摘要

Linux 启动初期需要调用UEFI提供BootServices和调用exit_boot_services 之后UEFI runtime services。目前linux 内核也都把CONFIG_EFI_MIXED开关打开了，目的是支持64bit kernel 调用32bits UEFI services. 这篇博客主要介绍64bits linux 开机初期调用UEFI boot services 相关调用约定的转换代码。至于kernel 调用uefi runtime services 涉及到地址转换，页表的变化，workqueue，lock，等问题会在后面博客介绍。

Linux 调用UEFI function 时候调用约定的转换

在Linux 下如果要调用UEFI 提供的函数相当于调用一个ABI，那么就会涉及到参数如何传递的问题。UEFI 默认用的MS 64bit ABI 调用约定，Linux 调用函数的时候是用的GCC 调用约定，所以在Linux 下调用UEFI 函数，需要一个转换函数，把linux calling convention 转换成UEFI calling convention

calling convention 相关代码参考 arch/x86/platform/efi/efi_stub_64.S efi_call
64bits kernel 调用32bits UEFI services 相关代码参考efi_thunk_64.S

64bits calling convention

这节主要内容翻译与Microsoft Doc 文档，原文链接如下

https://docs.microsoft.com/en-us/cpp/build/x64-calling-convention?view=msvc-160
https://docs.microsoft.com/en-us/cpp/cpp/fastcall?view=msvc-160

因为UEFI也是用的Microsoft default Calling convention,所以为了兼容不同编译器，我们可以看到UEFI function 都会有一个EFIAPI 这个标识符，这个EFIAPI 在GCC 编译器下定义为 -DEFIAPI = __attribute__((ms_abi)) ，目的就是让GCC按照Microsoft 默认的ABI 调用约定。

Microsoft calling convention

Microsoft x64 Application Binary Interface(ABI) 默认用了一个four-register fast-call 调用约定，并且调用者在栈上申请内存为了让被调用者去存放这些寄存器（这个申请的栈空间也叫shadow store）这些后面会有代码演示，这种调用关系有一个限制，这个限制就是参数的大小要和寄存器大小匹配，比如寄存器大小有1,2,4, 8 bytes，如果参数大小超过个字节，那么要用一个指针去引用这个参数，一个参数不能跨越多个寄存器。所有的浮点型参数都是用的16bits XMM 寄存器。整数参数用RCX,RDX,R8,and R9。浮点型参数用XMM0L,XMM1L,XMM2L,and XMM3L. 参数大于４个时候从右往左依次压栈。

参数类型	第五个或者更高	第四个	第三个	第二个	第一个
浮点型	栈	XMM0L	XMM1L	XMM2L	XMM3L
整形	栈	RCX	RDX	R8	R9

参数传递例子１－全是整形的参数

func1(int a, int b, int c, int d, int e, int f)
// a in RCX, b in RDX, c in R8, d in R9
// push f
// push e

参数传递例子2－全是浮点的参数

func2(float a, float b, float c, float d, float e, float f)
// a in XMM0, b in XMM1, c in XMM2, d in XMM3
// push f
// push e

参数传递例子3－整型，浮点型参数

func3(int a, double b, int c, float d, int e, float f)
// a in RCX, b in XMM1, c in R8, d in XMM3
// push f
// push e

GCC x64 calling convention

和Ｍicrosoft 类似但是有一点点区别，GCC用的是six-register 调用约定，对于大于６个的的参数也是从右往左压栈，对于前四个整形参数依次从左到右的顺序是rdi,rsi,rdx,rcx,r8,r9 ;浮点型也是用的XMM 寄存器，差别暂且略过。

刚刚有提到shadow store那么可以通过一个例子看看什么是shadow store，还有函数对于压栈的参数如何获取，这里已GCC 为例

//test.c
func1(int a, int b, int c, int d, int e, int f, int g)
{a++;g++;
}
int main()
{func1(1,2,3,4,5,6,7);
}
//gcc test.c -o test
// objdump -d test0000000000401102 <func1>:401102:       55                      push   %rbp401103:       48 89 e5                mov    %rsp,%rbp401106:       89 7d fc                mov    %edi,-0x4(%rbp)401109:       89 75 f8                mov    %esi,-0x8(%rbp)40110c:       89 55 f4                mov    %edx,-0xc(%rbp)40110f:       89 4d f0                mov    %ecx,-0x10(%rbp)401112:       44 89 45 ec             mov    %r8d,-0x14(%rbp)401116:       44 89 4d e8             mov    %r9d,-0x18(%rbp)40111a:       83 45 fc 01             addl   $0x1,-0x4(%rbp)40111e:       83 45 10 01             addl   $0x1,0x10(%rbp)401122:       90                      nop401123:       5d                      pop    %rbp401124:       c3                      retq   0000000000401125 <main>:401125:       55                      push   %rbp401126:       48 89 e5                mov    %rsp,%rbp401129:       6a 07                   pushq  $0x740112b:       41 b9 06 00 00 00       mov    $0x6,%r9d401131:       41 b8 05 00 00 00       mov    $0x5,%r8d401137:       b9 04 00 00 00          mov    $0x4,%ecx40113c:       ba 03 00 00 00          mov    $0x3,%edx401141:       be 02 00 00 00          mov    $0x2,%esi401146:       bf 01 00 00 00          mov    $0x1,%edi40114b:       e8 b2 ff ff ff          callq  401102 <f>

上图401129–401146 是参数传递，然后调用func1, 再看401106-401116 这几行，就是把这些传递参数的寄存器保存在栈中供func1去使用。
a++ a的值是放在%edi 中值为1 ，%edi 又存放在shadowbuf 里-0x4(%rbp)这个位置中
a++ 对应的汇编就是 addl $1, -4(%rbp)
g++ 对应的是汇编是 addl $1, 0x10(%rbp) 其中0x10(%rbp) 位置里面的值是7
看看目前堆栈图就容易理解

Linux下UEFI服务调用

首先以/x86/boot/compressed/eboot.c/setup_efi_pci()中查找所有的PciIoProtocol为例

//UEFI 环境下
Status = gBS->LocateHandle (ByProtocol,&gEfiPciIoProtocolGuid,NULL,&BufferSize,Handle);
//Linux 环境下
efi_guid_t pci_proto = EFI_PCI_IO_PROTOCOL_GUID;
status = efi_call_early(locate_handle,EFI_LOCATE_BY_PROTOCOL,&pci_proto, NULL, &size, pci_handle);

对比两个环境下调用BootServices的服务参数传递的差不多，linux 是用了efi_call_early 进行了封装，进一步对efi_call_early 进行分析下

efi_call_early(locate_handle,EFI_LOCATE_BY_PROTOCOL,&pci_proto, NULL, &size, pci_handle);
宏扩展之后如下：
__efi_early()->call((efi_is_64bit() ?                        \((efi_boot_services_64_t *)(unsigned long)__efi_early()->boot_services)->locate_handle : \((efi_boot_services_32_t *)(unsigned long)__efi_early()->boot_services)->locate_handle), 2,&pci_proto, ((void *)0), &size, pci_handle)__efi_early() 是一个function 返回的是efi_early结构体变量，再次替换后
efi_early->call(efi_early->boot_services->locate_handle, 2, &pci_proto,NULL, &size,pci_handle)// efi_early 这个结构体定义在x86/boot/compressed/head_64.S
.global efi64_config
efi64_config:.fill  5,8,0.quad  efi_call.byte   1
//efi_call 定义在x86/platform/efi/efi_stub_64.S
ENTRY(efi_call)pushq %rbpmovq %rsp, %rbpSAVE_XMMmov 16(%rbp), %raxsubq $48, %rspmov %r9, 32(%rsp)mov %rax, 40(%rsp)mov %r8, %r9mov %rcx, %r8mov %rsi, %rcxcall *%rdiaddq $48, %rspRESTORE_XMMpopq %rbpret
ENDPROC(efi_call)

efi_call 主要做的就是把GCC calling convention 转换成 Microsoft ABI calling convention, 但是其中有一个点要注意如下，.quad efi_call 在编译连接的时候地址已经固定了。但是我们kernel 是可以被UEFI 加载地址不是固定的，所以要对这个地址进行重定位，重定位代码如下

.global efi64_config
efi64_config:.fill  5,8,0.quad  efi_call.byte   1// 重定位efi_call 地址call  1f
1:  popq    %rbpsubq    $1b, %rbp/** Relocate efi_config->call().*/addq  %rbp, efi64_config+40(%rip)

call 1f 的时候，call 指令会帮我们把call 1f 下条指令地址压栈，也就是1 这个位置的加载地址，然后popq %rbp，就是把1 这个label 加载地址放入了rbp 中，subq $1b, %rbp 就是加载地址减去编译地址，我们就会得到一个差值。addq %rbp, efi64_config+40(%rip) 就是把efi_call 这个链接地址给修正到加载地址。

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