EDK II之驱动程序与硬件平台的初始化简介

本文旨在简单介绍一下UEFI中驱动程序的加载方式（这里涉及的模块指的是符合UEFI Driver Model的模块）：

在UEFI中，当一个驱动模块被加载时，在模块入口点只会安装EFI_DRIVER_BINDING_PROTOCOL等，而不会去执行驱动程序的初始化（这一点与Linux中不同，在Linux中，当我们在驱动模块的入口点调用driver_register()来注册驱动的时候，会在driver_register()的里面调用总线的match()，驱动与设备匹配成功之后紧接着就会调用驱动程序的probe()函数来执行驱动的初始化），而在UEFI中，只有当我们在Boot Manager中调用gBS->ConnectController()时才会去匹配并初始化驱动程序。

下面我们设想一个硬件结构，以此为例来描述一下UEFI的驱动加载过程：

硬件结构：CPU内部有一个PCI Host Bridge，PCI Host Bridge下面有一个Root Bridge，USB Host Controller(EHCI)挂在Root Bridge管理的PCI总线上，再外接一个USB KeyBoard(USB键盘)。

目标：现在我们要通过USB键盘输入字符。

涉及的设备驱动程序：pci host bridge driver、pci bus driver、usb host driver（EHCI）、usb bus driver、usb keyboard driver。

UEFI相关背景知识：

1. POST过程中，DXE内核会Load所有的模块，模块会执行他们的入口函数；

2. 大部分设备驱动程序（这里指pci bus driver、usb host driver、usb bus driver、usb keyboard driver）在入口函数只做一件事（安装EFI_DRIVER_BINDING_PROTOCOL）；

3. pci host bridge driver有点不一样，它在入口函数会：

-> 创建host bridge的handle并在handle上安装EFI_PCI_HOST_BRIDGE_RESOURCE_ALLOCATION_PROTOCOL；
-> 创建root bridge的handle并在handle上安装EFI_PCI_ROOT_BRIDGE_IO_PROTOCOL；

4. EFI_BOOT_SERVICES.LocateHandleBuffer()能够获取系统中所有安装某种Protocol的handle；

5. EFI_BOOT_SERVICES.ConnectController()会把系统中所有的EFI_DRIVER_BINDING_PROTOCOL都找出来，并执行EFI_DRIVER_BINDING_PROTOCOL->Support()来匹配Device和Driver；匹配成功之后，ConnectController()会接着调用EFI_DRIVER_BINDING_PROTOCOL->Start()来执行驱动程序的初始化。

6. 关于Handle与Protocol：一个Handle上可以安装多个不同的Protocol，不同的Handle上可以安装同一个Protocol的不同实例（类似一个二维链表）

下面的代码模拟执行所有硬件相关的初始化：

//第一步：查找系统中的PCI Root Bridge，并加载PCI总线驱动

 // 获取系统中所有安装EFI_PCI_ROOT_BRIDGE_IO_PROTOCOL的handle；即找出系统中所有的pci root bridge
 gBS->LocateHandleBuffer (
         ByProtocol,
         &gEfiPciRootBridgeIoProtocolGuid,
         NULL,
         &NumHandles,
         &HandleBuffer);

  // 查找并加载pci bus driver
  // PCI bus driver的Support()通过判断device handle上是否安装有EFI_PCI_ROOT_BRIDGE_IO_PROTOCOL来匹配；
  for (Index = ; Index < NumHandles; Index++) { //循环root bridge
    Status = gBS->ConnectController (
                    HandleBuffer [Index],
                    NULL,
                    NULL,
                    FALSE);
  }
  // pci bus driver会枚举出所有的pci device，为每个pci device创建handle，并在handle上安装EFI_PCI_IO_PROTOCOL；

//第二步：加载EHCI driver，初始化USB Host Controller

// 获取系统中所有安装EFI_PCI_IO_PROTOCOL的handle（即找出系统中所有的pci device）；
  Status = gBS->LocateHandleBuffer (
                  ByProtocol,
                  &gEfiPciIoProtocolGuid,
                  NULL,
                  &HandleCount,
                  &Handles
                  );

 // 因为我们只关心EHCI，所以通过判断pci device的class code找到EHCI
    for (Index = ; Index < HandleCount; Index++) {
      Status = gBS->HandleProtocol (
                      Handles[Index],
                      &gEfiPciIoProtocolGuid,
                      (VOID **) &PciIo
                      );
      if (!EFI_ERROR (Status)) {
        // 读取pci配置空间
        Status = PciIo->Pci.Read (PciIo, EfiPciIoWidthUint8, 0x09, , &Class);
        if (!EFI_ERROR (Status) &&((PCI_CLASS_SERIAL == Class[]) && (PCI_CLASS_SERIAL_USB == Class[]))) { // pci device 是 EHCI
                   // 查找并加载驱动
                  //  EHCI driver的support()通过判断device handle是否安装了EFI_PCI_IO_PROTOCOL以及class code是否正确来匹配
                  Status = gBS->ConnectController (
                          Handles[Index],
                          NULL,
                          DevicePath,
                          FALSE
                          );
        }
      }
    }
// EHCI driver的start()会为handle安装EFI_USB_HC2_PROTOCOL；表明这是一个USB Host Controller

//第三步：加载USB总线驱动

// 获取系统中所有安装EFI_USB_HC2_PROTOCOL的handle（即找出系统中所有的USB Host Controller）；
  Status = gBS->LocateHandleBuffer (
                  ByProtocol,
                  &gEfiUsb2HcProtocolGuid,
                  NULL,
                  &UsbHcHandlesCount,
                  &UsbHcHandles);

   // 查找并加载usb bus driver
   // usb bus driver的support通过判断device handle是否安装了EFI_USB_HC2_PROTOCOL来匹配
   if (!EFI_ERROR (Status)) {
     for (i = ; i < UsbHcHandlesCount; i++) {
       gBS->ConnectController (UsbHcHandles [i], NULL, NULL, TRUE);
     }
   }
   // usb bus driver的start()会枚举所有的USB device，为每个device创建device handle，并安装EFI_USB_IO_PROTOCOL（用来表明这是一个USB设备）；
   // 当usb keyboard device被枚举之后，usb bus driver会调用EFI_BOOT_SERVICES.ConnectController()查找他的驱动；
   // usb keyboard driver的support()会判断device handle是否安装了EFI_USB_IO_PROTOCOL以及Interface描述符的class、subclass、protocol来匹配；
   // usb keyboard driver的start()会在keyboard的device handle上安装EFI_SIMPLE_TEXT_INPUT_PROTOCOL。

//第四步：调用EFI_SIMPLE_TEXT_INPUT_PROTOCOL接收键盘的输入

  while (TRUE) {
    // 调用EFI_SIMPLE_TEXT_INPUT_PROTOCOL
    gST->ConIn->ReadKeyStroke (gST->ConIn, &Key);
    if (Key.ScanCode == CONFIG_SYSTEM_ERROR_MANAGER_MENU_RESUME_KEY) { // 用户输入正确的按键
      return;
    }
  }

总结：UEFI中通过Protocol来标识device handle的类型（当然底层驱动也通过Protocol向上层驱动提供接口）。UEFI中的驱动程序的分层很清晰，由底向上依次依赖。驱动程序的初始化由POST过程控制，便于控制和理解（Linux中则由各个子系统控制，以USB系统为例：UEFI必须先初始化Host Controller Driver，然后初始化USB Bus Driver，最后初始化USB Device Driver；而在Linux中，不存在这种依赖关系）