UEFI BIOS虛擬光驅(qū)的設(shè)計實現(xiàn)＊

紀向尚 莊克良 王大慶

（海軍704廠 青島 266109）

1 引言

小型計算機系統(tǒng)接口（Small Computer System Interface），簡稱SCSI，主要應(yīng)用于計算機外圍設(shè)備，如硬盤、軟驅(qū)、光驅(qū)、打印機等。SCSI標準定義了命令、通訊協(xié)議以及實體的電氣特性，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SCSI－1的改進，SCSI－2使用了兩項新技術(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。當使用Fast－Wide SCSI時，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，對光驅(qū)的支持也出現(xiàn)在SCSI－2標準文檔中。

UEFI則定義了操作系統(tǒng)與系統(tǒng)硬件平臺固件之間的開放接口。該規(guī)范定義的接口包括平臺相關(guān)信息、啟動服務(wù)例程以及操作系統(tǒng)運行時服務(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)范是一個公開的純接口定義，它不依賴于某個特定的BIOS制造商或某個特定的BIOS的實現(xiàn)，它僅僅定義了平臺固件必須實現(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)，其實現(xiàn)的方式與細節(jié)均取決于該規(guī)范的實現(xiàn)者。UEFI規(guī)范還定義了固件驅(qū)動程序模型，使得所有遵循此模型開發(fā)的固件驅(qū)動程序能夠互相協(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)計和實現(xiàn)。

2 SCSI協(xié)議分析

UEFI的所有驅(qū)動依靠協(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或者其擴展版本Ext Scsi Pass Thru Protocol。該協(xié)議可以驅(qū)動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)依賴于三個驅(qū)動實現(xiàn)：總線控制器驅(qū)動、總線驅(qū)動、子設(shè)備驅(qū)動。總線控制器作為一種設(shè)備，其驅(qū)動提供控制接口。總線驅(qū)動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。總線驅(qū)動不關(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。不同設(shè)備的驅(qū)動為了提供設(shè)備本身特有的接口，將該總線IO封裝，提供工業(yè)標準中的設(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)點的總線驅(qū)動負責創(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)動實現(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)動使用Ext SCSI Pass Thru Protocol查詢并枚舉總線上的每個子設(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標準規(guī)定這些塊設(shè)備應(yīng)當提供Block IO Protocol，因此，EDK II中給出了SCSI塊設(shè)備的驅(qū)動。該驅(qū)動檢測通過SCSI IO Protocol檢查每個設(shè)備的類型，并負責為光驅(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)動同時使用這兩個協(xié)議。Simple File System Protocol由文件系統(tǒng)相關(guān)的驅(qū)動模塊負責。簡單文件系統(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SCSI光驅(qū)或者磁盤需要三個驅(qū)動模塊完成，總線控制器驅(qū)動，總線驅(qū)動和子設(shè)備驅(qū)動。這三個驅(qū)動彼此獨立地負責三個協(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

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)由兩個模塊組成，虛擬光驅(qū)驅(qū)動和Shell接口。模塊間通過固件卷（Firmware Volume）實現(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，每個光驅(qū)對應(yīng)的ISO鏡像文件等。驅(qū)動的內(nèi)核通過讀取這些信息，動態(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或多個虛擬光驅(qū)等。

從前面的論述中知道，虛擬光驅(qū)驅(qū)動在實質(zhì)上虛擬SCSI總線控制器，提供Ext SCSI Pass Thru Protocol接口。雖然該驅(qū)動是總線控制器驅(qū)動，但仍然是一個設(shè)備驅(qū)動，驅(qū)動接口被總線驅(qū)動（即SCSI Bus驅(qū)動）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)動提供虛擬信息，基于這個選擇，可以得到如圖3所示的驅(qū)動內(nèi)核結(jié)構(gòu)。

圖3 遵循UEFI驅(qū)動模型的虛擬光驅(qū)驅(qū)動內(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）為指定編號的虛擬光驅(qū)進行ISO鏡像裝載；

4）為指定編號的虛擬光驅(qū)進行ISO鏡像卸載。

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

其中，vscsi為Shell接口的程序名，－l選項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對應(yīng)虛擬光驅(qū)的鏡像文件，－u用來對Num指定虛擬光驅(qū)進行卸載。

虛擬光驅(qū)的Shell接口程序?qū)⒆裱瓨藴实某绦蚪Y(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)動識別。比如，在f8：＼sample＼example1.iso這樣的文件路徑中，f8：＼不能被設(shè)備識別。因此，在Shell接口應(yīng)當將盤符信息轉(zhuǎn)化為設(shè)備驅(qū)動可以識別的信息，然后存儲。

3.3 虛擬設(shè)備驅(qū)動

分析上述可知，驅(qū)動內(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)動應(yīng)當首先創(chuàng)建虛擬的SCSI控制器建立對應(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控制器對應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將采用C面向?qū)ο蟮姆椒?，擴展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，擴展后的Ext Scsi Pass Thru Protocol定義如圖5。

以這個結(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

前四個字節(jié)為signature。因為該結(jié)構(gòu)體在內(nèi)存中動態(tài)創(chuàng)建，協(xié)議中的函數(shù)可以利用這四個字節(jié)檢查數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的正確性，這個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)注冊協(xié)議時將這個地址傳入UEFI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，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)動或者用戶在向系統(tǒng)請求該協(xié)議接口時，得到的不是整個 VIRTUAL＿SCSI＿CONTROLLER結(jié)構(gòu)體地址，而是其中ExtScsiPassThruInterface的地址。

VIRTUAL＿SCSI＿CONTROLLER的最后部分由一個類型匿名的Private域構(gòu)成。該域僅包含兩項，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。對該域的數(shù)據(jù)類型進行匿名，可以保證該域的封裝性。

對于每個虛擬光驅(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，不負責文件的相關(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目標器的編號，Lun用來表示邏輯單元號（Logical Unit Number）。需要指出的是，在本虛擬光驅(qū)系統(tǒng)中對于任何一個TargetID，Lun均只為0，不使用其它值。

圖7 SCSI虛擬光驅(qū)驅(qū)動模塊詳細設(shè)計

綜合UEFI驅(qū)動模型、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)動模塊詳細設(shè)計。其中鏡像文件（Image File）部分是驅(qū)動的二進制可加載鏡像，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)動的Driver Binding Protocol負責構(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)動內(nèi)核通過固件卷進行配置信息的傳遞。在進行這種配置傳遞時需要解決兩個問題。

第一，由于UEFI規(guī)范不使用時鐘中斷外的所有中斷，因此UEFI系統(tǒng)應(yīng)當處于單一的運行環(huán)境，即單指令流。因此，不可能同時存在驅(qū)動進程和Shell接口進程，也不可能實時傳遞配置參數(shù)。由于EFI的加載速度很快，重啟EFI并不會耗費時間，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)計選擇回避該問題，配置信息設(shè)置保存后應(yīng)當重新啟動UEFI系統(tǒng)，以便驅(qū)動內(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)動不在Shell環(huán)境下運行，也不能利用Shell庫讀取文件。如果簡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)動所獲取，驅(qū)動程序也不能從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)計實現(xiàn)了該SCSI虛擬光驅(qū)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以向其它驅(qū)動或者用戶提供一個虛擬的SCSI總線控制器以及連接在總線控制器上的一個或多個虛擬光驅(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。該方法的實現(xiàn)，對于擴展基于UEFI BIOS計算機系統(tǒng)的多光驅(qū)應(yīng)用以及擴展外部設(shè)備接口，具有非常現(xiàn)實的積極意義。

［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／.