C++编写操作系统（1）：基于 EFI 的 Bootloader

很久以前就对操作系统很好奇，用了这么多年Windows，对他的运作机理也不是很清楚，所以一直想自己动手写一个，研究一下操作系统究竟是怎么实现的。后来在网上也找到过一些教程（比如：《自己动手写操作系统》），大都是先要用汇编写活动分区的第一个扇区（MBR）。13年4月左右我也曾经跟着教程尝试过，用汇编调用BIOS中断读扇区、加载Bootstrap。不得不说用汇编很容易出错，可读性也不好，所以这次我就想能不能完全不用汇编写操作系统。

UEFI

经过一番搜索，我找到了一个叫UEFI的东西，下面是它的简单介绍：

统一可扩展固件接口（Unified Extensible Firmware Interface, UEFI）是一种个人电脑系统规格，用来定义操作系统与系统固件之间的软件界面，作为BIOS的替代方案。可扩展固件接口负责加电自检（POST）、连系操作系统以及提供连接操作系统与硬件的接口。

——摘自维基百科

简而言之，(U)EFI就是一个用来替代传统BIOS的规范，OS启动阶段我们可以不再和麻烦的BIOS打交道了。而且因为UEFI完全使用C风格的编程接口，意味着我们可以只用C、C++来引导我们的OS。开发UEFI可以使用EDK，然而进过一番比较，intel的EFI Toolkit虽然已经不再更新，但使用简单，对于我们开发Bootloader来说已经足够了，因此我选择了使用EFI Toolkit来开发EFI程序。

1. 编译 EFI Toolkit

下载好EFI Toolkit以后，我们把他解压到方便找到的目录里：

由于我是开发运行于intel 64 架构的EFI程序，所以进入build\em64t目录，打开sdk.env并修改配置：

将选中部分修改为VC AMD64编译器的目录（"XXX\Microsoft Visual Studio 14.0\VC\bin\amd64"，记得要加双引号）。

然后打开VS 2015（其他版本也可以）x64本地工具命令提示符，切换到EFI Toolkit目录，执行build em64t，然后执行nmake。

一段时间后EFI Toolkit就编译完成了。

2.编写一个Bootloader

BootLoader是系统加电启运行的第一段软件代码，回忆一下PC的体系结构我们可以知道，PC机中的引导加载程序由BIOS（其本质就是一段固件程序）和位于硬盘MBR中的引导程序一起组成。BIOS在完成硬件检测和资源分配后，将硬盘MBR中的引导程序读到系统的RAM中，然后将控制权交给引导程序。引导程序的主要运行任务就是将内核映象从硬盘上读到RAM中 然后跳转到内核的入口点去运行，也即开始启动操作系统。

——摘自互动百科

2.1配置项目

EFI程序有很多种类型，我们写的Bootloader属于EFI Application中的OSLoader。EFI在启动OS时会寻找启动盘EFI\Boot目录下的bootx64.efi文件，而这个文件实际上是一个PE32+格式的应用程序，同时VC也提供了编译这种程序的支持，所以我们可以直接使用VS来编写Bootloader。创建项目以后为了方便管理我们可以设置输出目录和输出文件名。

这样在部署OS的时候我们只需要将整个输出目录复制到启动分区上。

另外还要设置链接选项，将子系统设置为 EFI Application（重要）：

另外要设置以下编译选项：

• 关闭C++异常
• 设置基本运行时检查为 Default
• 关闭安全检查（/GS-）

设置以下链接选项：

• 忽略默认库（/NODEFAULTLIB）
• 添加额外库：libefi.lib
• 关闭UAC支持（/MANIFESTUAC:NO）
• 关闭随机基址（/DYNAMICBASE:NO）
• 关闭DEP支持（/NXCOMPAT:NO）
• 设置入口点（比如：efi_main）

同时设置VC++目录，添加以下目录到Include目录中：

• EFI_Toolkit_2.0\include\efi
• EFI_Toolkit_2.0\include\efi\em64t

添加一下目录到Lib目录中：

• EFI_Toolkit_2.0\build\em64t\output\lib\libefi

一大堆东西。。终于弄好了之后就可以编写我们的代码了。

2.2编写代码

EFI程序的入口定义如下：

EFI_STATUS __cdecl efi_main(EFI_HANDLE ImageHandle, EFI_SYSTEM_TABLE *SystemTable)

其中efi_main的名字随便起，记得在链接选项中设置入口点就好。另外有两个参数：

• ImageHandle 就是我们Bootloader被LoadImage加载后的句柄，从中我们可以得到一些信息，之后会用到。
• SystemTable 包含了EFI提供给我们的所有服务，我们和硬件打交道就靠他了，里面包含了各种能用到的 API。

2.2.1 加载内核文件

Bootloader要做的最重要事之一就是加载内核，而第一步我们需要从硬盘或者其他存储设备读取内核文件到内存，EFI给我们提供了很方便的手段来进行这个过程。

我们假定内核文件和Bootloader在同一个分区，我们可以获取这个分区的句柄。

在入口函数加载 efilib

InitializeLib(ImageHandle, SystemTable);

获取Bootloader所在的卷的句柄：

void KernelFile::LoadKernelFile()
{
	EFI_LOADED_IMAGE* loadedImage;
	EFI_FILE_IO_INTERFACE* volume;
	// 获取 Loader 所在的卷
	BS->HandleProtocol(imageHandle, &LoadedImageProtocol, (void**)&loadedImage);
	BS->HandleProtocol(loadedImage->DeviceHandle, &FileSystemProtocol, (void**)&volume);

所谓Protocol就类似与接口的概念，一个句柄就相当于一个类的实例，我们利用BootServices提供的HandleProtocol函数可以获取这个类的一个接口——第一个参数是句柄，第二个参数是Protocol的GUID，第三个参数是Protocol的指针。看到这种用法不知道有没有人想起COM ←_←。

接下来是LoadKernelFile方法的剩余部分：

　　　　 EFI_FILE_HANDLE rootFS, fileHandle;
	volume->OpenVolume(volume, &rootFS);
	// 读取文件
	EXIT_IF_NOT_SUCCESS(rootFS->Open(rootFS, &fileHandle, (CHAR16*)KernelFilePath, EFI_FILE_MODE_READ, 0),
		imageHandle, L"Cannot Open Tomato Kernel File.\r\n");

	UINT8* kernelBuffer;
	EXIT_IF_NOT_SUCCESS(BS->AllocatePool(EfiLoaderData, KernelPoolSize, (void**)&kernelBuffer),
		imageHandle, L"Cannot Allocate Tomato Kernel Buffer.\r\n");
	EXIT_IF_NOT_SUCCESS(fileHandle->Read(fileHandle, &KernelPoolSize, kernelBuffer),
		imageHandle, L"Cannot Read Tomato Kernel File.\r\n");
	fileHandle->Close(fileHandle);

	kernelFileBuffer = kernelBuffer;
}

这段代码中我们从上面获取的分区接口得到一个根目录的接口，又利用这个根目录接口得到我们内核文件的接口，其中第三个参数是文件的路径：

static const wchar_t KernelFilePath[] = LR"(Tomato\System\OSKernel.exe)";

之后我们利用BootServices提供的内存管理功能分配一个KernelPoolSize大小的内存，然后利用刚刚获取的内核文件接口将文件内容读取到内存中。

2.2.2 解析内核文件

内核文件已经加载到内存了，由于内核文件实际上是一个PE格式的应用程序，我们需要像Windows一样解析他，并将需要的内容读取出来放到内存该放的地方。

PE文件的头部在 pe.h 中有定义。

首先我们验证PE文件的有效性：

bool KernelFile::ValidateKernel()
{
	IMAGE_DOS_HEADER* dosHeader = (IMAGE_DOS_HEADER*)kernelFileBuffer;
	if (dosHeader->e_magic != IMAGE_DOS_SIGNATURE)
		return FALSE;
	IMAGE_NT_HEADERS* ntHeaders = (IMAGE_NT_HEADERS*)(kernelFileBuffer + dosHeader->e_lfanew);
	if (ntHeaders->Signature != IMAGE_NT_SIGNATURE)
		return FALSE;
	return TRUE;
}

具体算法是验证DOS头的MZ标志和PE头的PE00标志。

如果文件是有效的PE映像，我们接下来需要解析包含的每一个节，并复制到另一块内存里：

void Bootloader::PrepareKernel(KernelFile& file)
{
	if (file.ValidateKernel())
	{
		auto kernelImageBase = file.GetKernelFileBuffer();
		IMAGE_DOS_HEADER* dosHeader = (IMAGE_DOS_HEADER*)kernelImageBase;
		IMAGE_NT_HEADERS* ntHeaders = (IMAGE_NT_HEADERS*)(kernelImageBase + dosHeader->e_lfanew);

		sectionStart = (IMAGE_SECTION_HEADER*)(((UINT8*)ntHeaders) + sizeof(IMAGE_NT_HEADERS)
			- sizeof(IMAGE_OPTIONAL_HEADER) + ntHeaders->FileHeader.SizeOfOptionalHeader);
		sectionCount = ntHeaders->FileHeader.NumberOfSections;
		UINTN sectionAlign = ntHeaders->OptionalHeader.SectionAlignment;
		UINTN fileAlign = ntHeaders->OptionalHeader.FileAlignment;

		UINTN memAllocPages = GetAllSectionsMemoryPages(sectionStart, sectionCount);
		EXIT_IF_NOT_SUCCESS(BS->AllocatePages(AllocateAnyPages, KernelPoolType, memAllocPages,
			&kernelMemBuffer), imageHandle, L"Cannot allocate Kernel Memory.\r\n");

上面这段函数中我们通过GetAllSectionsMemoryPages函数计算得到PE文件中所有节的总页数，然后利用BootServices的AllocatePages函数分配内存页，至于为什么要按页的大小对齐，是因为我们之后做内存分页的要求。

　　　　　　　　  IMAGE_SECTION_HEADER* section = sectionStart;
		UINT8* memBuffer = (UINT8*)kernelMemBuffer;
		for (UINTN i = 0; i < sectionCount; i++, section++)
		{
			BOOLEAN dataInFile = section->PointerToRawData != 0;
			UINT8* sectionData = kernelImageBase + section->PointerToRawData;
			UINTN memAllocSize = AlignSize(section->SizeOfRawData, EFI_PAGE_SIZE);

			if (memAllocSize)
			{
				if (dataInFile)
					CopyMem(memBuffer, sectionData, section->SizeOfRawData);
				memBuffer += memAllocSize;
			}
		}

接下来我们将每一节的内容复制到刚才分配的内存中去。

2.2.3 分页

我们到目前为止一直使用的是内存的物理地址，这样虽然简单但有一个问题：如果内核的基址很大，超出了物理内存范围那么我们将没有办法执行内核。为了解决这个问题我们需要引入虚拟地址。关于分页intel的手册上有详尽的说明，在这里我是用IA32e分页模式，这种模式工作在64位模式下，我们可以使用48位虚拟地址，管理256TB的内存（物理或虚拟）。

然而如果对整个地址空间进行分页，内存会被极大地浪费，甚至会装不下，因此IA32e分页模式可以使用4级页表。这样我们就可以针对其中的一段地址空间将页表保存在物理内存中，其他地址空间我们可以将其页表的Present位设为0，以表示不在物理内存中，大大减少内存的占用。

我的内核基址是0x140000000，也就是5GB的位置。

void MappingKernelAddress(EFI_HANDLE ImageHandle, EFI_PHYSICAL_ADDRESS kernelMemBuffer,
	IMAGE_SECTION_HEADER* section, UINTN sectionCount, PDPTable& pdpTable)
{
	enum : uint64_t {
		KernelPML4EIndex = KernelImageBase / PML4EntryManageSize,
		KernelPML4ERest = KernelImageBase % PML4EntryManageSize,
		KernelPDPEIndex = KernelPML4ERest / PDPEntryManageSize,
		KernelPDPERest = KernelPML4ERest % PDPEntryManageSize,
		KernelPDEIndex = KernelPDPERest / PDEntryManageSize,
		KernelPDERest = KernelPDPERest % PDEntryManageSize,
		KernelPTEIndex = KernelPDERest / PTEntryManageSize,
		KernelPTERest = KernelPDERest % PTEntryManageSize
	};

	auto& kernelPageDir = *AllocatePageDirectory(ImageHandle);
	auto& kernelPageDirRef = pdpTable[KernelPDPEIndex];
	kernelPageDirRef.Present = TRUE;
	kernelPageDirRef.ReadWrite = TRUE;
	kernelPageDirRef.SetPTEntryAddress(kernelPageDir);

我们先分配一个Page Directory（页目录，映射 1 GB），将其Present设为TRUE，表示在物理内存中，并将其挂在到上一级Page Directory Pointer Table （映射 512 GB）上。然后按内核的每一个节的虚拟地址填写对应的页表和页表项，并映射到物理地址：

	uint8_t* physicalAddr = (uint8_t*)kernelMemBuffer;
	for (size_t i = 0; i < sectionCount; i++)
	{
		auto& curSection = section[i];
		if (curSection.SizeOfRawData)
		{
			auto dataSize = AlignSize(curSection.SizeOfRawData, EFI_PAGE_SIZE);

			// 起始 Page Table Index
			auto curPTIndex = curSection.VirtualAddress / PDEntryManageSize;
			auto restToMap = dataSize;
			uint8_t* startVirtualAddress = (uint8_t*)(KernelPDPEIndex * PDPEntryManageSize +
				curPTIndex * PDEntryManageSize);

			for (; restToMap; curPTIndex++)
			{
				auto& pageTableRef = kernelPageDir[curPTIndex];
				// 如果未分配则分配页表
				if (!pageTableRef.Present)
				{
					pageTableRef.SetPageTableAddress(*AllocatePageTable(ImageHandle));
					pageTableRef.Present = TRUE;
					pageTableRef.ReadWrite = TRUE;
				}
				PageTable& pageTable = pageTableRef.GetPageTableAddress();
				auto curPEIndex = (curSection.VirtualAddress % PDEntryManageSize)
					/ PTEntryManageSize;
				auto curVirtualAddress = startVirtualAddress + curPEIndex * PTEntryManageSize;

				for (size_t j = curPEIndex; j < __crt_countof(pageTable); j++)
				{
					auto& ptEntry = pageTable[j];
					ptEntry.SetPhysicalAddress(physicalAddr);
					ptEntry.Present = TRUE;
					ptEntry.ReadWrite = TRUE;

					physicalAddr += EFI_PAGE_SIZE;
					curVirtualAddress += PTEntryManageSize;
					restToMap -= PTEntryManageSize;
					if (!restToMap)break;
				}
			}
		}
	}
}

接下来用类似的方法映射内存的前 1 GB（EFI的Runtime Services会用到），之后启用分页：

// 启用分页
void Bootloader::EnablePaging()
{
	// 分配 PML4Table
	auto& pml4Table = *AllocatePML4Table(imageHandle);
	// 分配 PDPTable
	auto& pdpTable = *AllocatePDPTable(imageHandle);
	// 映射前 1 GB
	MappingLow1GB(imageHandle, pdpTable);
	// 映射内核所在的 1 GB
	MappingKernelAddress(imageHandle, kernelMemBuffer, sectionStart, sectionCount, pdpTable);

	// 映射前 512 GB
	auto& pdpTableRef = pml4Table[0];
	pdpTableRef.SetPDPTableAddress(pdpTable);
	pdpTableRef.Present = TRUE;
	pdpTableRef.ReadWrite = TRUE;

	EnableIA32ePaging(pml4Table);
}

启用IA32e分页需要设置一系列寄存器：

inline void EnableIA32ePaging(const PML4Table& pml4Table)
{
	const PML4Entry* addr = pml4Table;
	uint64_t cr3 = __readcr3();
	cr3 &= ~CR3_PML4_MASK;
	cr3 |= ((uint64_t)addr) & CR3_PML4_MASK;
	// 将页表存入 cr3
	__writecr3(cr3);

	// 启用分页
	tagCR0 cr0 = __readcr0();
	cr0.PG = 1;
	__writecr0(cr0.value);

	// 启用 PAE
	tagCR4 cr4 = __readcr4();
	cr4.PAE = 1;
	__writecr4(cr4.value);

	// 启用 IA32e 分页
	tagMSR_IA32_EFER ia32Efer = __readmsr(MSR_IA32_EFER);
	ia32Efer.LME = 1;
	__writemsr(MSR_IA32_EFER, ia32Efer.value);
}

至此分页完成。

2.2.4 配置 EFI Runtime Services

由于我们进入了分页模式，使用了虚拟地址，我们需要通知EFI更改他内部的指针，以适应这个变化。不过由于我做的前1GB分页是1:1分页，虚拟地址=物理地址，所以只需要简单的赋值：

void Bootloader::PrepareVirtualMemoryMapping()
{
	UINTN entries, mapKey, descriptorSize;
	UINT32 descriptorVersion;
	EFI_MEMORY_DESCRIPTOR* descriptor = LibMemoryMap(&entries, &mapKey, &descriptorSize, &descriptorVersion);

	BS->ExitBootServices(imageHandle, mapKey);

	EFI_MEMORY_DESCRIPTOR* memoryMapEntry = descriptor;
	for (UINTN i = 0; i < entries; i++)
	{
		if (memoryMapEntry->Attribute & EFI_MEMORY_RUNTIME)
		{
			memoryMapEntry->VirtualStart = memoryMapEntry->PhysicalStart;
		}
		memoryMapEntry = NextMemoryDescriptor(memoryMapEntry, descriptorSize);
	}

	EFI_STATUS status = RT->SetVirtualAddressMap(entries * descriptorSize, descriptorSize,
		EFI_MEMORY_DESCRIPTOR_VERSION, descriptor);
	if (EFI_ERROR(status))
		RT->ResetSystem(EfiResetWarm, EFI_LOAD_ERROR, 62, (CHAR16*)L"Setting Memory mapping failed.");

	params.MemoryDescriptor = descriptor;
	params.MemoryDescriptorSize = descriptorSize;
	params.MemoryDescriptorEntryCount = entries;
}

先利用LibMemoryMap获取当前的内存分布图，并针对属性带有EFI_MEMORY_RUNTIME的每一项设置他的VirtualStart（本例中=物理地址），最后调用Runtime Services的SetVirtualAddressMap函数通知EFI更改指针。

2.2.5 启动内核

内核加载了，分页也做了，EFI也配置过了，终于我们要进入新的世界了（←_←

从内核文件中读出入口点，调用，over~

void Bootloader::RunKernel(KernelEntryPoint entryPoint)
{
	entryPoint(params);
}

后记

第一次写博客，可能代码堆得多了点，今后会努力改进。另外由于EFI开发的资料很少，我也是第一次接触这个，肯定有很多错误理解的地方，还请各位园友不吝赐教。

最近对开发操作系统很有兴趣，在学习过程中也希望和大家深入交流，谢谢 :)