具或硬件信息查看工具。 - 引导管理器：如bcfg命令，用于配置启动项。

UEFI引导加载器

UEFI引导加载器是负责加载操作系统的UEFI映像。它的主要任务包括：

加载操作系统内核：从启动设备中读取操作系统内核并将其加载到内存中。
传递启动参数：将必要的启动参数（如内存布局、硬件信息）传递给操作系统。
支持多操作系统：通过启动菜单或配置文件支持多个操作系统的引导。

常见的UEFI引导加载器包括： - Windows Boot Manager：用于加载Windows操作系统。 - GRUB：用于加载Linux操作系统。 - rEFInd：用于加载多种操作系统，支持图形化界面。

Rust在UEFI开发中的使用

Rust是一种现代系统编程语言，具有内存安全和并发安全的特性，非常适合用于UEFI开发。以下是Rust在UEFI开发中的关键点：

1. 入口点

在Rust中编写UEFI应用程序时，需要定义一个符合UEFI规范的入口点函数。通常使用#[no_mangle]和extern "efiapi"来确保函数符合UEFI的调用约定。

示例：

#[no_mangle]
pub extern "efiapi" fn efi_main(image_handle: uefi::Handle, system_table: *mut uefi::SystemTable) -> uefi::Status {
    // 初始化UEFI服务
    uefi_services::init(&system_table).unwrap();

    // 打印Hello World
    println!("Hello, UEFI World!");

    uefi::Status::Success
}

2. OVMF固件制作

OVMF（Open Virtual Machine Firmware）是一个开源的UEFI固件实现，支持在虚拟机中运行UEFI应用程序。Rust开发者可以使用OVMF进行开发和测试。

编译OVMF：从源码编译OVMF固件，或直接下载预编译的二进制文件。

配置虚拟机：将OVMF固件配置为虚拟机的BIOS，并加载UEFI应用程序进行测试。

3. Protocol的概念

在UEFI中，Protocol是一种接口或服务，用于访问硬件或系统功能。Rust通过uefi-rs库提供了对UEFI Protocol的支持。

示例：

use uefi::proto::console::text::Output;

fn main() {
    let stdout = system_table.stdout();
    stdout.clear_screen().unwrap();
    stdout.output_string("Hello, UEFI Protocol!").unwrap();
}

UEFI图形界面

UEFI支持图形化界面（Graphical User Interface, GUI），称为UEFI图形输出协议（GOP，Graphics Output Protocol）。通过GOP，UEFI可以在启动过程中显示图形界面，提供更友好的用户体验。

1. 图形输出协议（GOP）

GOP是UEFI中用于管理图形输出的协议，支持以下功能：

设置显示模式：设置分辨率、颜色深度等显示参数。

绘制图形：支持绘制像素、线条、矩形等基本图形。

显示文本：支持在图形模式下显示文本。

2. 图形化引导管理器

一些UEFI实现（如rEFInd）支持图形化引导管理器，提供以下功能：

启动菜单：以图形化方式显示可用的操作系统或启动项。

图标和背景：支持自定义图标和背景图片，提升用户体验。

鼠标支持：支持鼠标操作，方便用户选择启动项。

3. 开发图形化UEFI应用程序

开发者可以使用GOP开发图形化UEFI应用程序，例如：

系统配置工具：提供图形化界面以配置系统设置。

诊断工具：以图形化方式显示硬件信息或测试结果。

引导管理器：提供图形化启动菜单。

示例（伪代码）：

use uefi::proto::console::graphics::GraphicsOutput;

fn main() {
    let gop = system_table.locate_protocol::<GraphicsOutput>().unwrap();
    gop.set_mode(0).unwrap(); // 设置显示模式
    gop.clear_screen(Color::Blue).unwrap(); // 清屏并设置背景颜色
    gop.draw_text(100, 100, "Hello, UEFI GUI!").unwrap(); // 显示文本
}

使用Rust开发操作系统(UEFI基本介绍)