深入EFI了解背后的运行
EFI介绍
EFI全名Extensible Firmware Interface，是一种引导系统的固件接口，作为BIOS之后新发展的PC扩展接口升级。先说为什么会有EFI这个东西：传统BIOS跑在16位实模式下，能直接访问的内存只有1MB，开机自检和初始化硬件的代码基本是写死的，扩展性很差，硬盘分区也只能用MBR，超过2TB的硬盘就用不明白了。随着机器越来越复杂，这套老框架顶不住了，Intel就牵头做了EFI，后来由UEFI论坛接管，统一成现在的UEFI（Unified Extensible Firmware Interface），不过大家平时还是习惯叫EFI。
EFI可以理解成固件里的一套小程序运行环境，它工作在32位或者64位模式下，能从FAT格式的分区里加载可执行文件，也就是我们说的efi文件，这个文件其实就是一个PE格式的可执行程序。在Windows系统安装中，会在硬盘分出一片区域，名字就是efi，正式叫法是ESP（EFI System Partition），必须格式化成FAT或FAT32，用于引导系统的启动，一般分个几百兆就够用了，里面放的就是引导程序和驱动（之前我卸载过这个分区，印象很深）。
对于更多EFI启动的流程可以看下面的图片，里面包含了一套完整的EFI周期
图里那套流程大致分成SEC、PEI、DXE、BDS这几个阶段，前面几个阶段做的是硬件初始化和自检，到BDS（Boot Device Selection）阶段固件才会去各个启动项里找能引导的设备，找到efi文件就加载执行，跑完再把控制权交还固件或者交给操作系统。我们写的应用程序运行时其实已经在DXE之后的阶段了，能用的服务都由固件提前准备好，所以底层开发得跟着固件的规矩来。
更多的EFI介绍可以参考百度，现在不关心历史只关心用处🤣
安装并解释EDK
EDK也就是EFI Development Kit，类似JDK一样，EDK将会是开发efi文件的库，我们在ubuntu下操作，安装EDK2。EDK2是tianocore社区维护的开源实现，装它主要就是拿三样东西：基础库、编译工具和现成的示例代码，后面自己写的代码都要挂在这套框架上。
1 | |
一些依赖库文件的下载指令放在下面，当然是ubuntu的apt，如果你是centos就改成yum。这些包各有各的用处：build-essential是gcc、make这一套编译环境，uuid-dev提供UUID相关的头文件，iasl是ACPI编译器，nasm是汇编器，python3-distutils则是BuildTools里的python脚本要用的。命令里写的是gcc-5，具体版本按自己系统来，换成gcc一般也行。
1 | |
文件指针切入edk2目录下，导入一些子项目。edk2的仓库里很多功能是拆成子模块放的，比如加解密相关的openssl，所以克隆完还要执行这一句把子模块拉全，不然后面编译会缺文件。
1 | |
安装完成会出现一大堆文件，这些文件夹的共性就是都以Pkg结尾，这是edk2的包管理习惯，每个Pkg都是一个独立的功能包。其中关注两个文件夹MdePkg和BaseTools，前者是库而后者就是工具：MdePkg里放着最基础的数据类型、协议定义和库，地位差不多相当于普通开发里的标准库；BaseTools是编译工具，edk2的整个编译流程都要靠它里面生成的一堆工具程序。另外MdeModulePkg里有各种通用模块和示例，我们马上要看的HelloWorld就在里面。因为我们要自己写Efi，所以我们新建一个文件夹，就叫MinPkg，名字尾部带Pkg是edk2的命名习惯，方便编译器识别。
1 | |
强调两个文件类型.dsc和.dec，前者是对当前Pkg的描述，类似一份总的编译清单，写清楚这个平台由哪些包组成、支持哪些架构；后者是用于声明公开接口的描述，比如这个包对外提供哪些头文件、GUID和PCD，别的包要用就直接引用它。找到最经典的Hello world代码存放位置，里面保存了.inf和源码.c文件，这里注意，因为是底层所以没有标准库，也就意味着所有的输出函数和变量定义都必须重新写，也就是无法再像以往写代码一样去定义变量了。具体来说，stdio、stdlib这些库压根没有，打印要用UefiLib里的Print()，字符串是宽字符，写的时候要加L前缀，比如Print(L"Hello EFI!\n")；数据类型也换成了UINTN、CHAR16、EFI_STATUS这些固件自己定义的；还有个容易忘的坑，EDK2沿用C89风格，局部变量声明得放在函数最前面，不能在中间随用随定义，不然编译直接报错。
1 | |
打开.inf进行解释，内容如下，[Defines]定义了程序的版本、程序名、文件GUID、版本以及程序入口，其中GUID要保证全局唯一，相当于这个模块的身份证，ENTRY_POINT = UefiMain说明程序从UefiMain这个函数开始跑，MODULE_TYPE = UEFI_APPLICATION表示这是个应用程序，如果是驱动就要换成UEFI_DRIVER之类的类型。[Sources]写出了程序所需要的资源文件，即源码和配置。[Packages]定义了所需要EDK的包，里面列的dec文件就是本模块引用的包声明，[LibraryClasses]列举了使用的接口，这里每写一个名字，编译时就会去链接对应的库实现。[Pcd]规定了一些常量字符串，引用了.dec文件中所写的内容，PCD全称Platform Configuration Database，就是一份跟着平台走的配置数据，同一份代码在不同平台上编译能拿到不同的值，[FeaturePcd]里的则是个开关，用来控制代码编不编进去。
1 | |
EDK的编译是通过make进行的，我们需要切换到EDK2的目录下的Conf文件夹修改target.txt来改变编译输出。target.txt里几个关键项：ACTIVE_PLATFORM指定要编译的平台dsc文件，不写清楚编译器都不知道该编谁；TARGET_ARCH是目标架构，一般填X64；TOOL_CHAIN_TAG是工具链，gcc环境对应GCC5；TARGET决定输出DEBUG还是RELEASE版本；MAX_CONCURRENT_THREAD_NUMBER是并行编译的线程数，机器核多就调大一点，编译快不少。
C的指针很强大
指针是C语言的核心，在深入EFI底层前，必须要先复习一下C指针的含义。原因很简单，固件里访问硬件寄存器靠的就是固定地址，调用固件服务也是一个装了一堆函数指针的结构体，指针玩不明白，后面的代码基本无从下手，随便写两句代码：
1 | |
利用gcc编译并运行，可以看到age与p_age的内存地址address是同一个，但是paddress却和address不同。这里&age和&p_age都是用取地址符拿到变量的地址，*p_age则是解引用，顺着指针找到它指的那块内存，把里面的值取出来。
p_age作为指向age内存的指针，内部必然存储了age变量的内存地址，对p_age变量而言，输出的address就是保存age的内存地址，而paddress输出的是指针在内存的位置，通俗地说就是一个是复制别人的，一个是自己保存的。再看两个地址的差值，0x7ffee75e2bb0减0x7ffee75e2bac正好是4，因为int占4个字节，这两个变量在栈上正好挨着放；而指针变量本身在64位系统里是占8个字节的，这两个别记混了。
1 | |
指针就是保存地址的变量，拿到地址就可以顺着它去读写那块内存。比如：
1 | |
这一段执行完，age就变成30了，因为*p_age = 30改的就是age所在的那块内存，相当于绕过了变量名，直接对内存下手。在底层操作中，直接操作变量是无意义的，因为无法从根本上修改变量内容，所以利用指针进行操作内存，直接修改数据是非常高效的。不过指针也是最容易出事的地方，野指针、悬空指针解引用轻则程序跑飞，重则机器直接重启，固件里尤其要小心，用指针之前脑子里必须清楚它指向哪块内存、那块内存是不是合法。
另外EFI里的指针还有一层特殊意义：固件启动时会传给程序一个SystemTable，里面是一个个装满函数指针的服务表，我们调用的打印、内存分配这些功能，其实都是顺着函数指针跳过去执行固件里的实现，这也算是把指针用到极致了。
编译出EFI
在EDK2目录中使用指令，可以编译出.efi文件。不过第一步得先把BaseTools编译出来，它是edk2自己的构建系统，里面有一大堆工具程序，没有它后面的编译流程根本走不动，-C就是切到对应目录执行make，所以命令长这样：
1 | |
第一次编译会出现问题：
1 | |
没错，python: not found，原因是python版本问题：脚本里写的是python这个名字，而系统里只有python3，两者不是一回事，解决方法就是先找到python位置，然后就要把python3.8与python连接在一起。whereis列出来的路径里能看到系统装了2.7和3.8两个版本，软链接的时候一定要连3.8，别手滑连到python2.7上，不然脚本语法对不上，报的错会更奇怪。
1 | |
然后重新make一下就可以了。这里补充一句，BaseTools编译好只是把工具链备齐了，真正编译efi文件还得改好target.txt里的平台和架构，执行source edksetup.sh把WORKSPACE、EDK_TOOLS_PATH这些环境变量导进来，然后在edk2目录下跑build，编译产物才会出现在Build目录里。
为了运行.efi我们要一个软件qemu，安装一下吧。qemu本身只是个虚拟机，默认不带UEFI固件，所以还得配一份OVMF（Open Virtual Machine Firmware），这是edk2体系编译出来的X64固件，qemu加载它之后才会有UEFI界面和UEFI Shell：
1 | |
把编译出来的efi文件放进一个目录，qemu可以把这个目录当作一块FAT硬盘挂进去，大概这么用：
1 | |
-bios指定固件路径，不同发行版放的位置不一样，路径不对的话用dpkg -L ovmf找一下就行；fat:rw:后面接的目录会被qemu模拟成FAT格式的硬盘，rw表示可读写。开机后在UEFI Shell里用fs0:切到那块盘，直接敲efi文件名就能运行，和双击exe差不多。
总结
这次把EFI是什么、edk2怎么装、C指针怎么理解、efi文件怎么编译出来整个过了一遍，中间踩的坑主要是python没软链导致BaseTools编译报错，qemu 和 OVMF 的用法也在上面记了。指针那节虽然是复习，但在固件里到处都是函数指针表和固定地址，绕不过去，建议多写两遍加深印象。感兴趣的可以把自己编的efi文件扔进qemu跑跑看，亲手写的Hello World从固件里打出来还是挺有成就感的。在了解这么多关于EFI的知识和C语言的操作后，相信你一定可以写出一个自己的EFI系统了，年三十晚的一篇文字。
新年快乐哟！