UEFI开发学习24 – UEFI 中的 Boot Manager

一、简介

Boot Manager即引导管理器，从UEFI初始化到进入操作系统的过程中，使用了两个引导管理器。

第一个是UEFI 固件中的引导管理器，也就是UEFI手册中第三章所定义的固件引导管理器（Firmware Boot Manager），第二个则是操作系统中的引导管理器。

图1 固件引导管理器

图2 Windows引导管理器

二、启动流程

UEFI初始化至BDS（Boot Device Select，即引导设备选择）阶段后，控制权递交给了固件引导管理器，它将处理加载操作系统的引导项，如Windows系统，引导项是一个bootmgfw.efi文件，它即是Windows引导管理器。Windows引导管理器可以显示操作系统的引导项，如在多个操作系统共存的时候，将根据用户选择，加载对应系统的OS Loader（Windows对应的为winload.efi文件），最后OS Loader将启动ntoskrnl.exe程序，开始系统内核初始化。

图3 Windows启动流程

三、引导管理器

这一篇主要介绍固件引导管理器，所以下文所提到的引导管理器都指的是固件引导管理器。

引导管理器的工作主要是解析存储在SPI ROM内，NVRAM中的Global Variable各项boot相关的值，加载指定的项，而被加载的项称为LoadOption。

3.1 Global Variable

Global Variable是UEFI中定义的一组数据，它们共用一个GUID，通过不同的Variable Name进行区分。具体定义如下：

图4 Global Variable定义

其中，Attribute表示：

NV：在系统重启或掉电情况下，拥有此属性的值依然可以保存，没有此属性的值将丢失。

BS：在ExitBootServices() 调用后，该值将不可用，意味着只能在ExitBootServices() 调用前访问，且在OS系统下不可见。

RT：在ExitBootServices() 调用前后均可访问，OS下亦可。

3.2 LoadOption

3.2.1 加载项Boot

Boot类型一般指的是操作系统的引导，也就是一个可以启动操作系统的EFI APP，它是一个特殊的APP，需要放在efiboot目录下，格式为FAT（FAT12、FAT16、FAT32）的分区中，并且APP的名字需要命名为bootxxxx.efi，xxxx表示平台架构类型，如x86、32位架构为BootIa32.efi，x86、64位架构为BootX64.efi，Arm、64位架构为BootAa64.efi，国产龙芯LoongArch64为BootLa64.efi等。当然，APP的入口必须符合UEFI image定义的入口，否则将无法被加载执行。

typedef
EFI_STATUS(EFIAPI *EFI_IMAGE_ENTRY_POINT) (
IN EFI_HANDLE ImageHandle,
IN EFI_SYSTEM_TABLE *SystemTable
);

EfiBoot是UEFI定义的通用系统引导目录，系统安装完成后，操作系统还会生成系统的引导项，如Windows Boot Manager，它的引导文件放在EfiMicrosoftbootmgfw.efi，实际上bootmgfw.efi是复制bootx64.efi后重命名而来的，这样做的意义大概是为了实现同磁盘多系统引导的功能。比如要在同一硬盘安装windows和linux系统，而UEFI定义的引导文件是固定为EfiBootxxxx.efi的，这样便会造成引导冲突。要解决此问题，只能重新新建引导，把引导文件放到其它目录，如Windows放到EfiMicrosoft，Ubuntu放到EfiUbuntu。而通过BootX64.efi启用的系统，则作为主系统，可以通过系统的引导管理器管理其它系统引导，这样便实现了多系统共存。

引导文件存放的媒介可以有多种类型，如UEFI固件的FV（EFI Shell），U盘，CDROM，SSD，HDD等存储设备。这些设备会在UEFI初始化过程中枚举出来，然后生成相应的引导项。

引导项的信息被保存在以BootXXXX命名的Global Variable中，XXXX表示引导的编号，宽度为四个字符，如Boot0000。同时，引导编号将会添加到BootOrder这个Global Variable中，用来表示引导的优先顺序，如果要更改引导项优先级，只要修改BootOrder中编号的顺序即可。

引导管理器首先读取的是BootOrder中编号，接着再根据编号生成BootXXXX引导项，然后用引导项名便可取得引导信息。

如前文所述，BootXXXX和BootOrder是全局可被访问的，意味着在efi shell或操作系统中也可以创建引导项，下面来做实验。

EFI Shell 下使用bcfg命令查询所有引导项：

bcfg boot dump

使用bcfg命令添加引导项UEFI Test Boot：

bcfg boot add 1 fs2:EFIBootbootX64.efi "UEFI Test Boot"

重启后可在引导菜单显示：

进EFI Shell后使用bcfg命令删除引导项：

bcfg boot rm 01

3.2.2 加载项driver

driver同boot一样，有DriverOrder和DriverXXXX两种Global Variable，它在加载Boot之前被执行。设计driver加载项的目的是可以允许加载额外的UEFI Driver。举个简单的例子，比如要在setup界面中截图，而bios又不支持，此时可以新建一个Driver0000指向截图驱动（截图驱动可以放在U盘或磁盘的ESP分区中），并将驱动编号添加到DriverOrder中，以后UEFI固件每次初始化都会加载该驱动，这样就可以在setup界面使用截图功能了。

添加DriverXXXX同样可以使用bcfg命令实现，方法跟boot一样，所以不多举例了，文中示例的UEFI截图便是使用此方法获取的。

3.2.3 加载项SysPrep

SysPrep可以让UEFI固件在启动OS之前，执行除固件外的EFI APP，执行顺序在Driver之后，Boot之前。

使用方法同Driver类似，这里便不再赘述了。

需要注意的是，不论是Driver还是SysPrep类型，由于是UEFI固件之外的，当安全启动打开的时候，它们都必须经过签名，否则是无法被执行的。

3.3 OsIndications

OsIndications是一个可选的Global Variable，默认可能不会在UEFI固件中建立，所以如果在Efi Shell中用setvar命令访问它的时候，可能提示不存在。OsIndications是一个指示器，用于指示当前需要启动哪个加载项。UEFI手册中定义了几个OsIndications类型：

实例1 设置启动后进入BIOS Setup

a. 进入Efi shell，用setvar命令查看OsIndications状态

setvar OsIndications

b. 建立OsIndications，并设置为Setup

setvar OsIndications -guid 8BE4DF61-93CA-11D2-AA0D-00E098032B8C -rt -bs -nv =0x00000001

c. 重启后便可进入BIOS Setup

shutdown -r -t 0 -fw

本文到此结束...