【UEFI基础】UEFI变量基础2

淡淡的烟草味﹌ 2023-10-01 19:13 76阅读 0赞

说明

之前已经写过一篇变量相关的文章【UEFI基础】UEFI变量基础，该文章使用的是模拟的变量，而本文更接近于实际的变量模块。

环境设置

为了测试BIOS的变量功能，需要修改QEMU的启动选项，如下所示：

  1. qemu-system-x86_64 -machine q35,smm=on -drive format=raw,file=disk.img -drive if=pflash,format=raw,unit=0,file=OVMF.fd -net nic -net tap,ifname=tap0 -serial stdio  >> log.txt

重点是增加了if=pflash,format=raw,unit=0,file=OVMF.fd，表示一个SPI Flash芯片。这样就可以通过变量驱动来修改其中的变量区域，而使用-bios参数是达不到这个目的的。

下面是使用上述命令执行一遍OVMF之后其二进制的变化：

在这里插入图片描述

左边是原始的OVMF.fd，右边是执行一次BIOS之后的OVMF.fd，可以看到整个二进制发生了变化，由于变量区就在二进制的开头，所以能够直接捕捉到，而变化的部分就是设置的变量。

模块

OVMF下BIOS开发涉及的模块如下：

  1. INF  OvmfPkg/QemuFlashFvbServicesRuntimeDxe/FvbServicesRuntimeDxe.inf
  2. INF  OvmfPkg/EmuVariableFvbRuntimeDxe/Fvb.inf
  3. INF  MdeModulePkg/Universal/FaultTolerantWriteDxe/FaultTolerantWriteDxe.inf
  4. INF  MdeModulePkg/Universal/Variable/RuntimeDxe/VariableRuntimeDxe.inf

其中FvbServicesRuntimeDxe.inf有一个优先执行的配置，所以它会是上述模块中第一个执行的。

  1. APRIORI DXE {
  3.   INF  MdeModulePkg/Universal/DevicePathDxe/DevicePathDxe.inf
  4.   INF  MdeModulePkg/Universal/PCD/Dxe/Pcd.inf
  5.   INF  OvmfPkg/AmdSevDxe/AmdSevDxe.inf
  6. !if $(SMM_REQUIRE) == FALSE
  7.   INF  OvmfPkg/QemuFlashFvbServicesRuntimeDxe/FvbServicesRuntimeDxe.inf
  8. !endif
  9. }

当前使用的是非SMM下的变量存储，所以涉及的是上述的模块，如果是SMM下模块会有所不同。这里暂时只讨论非SMM下的情况。

关于模块的依赖关系说明：































模块 依赖 输出
FvbServicesRuntimeDxe.inf NA gEfiFirmwareVolumeBlockProtocolGuid
gEfiDevicePathProtocolGuid
Fvb.inf NA gEfiFirmwareVolumeBlock2ProtocolGuid
gEfiDevicePathProtocolGuid
FaultTolerantWriteDxe.inf gEfiFirmwareVolumeBlockProtocolGuid
gEfiRuntimeArchProtocolGuid		 gEfiFaultTolerantWriteProtocolGuid
VariableRuntimeDxe.inf NA gEdkiiVariableLockProtocolGuid
gEdkiiVarCheckProtocolGuid
gEfiVariableArchProtocolGuid
gEdkiiVariablePolicyProtocolGuid
gEfiVariableWriteArchProtocolGuid

需要注意gEfiFirmwareVolumeBlockProtocolGuid和gEfiFirmwareVolumeBlock2ProtocolGuid两个的GUID值是一样的：

  1. ## Include/Protocol/FirmwareVolumeBlock.h
  2.   gEfiFirmwareVolumeBlockProtocolGuid = {
  3.      0x8f644fa9, 0xe850, 0x4db1, {
  4.     0x9c, 0xe2, 0xb, 0x44, 0x69, 0x8e, 0x8d, 0xa4 } }
  5.   ## Include/Protocol/FirmwareVolumeBlock.h
  6.   gEfiFirmwareVolumeBlock2ProtocolGuid = {
  7.      0x8f644fa9, 0xe850, 0x4db1, {
  8.     0x9c, 0xe2, 0xb, 0x44, 0x69, 0x8e, 0x8d, 0xa4 } }

所以FvbServicesRuntimeDxe.inf和Fvb.inf应该是为了同样的目标。直接情况中Fvb.inf并没有完全执行，查看日志可以看到：

  1. Loading driver at 0x00007AD6000 EntryPoint=0x00007AD6384 EmuVariableFvbRuntimeDxe.efi
  2. InstallProtocolInterface: BC62157E-3E33-4FEC-9920-2D3B36D750DF 70B3E98
  3. ProtectUefiImageCommon - 0x70B3B40
  4.   - 0x0000000007AD6000 - 0x0000000000003C60
  5. EMU Variable FVB Started
  6. Disabling EMU Variable FVB since flash variables appear to be supported.
  7. Error: Image at 00007AD6000 start failed: Aborted

对应的代码是：

  1. if (PcdGet64 (PcdFlashNvStorageVariableBase64) != 0) {
  3.     DEBUG ((DEBUG_INFO, "Disabling EMU Variable FVB since "
  4.                         "flash variables appear to be supported.\n"));
  5.     return EFI_ABORTED;
  6.   }

之所以PcdGet64 (PcdFlashNvStorageVariableBase64)的值是0，是因为在先执行的FvbServicesRuntimeDxe.inf模块中有：

  1. VOID
  2. SetPcdFlashNvStorageBaseAddresses (
  3.   VOID
  4.   )
  5. {
  7.   RETURN_STATUS PcdStatus;
  9.   //
  10.   // Set several PCD values to point to flash
  11.   //
  12.   PcdStatus = PcdSet64S (
  13.     PcdFlashNvStorageVariableBase64,
  14.     (UINTN) PcdGet32 (PcdOvmfFlashNvStorageVariableBase)  // 只是0xFFC00000
  15.     );
  16.  // 后面略
  17. }

在UEFI Shell下可以查看0xFFC00000这个地址，它就映射到了Flash的变量区域：

在这里插入图片描述

进一步的可以看到这段地址有特殊的映射：

在这里插入图片描述

这里会在后续的代码分析中看到。

所以，我们需要关注的模块主要是如下的三个（没有开SMM的情况下）：

  1. FvbServicesRuntimeDxe.inf
  2. FaultTolerantWriteDxe.inf
  3. VariableRuntimeDxe.inf

以上模块的执行顺序也是1 -> 2 -> 3。

FvbServicesRuntimeDxe.inf

模块的入口是FvbInitialize()，其大致流程如下：

QemuFlashInitialize

为全局mFvbModuleGlobal分配Runtime内存

通过Flash基址找到变量区的FV

InitializeVariableFvHeader

GetFvbInfo

初始化mFvbModuleGlobal中的FvInstance

初始化EFI_FW_VOL_BLOCK_DEVICE其中包含了EFI_FIRMWARE_VOLUME_BLOCK_PROTOCOL

安装EFI_FIRMWARE_VOLUME_BLOCK_PROTOCOL

设置变量区的内存属性

设置变量区基址到PCD阻止Fvb.inf模块运行

设置gEfiEventVirtualAddressChangeGuid回调函数

使能PcdOvmfFlashVariablesEnable

EFI_FIRMWARE_VOLUME_BLOCK_PROTOCOL的结构体定义如下：

  1. ///
  2. /// The Firmware Volume Block Protocol is the low-level interface
  3. /// to a firmware volume. File-level access to a firmware volume
  4. /// should not be done using the Firmware Volume Block Protocol.
  5. /// Normal access to a firmware volume must use the Firmware
  6. /// Volume Protocol. Typically, only the file system driver that
  7. /// produces the Firmware Volume Protocol will bind to the
  8. /// Firmware Volume Block Protocol.
  9. ///
  10. struct _EFI_FIRMWARE_VOLUME_BLOCK_PROTOCOL{
  12.   EFI_FVB_GET_ATTRIBUTES        GetAttributes;
  13.   EFI_FVB_SET_ATTRIBUTES        SetAttributes;
  14.   EFI_FVB_GET_PHYSICAL_ADDRESS  GetPhysicalAddress;
  15.   EFI_FVB_GET_BLOCK_SIZE        GetBlockSize;
  16.   EFI_FVB_READ                  Read;
  17.   EFI_FVB_WRITE                 Write;
  18.   EFI_FVB_ERASE_BLOCKS          EraseBlocks;
  19.   ///
  20.   /// The handle of the parent firmware volume.
  21.   ///
  22.   EFI_HANDLE                    ParentHandle;
  23. };

里面包含了读写操作，它们是变量操作的底层实现。在UEFI Shell下通过gEfiFirmwareVolumeBlockProtocolGuid来查看Protocol，代码如下：

  1. Status = gBS->LocateHandleBuffer (
  2.                 ByProtocol,
  3.                 &gEfiFirmwareVolumeBlockProtocolGuid,
  4.                 NULL,
  5.                 &Count,
  6.                 &Handles
  7.                 );
  8.   if (EFI_ERROR (Status) || (0 == Count)) {
  10.     Print (L"No FVB found!\n");
  11.     return;
  12.   } else {
  14.     Print (L"%d FVB(s) found!\n", Count);
  15.     Print (L"-----------------------------------\n");
  16.   }
  18.   for (Index = 0; Index < Count; Index++) {
  20.     Status = gBS->HandleProtocol (
  21.                   Handles[Index],
  22.                   &gEfiFirmwareVolumeBlockProtocolGuid,
  23.                   (VOID **) &Fvb
  24.                   );
  25.     if (EFI_ERROR (Status)) {
  27.       continue;
  28.     }
  30.     Print (L"FVB%d:\n", Index);
  32.     Status = Fvb->GetPhysicalAddress (Fvb, &Address);
  33.     if (!EFI_ERROR (Status)) {
  35.       Print (L"  Address: 0x%016x\n", Address);
  36.     }
  37.   }

执行结果如下：

在这里插入图片描述

这里的地址通过如下的结构体来描述：

  1. typedef struct {
  3.   UINTN                       FvBase;
  4.   UINTN                       NumOfBlocks;
  5.   EFI_FIRMWARE_VOLUME_HEADER  VolumeHeader;
  6. } EFI_FW_VOL_INSTANCE;
  8. typedef struct {
  10.   UINT32              NumFv;
  11.   EFI_FW_VOL_INSTANCE *FvInstance;
  12. } ESAL_FWB_GLOBAL;
  14. extern ESAL_FWB_GLOBAL *mFvbModuleGlobal;

模块中有一个全局的变量mFvbModuleGlobal，它包含一个指针，指向了各个FV模块的基址和大小，每个FV都对应创建一个EFI_FW_VOL_BLOCK_DEVICE，里面包含了EFI_FW_VOL_BLOCK_DEVICE，由此构成了Firmware Volume Block的基本信息和基本操作。具体的地址是可以根据实际情况定制的，本例中就是上图的值。

设置变量区的内存属性这一步就是前面提到的变量区特殊MMIO的来源。从上面的示例中也可以看到0xFFC00000这个地址（另外的一个地址来自MdeModulePkg\Core\Dxe\FwVolBlock\FwVolBlock.c，这里不多作介绍）。

设置gEfiEventVirtualAddressChangeGuid回调函数这里的回调函数保证了在Runtime的时候Flash操作还是可用的。

关于Flash的底层操作这里就不介绍了，因为它本来就是通过QEMU实现的，真正的开发当中是不会用到的。

FaultTolerantWriteDxe.inf

模块的入口是FaultTolerantWriteInitialize()，大致的流程：

InitFtwDevice

注册安装gEfiFirmwareVolumeBlockProtocolGuid之后的回调函数

从前面的模块分析中已经看到gEfiFirmwareVolumeBlockProtocolGuid是在FvbServicesRuntimeDxe.inf模块中安装的，而这个模块会先于FaultTolerantWriteDxe.inf运行，所以虽说是回调，但是因为gEfiFirmwareVolumeBlockProtocolGuid已经安装了，所以会在模块中直接执行。该回调函数的主要作用是安装gEfiFaultTolerantWriteProtocolGuid对应的Protocol。

该模块另一个重要的工作就是初始化EFI_FTW_DEVICE结构体：

  1. //
  2. // EFI Fault tolerant protocol private data structure
  3. //
  4. typedef struct {
  6.   UINTN                                   Signature;
  7.   EFI_HANDLE                              Handle;
  8.   EFI_FAULT_TOLERANT_WRITE_PROTOCOL       FtwInstance;
  9.   EFI_PHYSICAL_ADDRESS                    WorkSpaceAddress;   // Base address of working space range in flash.
  10.   EFI_PHYSICAL_ADDRESS                    SpareAreaAddress;   // Base address of spare range in flash.
  11.   UINTN                                   WorkSpaceLength;    // Size of working space range in flash.
  12.   UINTN                                   NumberOfWorkSpaceBlock; // Number of the blocks in work block for work space.
  13.   UINTN                                   WorkBlockSize;      // Block size in bytes of the work blocks in flash
  14.   UINTN                                   SpareAreaLength;    // Size of spare range in flash.
  15.   UINTN                                   NumberOfSpareBlock; // Number of the blocks in spare block.
  16.   UINTN                                   SpareBlockSize;     // Block size in bytes of the spare blocks in flash
  17.   EFI_FAULT_TOLERANT_WORKING_BLOCK_HEADER *FtwWorkSpaceHeader;// Pointer to Working Space Header in memory buffer
  18.   EFI_FAULT_TOLERANT_WRITE_HEADER         *FtwLastWriteHeader;// Pointer to last record header in memory buffer
  19.   EFI_FAULT_TOLERANT_WRITE_RECORD         *FtwLastWriteRecord;// Pointer to last record in memory buffer
  20.   EFI_FIRMWARE_VOLUME_BLOCK_PROTOCOL      *FtwFvBlock;        // FVB of working block
  21.   EFI_FIRMWARE_VOLUME_BLOCK_PROTOCOL      *FtwBackupFvb;      // FVB of spare block
  22.   EFI_LBA                                 FtwSpareLba;        // Start LBA of spare block
  23.   EFI_LBA                                 FtwWorkBlockLba;    // Start LBA of working block that contains working space in its last block.
  24.   UINTN                                   NumberOfWorkBlock;  // Number of the blocks in work block.
  25.   EFI_LBA                                 FtwWorkSpaceLba;    // Start LBA of working space
  26.   UINTN                                   FtwWorkSpaceBase;   // Offset into the FtwWorkSpaceLba block.
  27.   UINTN                                   FtwWorkSpaceSize;   // Size of working space range that stores write record.
  28.   EFI_LBA                                 FtwWorkSpaceLbaInSpare; // Start LBA of working space in spare block.
  29.   UINTN                                   FtwWorkSpaceBaseInSpare;// Offset into the FtwWorkSpaceLbaInSpare block.
  30.   UINT8                                   *FtwWorkSpace;      // Point to Work Space in memory buffer
  31.   //
  32.   // Following a buffer of FtwWorkSpace[FTW_WORK_SPACE_SIZE],
  33.   // Allocated with EFI_FTW_DEVICE.
  34.   //
  35. } EFI_FTW_DEVICE;

FtwInstance就是前面安装的Protocol，其它的都是跟FV相关的信息，这里不再赘述。

本模块的作用从名字中就可以看出来，是为了写变量容错而实现的。它依赖于额外的变量存储空间，这在上述的结构体中也可以看出来。

VariableRuntimeDxe.inf

模块的入口是VariableServiceInitialize()，大致的流程：

安装gEdkiiVariableLockProtocolGuid

安装gEdkiiVarCheckProtocolGuid

给gRT中的变量函数赋值

安装gEfiVariableArchProtocolGuid

注册安装gEfiFaultTolerantWriteProtocolGuid时的回调函数

注册gEfiEventVirtualAddressChangeGuid回调函数

注册OnReadyToBoot回调函数

注册OnEndOfDxe回调函数

InitVariablePolicyLib

VarCheckRegisterSetVariableCheckHandler

安装gEdkiiVariablePolicyProtocolGuid

这里最重要的部分就是给gRT中的变量服务赋值了，并安装了gEfiVariableArchProtocolGuid，这样后续才可以开始使用这些服务函数。还有一些变量相关的Protocol和Policy的操作，这里不做赘述。

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