EDK II之驅動程序與硬件平台的初始化簡介

本文旨在簡單介紹一下UEFI中驅動程序的加載方式（這里涉及的模塊指的是符合UEFI Driver Model的模塊）：

在UEFI中，當一個驅動模塊被加載時，在模塊入口點只會安裝EFI_DRIVER_BINDING_PROTOCOL等，而不會去執行驅動程序的初始化（這一點與Linux中不同，在Linux中，當我們在驅動模塊的入口點調用driver_register()來注冊驅動的時候，會在driver_register()的里面調用總線的match()，驅動與設備匹配成功之后緊接着就會調用驅動程序的probe()函數來執行驅動的初始化），而在UEFI中，只有當我們在Boot Manager中調用gBS->ConnectController()時才會去匹配並初始化驅動程序。

 

下面我們設想一個硬件結構，以此為例來描述一下UEFI的驅動加載過程：

硬件結構：CPU內部有一個PCI Host Bridge，PCI Host Bridge下面有一個Root Bridge，USB Host Controller(EHCI)掛在Root Bridge管理的PCI總線上，再外接一個USB KeyBoard(USB鍵盤)。

目標：現在我們要通過USB鍵盤輸入字符。

涉及的設備驅動程序：pci host bridge driver、pci bus driver、usb host driver（EHCI）、usb bus driver、usb keyboard driver。

 

UEFI相關背景知識：

1. POST過程中，DXE內核會Load所有的模塊，模塊會執行他們的入口函數；

2. 大部分設備驅動程序（這里指pci bus driver、usb host driver、usb bus driver、usb keyboard driver）在入口函數只做一件事（安裝EFI_DRIVER_BINDING_PROTOCOL）；

3. pci host bridge driver有點不一樣，它在入口函數會：

-> 創建host bridge的handle並在handle上安裝EFI_PCI_HOST_BRIDGE_RESOURCE_ALLOCATION_PROTOCOL；
-> 創建root bridge的handle並在handle上安裝EFI_PCI_ROOT_BRIDGE_IO_PROTOCOL；

4. EFI_BOOT_SERVICES.LocateHandleBuffer()能夠獲取系統中所有安裝某種Protocol的handle；

5. EFI_BOOT_SERVICES.ConnectController()會把系統中所有的EFI_DRIVER_BINDING_PROTOCOL都找出來，並執行EFI_DRIVER_BINDING_PROTOCOL->Support()來匹配Device和Driver；匹配成功之后，ConnectController()會接着調用EFI_DRIVER_BINDING_PROTOCOL->Start()來執行驅動程序的初始化。

6. 關於Handle與Protocol：一個Handle上可以安裝多個不同的Protocol，不同的Handle上可以安裝同一個Protocol的不同實例（類似一個二維鏈表）

 

下面的代碼模擬執行所有硬件相關的初始化：

//第一步：查找系統中的PCI Root Bridge，並加載PCI總線驅動 // 獲取系統中所有安裝EFI_PCI_ROOT_BRIDGE_IO_PROTOCOL的handle；即找出系統中所有的pci root bridge
 gBS->LocateHandleBuffer (
         ByProtocol,
         &gEfiPciRootBridgeIoProtocolGuid,
         NULL,
         &NumHandles,
         &HandleBuffer);

  // 查找並加載pci bus driver
  // PCI bus driver的Support()通過判斷device handle上是否安裝有EFI_PCI_ROOT_BRIDGE_IO_PROTOCOL來匹配；
  for (Index = 0; Index < NumHandles; Index++) { //循環root bridge 
    Status = gBS->ConnectController (
                    HandleBuffer [Index],
                    NULL,
                    NULL,
                    FALSE);
  }
  // pci bus driver會枚舉出所有的pci device，為每個pci device創建handle，並在handle上安裝EFI_PCI_IO_PROTOCOL；


//第二步：加載EHCI driver，初始化USB Host Controller // 獲取系統中所有安裝EFI_PCI_IO_PROTOCOL的handle（即找出系統中所有的pci device）；
  Status = gBS->LocateHandleBuffer (
                  ByProtocol,
                  &gEfiPciIoProtocolGuid,
                  NULL,
                  &HandleCount,
                  &Handles
                  );

 // 因為我們只關心EHCI，所以通過判斷pci device的class code找到EHCI
    for (Index = 0; Index < HandleCount; Index++) {
      Status = gBS->HandleProtocol (
                      Handles[Index],
                      &gEfiPciIoProtocolGuid,
                      (VOID **) &PciIo
                      );
      if (!EFI_ERROR (Status)) {
        // 讀取pci配置空間
        Status = PciIo->Pci.Read (PciIo, EfiPciIoWidthUint8, 0x09, 3, &Class);
        if (!EFI_ERROR (Status) &&((PCI_CLASS_SERIAL == Class[2]) && (PCI_CLASS_SERIAL_USB == Class[1]))) { // pci device 是 EHCI
                   // 查找並加載驅動
                  //  EHCI driver的support()通過判斷device handle是否安裝了EFI_PCI_IO_PROTOCOL以及class code是否正確來匹配
                  Status = gBS->ConnectController ( 
                          Handles[Index],
                          NULL,
                          DevicePath,
                          FALSE
                          );
        }
      }
    }
// EHCI driver的start()會為handle安裝EFI_USB_HC2_PROTOCOL；表明這是一個USB Host Controller


//第三步：加載USB總線驅動 
// 獲取系統中所有安裝EFI_USB_HC2_PROTOCOL的handle（即找出系統中所有的USB Host Controller）；
  Status = gBS->LocateHandleBuffer (
                  ByProtocol,
                  &gEfiUsb2HcProtocolGuid,
                  NULL,
                  &UsbHcHandlesCount,
                  &UsbHcHandles);

   // 查找並加載usb bus driver
   // usb bus driver的support通過判斷device handle是否安裝了EFI_USB_HC2_PROTOCOL來匹配
   if (!EFI_ERROR (Status)) {
     for (i = 0; i < UsbHcHandlesCount; i++) {
       gBS->ConnectController (UsbHcHandles [i], NULL, NULL, TRUE); 
     }
   }
   // usb bus driver的start()會枚舉所有的USB device，為每個device創建device handle，並安裝EFI_USB_IO_PROTOCOL（用來表明這是一個USB設備）；
   // 當usb keyboard device被枚舉之后，usb bus driver會調用EFI_BOOT_SERVICES.ConnectController()查找他的驅動；
   // usb keyboard driver的support()會判斷device handle是否安裝了EFI_USB_IO_PROTOCOL以及Interface描述符的class、subclass、protocol來匹配；
   // usb keyboard driver的start()會在keyboard的device handle上安裝EFI_SIMPLE_TEXT_INPUT_PROTOCOL。


//第四步：調用EFI_SIMPLE_TEXT_INPUT_PROTOCOL接收鍵盤的輸入

  while (TRUE) {
    // 調用EFI_SIMPLE_TEXT_INPUT_PROTOCOL
    gST->ConIn->ReadKeyStroke (gST->ConIn, &Key); 
    if (Key.ScanCode == CONFIG_SYSTEM_ERROR_MANAGER_MENU_RESUME_KEY) { // 用戶輸入正確的按鍵
      return;  
    }
  }

 

總結：UEFI中通過Protocol來標識device handle的類型（當然底層驅動也通過Protocol向上層驅動提供接口）。UEFI中的驅動程序的分層很清晰，由底向上依次依賴。驅動程序的初始化由POST過程控制，便於控制和理解（Linux中則由各個子系統控制，以USB系統為例：UEFI必須先初始化Host Controller Driver，然后初始化USB Bus Driver，最后初始化USB Device Driver；而在Linux中，不存在這種依賴關系）