UEFI实战LinuxBoot

Posted 2022-10-07 jiangwei0512

综述

LinuxBoot是一个开源的固件，用来替代UEFI Bios加载Linux的系统。

官网是LinuxBoot。

对应的代码库位于LinuxBoot · GitHub。

另外，本文是在【UEFI实战】LinuxBoot简介基础上完成的，增加了编译和执行部分。

基础

先通过几张图来说明LinuxBoot的基础。

这里实际上将固件分为了两个部分，分别是：

1. 用于处理特定硬件的部分；

2. 通用部分（Linux部分）；

第一部分，因为CPU和PCH等都是特定厂商的，因此需要特定的初始化代码来完成这些组件的初始化，这个部分可以是原来就有的东西，比如UEFI的PEI阶段，coreboot的romstage阶段、SBL的Stage 1B阶段，等等。

第二部分实际上就是一个Linux的内核加文件系统，它在平台初始化之后加载，由于这些部分是通用的，原始的Linux代码就可以完成操作，因此在官网的开始就直接了当的写了：不要重复造轮子。

上图的前面部分实际上是Intel的PI规范中定义的BIOS启动各个阶段，原始的是这样的：

也就是说LinuxBoot替代了UEFI启动过程中DXE之后的阶段，前面的两个图表达的意思其实是一样的：LinuxBoot可以认为是跑一部分SI（Silicon Initialization）代码然后加载LinuxBoot内核再加载真正的内核。

优缺点

优点主要来自Linux代码的引入：

• 可复用的代码增加；
• 安全性的提高；
• 启动速度提高（这个存疑，其实没有完整的验证数据）。

缺点：

• 只能加载Linux操作系统，也就是说Windows不行，这个感觉是个问题。

• 开源格式是GPL的，相比之下UEFI是BSD的。

使用

下载源码：

git clone https://gitee.com/mirrors/LinuxBoot.git

此外，代码还依赖于额外的内容，这里简单介绍。

额外依赖

kernel

内核会被包含到linuxboot.rom中，所以首先需要编译出内核。

注意编译内核的时候需要增加配置：CONFIG_EFI_BDS=y（在LinuxBoot的README中是这个，但是实际上需要使用的是CONFIG_EFI_STUB=y，该选项的作用是使UEFI可以直接启动内核而不需要BootLoader）。

内核编译成功之后可以在arch/x86/boot目录下找到，将文件bzImage放到LinuxBoot的根目录下。

这里需要注意的是由于linuxboot.rom的二进制大小有限，以及EDK的二进制的特性，必须保证bzImage足够小，这依赖于对内核的剪裁，不过这不在本文的讨论范围内。

u-root

u-root是嵌入式的root文件系统，配合Linux内核使用，作为Linux的initramfs。

它是由Go语言写的，不过实现的内容还是普通的root文件系统的CONFIG_EFI_STUB=y内容。

包括一系列标准的Linux命令，比如ls、cp等。

对应的代码：

git clone https://gitee.com/jiangwei0512/u-root.git

下载对应的代码到LinuxBoot目录，然后进入到u-root目录，之后就需要go编译器的操作了：

1. 下载安装go；
2. 通过go下载u-root命令，下载成功之后如下所示：

jw@X1C:~/code/linux-boot/u-root$ ls $GOPATH/bin
u-root

下载可能会遇到问题，可以更新代理：

jw@X1C:~/code/linux-boot/u-root$ go env -w GO111MODULE=on
jw@X1C:~/code/linux-boot/u-root$ go env -w GOPROXY=https://goproxy.cn,direct

3. 在u-root目录下执行u-root命令：

jw@X1C:~/code/linux-boot/u-root$ u-root core
19:49:18 Disabling CGO for u-root...
19:49:18 Build environment: GOARCH=amd64 GOOS=linux GOROOT=/usr/local/go GOPATH=/home/jw/go CGO_ENABLED=0
19:49:18 WARNING: You are not using one of the recommended Go versions (have = go1.19, recommended = [go1.17]).
			Some packages may not compile.
			Go to https://golang.org/doc/install to find out how to install a newer version of Go,
			or use https://godoc.org/golang.org/dl/go1.17 to install an additional version of Go.
19:49:18 NOTE: building with the new gobusybox; to get the old behavior check out commit 8b790de
19:49:18 Skipping package "cmds/core/bind": no buildable Go source files in /home/jw/code/linux-boot/u-root/cmds/core/bind
19:49:18 Skipping package "cmds/core/bind": no buildable Go source files in /home/jw/code/linux-boot/u-root/cmds/core/bind
19:49:39 Successfully built "/tmp/initramfs.linux_amd64.cpio" (size 12668312).

完成之后将/tmp/initramfs.linux_amd64.cpio压缩拷贝到LinuxBoot的根目录，并重命名为initrd.cpio.xz，压缩命令：

xz --check=crc32 -9 --lzma2=dict=1MiB --stdout /tmp/initramfs.linux_amd64.cpio | dd conv=sync bs=512 of=/tmp/initramfs.linux_amd64.cpio.xz

busybox

u-root是LinuxBoot推荐的initramfs，但是实际上它还是太大了，后面编译linuxboot.rom的时候会因为尺寸太大而编译出错，这里这里推荐另外的initramfs，即使用busybox创建的initramfs。

可以在Index of /downloads下载到busybox的源码，这里下载的是1.29.1版本，解压到指定的目录：

tar -xjvf busybox-1.29.2.tar.bz2 -C /home/jw/code

然后进入该目录进行配置（在源代码目录下执行make menuconfig）：

我们这里需要配置的是选择静态编译，位置在Settings项下。需要注意为了使用menuconfig，可能需要安装额外的库（libncurses5-dev）。配置之后就可以使用make进行编译。编译完成之后通过make install命令进行安装：

make install

执行上述命令之后，会在当前目录生成一个新的目录称为_install，我们需要这些文件生成initramfs，供内核使用，对应的文件如下：

jw@X1C:~/code/busybox-1.29.2$ ls _install/
bin  linuxrc  sbin  usr

创建initramfs的方法，这里使用最简单的，对应的命令如下：

mkdir initramfs
cd initramfs
mkdir dev proc sys
cp ../_install/* ./ -ra
sudo cp -a /dev/null,console,tty1,tty2,tty3,tty4 dev/
touch init
chmod a+x init

其中init的内容如下：

mount -t proc none /proc
mount -t sysfs none /sys
mdev -s
exec /sbin/init

最后再通过如下的命令打包：

find . -print0 | cpio --null -ov --format=newc | gzip -9 > ../initramfs.cpio.gz

不过最后还需要改名为initrd.cpio.xz，并放到LinuxBoot的根目录。

cpu

cpu更像是一个SSH，也是用Go语言实现的。

对应的代码下载：

git clone https://gitee.com/jiangwei0512/cpu.git

相关的代码已经都上传至：

https://gitee.com/jiangwei0512/linux-boot.git

edk

这里使用可以通过QEMU测试的LinuxBoot，所以它依赖于OVMF，所以需要下载edk，可以使用默认的github代码：

# If the edk2 directory doesn't exist, checkout a shallow branch of it
# and build the various Dxe/Smm files
edk2/.git:
	git clone --depth 1 --branch UDK2018 https://github.com/linuxboot/edk2

但是因为网络问题，也可以使用gitee版本：

https://gitee.com/jiangwei0512/edk2.git

需要将代码下载到LinuxBoot根目录，并重命名为edk2。

默认情况下LinuxBoot使用的是UDK2018版本：

# If the edk2 directory doesn't exist, checkout a shallow branch of it
# and build the various Dxe/Smm files
edk2/.git:
	git clone --depth 1 --branch UDK2018 https://github.com/linuxboot/edk2

编译会使用到的dsc是MdeModule.dsc和OvmfPkgX64.dsc，对应到Makefile里面：

# 位于boards/qemu/Makefile.board：
# We can build a firmware image from edk2
# it is not necessary to provide one
boards/$(BOARD)/$(BOARD).rom: edk2/.git
	( cd edk2/OvmfPkg ; ./build.sh )
	cp edk2/Build/OvmfX64/DEBUG_GCC5/FV/OVMF.fd $@

# 位于Makefile：
$(EDK2_OUTPUT_DIR)/DxeCore.efi: edk2/.git
	$(MAKE) -C edk2

编译

进入LinuxBoot根目录并执行make：

jw@X1C:~/code/linux-boot$ make
./bin/create-ffs -o build/qemu/Initrd.ffs --name Initrd --version 1.0 --type FREEFORM --depex "" --guid "74696e69-6472-632e-7069-6f2f62696f73" initrd.cpio.xz
./bin/create-fv \\
        -v \\
        -o build/qemu/dxe.vol \\
        --size 0xA00000 \\
        --compress 0 \\
        build/qemu/DxeCore.ffs build/qemu/rom/0x00084000/9e21fd93-9c72-4c15-8c4b-e77f1db2d792/1/fc510ee7-ffdc-11d4-bd41-0080c73c8881.ffs build/qemu/rom/0x00084000/9e21fd93-9c72-4c15-8c4b-e77f1db2d792/1/d93ce3d8-a7eb-4730-8c8e-cc466a9ecc3c.ffs build/qemu/rom/0x00084000/9e21fd93-9c72-4c15-8c4b-e77f1db2d792/1/6c2004ef-4e0e-4be4-b14c-340eb4aa5891.ffs build/qemu/rom/0x00084000/9e21fd93-9c72-4c15-8c4b-e77f1db2d792/1/80cf7257-87ab-47f9-a3fe-d50b76d89541.ffs build/qemu/rom/0x00084000/9e21fd93-9c72-4c15-8c4b-e77f1db2d792/1/b601f8c4-43b7-4784-95b1-f4226cb40cee.ffs build/qemu/rom/0x00084000/9e21fd93-9c72-4c15-8c4b-e77f1db2d792/1/f80697e9-7fd6-4665-8646-88e33ef71dfc.ffs build/qemu/rom/0x00084000/9e21fd93-9c72-4c15-8c4b-e77f1db2d792/1/13ac6dd0-73d0-11d4-b06b-00aa00bd6de7.ffs build/qemu/rom/0x00084000/9e21fd93-9c72-4c15-8c4b-e77f1db2d792/1/245CB4DA-8E15-4A1B-87E3-9878FFA07520.ffs build/qemu/rom/0x00084000/9e21fd93-9c72-4c15-8c4b-e77f1db2d792/1/a19b1fe7-c1bc-49f8-875f-54a5d542443f.ffs build/qemu/rom/0x00084000/9e21fd93-9c72-4c15-8c4b-e77f1db2d792/1/1a1e4886-9517-440e-9fde-3be44cee2136.ffs build/qemu/rom/0x00084000/9e21fd93-9c72-4c15-8c4b-e77f1db2d792/1/C190FE35-44AA-41A1-8AEA-4947BC60E09D.ffs build/qemu/rom/0x00084000/9e21fd93-9c72-4c15-8c4b-e77f1db2d792/1/f6697ac4-a776-4ee1-b643-1feff2b615bb.ffs build/qemu/rom/0x00084000/9e21fd93-9c72-4c15-8c4b-e77f1db2d792/1/11a6edf6-a9be-426d-a6cc-b22fe51d9224.ffs build/qemu/rom/0x00084000/9e21fd93-9c72-4c15-8c4b-e77f1db2d792/1/128fb770-5e79-4176-9e51-9bb268a17dd1.ffs build/qemu/rom/0x00084000/9e21fd93-9c72-4c15-8c4b-e77f1db2d792/1/93b80004-9fb3-11d4-9a3a-0090273fc14d.ffs build/qemu/rom/0x00084000/9e21fd93-9c72-4c15-8c4b-e77f1db2d792/1/4b28e4c7-ff36-4e10-93cf-a82159e777c5.ffs build/qemu/rom/0x00084000/9e21fd93-9c72-4c15-8c4b-e77f1db2d792/1/c8339973-a563-4561-b858-d8476f9defc4.ffs build/qemu/rom/0x00084000/9e21fd93-9c72-4c15-8c4b-e77f1db2d792/1/378d7b65-8da9-4773-b6e4-a47826a833e1.ffs build/qemu/rom/0x00084000/9e21fd93-9c72-4c15-8c4b-e77f1db2d792/1/f099d67f-71ae-4c36-b2a3-dceb0eb2b7d8.ffs build/qemu/rom/0x00084000/9e21fd93-9c72-4c15-8c4b-e77f1db2d792/1/ad608272-d07f-4964-801e-7bd3b7888652.ffs build/qemu/rom/0x00084000/9e21fd93-9c72-4c15-8c4b-e77f1db2d792/1/42857f0a-13f2-4b21-8a23-53d3f714b840.ffs build/qemu/rom/0x00084000/9e21fd93-9c72-4c15-8c4b-e77f1db2d792/1/9b680fce-ad6b-4f3a-b60b-f59899003443.ffs build/qemu/rom/0x00084000/9e21fd93-9c72-4c15-8c4b-e77f1db2d792/1/348c4d62-bfbd-4882-9ece-c80bb1c4783b.ffs build/qemu/rom/0x00084000/9e21fd93-9c72-4c15-8c4b-e77f1db2d792/1/96b5c032-df4c-4b6e-8232-438dcf448d0e.ffs build/qemu/rom/0x00084000/9e21fd93-9c72-4c15-8c4b-e77f1db2d792/1/f9d88642-0737-49bc-81b5-6889cd57d9ea.ffs build/qemu/rom/0x00084000/9e21fd93-9c72-4c15-8c4b-e77f1db2d792/1/4110465d-5ff3-4f4b-b580-24ed0d06747a.ffs build/qemu/rom/0x00084000/9e21fd93-9c72-4c15-8c4b-e77f1db2d792/1/9622e42c-8e38-4a08-9e8f-54f784652f6b.ffs build/qemu/rom/0x00084000/9e21fd93-9c72-4c15-8c4b-e77f1db2d792/1/49970331-e3fa-4637-9abc-3b7868676970.ffs build/qemu/rom/0x00084000/9e21fd93-9c72-4c15-8c4b-e77f1db2d792/1/7e374e25-8e01-4fee-87f2-390c23c606cd.ffs build/qemu/rom/0x00084000/9e21fd93-9c72-4c15-8c4b-e77f1db2d792/1/bdce85bb-fbaa-4f4e-9264-501a2c249581.ffs build/qemu/rom/0x00084000/9e21fd93-9c72-4c15-8c4b-e77f1db2d792/1/7C04A583-9E3E-4F1C-AD65-E05268D0B4D1.ffs build/qemu/rom/0x00084000/9e21fd93-9c72-4c15-8c4b-e77f1db2d792/1/d9dcc5df-4007-435e-9098-8970935504b2.ffs build/qemu/rom/0x00084000/9e21fd93-9c72-4c15-8c4b-e77f1db2d792/1/2ec9da37-ee35-4de9-86c5-6d9a81dc38a7.ffs build/qemu/rom/0x00084000/9e21fd93-9c72-4c15-8c4b-e77f1db2d792/1/8657015b-ea43-440d-949a-af3be365c0fc.ffs build/qemu/rom/0x00084000/9e21fd93-9c72-4c15-8c4b-e77f1db2d792/1/733cbac2-b23f-4b92-bc8e-fb01ce5907b7.ffs build/qemu/rom/0x00084000/9e21fd93-9c72-4c15-8c4b-e77f1db2d792/1/22dc2b60-fe40-42ac-b01f-3ab1fad9aad8.ffs build/qemu/rom/0x00084000/9e21fd93-9c72-4c15-8c4b-e77f1db2d792/1/fe5cea76-4f72-49e8-986f-2cd899dffe5d.ffs build/qemu/rom/0x00084000/9e21fd93-9c72-4c15-8c4b-e77f1db2d792/1/cbd2e4d5-7068-4ff5-b462-9822b4ad8d60.ffs dxe/linuxboot.ffs build/qemu/Linux.ffs build/qemu/Initrd.ffs
Can't open build/qemu/rom/0x00084000/9e21fd93-9c72-4c15-8c4b-e77f1db2d792/1/245CB4DA-8E15-4A1B-87E3-9878FFA07520.ffs: 没有那个文件或目录 at ./bin/create-fv line 69, <> chunk 8.
Can't open build/qemu/rom/0x00084000/9e21fd93-9c72-4c15-8c4b-e77f1db2d792/1/C190FE35-44AA-41A1-8AEA-4947BC60E09D.ffs: 没有那个文件或目录 at ./bin/create-fv line 69, <> chunk 10.
Can't open build/qemu/rom/0x00084000/9e21fd93-9c72-4c15-8c4b-e77f1db2d792/1/7C04A583-9E3E-4F1C-AD65-E05268D0B4D1.ffs: 没有那个文件或目录 at ./bin/create-fv line 69, <> chunk 29.
build/qemu/dxe.vol: 0x0071ed2e out of 00a00000 bytes in FV
alignment attribute 05
alignment attribute 05
alignment attribute 05
alignment attribute 05
./bin/create-ffs \\
        --compress \\
        --type FIRMWARE_VOLUME_IMAGE \\
        build/qemu/rom/0x00084000/9e21fd93-9c72-4c15-8c4b-e77f1db2d792/0.fv build/qemu/dxe.vol build/qemu/qemu.txt \\
| ./bin/create-fv \\
        --size 0x748000 \\
        -o build/qemu/merged.vol
alignment attribute 05
cat > build/qemu/linuxboot.rom.tmp build/qemu/rom/0x00000000.fv build/qemu/merged.vol build/qemu/rom/0x007cc000.fv
mv build/qemu/linuxboot.rom.tmp build/qemu/linuxboot.rom

可以看到编译能够成功，不过还是会有报错。这是因为某些EDK模块并不存在，查看boards/qemu/image-files.txt文件可以看到这些模块是什么：

245CB4DA-8E15-4A1B-87E3-9878FFA07520 Legacy8259
C190FE35-44AA-41A1-8AEA-4947BC60E09D Timer
7C04A583-9E3E-4F1C-AD65-E05268D0B4D1 Shell

前面两个是必须的，并且在OvmfPkgX64.dsc中已经编译进去了，但是由于GUID不对（整个都不对或者大小写不对）导致异常，这里修改如下：

这样就不会报错了。

执行

使用QEMU执行编译出来的linuxboot.rom，可以直接执行如下命令：

make run

实际真正的命令就是QEMU操作：

jw@X1C:~/code/linux-boot$ make run
qemu-system-x86_64 \\
	-machine q35,smm=on  \\
	-global ICH9-LPC.disable_s3=1 \\
	-global driver=cfi.pflash01,property=secure,value=on \\
	--serial stdio \\
	-drive if=pflash,format=raw,unit=0,file=build/qemu/linuxboot.rom

结果如下：

可以看到BIOS已经启动完成，不过内核启动还存在问题，一直是黑屏，应该是剪裁出问题了，这个需要后续解决，由于Linux水平有限，暂时不再这里讨论。