CN104572162A - 一种基于龙芯手持式计算机的uefi固件实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于龙芯手持式计算机的UEFI固件的实现方法，属于计算机固件技术领域。固件划分为硬件抽象层、固件核心层、设备协议层和固件应用层；硬件抽象层实现处理器、内存、芯片组等关键硬件部件的初始化，对其他板级硬件进行包装和抽象并实现初始化，同时为上层模块提供访问底层硬件设备的函数接口。固件核心层建立UEFI中的系统服务表，进行固件中所有模块的统一管理和各种资源的管理；设备协议层实现各种标准的工业规范；固件应用层实现固件的各项功能；本发明能够在龙芯手持式计算机上实现出符合国际主流UEFI固件规范、可扩展性强、功能完善的固件产品，以支计算机的正常启动和运行。

Description

一种基于龙芯手持式计算机的UEFI固件实现方法

技术领域

本发明属于计算机固件技术领域，涉及一种基于龙芯嵌入式处理器的手持式计算机系统(以下简称龙芯手持机)的UEFI固件实现方法。

背景技术

UEFI(Unified Extensible Firmware Interface，统一的可扩展固件接口)是一种计算机固件(或称为BIOS)的接口规范，也是关于固件的最主要的工业标准。UEFI规范最初是面向Intel公司的Itanium和X86处理器进行制定的，但是UEFI规范本身是与处理器架构无关的，目前已经应用于X86、Itanium、ARM等处理器平台。符合UEFI规范的计算机固件(以下简称UEFI固件)相对于传统的固件有很多优越性，目前主流的X86商用计算机系统基本上都是采用了UEFI固件。

龙芯(Loongson)是由中国科学院计算所研制的国产通用中央处理器，采用MIPS精简指令集架构。龙芯处理器已形成一系列产品，分别可应用于嵌入式、台式、便携式计算机以及服务器产品。其中应用于嵌入式领域的龙芯处理器(以下简称龙芯嵌入式处理器)是一个SOC芯片，不仅包含处理器核心，还集成了多个外设控制器。目前主要的龙芯嵌入式处理器是龙芯1A。

PMON是一款开源固件，最初是为LSI Logic MIPS R3000评估板而设计，后来成为MIPS领域评估板和开发系统的通用固件。官方的PMON固件已经停止维护与发展，最新的PMON2000是PMON的非官方后继版本。龙芯厂商采用PMON2000作为调试处理器的固件，并应用在龙芯手持机解决方案中。但PMON与常规的UEFI计算机固件相比存在很多不足，主要表现在：PMON项目在很多年前就已经停止更新，在计算机工业界很少有厂家使用PMON或对其进行支持，因此PMON无法进行规范化和得到发展；不像UEFI固件支持最新的计算机技术，PMON代码对很多技术规范都不支持，无法实现对一些常见功能的支持，比如ACPI(目前最为通用的电源管理技术)、GRUB(目前最为通用的操作系统内核加载器)等；与UEFI固件相比，PMON没有采用模块化方法进行设计实现，可扩展性不强，开发维护也不方便。

发明内容

本发明的目的主要是为了解决上述现有技术的缺陷，提供一种基于龙芯手持式计算机的UEFI固件的实现方法。根据这个方法，可以在龙芯手持机上实现出符合国际主流UEFI固件规范、可扩展性强、功能完善的固件产品，以支持龙芯手持机的正常启动和运行。

一种基于龙芯手持机的UEFI固件的实现方法，UEFI固件划分为硬件抽象层、固件核心层、设备协议层和固件应用层。

其中，硬件抽象层实现处理器、内存、外设控制器等关键硬件部件的初始化，对其他板级硬件进行包装和抽象并实现初始化，同时为上层模块提供访问底层硬件设备的函数接口。其包括处理器驱动模块和外设驱动模块，处理器驱动模块完成龙芯嵌入式处理器核心和内存的初始化，并提供访问处理器、内存的接口；外设驱动模块实现龙芯嵌入式处理器中集成的外设控制器的初始化，还要完成主板上各种外设的驱动，如LCD显示屏、NAND FLASH存储器、T9键盘、USB设备等，每个外设会对应一个(或多个)驱动模块。

固件核心层类似于操作系统的内核，建立UEFI中的系统服务表，进行固件中所有模块的统一管理和各种资源的管理。其包括固件核心加载模块、固件核心模块和基础架构功能模块，固件核心加载模块负责加载固件核心模块，并为其准备运行环境，固件核心模块负责建立UEFI规范中的启动服务(Boot Service)和运行时服务(Runtime Service)表，加载、运行其他功能模块，管理各模块之间的交互，实现内存的管理，实现和维护时钟中断和事件机制，实现和维护固件应用的特权级机制，实现UEFI规范中定义的Protocol的管理机制，实现UEFI规范要求实现的其他机制和功能，如调试接口、压缩算法、变量存储/处理等。基础架构功能模块实现UEFI规范中的Architectural Protocol，包括多个功能模块，每个模块实现一个Architectural Protocol。每个Architectural Protocol包含一些基础服务接口，供固件中的其他功能模块调用。

设备协议层实现各种标准的工业规范，包括总线协议、外设接口等。其包括总线协议模块，实现了各种总线协议，如PCI/PCIE、PS/2、USB、SMBUS、LPCBUS等。通常是一个模块实现一种总线协议，并通过UEFI规范中的Protocol机制“发布”这些总线的接口，这样其他模块就可以使用这些接口来访问总线。

固件应用层实现固件的各项功能，如人机界面、操作系统引导等。其包括设备扫描模块、人机界面模块和系统支持模块，设备扫描模块枚举系统中的外设，为这些设备分配资源，并将设备与相应的外设驱动模块进行Connect(也即交给该设备驱动进行管理)；人机界面在LCD显示屏上显示一个菜单界面，提供几个用户可选择的操作；系统支持模块实现操作系统的启动、恢复、升级等功能，操作系统的启动就是从NAND FLASH或者U盘中将内核文件加载到内存执行，操作系统的恢复是利用存储在NAND FLASH备份区或者U盘中的内核文件覆盖NAND FLASH中损坏的内核数据，操作系统的升级则是读取U盘中的内核文件来更新NAND FLASH中旧的内核数据。

本发明的基于龙芯手持机的UEFI固件的具体运行步骤如下：

(1)初始化处理器、内存，建立起固件运行的基本环境；

(2)将UEFI固件代码复制到内存，并对固件进行解压，加载固件核心模块；

(3)建立UEFI固件的基础服务；

(4)加载UEFI固件功能模块，包括基础架构功能模块、设备协议模块；

(5)扫描设备并为设备分配系统资源，加载设备驱动模块，完成设备初始化；

(6)运行人机界面；

(7)启动操作系统，或进行操作系统的恢复、升级操作。

上述步骤中，步骤(1)中执行处理器驱动模块。处理器驱动模块采用MIPS汇编语言实现，是系统上电后首先执行的模块，此时内存还未完成初始化，所以这个模块直接在FLASH芯片中运行。处理器驱动模块实现龙芯1A处理器、Cache(高速缓存)、内存、TLB(旁路转换缓冲)等初始化，实现MCU(内存控制器)、SMBUS和内存的初始化，配置内存地址窗口，并提供访问CPU、Cache、内存等部件的接口。处理器驱动模块还要初始化处理器中的串口模块，为后续的固件代码的提供调试手段。

上述步骤中，步骤(2)中执行固件核心加载模块。步骤(1)执行完成后，系统内存已经初始化好，此时固件代码可以在内存中运行以加快运行速度；而且可以用C语言来实现固件代码，加快开发速度。固件中包含的功能模块较多，而FLASH芯片的容量有限，一般需要将存放功能模块的固件卷进行压缩，固件核心加载模块负责从FLASH中将压缩的固件卷复制到内存中，并进行解压；解压成功后，在内存中创建HOB(Hand-Off Block)数据表，存放处理器、内存、FLASH等系统信息，提供给后续的固件模块使用；最后，固件核心加载模块将控制权交给固件核心模块。

上述步骤中，步骤(3)中执行固件核心模块。固件核心模块首先初始化UEFI的系统服务，为后续的功能模块的加载、运行做准备。主要是完成UEFI系统表、UEFI启动服务表和UEFI运行时服务表的初始化，具体服务包括代码调试、内存管理、UEFI镜像管理、HOB、UEFI时钟、FLASH访问、解压缩、固件卷解析、UEFI事件、任务优先级、UEFI Protocol管理、UEFI变量存取等。系统服务表存放在内存的特定区域，UEFI固件中的所有功能模块都可以调用这些系统服务。

上述步骤中，步骤(4)中固件核心模块加载固件的功能模块。固件核心模块通过检索固件卷，依次查找其中的功能模块，并将其加载到内存中。每个功能模块都被编译成一个PE/ELF格式的可执行镜像，固件核心模块需要解析功能模块镜像，然后加载到内存的特定地址处，并跳转到入口函数。功能模块的入口函数执行完成后，通常会返回到固件核心模块，固件核心模块继续进行下一个功能模块的加载。

在步骤(4)中被加载的模块包括基础架构功能模块、设备协议模块。其中，基础架构功能模块主要功能是实现UEFI规范中的Architectural Protocol，主要包括：Boot Device Selection(BDS)、CPU、Metronome、Monotonic Counter、Real TimeClock、Runtime、Security、Status Code、Timer、Variable、Variable Write、WatchdogTimer，每个Architectural Protocol由一个模块来实现；设备协议层模块主要实现访问PCI/PCIE、USB、SMBUS、LPCBUS等总线的函数接口，并封装在Protocol中供其他功能模块调用，通常是一个模块实现一种总线协议。

上述步骤中，步骤(5)中完成设备的初始工作。固件核心模块加载设备驱动模块，实现龙芯嵌入式处理器中集成的外设控制器的初始化，包括显示控制器、PS2控制器、USB控制器、NAND FLASH控制器、LPC控制器；并实现主板上外设的初始化和实现访问外设的函数接口，包括LCD显示屏、NAND FLASH存储器、T9键盘、USB设备等。通常由一个模块实现一种设备驱动。另外，在这个阶段由设备扫描模块扫描系统中的所有外设，并为外设分配内存、IO和中断资源，这样外设在操作系统下才能正常工作。

上述步骤中，步骤(6)中固件核心模块加载固件卷中的固件应用模块，主要包括人机界面模块、系统支持模块。然后运行人机界面模块，在LCD显示屏上提供少量的几个菜单，用户可通过T9键盘来选择要进行的操作，包括查看固件版本信息、进行系统恢复、系统升级、系统启动等；如果用户没有进行按键操作，则固件在等待时间超时后，自动进行操作系统启动。

上述步骤中，步骤(7)中系统支持模块实现操作系统的启动、恢复和升级功能。根据用户在上一步骤中的选择，固件进行操作系统的恢复、升级或者启动功能。在进行操作系统恢复或升级时，固件从NAND FLASH中的备份区域或者U盘中读取操作系统内核文件，并写入NAND FLASH中存放操作系统内核的区域；在进行操作系统启动时，固件从NAND FLASH中将操作系统内核文件渎取到内存，并为内核准备必要的启动参数，然后将控制权交给内核并的区域的备份区，从而完成系统的启动工作。

有益效果：

1、本发明的方法符合国际主流的UEFI和PI固件规范，可利用UEFI联盟提供的开源代码资源快速实现固件；很多外设板卡厂商都提供基于UEFI规范的驱动，也可大大加快固件开发的进度。另外，UEFI固件支持主要的计算机工业标准，如目前龙芯处理器还不支持的ACPI(高级配置和电源管理接口)规范，这样采用本发明设计的固件可以方便地增加对这些规范的支持。

2、本发明设计的UEFI固件的重要特点是高度模块化，固件所要实现的功能被分解成很多子功能，每个子功能由单独的模块来实现，并由一个核心模块来加载和管理这些功能模块。因此可以通过增删模块来方便地定制固件的功能。

附图说明

图1是基于龙芯手持机的UEFI固件的架构示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如附图1表示，下面以龙芯中科公司设计的一款型号为LST11A102I的开发板为例，来介绍本发明描述的UEFI固件的具体实施方式。主要包括以下步骤：

(1)实现STU阶段的功能模块，包括两个模块，这个两个模块在编译以后将依次被放到FLASH芯片的开始位置，并在系统上电后依次被执行。包括：

(1.1)创建一个Start模块，即处理器驱动模块。根据龙芯1A处理器手册实现处理器、Cache(高速缓存)、内存、地址窗口、TLB(旁路转换缓冲)等初始化，实现MCU(内存控制器)、SMBUS和内存的初始化，并提供访问CPU、Cache、内存等部件的接口；

(1.2)创建一个Sec模块。这个模块的实现的功能包括在内存创建一些存放处理器、内存信息的数据结构，将FLASH芯片中的功能模块解压到内存中，最后加载执行固件核心模块DxeCore。

(2)实现固件核心模块DxeCore。要实现的功能主要包括：实现UEFI规范中定义的启动服务和运行时服务表，加载、运行其他功能模块，管理各模块之间的交互，实现内存的管理，实现和维护时钟中断和事件机制，实现和维护固件应用的特权级机制，实现UEFI规范中定义的Protocol的管理机制，实现基础函数库，以及调试接口、压缩算法、变量存储/处理等。

(3)实现Architectural Protocol，包括Variable，Variable Write，Timer,CPU，Metronome，Monotonic Counter,Status Code，Watchdog Timer，RTC，BDS。一个模块实现一种Architectural Protocol。

(4)实现外设驱动模块。包括：

(4.1)实现外设控制的驱动模块。根据龙芯1A处理器手册，实现集成的显示控制器、PS2控制器、USB控制器、NAND FLASH控制器、LPC控制器的初始化，并实现访问外设控制器的接口。

(4.2)实现外设驱动模块，包括LCD显示屏、NAND FLASH存储器、T9键盘、USB存储设备、时钟中断驱动。

(4.3)实现外设枚举模块，枚举PCI/PCIE总线上的设备，并为设备分配IO、内存和中断资源。

(5)实现总线驱动模块，包括PCI/PCIE、USB、SMBUS、LPCBUS，一个模块实现一种总线协议。

(6)实现固件应用层模块。主要包括：

(6.1)实现人机界面模块。在LCD显示屏上显示一个操作界面，提供4个菜单，包括System Recovery，Firmware Information，Boot From Usb，Update the OS，Continue。用户可通过T9键盘的方向键来选择菜单执行相应的操作。

(6.2)实现系统支持模块，实现系统恢复、系统升级、系统启动等功能。

在上述步骤中，对于与具体硬件平台相关的模块，如龙芯1A处理器，一般需要根据硬件的用户手册或参考厂家的开源代码来进行开发；对于与硬件平台无关的通用模块，如DxeCore模块、Architectural Protocol模块、总线协议、网络协议栈、USB存储设备驱动、键盘驱动、文件系统、BDS模块等，可以采用EDK II中提供的模块和代码；对于固件的功能模块，如配置界面、操作系统加载等，需要根据具体需求进行开发。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于龙芯手持式计算机的UEFI固件实现方法，其特征是，所述UEFI固件划分为硬件抽象层、固件核心层、设备协议层和固件应用层；其中，硬件抽象层实现处理器、内存、外设控制器等关键硬件部件的初始化，对其他板级硬件进行包装和抽象并实现初始化，同时为上层模块提供访问底层硬件设备的函数接口；其包括处理器驱动模块和外设驱动模块；固件核心层类建立UEFI中的系统服务表，进行固件中所有模块的统一管理和各种资源的管理；其包括固件核心加载模块、固件核心模块和基础架构功能模块；设备协议层实现各种标准的工业规范，包括总线协议和外设接口，其包括总线协议模块，实现各种总线协议；固件应用层实现固件的各项功能；其包括设备扫描模块、人机界面模块和系统支持模块；

所述UEFI固件的具体运行步骤如下：

(1)初始化处理器、内存，建立起固件运行的基本环境；

(2)将UEFI固件代码复制到内存，并对固件进行解压，加载固件核心模块；

(3)建立UEFI固件的基础服务；

(4)加载UEFI固件功能模块，包括基础架构功能模块、设备协议模块；

(5)扫描设备并为设备分配系统资源，加载设备驱动模块，完成设备初始化；

(6)运行人机界面；

(7)启动操作系统，或进行操作系统的恢复、升级操作。

2.如权利要求1所述的基于龙芯手持式计算机的UEFI固件实现方法，其特征是，所述步骤(1)中执行处理器驱动模块。处理器驱动模块采用MIPS汇编语言实现，是系统上电后首先执行的模块，此时内存还未完成初始化，模块直接在FLASH芯片中运行。

3.如权利要求1所述的基于龙芯手持式计算机的UEFI固件实现方法，其特征是，所述步骤(2)中执行固件核心加载模块；步骤(1)执行完成后，系统内存已经初始化好，将存放功能模块的固件卷进行压缩，固件核心加载模块负责从FLASH中将压缩的固件卷复制到内存中，并进行解压；解压成功后，在内存中创建HOB(Hand-OffBlock)数据表，存放处理器、内存、FLASH等系统信息，提供给后续的固件模块使用；最后，固件核心加载模块将控制权交给固件核心模块。

4.如权利要求1所述的基于龙芯手持式计算机的UEFI固件实现方法，其特征是，所述步骤(3)中执行固件核心模块；固件核心模块首先初始化UEFI的系统服务，为后续的功能模块的加载、运行做准备；主要是完成UEFI系统表、UEFI启动服务表和UEFI运行时服务表的初始化，具体服务包括代码调试、内存管理、UEFI镜像管理、HOB、UEFI时钟、FLASH访问、解压缩、固件卷解析、UEFI事件、任务优先级、UEFI Protocol管理、UEFI变量存取等；系统服务表存放在内存的特定区域，UEFI固件中的所有功能模块都可以调用这些系统服务。

5.如权利要求1所述的基于龙芯手持式计算机的UEFI固件实现方法，其特征是，所述步骤(4)中固件核心模块加载固件的功能模块；固件核心模块通过检索固件卷，依次查找其中的功能模块，并将其加载到内存中；每个功能模块都被编译成一个PE/ELF格式的可执行镜像，固件核心模块需要解析功能模块镜像，然后加载到内存的特定地址处，并跳转到入口函数；功能模块的入口函数执行完成后返回到固件核心模块，固件核心模块继续进行下一个功能模块的加载。

6.如权利要求1所述的基于龙芯手持式计算机的UEFI固件实现方法，其特征是，所述步骤(5)中完成设备的初始工作；固件核心模块加载设备驱动模块，实现龙芯嵌入式处理器中集成的外设控制器的初始化，包括显示控制器、PS2控制器、USB控制器、NAND FLASH控制器、LPC控制器；并实现主板上外设的初始化和实现访问外设的函数接口，包括LCD显示屏、NAND FLASH存储器、T9键盘、USB设备等；通常由一个模块实现一种设备驱动。

7.如权利要求1所述的基于龙芯手持式计算机的UEFI固件实现方法，其特征是，所述步骤(6)中固件核心模块加载固件卷中的固件应用模块，主要包括人机界面模块、系统支持模块；然后运行人机界面模块，在LCD显示屏上提供少量的几个菜单，用户可通过T9键盘来选择要进行的操作，包括查看固件版本信息、进行系统恢复、系统升级、系统启动等；如果用户没有进行按键操作，则固件在等待时间超时后，自动进行操作系统启动。

8.如权利要求1所述的基于龙芯手持式计算机的UEFI固件实现方法，其特征是，所述步骤(7)中系统支持模块实现操作系统的启动、恢复和升级功能；根据用户在上一步骤中的选择，固件进行操作系统的恢复、升级或者启动功能；在进行操作系统恢复或升级时，固件从NAND FLASH中的备份区域或者U盘中读取操作系统内核文件，并写入NAND FLASH中存放操作系统内核的区域；在进行操作系统启动时，固件从NAND FLASH中将操作系统内核文件读取到内存，并为内核准备必要的启动参数，然后将控制权交给内核并的区域的备份区，从而完成系统的启动工作。