UEFI BIOS虛擬光驅(qū)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)＊

紀(jì)向尚 莊克良 王大慶

（海軍704廠 青島 266109）

1 引言

小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口（Small Computer System Interface），簡(jiǎn)稱SCSI，主要應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備，如硬盤、軟驅(qū)、光驅(qū)、打印機(jī)等。SCSI標(biāo)準(zhǔn)定義了命令、通訊協(xié)議以及實(shí)體的電氣特性，其主要軟件接口是SCSI命令。

SCSI的原始版本是SCSI－1，SCSI－1具有8位總線，數(shù)據(jù)傳輸率為4Mbps。目前SCSI－1已經(jīng)很少使用。作為對(duì)SCSI－1的改進(jìn)，SCSI－2使用了兩項(xiàng)新技術(shù)Fast SCSI和 Wide SCSI。

Fast SCSI將傳輸速率提高到10MB／Sec，而Wide SCSI突破SCSI－1的單字節(jié)傳輸限制，將數(shù)據(jù)總線的帶寬提高到16位或者32位。當(dāng)使用Fast－Wide SCSI時(shí)，其理論傳輸速率為20MB／s或者40MB／s，SCSI－2增加了新的設(shè)備命令集，對(duì)光驅(qū)的支持也出現(xiàn)在SCSI－2標(biāo)準(zhǔn)文檔中。

UEFI則定義了操作系統(tǒng)與系統(tǒng)硬件平臺(tái)固件之間的開放接口。該規(guī)范定義的接口包括平臺(tái)相關(guān)信息、啟動(dòng)服務(wù)例程以及操作系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)服務(wù)例程。操作系統(tǒng)裝載器與操作系統(tǒng)可通過接口調(diào)用這些服務(wù)例程。UEFI規(guī)范是一個(gè)公開的純接口定義，它不依賴于某個(gè)特定的BIOS制造商或某個(gè)特定的BIOS的實(shí)現(xiàn)，它僅僅定義了平臺(tái)固件必須實(shí)現(xiàn)的接口，以及操作系統(tǒng)可能使用的一系列接口與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其實(shí)現(xiàn)的方式與細(xì)節(jié)均取決于該規(guī)范的實(shí)現(xiàn)者。UEFI規(guī)范還定義了固件驅(qū)動(dòng)程序模型，使得所有遵循此模型開發(fā)的固件驅(qū)動(dòng)程序能夠互相協(xié)作。

目前UEFI BIOS下還沒有相應(yīng)的虛擬光驅(qū)方面的應(yīng)用程序，本文研究的就是在UEFI接口規(guī)范下基本SCSI虛擬光驅(qū)技術(shù)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

2 SCSI協(xié)議分析

UEFI的所有驅(qū)動(dòng)依靠協(xié)議堆疊形成協(xié)議棧，并以此組織系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)模塊。SCSI作為總線控制器，要求提供控制器本身的控制協(xié)議即SCSI Pass Thru Protocol或者其擴(kuò)展版本Ext Scsi Pass Thru Protocol。該協(xié)議可以驅(qū)動(dòng)SCSI總線控制器，向總線控制器發(fā)出輸入輸出或其它控制命令。SCSI設(shè)備驅(qū)動(dòng)則依賴該協(xié)議提供具體的設(shè)備輸入輸出控制接口。

在UEFI中，這種總線結(jié)構(gòu)依賴于三個(gè)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)：總線控制器驅(qū)動(dòng)、總線驅(qū)動(dòng)、子設(shè)備驅(qū)動(dòng)?？偩€控制器作為一種設(shè)備，其驅(qū)動(dòng)提供控制接口?？偩€驅(qū)動(dòng)則利用這種接口查詢并枚舉總線控制器上的所有子設(shè)備，并為每一個(gè)子設(shè)備創(chuàng)建新的設(shè)備句柄，安裝Device Path Protocol以及向子設(shè)備發(fā)送命令的總線IO協(xié)議?？偩€驅(qū)動(dòng)不關(guān)心子設(shè)備類型，子設(shè)備上的總線IO只可向設(shè)備發(fā)送IO及控制信號(hào)。不同設(shè)備的驅(qū)動(dòng)為了提供設(shè)備本身特有的接口，將該總線IO封裝，提供工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的設(shè)備控制接口。

如圖1所示，SCSI總線控制器句柄SCSI Bus Controller Handle由系統(tǒng)或其父節(jié)點(diǎn)的總線驅(qū)動(dòng)負(fù)責(zé)創(chuàng)建。SCSI總線控制器的控制接口協(xié)議Ext SCSI Pass Thru Protocol由總線控制器驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)并安裝在該控制器句柄上。

圖1 SCSI總線及設(shè)備協(xié)議棧

SCSI總線驅(qū)動(dòng)使用Ext SCSI Pass Thru Protocol查詢并枚舉總線上的每個(gè)子設(shè)備，創(chuàng)建新的句柄，為這些子設(shè)備句柄安裝Device Path Protocol和SCSI IO Protocol。其中，SCSI IO Protocol提供了統(tǒng)一的設(shè)備輸入輸出及控制接口。圖1中Scsi Device 1Handle和SCSI Device 2Handle即為總線子設(shè)備句柄，由總線驅(qū)動(dòng)創(chuàng)建。

由于SCSI設(shè)備的多樣性，不同的設(shè)備需要特定的協(xié)議作為接口。圖1中的SCSI設(shè)備為CD－Drive、磁盤等塊設(shè)備。UEFI標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定這些塊設(shè)備應(yīng)當(dāng)提供Block IO Protocol，因此，EDK II中給出了SCSI塊設(shè)備的驅(qū)動(dòng)。該驅(qū)動(dòng)檢測(cè)通過SCSI IO Protocol檢查每個(gè)設(shè)備的類型，并負(fù)責(zé)為光驅(qū)和磁盤創(chuàng)建塊輸入輸出協(xié)議Block IO Protocol。

到此，SCSI總線結(jié)構(gòu)的協(xié)議棧已經(jīng)建立。EDK II提供Disk IO Protocol，其接口與Block IO Protocol有所不同，但一部分上層驅(qū)動(dòng)同時(shí)使用這兩個(gè)協(xié)議。Simple File System Protocol由文件系統(tǒng)相關(guān)的驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)。簡(jiǎn)單文件系統(tǒng)協(xié)議向Shell以及所有使用文件系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)提供了文件訪問接口。

根據(jù)以上分析，可以得出這樣的結(jié)論：有效驅(qū)動(dòng)SCSI光驅(qū)或者磁盤需要三個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊完成，總線控制器驅(qū)動(dòng)，總線驅(qū)動(dòng)和子設(shè)備驅(qū)動(dòng)。這三個(gè)驅(qū)動(dòng)彼此獨(dú)立地負(fù)責(zé)三個(gè)協(xié)議的安裝，即 Ext Scsi Pass Thru Protocol，Scsi IO Protocol和Block IO Protocol。其中，Block IO Protocol抽象了塊設(shè)備讀寫，與具體設(shè)備無關(guān)。

3 模塊設(shè)計(jì)

3.1 頂層結(jié)構(gòu)

圖2 SCSI虛擬光驅(qū)頂層結(jié)構(gòu)

SCSI虛擬光驅(qū)系統(tǒng)由兩個(gè)模塊組成，虛擬光驅(qū)驅(qū)動(dòng)和Shell接口。模塊間通過固件卷（Firmware Volume）實(shí)現(xiàn)配置信息的傳遞。圖2給出了系統(tǒng)的頂層結(jié)構(gòu)圖。

Shell接口通過命令行獲得配置信息，并將配置信息存入到固件卷中，比如虛擬光驅(qū)的數(shù)目，每個(gè)光驅(qū)對(duì)應(yīng)的ISO鏡像文件等。驅(qū)動(dòng)的內(nèi)核通過讀取這些信息，動(dòng)態(tài)創(chuàng)建出相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來提供虛擬光驅(qū)服務(wù)，比如向用戶提供一個(gè)或多個(gè)虛擬光驅(qū)等。

從前面的論述中知道，虛擬光驅(qū)驅(qū)動(dòng)在實(shí)質(zhì)上虛擬SCSI總線控制器，提供Ext SCSI Pass Thru Protocol接口。雖然該驅(qū)動(dòng)是總線控制器驅(qū)動(dòng)，但仍然是一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)接口被總線驅(qū)動(dòng)（即SCSI Bus驅(qū)動(dòng)）所使用。而在總線控制器內(nèi)部維持著一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，向上層總線驅(qū)動(dòng)提供虛擬信息，基于這個(gè)選擇，可以得到如圖3所示的驅(qū)動(dòng)內(nèi)核結(jié)構(gòu)。

圖3 遵循UEFI驅(qū)動(dòng)模型的虛擬光驅(qū)驅(qū)動(dòng)內(nèi)核

3.2 Shell用戶接口

虛擬光驅(qū)系統(tǒng)具有如下要求功能：

1）列出所有虛擬光驅(qū)，及其對(duì)應(yīng)的ISO文件信息；

2）設(shè)置虛擬光驅(qū)數(shù)量；

3）為指定編號(hào)的虛擬光驅(qū)進(jìn)行ISO鏡像裝載；

4）為指定編號(hào)的虛擬光驅(qū)進(jìn)行ISO鏡像卸載。

根據(jù)預(yù)期的四個(gè)功能，設(shè)計(jì)出如下格式的Shell命令：

其中，vscsi為Shell接口的程序名，－l選項(xiàng)以列表形式所有的虛擬光驅(qū)信息，－n用來設(shè)置虛擬光驅(qū)的數(shù)量，－m用來設(shè)置Num對(duì)應(yīng)虛擬光驅(qū)的鏡像文件，－u用來對(duì)Num指定虛擬光驅(qū)進(jìn)行卸載。

虛擬光驅(qū)的Shell接口程序?qū)⒆裱瓨?biāo)準(zhǔn)的程序結(jié)構(gòu)，利用Shell相關(guān)的庫和協(xié)議獲得命令行參數(shù)并將其存放入固件卷中。Shell接口程序的框架如上圖所示。Shell接受用戶命令并分析后，將調(diào)用EFI Runtime Services向固件卷中寫入配置信息。需要說明的是，命令行指定的文件路徑中的盤符信息不能被設(shè)備驅(qū)動(dòng)識(shí)別。比如，在f8：＼sample＼example1.iso這樣的文件路徑中，f8：＼不能被設(shè)備識(shí)別。因此，在Shell接口應(yīng)當(dāng)將盤符信息轉(zhuǎn)化為設(shè)備驅(qū)動(dòng)可以識(shí)別的信息，然后存儲(chǔ)。

3.3 虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)

分析上述可知，驅(qū)動(dòng)內(nèi)核將使用一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來表示配置信息，并提供虛擬光驅(qū)服務(wù)。驅(qū)動(dòng)應(yīng)當(dāng)首先創(chuàng)建虛擬的SCSI控制器建立對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并根據(jù)配置信息在UEFI系統(tǒng)堆內(nèi)存中動(dòng)態(tài)地創(chuàng)建表示子設(shè)備的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

虛擬SCSI控制器對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將采用C面向?qū)ο蟮姆椒ǎ瑪U(kuò)展Ext Scsi Pass Thru Protocol結(jié)構(gòu)，將需要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作為該協(xié)議私有的數(shù)據(jù)，如圖4所示。

其中，擴(kuò)展后的Ext Scsi Pass Thru Protocol定義如圖5。

以這個(gè)結(jié)構(gòu)體作為虛擬的SCSI總線控制器的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

圖4 虛擬SCSI控制器結(jié)構(gòu)

圖5 虛擬SCSI總線控制器結(jié)構(gòu)體定義

前四個(gè)字節(jié)為signature。因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)體在內(nèi)存中動(dòng)態(tài)創(chuàng)建，協(xié)議中的函數(shù)可以利用這四個(gè)字節(jié)檢查數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的正確性，這個(gè)特性類似于信息安全領(lǐng)域的數(shù)字簽名。

簽名結(jié)束后是協(xié)議接口，在向系統(tǒng)注冊(cè)協(xié)議時(shí)將這個(gè)地址傳入U(xiǎn)EFI系統(tǒng)。并且，虛擬SCSI總線控制器結(jié)構(gòu)體中，只有該域?qū)ν忾_放。在向虛擬設(shè)備裝載協(xié)議時(shí)，ExtScsiPassThruInterface域的地址將被傳入系統(tǒng)，保證了內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的封裝。因此，其它驅(qū)動(dòng)或者用戶在向系統(tǒng)請(qǐng)求該協(xié)議接口時(shí)，得到的不是整個(gè) VIRTUAL＿SCSI＿CONTROLLER結(jié)構(gòu)體地址，而是其中ExtScsiPassThruInterface的地址。

VIRTUAL＿SCSI＿CONTROLLER的最后部分由一個(gè)類型匿名的Private域構(gòu)成。該域僅包含兩項(xiàng)，虛擬光驅(qū)數(shù)量以及指向虛擬光驅(qū)結(jié)構(gòu)體數(shù)組的指針。對(duì)該域的數(shù)據(jù)類型進(jìn)行匿名，可以保證該域的封裝性。

對(duì)于每個(gè)虛擬光驅(qū)，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如圖6所示。

圖6 虛擬光驅(qū)設(shè)備結(jié)構(gòu)體定義

CDRomMounted用以表示該CD Drive中是否裝載了CD－Rom，F(xiàn)ileDevicePath指向文件類型的Device Path。它主要用來保存從CMOS中獲得的虛擬光驅(qū)配置信息，不負(fù)責(zé)文件的相關(guān)操作。根據(jù)FileDevicePath被打開的文件由FileHandle指向，文件的訪問操作也將通過FileHandle來進(jìn)行。TargetID和Lun是SCSI規(guī)范中定義的兩種類型的數(shù)據(jù)，TargetID用來表示SCSI目標(biāo)器的編號(hào)，Lun用來表示邏輯單元號(hào)（Logical Unit Number）。需要指出的是，在本虛擬光驅(qū)系統(tǒng)中對(duì)于任何一個(gè)TargetID，Lun均只為0，不使用其它值。

圖7 SCSI虛擬光驅(qū)驅(qū)動(dòng)模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)

綜合UEFI驅(qū)動(dòng)模型、SCSI虛擬控制器結(jié)構(gòu)及虛擬光驅(qū)設(shè)備結(jié)構(gòu)得出如圖7的SCSI虛擬光驅(qū)驅(qū)動(dòng)模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)。其中鏡像文件（Image File）部分是驅(qū)動(dòng)的二進(jìn)制可加載鏡像，由代碼編譯得到。堆空間（Heap Memory）中的所有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)的Driver Binding Protocol負(fù)責(zé)構(gòu)造和析構(gòu)。

3.4 模塊間通信

圖2系統(tǒng)的頂層結(jié)構(gòu)圖中，Shell接口和驅(qū)動(dòng)內(nèi)核通過固件卷進(jìn)行配置信息的傳遞。在進(jìn)行這種配置傳遞時(shí)需要解決兩個(gè)問題。

第一，由于UEFI規(guī)范不使用時(shí)鐘中斷外的所有中斷，因此UEFI系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)處于單一的運(yùn)行環(huán)境，即單指令流。因此，不可能同時(shí)存在驅(qū)動(dòng)進(jìn)程和Shell接口進(jìn)程，也不可能實(shí)時(shí)傳遞配置參數(shù)。由于EFI的加載速度很快，重啟EFI并不會(huì)耗費(fèi)時(shí)間，所以無論是在傳統(tǒng)BIOS，還是在EFI中，一些配置往往都要求重啟。本設(shè)計(jì)選擇回避該問題，配置信息設(shè)置保存后應(yīng)當(dāng)重新啟動(dòng)UEFI系統(tǒng)，以便驅(qū)動(dòng)內(nèi)核讀取配置信息。

第二，EDK II的Shell中表示的盤符（如f8：＼）屬于Shell內(nèi)部表示，只有在Shell環(huán)境下可見。但驅(qū)動(dòng)不在Shell環(huán)境下運(yùn)行，也不能利用Shell庫讀取文件。如果簡(jiǎn)單地向固件卷中寫入路徑f8：＼sample＼example1.iso，那么即使路徑信息能夠被設(shè)備驅(qū)動(dòng)所獲取，驅(qū)動(dòng)程序也不能從f8：＼訪問任何設(shè)備。

4 結(jié)語

本文主要研究了符合UEFI接口規(guī)范的SCSI虛擬光驅(qū)技術(shù)，并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了該SCSI虛擬光驅(qū)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以向其它驅(qū)動(dòng)或者用戶提供一個(gè)虛擬的SCSI總線控制器以及連接在總線控制器上的一個(gè)或多個(gè)虛擬光驅(qū)設(shè)備，用戶可以通過Shell接口配置光驅(qū)數(shù)量以及各光驅(qū)中加載的ISO 9660結(jié)構(gòu)的文件鏡像。該方法的實(shí)現(xiàn)，對(duì)于擴(kuò)展基于UEFI BIOS計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多光驅(qū)應(yīng)用以及擴(kuò)展外部設(shè)備接口，具有非?，F(xiàn)實(shí)的積極意義。

［1］UEFI Forum.February 2010.UEFI Specification.Version 2.3.http：／／www.uefi.org／specs／

［2］UEFI Forum.February 2010.UEFI Platform Initialization Specification.Version 1.2.http：／／www.uefi.org／specs／

［3］Vincent Zimmer.2006.Beyond BIOS.Intel corporation.17－32，143－146.

［4］Framework Open Source Community.March 2008.Pre＿EFI Initialization Core Interface http：／／www.uefi.org／specs／.

［5］EFI技術(shù)解析.March 2010.http：／／www.gz－benet.com.cn／.

［6］Basic Instruction for Using EFI.January 2，2008.http：／／www.intel.com／.

［7］Enterprise64BIOS.March 2010.http：／／ami.com／.