UEFI启动阶段学习SEC阶段和PEI阶段

昨天学习了UEFI和BIOS的区别，以及UEFI系统的优点。今天学习UEFI系统驱动的七个不同阶段。
UEFI系统的启动过程

UEFI系统从加电到关机可分为以下七个阶段：

SEC(安全验证)->PEI(EFI前期初始化)->DXE（驱动执行环境)

->BDS(BS?)(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)

其中，前三个阶段为UEFI初始化加载阶段，DXE阶段结束后UEFI环境已经准备完毕。

BDS和TSL是UEFI运行OS Loader的阶段。

OS Loader调用ExitBootServices()服务后系统启动进入RT阶段，操作系统加载后期和操作系统运行期均属于RT阶段。

硬件系统或操作系统出现严重错误不能继续正常运行时，固件会尝试进行修复，此时系统进入AL期。但是PI规范和UEFI规范都没有规定AL期的行为。AL期的系统行为由系统供应商自行定义。

上述过程可见下图：

每个阶段具体的功能和流程：

SEC（Security Phase，安全阶段）阶段

SEC（Security Phase）阶段时平台初始话的第一个阶段，计算机系统加电后首先进入这个阶段。
- SEC阶段的功能：UEFI系统开机或重启后首先进入SEC阶段，SEC阶段系统执行以下四种任务：
  - 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、系统运行过程中的异常信号。
  - 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，而各种外部设备和内存都没有被初始化。因此系统需要一部分临时内存用于代码和数据的存储，一般称为临时RAM，临时RAM只能位于CPU内部（CPU和CPU内部的资源最先被初始化）。最常用的临时RAM是Cache，通过将Cache设置为no-eviction模式，来把其当成内存使用（此时读取命中则返回Cache中的数据，读取缺失并不会向主存发出缺失事件；写命中时写入Cache，写缺失时也不会向主存发出缺失事件），这种技术称为CAR（Cache As RAM）。
  - SEC阶段是可信系统的根：作为系统启动的第一部分，只有SEC能被系统信任，以后的各个阶段才有被信任的基础。因此，大部分情况下SEC再转交控制权给PEI前可以验证PEI是否可信。
  - 传递系统参数给下一阶段：SEC阶段的一切工作都是为PEI阶段做准备的，最重要把系统的控制权转交给PEI，并将SEC阶段的运行信息汇报给PEI。SEC通过将以下信息作为参数传递给PEI的入口程序来向PEI汇报信息：
    - 系统当前状态，PEI根据状态值判断系统当前的健康情况。
    - 可启动固件（Boot Firmware Volume）的地址和大小，PEI据此判断可用硬件。
    - 临时RAM区域的地址和大小。
    - 栈的地址和大小。
- SEC阶段执行流程：
  
  根据临时RAM是否初始化为界限，SEC阶段分为两部分：临时RAM初始化前称为Reset Vector阶段；临时RAM初始化后调用SEC入口函数从而进入SEC功能区。其流程如下图：
  
  其中Reset Vector的执行流程如下：
  1. 进入固件接口。
  2. 从实模式转换到32位平坦模式。
  3. 定位固件中的BFV（Boot Firmware Volume）。
  4. 定位BFV中的SEC影响。
  5. 如果是64位系统，则从32位模式转换至64位模式。
  6. 调用SEC入口函数。

PEI（Pre-EFI Initialization，预先EFI初始化）阶段

虽然SEC阶段对CPU和CPU内的资源进行了初始化，但是PEI阶段可用的资源依旧十分有限，该阶段对内存进行初始化，主要功能是为DXE阶段准备执行环境，将所需要传递给DXE的信息组成HOB（Hand Off Block）列表，最终将控制权转交到DXE。

UEFI具有模块化设计的特点，PEI就是一个模块。PEI Image的入口函数调用PEI模块的入口函数PEICore。

PEI阶段的功能：
- 初始化内存。
- 为DXE阶段准备执行环境。
PEI划分：
- PEI内核（PEI Foundation）：负责PEI基础服务和流程。
- PEIM（PEI Module）派遣器：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由PEIM完成。
  
  每个PEIM都是一个独立的模块。通过PEIServices，PEIM可以调用PEI阶段（UEFI？）提供的系统服务。通过调用这些服务，PEIM可以访问PEI内核。PEIM之间的的通信通过PPI（PEIM-to-PEIM Interfaces）完成。
PEI阶段执行流程：
1. 进入PEI入口。
2. 根据SEC阶段传入的信息初始化PS（PEI Core Service）。
3. 调度系统中的PEIM（PEI Module），准备HOB列表。
  
  具体调用的系统中的PEIM有：CPU PEIM（提供CPU相关功能，如进行Cache设置、主频设置等）；平台相关PEIM（初始化内存控制器、I/O控制器等）；内存初始化PEIM（对内存进行初始化，此时内存才可用，之前使用的CPU模拟的临时内存）。
4. 调用PEIServices得到DEX IPL PPI的Entry服务（即DEXLoadCore）。
  
  注：PPI与DEX阶段的Protocol类似，每个PPI都是一个结构体，包含有函数指针和变量。每个PPI都有一个GUID。通过PEIServices的LocatePPI服务可以找到GUID对应的PPI实例。
5. DXELoadCore服务找出并运行DXEImage的入口函数，将HOB列表传递给DXE。
PEI阶段执行流程完整描述：SEC模块找到PEI Image的入口函数 _ModuleEntryPoint（该函数位于MdePkg/Library/PeimEntryPoint/PeimEntryPoint.c）， _ModuleEntryPoint函数最终调用PEI模块的入口函数PEICore（该函数位于MdeModulePkg/Core/Pei/PeiMain/PeiMain.c），进入PEICore后，首先根据从SEC阶段出入的信息设置PEI Core Services，然后调用PEIDispatcher执行系统总的PEIM，在内存初始化完成后，系统切换栈并重新进入PEICore。重新进入PEICore后使用的不再是临时RAM 而是真正的内存。在所有PEIM执行完成后，调用PEIServices的LocatePPI服务得到DXE IPL PPI，并调用DXE IPL PPI的Entry服务（即DEXLoadCore），找出DEX Image的入口函数，执行DXE Image函数并将HOB列表传递给DXE。

PEI阶段执行流程如下图：

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UEFI启动阶段学习SEC阶段和PEI阶段_2020-05-12

SEC（Security Phase，安全阶段）阶段

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