UEFI BIOS虚拟光驱的设计实现＊

纪向尚 庄克良 王大庆

（海军704厂 青岛 266109）

1 引言

小型计算机系统接口（Small Computer System Interface），简称SCSI，主要应用于计算机外围设备，如硬盘、软驱、光驱、打印机等。SCSI标准定义了命令、通讯协议以及实体的电气特性，其主要软件接口是SCSI命令。

SCSI的原始版本是SCSI－1，SCSI－1具有8位总线，数据传输率为4Mbps。目前SCSI－1已经很少使用。作为对SCSI－1的改进，SCSI－2使用了两项新技术Fast SCSI和 Wide SCSI。

Fast SCSI将传输速率提高到10MB／Sec，而Wide SCSI突破SCSI－1的单字节传输限制，将数据总线的带宽提高到16位或者32位。当使用Fast－Wide SCSI时，其理论传输速率为20MB／s或者40MB／s，SCSI－2增加了新的设备命令集，对光驱的支持也出现在SCSI－2标准文档中。

UEFI则定义了操作系统与系统硬件平台固件之间的开放接口。该规范定义的接口包括平台相关信息、启动服务例程以及操作系统运行时服务例程。操作系统装载器与操作系统可通过接口调用这些服务例程。UEFI规范是一个公开的纯接口定义，它不依赖于某个特定的BIOS制造商或某个特定的BIOS的实现，它仅仅定义了平台固件必须实现的接口，以及操作系统可能使用的一系列接口与数据结构，其实现的方式与细节均取决于该规范的实现者。UEFI规范还定义了固件驱动程序模型，使得所有遵循此模型开发的固件驱动程序能够互相协作。

目前UEFI BIOS下还没有相应的虚拟光驱方面的应用程序，本文研究的就是在UEFI接口规范下基本SCSI虚拟光驱技术的设计和实现。

2 SCSI协议分析

UEFI的所有驱动依靠协议堆叠形成协议栈，并以此组织系统中的驱动模块。SCSI作为总线控制器，要求提供控制器本身的控制协议即SCSI Pass Thru Protocol或者其扩展版本Ext Scsi Pass Thru Protocol。该协议可以驱动SCSI总线控制器，向总线控制器发出输入输出或其它控制命令。SCSI设备驱动则依赖该协议提供具体的设备输入输出控制接口。

在UEFI中，这种总线结构依赖于三个驱动实现：总线控制器驱动、总线驱动、子设备驱动。总线控制器作为一种设备，其驱动提供控制接口。总线驱动则利用这种接口查询并枚举总线控制器上的所有子设备，并为每一个子设备创建新的设备句柄，安装Device Path Protocol以及向子设备发送命令的总线IO协议。总线驱动不关心子设备类型，子设备上的总线IO只可向设备发送IO及控制信号。不同设备的驱动为了提供设备本身特有的接口，将该总线IO封装，提供工业标准中的设备控制接口。

如图1所示，SCSI总线控制器句柄SCSI Bus Controller Handle由系统或其父节点的总线驱动负责创建。SCSI总线控制器的控制接口协议Ext SCSI Pass Thru Protocol由总线控制器驱动实现并安装在该控制器句柄上。

图1 SCSI总线及设备协议栈

SCSI总线驱动使用Ext SCSI Pass Thru Protocol查询并枚举总线上的每个子设备，创建新的句柄，为这些子设备句柄安装Device Path Protocol和SCSI IO Protocol。其中，SCSI IO Protocol提供了统一的设备输入输出及控制接口。图1中Scsi Device 1Handle和SCSI Device 2Handle即为总线子设备句柄，由总线驱动创建。

由于SCSI设备的多样性，不同的设备需要特定的协议作为接口。图1中的SCSI设备为CD－Drive、磁盘等块设备。UEFI标准规定这些块设备应当提供Block IO Protocol，因此，EDK II中给出了SCSI块设备的驱动。该驱动检测通过SCSI IO Protocol检查每个设备的类型，并负责为光驱和磁盘创建块输入输出协议Block IO Protocol。

到此，SCSI总线结构的协议栈已经建立。EDK II提供Disk IO Protocol，其接口与Block IO Protocol有所不同，但一部分上层驱动同时使用这两个协议。Simple File System Protocol由文件系统相关的驱动模块负责。简单文件系统协议向Shell以及所有使用文件系统的驱动提供了文件访问接口。

根据以上分析，可以得出这样的结论：有效驱动SCSI光驱或者磁盘需要三个驱动模块完成，总线控制器驱动，总线驱动和子设备驱动。这三个驱动彼此独立地负责三个协议的安装，即 Ext Scsi Pass Thru Protocol，Scsi IO Protocol和Block IO Protocol。其中，Block IO Protocol抽象了块设备读写，与具体设备无关。

3 模块设计

3.1 顶层结构

图2 SCSI虚拟光驱顶层结构

SCSI虚拟光驱系统由两个模块组成，虚拟光驱驱动和Shell接口。模块间通过固件卷（Firmware Volume）实现配置信息的传递。图2给出了系统的顶层结构图。

Shell接口通过命令行获得配置信息，并将配置信息存入到固件卷中，比如虚拟光驱的数目，每个光驱对应的ISO镜像文件等。驱动的内核通过读取这些信息，动态创建出相应的数据结构来提供虚拟光驱服务，比如向用户提供一个或多个虚拟光驱等。

从前面的论述中知道，虚拟光驱驱动在实质上虚拟SCSI总线控制器，提供Ext SCSI Pass Thru Protocol接口。虽然该驱动是总线控制器驱动，但仍然是一个设备驱动，驱动接口被总线驱动（即SCSI Bus驱动）所使用。而在总线控制器内部维持着一些数据结构，向上层总线驱动提供虚拟信息，基于这个选择，可以得到如图3所示的驱动内核结构。

图3 遵循UEFI驱动模型的虚拟光驱驱动内核

3.2 Shell用户接口

虚拟光驱系统具有如下要求功能：

1）列出所有虚拟光驱，及其对应的ISO文件信息；

2）设置虚拟光驱数量；

3）为指定编号的虚拟光驱进行ISO镜像装载；

4）为指定编号的虚拟光驱进行ISO镜像卸载。

根据预期的四个功能，设计出如下格式的Shell命令：

其中，vscsi为Shell接口的程序名，－l选项以列表形式所有的虚拟光驱信息，－n用来设置虚拟光驱的数量，－m用来设置Num对应虚拟光驱的镜像文件，－u用来对Num指定虚拟光驱进行卸载。

虚拟光驱的Shell接口程序将遵循标准的程序结构，利用Shell相关的库和协议获得命令行参数并将其存放入固件卷中。Shell接口程序的框架如上图所示。Shell接受用户命令并分析后，将调用EFI Runtime Services向固件卷中写入配置信息。需要说明的是，命令行指定的文件路径中的盘符信息不能被设备驱动识别。比如，在f8：＼sample＼example1.iso这样的文件路径中，f8：＼不能被设备识别。因此，在Shell接口应当将盘符信息转化为设备驱动可以识别的信息，然后存储。

3.3 虚拟设备驱动

分析上述可知，驱动内核将使用一些数据结构来表示配置信息，并提供虚拟光驱服务。驱动应当首先创建虚拟的SCSI控制器建立对应数据结构，并根据配置信息在UEFI系统堆内存中动态地创建表示子设备的数据结构。

虚拟SCSI控制器对应的数据结构将采用C面向对象的方法，扩展Ext Scsi Pass Thru Protocol结构，将需要的数据结构作为该协议私有的数据，如图4所示。

其中，扩展后的Ext Scsi Pass Thru Protocol定义如图5。

以这个结构体作为虚拟的SCSI总线控制器的核心数据结构。

图4 虚拟SCSI控制器结构

图5 虚拟SCSI总线控制器结构体定义

前四个字节为signature。因为该结构体在内存中动态创建，协议中的函数可以利用这四个字节检查数据结构的正确性，这个特性类似于信息安全领域的数字签名。

签名结束后是协议接口，在向系统注册协议时将这个地址传入UEFI系统。并且，虚拟SCSI总线控制器结构体中，只有该域对外开放。在向虚拟设备装载协议时，ExtScsiPassThruInterface域的地址将被传入系统，保证了内部数据结构的封装。因此，其它驱动或者用户在向系统请求该协议接口时，得到的不是整个 VIRTUAL＿SCSI＿CONTROLLER结构体地址，而是其中ExtScsiPassThruInterface的地址。

VIRTUAL＿SCSI＿CONTROLLER的最后部分由一个类型匿名的Private域构成。该域仅包含两项，虚拟光驱数量以及指向虚拟光驱结构体数组的指针。对该域的数据类型进行匿名，可以保证该域的封装性。

对于每个虚拟光驱，其数据结构定义如图6所示。

图6 虚拟光驱设备结构体定义

CDRomMounted用以表示该CD Drive中是否装载了CD－Rom，FileDevicePath指向文件类型的Device Path。它主要用来保存从CMOS中获得的虚拟光驱配置信息，不负责文件的相关操作。根据FileDevicePath被打开的文件由FileHandle指向，文件的访问操作也将通过FileHandle来进行。TargetID和Lun是SCSI规范中定义的两种类型的数据，TargetID用来表示SCSI目标器的编号，Lun用来表示逻辑单元号（Logical Unit Number）。需要指出的是，在本虚拟光驱系统中对于任何一个TargetID，Lun均只为0，不使用其它值。

图7 SCSI虚拟光驱驱动模块详细设计

综合UEFI驱动模型、SCSI虚拟控制器结构及虚拟光驱设备结构得出如图7的SCSI虚拟光驱驱动模块详细设计。其中镜像文件（Image File）部分是驱动的二进制可加载镜像，由代码编译得到。堆空间（Heap Memory）中的所有数据结构由驱动的Driver Binding Protocol负责构造和析构。

3.4 模块间通信

图2系统的顶层结构图中，Shell接口和驱动内核通过固件卷进行配置信息的传递。在进行这种配置传递时需要解决两个问题。

第一，由于UEFI规范不使用时钟中断外的所有中断，因此UEFI系统应当处于单一的运行环境，即单指令流。因此，不可能同时存在驱动进程和Shell接口进程，也不可能实时传递配置参数。由于EFI的加载速度很快，重启EFI并不会耗费时间，所以无论是在传统BIOS，还是在EFI中，一些配置往往都要求重启。本设计选择回避该问题，配置信息设置保存后应当重新启动UEFI系统，以便驱动内核读取配置信息。

第二，EDK II的Shell中表示的盘符（如f8：＼）属于Shell内部表示，只有在Shell环境下可见。但驱动不在Shell环境下运行，也不能利用Shell库读取文件。如果简单地向固件卷中写入路径f8：＼sample＼example1.iso，那么即使路径信息能够被设备驱动所获取，驱动程序也不能从f8：＼访问任何设备。

4 结语

本文主要研究了符合UEFI接口规范的SCSI虚拟光驱技术，并设计实现了该SCSI虚拟光驱系统。该系统可以向其它驱动或者用户提供一个虚拟的SCSI总线控制器以及连接在总线控制器上的一个或多个虚拟光驱设备，用户可以通过Shell接口配置光驱数量以及各光驱中加载的ISO 9660结构的文件镜像。该方法的实现，对于扩展基于UEFI BIOS计算机系统的多光驱应用以及扩展外部设备接口，具有非常现实的积极意义。

［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技术解析.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／.