ARM系統(tǒng)預引導固件的新機遇- UEFI

ARM處理器已經(jīng)在智能手機市場占主導地位，并越來越成為整個嵌入式領域的主流。最近，ARM處理器也進軍服務器領域，追求計算連續(xù)性。

然而，歷史上，ARM系統(tǒng)沒有一個預引導固件的標準。這使得每個設計都有自己獨特的與所引導的操作系統(tǒng)緊密結(jié)合的模式。這種傳統(tǒng)的方法意味著固件開發(fā)者必須保持完全不同的代碼庫，即使系統(tǒng)可能使用的外圍設備（網(wǎng)絡，SATA接口，USB控制器等）和整個設計功能集是相同的。傳統(tǒng)的ARM設計依賴諸如UBoot，Redboot，或?qū)Ｓ熊浖榆浖?br />
如何有效地開發(fā)生產(chǎn)這些產(chǎn)品來滿足快捷上市需求已成為一個挑戰(zhàn)。很有必要用某種形式的融合固件基礎設施來實現(xiàn)代碼重用的最大化，使這些產(chǎn)品可在有限的工程資源條件下實現(xiàn)更快推上市場，并同時添加創(chuàng)新功能。

統(tǒng)一可擴展固件接口（UEFI）對ARM系統(tǒng)的預引導固件是一個新機遇。 UEFI負責定義操作系統(tǒng)和系統(tǒng)固件之間以及固件驅(qū)動程序和系統(tǒng)固件之間的接口。此外，UEFI的平臺初始化（PI）負責定義固件到芯片之間和固件內(nèi)部的接口。 UEFI是處理器架構(gòu)無關。

ARM公司，蘋果，惠普和微軟的專家們一起確定了UEFI的ARM綁定。這樣，使用UEFI就可以最大限度地實現(xiàn)不同設計間的代碼重用，包括那些使用不同的處理器架構(gòu)的設計。

歷史

在UEFI之前，有EFI（可擴展固件接口）。EFI最初創(chuàng)立于1998年，為的是讓使用英特爾安騰處理器的系統(tǒng)擺脫BIOS對設計大型計算機的束縛，例如，BIOS對原有8259中斷控制器的依賴，僅有64K的IO端口空間，僅有192K的OptionROM執(zhí)行空間，單一的PCI段組。所有這些都影響系統(tǒng)的可擴展性。我們也預見到將要遇到的2.2TB主引導記錄（MBR）硬盤驅(qū)動器分區(qū)限制，并定義了新的GUID分區(qū)表（GPT）格式。

在擺脫束縛的同時，EFI還采用了一個模塊化的，靈活的可擴展體系結(jié)構(gòu)，并使用高層次的編程語言。創(chuàng)建EFI時就考慮到它應與處理器架構(gòu)無關，當時就支持安騰，x86和一個與處理器無關的字節(jié)代碼，叫EFI字節(jié)代碼（EBC）。

EFI是一個英特爾公司擁有的規(guī)范定義操作系統(tǒng)和系統(tǒng)固件之間，以及設備引導驅(qū)動程序和系統(tǒng)固件之間的接口。英特爾還創(chuàng)建了“框架”來定義系統(tǒng)固件內(nèi)部接口以使EFI的實現(xiàn)進一步模塊化。

2005年，計算機行業(yè)決定組建UEFI論壇來規(guī)范EFI和“框架”所涵蓋的接口。英特爾貢獻了EFI和“框架”規(guī)范給UEFI論壇作為新的起點。名稱從EFI變?yōu)閁EFI（U為統(tǒng)一的縮寫）標志著定義、推廣和使用的任務從此落在業(yè)界的肩膀上。

Figure 1: The UEFI Forum

由UEFI論壇定義的第一個規(guī)范（UEFI 2.0）在AMD和英特爾的幫助下定義了x64處理器的綁定。 “框架”也演變成了平臺初始化（PI）規(guī)范。UEFI的ARM綁定作為UEFI 2.3規(guī)范的一部分于2009年公布。

開源社區(qū)“tianocore.org”于2004年開始，采用BSD許可證。隨著ARM綁定的公布，蘋果和惠普向tianocore.org貢獻了UEFI的參考實現(xiàn)，其中對Beagle Board（beagleboard.org）的一個實現(xiàn)，使硅片供應商可為他們的硬件提供UEFI的驅(qū)動程序。 ARM公司近日貢獻了使用Cortex A9 多核處理器的Versatile Express參考平臺的核心代碼，以及

· 修復了ARM GCC工具鏈的構(gòu)建環(huán)境

· ARM的RealView仿真底板代碼的更新

· 新的包含ARM參考平臺通用組件的ArmPlatformPkg

· 支持TrustZone控制器

· 支持多核

· 支持PL18x MMC卡控制器

· 一個特制的啟動設備選擇BDS庫以支持直接啟動Linux

有關在ARM上實現(xiàn)UEFI的優(yōu)越性和UEFI論壇組織結(jié)構(gòu)的詳細說明，請見下回分解。
現(xiàn)在我將探討它，特別是在ARM的系統(tǒng)上的優(yōu)越性。我也會更詳細地描述UEFI論壇的組織結(jié)構(gòu)。

優(yōu)越性

盡管現(xiàn)有的ARM預引導固件并沒有BIOS的束縛，使用UEFI標準對ARM預引導固件仍有很多優(yōu)越性。 OEM / ODM廠商一直在試圖降低開發(fā)成本。代碼共享是在預引導固件領域?qū)崿F(xiàn)這目標的一種方式。

ARM和x86都注重計算連續(xù)性，UEFI不僅使得在ARM產(chǎn)品之間或在x86產(chǎn)品之間代碼共享，還可以讓代碼在不同處理器架構(gòu)的產(chǎn)品之間共享。產(chǎn)品可以共享外圍設備（網(wǎng)絡，SATA，USB控制器等），以及眾多的設計功能集。

圖2顯示了從x86到ARM的一個移植有99.42％的代碼不需要更改。

圖2: ARM移植中添加和更改的程序行數(shù)

模塊化的UEFI技術還可以使芯片廠商能夠為自己的硬件提供驅(qū)動程序。這使得OEM / ODM廠商能夠靈活地使用來自不同供應商的模塊，擴大了選擇余地。

UEFI在ARM的實現(xiàn)提供了真正獨立于操作系統(tǒng)的啟動解決方案，而其他大多數(shù)現(xiàn)有的ARM啟動解決方案（UBoot，小內(nèi)核等）是與他們的支持操作系統(tǒng)相耦合的。對計算連續(xù)性的追求也包括支持Windows和Linux等多個操作系統(tǒng)。

把預引導固件標準化于UEFI也使?jié)撛诘莫毩⒐碳棠軌蜻M入市場提供支持。這將有可能讓這些廠商為多個客戶提供支持，有效地部署模塊，并提供可擴展的共同解決方案。這種標準化也將減少芯片廠商的開發(fā)成本，現(xiàn)在他們只需要支持一種類型的驅(qū)動程序給所有的OEM/ ODM來整合。這可以提高驗證效率和調(diào)試的能力。

對于操作系統(tǒng)廠商，這種標準化使它們能夠集中在同一個引導程序方面的投資。這種標準化也將為獨立軟件開發(fā)商提供新的創(chuàng)新的機會。

組織結(jié)構(gòu)

UEFI論壇是一個非贏利的合作貿(mào)易組織，旨在促進和管理UEFI標準。 AMD，安邁，蘋果，戴爾，惠普，IBM，系微，英特爾，聯(lián)想，微軟和鳳凰科技是發(fā)起人在董事會任職。 ARM公司，博通，博科，ARCI，Emulex，富士通，鴻海，浪潮，LSI，百敖軟件，日電，英偉達，甲骨文，QLogic，桑迪亞國家實驗室，希捷，東芝，威盛和威睿是貢獻者成員，還有130多個公司和個人的使用者成員。這是在預引導固件行業(yè)最廣泛的行業(yè)代表。

如圖3所示，論壇有四個工作組。發(fā)起者和貢獻者有機會在這些工作組貢獻和施加影響：

圖3: UEFI 論壇組織結(jié)構(gòu)圖

工業(yè)通訊工作組（ICWG）

ICWG旨在通過教育，宣傳和營銷各種方案使業(yè)界對UEFI規(guī)范有清楚的認識并鼓勵業(yè)界普及其使用。ICWG與ODM和OEM，產(chǎn)業(yè)界的合作伙伴，技術聯(lián)盟/協(xié)會團體同行，以及行業(yè)媒體進行交流和協(xié)作，以達到他們對UEFI的認識和廣泛采納。

ICWG負責有關UEFI論壇進展和成功的對外交流。這個工作組將制定如新聞稿，新聞文章，白皮書，演示文稿，相關文件等必要的技術和市場營銷方式。

ICWG將幫助指引會員公司的營銷和新聞發(fā)布，以確保信息內(nèi)容及相關UEFI活動的時間安排上的一致性。

平臺初始化工作組（PIWG）

該工作組的范圍如下：PI規(guī)范和其他由工作組的大多數(shù)商定的相關規(guī)范。這些規(guī)范的實現(xiàn)是作為固件在UEFI規(guī)范的界面層之下提供計算機系統(tǒng)初始化服務。PI的實現(xiàn)不是UEFI規(guī)范的必須。

UEFI規(guī)范工作組（USWG）

該工作組的范圍是管理和發(fā)展的“統(tǒng)一可擴展固件接口”規(guī)范的定義。該規(guī)范的目的是定義在平臺固件和操作系統(tǒng)軟件之間的控制轉(zhuǎn)移中使用的編程接口和相關數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和約定。此外，操作系統(tǒng)啟動前環(huán)境中附加卡適配器引導支持，制造測試和自動化等的編程接口需要也在考慮的范圍。

為支持主要規(guī)范工作，該工作組還被授權(quán)編寫“UEFI的驅(qū)動程序作者指南”及任何類似的材料，這將有助于在UEFI產(chǎn)品的開發(fā)。

UEFI測試工作組（UTWG）

該小組負責（1）制作和維護UEFI自我認證測試套件，（2）認可開源的平臺初始化規(guī)范的自我認證為測試套件和（3）組織UEFI的插拔大會活動和培訓。

每個工作組可組建子團隊來就特定專題召集專家對某些界面和功能深入探討。例如，USWG有一個網(wǎng)絡子團隊專職網(wǎng)絡有關的協(xié)議，包括對IPv6的支持，一個安全子團隊專職與安全相關的協(xié)議，一個配置子團隊專職人機接口基礎設施相關的協(xié)議。當然，還有一個ARM綁定子團隊來定義UEFI2.3規(guī)范中的ARM綁定。 ARM公司，蘋果，惠普，微軟和鳳凰科技是該子團隊的主要成員。

關于作者

魏東是惠普公司的高管級杰出技術專家和策略家。他是IEEE的資深會員。他有領導業(yè)界創(chuàng)新和標準化的豐富經(jīng)驗。他是UEFI論壇的副董事長（行政總裁）和測試工作組主席。他也是在ACPI5.0 國際標準組織的秘書。作為惠普UEFI和ACPI的總設計師，他負責 為使用x64, x86, ARM, ia64 and PA-RISC處理器的系統(tǒng)定義硬件，BIOS固件和操作系統(tǒng)的平臺接口。他經(jīng)常在惠普世界，惠普技術論壇，英特爾開發(fā)者論壇，微軟Windows硬件大會，ARM開發(fā)研討會，和PCI會議上發(fā)表演講。他擁有主管級工商管理，電子工程，和物理學的碩士學位。