UEFI BIOS虛擬光驅的設計實現＊

紀向尚 莊克良 王大慶

（海軍704廠 青島 266109）

1 引言

小型計算機系統接口（Small Computer System Interface），簡稱SCSI，主要應用于計算機外圍設備，如硬盤、軟驅、光驅、打印機等。SCSI標準定義了命令、通訊協議以及實體的電氣特性，其主要軟件接口是SCSI命令。

SCSI的原始版本是SCSI－1，SCSI－1具有8位總線，數據傳輸率為4Mbps。目前SCSI－1已經很少使用。作為對SCSI－1的改進，SCSI－2使用了兩項新技術Fast SCSI和 Wide SCSI。

Fast SCSI將傳輸速率提高到10MB／Sec，而Wide SCSI突破SCSI－1的單字節傳輸限制，將數據總線的帶寬提高到16位或者32位。當使用Fast－Wide SCSI時，其理論傳輸速率為20MB／s或者40MB／s，SCSI－2增加了新的設備命令集，對光驅的支持也出現在SCSI－2標準文檔中。

UEFI則定義了操作系統與系統硬件平臺固件之間的開放接口。該規范定義的接口包括平臺相關信息、啟動服務例程以及操作系統運行時服務例程。操作系統裝載器與操作系統可通過接口調用這些服務例程。UEFI規范是一個公開的純接口定義，它不依賴于某個特定的BIOS制造商或某個特定的BIOS的實現，它僅僅定義了平臺固件必須實現的接口，以及操作系統可能使用的一系列接口與數據結構，其實現的方式與細節均取決于該規范的實現者。UEFI規范還定義了固件驅動程序模型，使得所有遵循此模型開發的固件驅動程序能夠互相協作。

目前UEFI BIOS下還沒有相應的虛擬光驅方面的應用程序，本文研究的就是在UEFI接口規范下基本SCSI虛擬光驅技術的設計和實現。

2 SCSI協議分析

UEFI的所有驅動依靠協議堆疊形成協議棧，并以此組織系統中的驅動模塊。SCSI作為總線控制器，要求提供控制器本身的控制協議即SCSI Pass Thru Protocol或者其擴展版本Ext Scsi Pass Thru Protocol。該協議可以驅動SCSI總線控制器，向總線控制器發出輸入輸出或其它控制命令。SCSI設備驅動則依賴該協議提供具體的設備輸入輸出控制接口。

在UEFI中，這種總線結構依賴于三個驅動實現：總線控制器驅動、總線驅動、子設備驅動。總線控制器作為一種設備，其驅動提供控制接口。總線驅動則利用這種接口查詢并枚舉總線控制器上的所有子設備，并為每一個子設備創建新的設備句柄，安裝Device Path Protocol以及向子設備發送命令的總線IO協議。總線驅動不關心子設備類型，子設備上的總線IO只可向設備發送IO及控制信號。不同設備的驅動為了提供設備本身特有的接口，將該總線IO封裝，提供工業標準中的設備控制接口。

如圖1所示，SCSI總線控制器句柄SCSI Bus Controller Handle由系統或其父節點的總線驅動負責創建。SCSI總線控制器的控制接口協議Ext SCSI Pass Thru Protocol由總線控制器驅動實現并安裝在該控制器句柄上。

圖1 SCSI總線及設備協議棧

SCSI總線驅動使用Ext SCSI Pass Thru Protocol查詢并枚舉總線上的每個子設備，創建新的句柄，為這些子設備句柄安裝Device Path Protocol和SCSI IO Protocol。其中，SCSI IO Protocol提供了統一的設備輸入輸出及控制接口。圖1中Scsi Device 1Handle和SCSI Device 2Handle即為總線子設備句柄，由總線驅動創建。

由于SCSI設備的多樣性，不同的設備需要特定的協議作為接口。圖1中的SCSI設備為CD－Drive、磁盤等塊設備。UEFI標準規定這些塊設備應當提供Block IO Protocol，因此，EDK II中給出了SCSI塊設備的驅動。該驅動檢測通過SCSI IO Protocol檢查每個設備的類型，并負責為光驅和磁盤創建塊輸入輸出協議Block IO Protocol。

到此，SCSI總線結構的協議棧已經建立。EDK II提供Disk IO Protocol，其接口與Block IO Protocol有所不同，但一部分上層驅動同時使用這兩個協議。Simple File System Protocol由文件系統相關的驅動模塊負責。簡單文件系統協議向Shell以及所有使用文件系統的驅動提供了文件訪問接口。

根據以上分析，可以得出這樣的結論：有效驅動SCSI光驅或者磁盤需要三個驅動模塊完成，總線控制器驅動，總線驅動和子設備驅動。這三個驅動彼此獨立地負責三個協議的安裝，即 Ext Scsi Pass Thru Protocol，Scsi IO Protocol和Block IO Protocol。其中，Block IO Protocol抽象了塊設備讀寫，與具體設備無關。

3 模塊設計

3.1 頂層結構

圖2 SCSI虛擬光驅頂層結構

SCSI虛擬光驅系統由兩個模塊組成，虛擬光驅驅動和Shell接口。模塊間通過固件卷（Firmware Volume）實現配置信息的傳遞。圖2給出了系統的頂層結構圖。

Shell接口通過命令行獲得配置信息，并將配置信息存入到固件卷中，比如虛擬光驅的數目，每個光驅對應的ISO鏡像文件等。驅動的內核通過讀取這些信息，動態創建出相應的數據結構來提供虛擬光驅服務，比如向用戶提供一個或多個虛擬光驅等。

從前面的論述中知道，虛擬光驅驅動在實質上虛擬SCSI總線控制器，提供Ext SCSI Pass Thru Protocol接口。雖然該驅動是總線控制器驅動，但仍然是一個設備驅動，驅動接口被總線驅動（即SCSI Bus驅動）所使用。而在總線控制器內部維持著一些數據結構，向上層總線驅動提供虛擬信息，基于這個選擇，可以得到如圖3所示的驅動內核結構。

圖3 遵循UEFI驅動模型的虛擬光驅驅動內核

3.2 Shell用戶接口

虛擬光驅系統具有如下要求功能：

1）列出所有虛擬光驅，及其對應的ISO文件信息；

2）設置虛擬光驅數量；

3）為指定編號的虛擬光驅進行ISO鏡像裝載；

4）為指定編號的虛擬光驅進行ISO鏡像卸載。

根據預期的四個功能，設計出如下格式的Shell命令：

其中，vscsi為Shell接口的程序名，－l選項以列表形式所有的虛擬光驅信息，－n用來設置虛擬光驅的數量，－m用來設置Num對應虛擬光驅的鏡像文件，－u用來對Num指定虛擬光驅進行卸載。

虛擬光驅的Shell接口程序將遵循標準的程序結構，利用Shell相關的庫和協議獲得命令行參數并將其存放入固件卷中。Shell接口程序的框架如上圖所示。Shell接受用戶命令并分析后，將調用EFI Runtime Services向固件卷中寫入配置信息。需要說明的是，命令行指定的文件路徑中的盤符信息不能被設備驅動識別。比如，在f8：＼sample＼example1.iso這樣的文件路徑中，f8：＼不能被設備識別。因此，在Shell接口應當將盤符信息轉化為設備驅動可以識別的信息，然后存儲。

3.3 虛擬設備驅動

分析上述可知，驅動內核將使用一些數據結構來表示配置信息，并提供虛擬光驅服務。驅動應當首先創建虛擬的SCSI控制器建立對應數據結構，并根據配置信息在UEFI系統堆內存中動態地創建表示子設備的數據結構。

虛擬SCSI控制器對應的數據結構將采用C面向對象的方法，擴展Ext Scsi Pass Thru Protocol結構，將需要的數據結構作為該協議私有的數據，如圖4所示。

其中，擴展后的Ext Scsi Pass Thru Protocol定義如圖5。

以這個結構體作為虛擬的SCSI總線控制器的核心數據結構。

圖4 虛擬SCSI控制器結構

圖5 虛擬SCSI總線控制器結構體定義

前四個字節為signature。因為該結構體在內存中動態創建，協議中的函數可以利用這四個字節檢查數據結構的正確性，這個特性類似于信息安全領域的數字簽名。

簽名結束后是協議接口，在向系統注冊協議時將這個地址傳入UEFI系統。并且，虛擬SCSI總線控制器結構體中，只有該域對外開放。在向虛擬設備裝載協議時，ExtScsiPassThruInterface域的地址將被傳入系統，保證了內部數據結構的封裝。因此，其它驅動或者用戶在向系統請求該協議接口時，得到的不是整個 VIRTUAL＿SCSI＿CONTROLLER結構體地址，而是其中ExtScsiPassThruInterface的地址。

VIRTUAL＿SCSI＿CONTROLLER的最后部分由一個類型匿名的Private域構成。該域僅包含兩項，虛擬光驅數量以及指向虛擬光驅結構體數組的指針。對該域的數據類型進行匿名，可以保證該域的封裝性。

對于每個虛擬光驅，其數據結構定義如圖6所示。

圖6 虛擬光驅設備結構體定義

CDRomMounted用以表示該CD Drive中是否裝載了CD－Rom，FileDevicePath指向文件類型的Device Path。它主要用來保存從CMOS中獲得的虛擬光驅配置信息，不負責文件的相關操作。根據FileDevicePath被打開的文件由FileHandle指向，文件的訪問操作也將通過FileHandle來進行。TargetID和Lun是SCSI規范中定義的兩種類型的數據，TargetID用來表示SCSI目標器的編號，Lun用來表示邏輯單元號（Logical Unit Number）。需要指出的是，在本虛擬光驅系統中對于任何一個TargetID，Lun均只為0，不使用其它值。

圖7 SCSI虛擬光驅驅動模塊詳細設計

綜合UEFI驅動模型、SCSI虛擬控制器結構及虛擬光驅設備結構得出如圖7的SCSI虛擬光驅驅動模塊詳細設計。其中鏡像文件（Image File）部分是驅動的二進制可加載鏡像，由代碼編譯得到。堆空間（Heap Memory）中的所有數據結構由驅動的Driver Binding Protocol負責構造和析構。

3.4 模塊間通信

圖2系統的頂層結構圖中，Shell接口和驅動內核通過固件卷進行配置信息的傳遞。在進行這種配置傳遞時需要解決兩個問題。

第一，由于UEFI規范不使用時鐘中斷外的所有中斷，因此UEFI系統應當處于單一的運行環境，即單指令流。因此，不可能同時存在驅動進程和Shell接口進程，也不可能實時傳遞配置參數。由于EFI的加載速度很快，重啟EFI并不會耗費時間，所以無論是在傳統BIOS，還是在EFI中，一些配置往往都要求重啟。本設計選擇回避該問題，配置信息設置保存后應當重新啟動UEFI系統，以便驅動內核讀取配置信息。

第二，EDK II的Shell中表示的盤符（如f8：＼）屬于Shell內部表示，只有在Shell環境下可見。但驅動不在Shell環境下運行，也不能利用Shell庫讀取文件。如果簡單地向固件卷中寫入路徑f8：＼sample＼example1.iso，那么即使路徑信息能夠被設備驅動所獲取，驅動程序也不能從f8：＼訪問任何設備。

4 結語

本文主要研究了符合UEFI接口規范的SCSI虛擬光驅技術，并設計實現了該SCSI虛擬光驅系統。該系統可以向其它驅動或者用戶提供一個虛擬的SCSI總線控制器以及連接在總線控制器上的一個或多個虛擬光驅設備，用戶可以通過Shell接口配置光驅數量以及各光驅中加載的ISO 9660結構的文件鏡像。該方法的實現，對于擴展基于UEFI BIOS計算機系統的多光驅應用以及擴展外部設備接口，具有非常現實的積極意義。

［1］UEFI Forum.February 2010.UEFI Specification.Version 2.3.http：／／www.uefi.org／specs／

［2］UEFI Forum.February 2010.UEFI Platform Initialization Specification.Version 1.2.http：／／www.uefi.org／specs／

［3］Vincent Zimmer.2006.Beyond BIOS.Intel corporation.17－32，143－146.

［4］Framework Open Source Community.March 2008.Pre＿EFI Initialization Core Interface http：／／www.uefi.org／specs／.

［5］EFI技術解析.March 2010.http：／／www.gz－benet.com.cn／.

［6］Basic Instruction for Using EFI.January 2，2008.http：／／www.intel.com／.

［7］Enterprise64BIOS.March 2010.http：／／ami.com／.