サーバーの起動方法：UEFI

以前、レガシーのレガシーの例を使用してサーバーを起動するシーケンスをすでに分析しました。 UEFIを詳しく見てみましょう。



現在UnifiedExtensive Firmware Interface（UEFI）として知られているものの最初のバージョンは、特にIntel®Itanium®システム用に最後の千年紀の90年代に開発され、Intel Boot Initiativeと呼ばれ、後にEFIと呼ばれました。



ブートプロセスを「更新」したいという要望が予想されました。PC-BIOS、現在はレガシーと呼ばれていますは、16ビットの実モードで動作することを提案し、1 MBのRAMのみをアドレス指定し、ブートローダーはパーティションテーブルとともにドライブの最初の512バイトに配置する必要があります。さらに、PC-BIOSは、最初に見つかったブートローダーに制御を移しますが、戻る可能性はありません。この場合、複数のオペレーティングシステムを使用するケースの処理は、ブートローダーの肩に置かれます。



ブートローダーのサイズ制限により、1983年に登場したマスターブートレコード（MBR）マークアップを使用する必要があります。MBRは標準化されていませんが、多くのベンダーは「伝統的」です。MBRには重大な制限があります。デフォルトでサポートされるパーティションは4つだけで、ストレージ容量は2.2TB以下です。



2000年12月、最初の広範なEFI仕様がバージョン1.02でリリースされました。5年後、IntelはEFIをUEFIフォーラムに転送し、変更を強調するためにタイトルにUnifiedを追加しました。UEFI仕様は公開されており、いくつかのドキュメントで構成されています。

• ACPI仕様;
• UEFI仕様;
• UEFIシェル仕様;
• UEFIプラットフォーム初期化仕様;
• UEFIプラットフォーム初期化配布パッケージ仕様。

楽しみは、プラットフォームのロードのすべてのフェーズを説明するUEFIプラットフォーム初期化仕様から始まります。



UEFIは普遍的ですが、この記事では、x86_64アーキテクチャ上のプロセッサに目を向けて標準に依存します。

起きろ、ネオ！

^{UEFIブートフェーズシーケンス（UEFIプラットフォーム初期化仕様ソース）}

プラットフォームの電源投入が開始された後、電源はトランジェントが完了するまで待機してから、信号をPower_Goodラインに設定します。そして、最初に動作を開始するのは中央プロセッサではなく、それに類似した自律サブシステムIntel®ManagementEngine（ME）またはAMD Secure Technology（ST）です。このサブシステムは独自の操作を実行してから、ブートストラッププロセッサ（BSP）と呼ばれる単一プロセッサの最初のコアを準備して起動します。

受け入れられている用語に従って、コア/プロセッサスレッドは、以降、ブートストラッププロセッサまたはアプリケーションプロセッサと呼ばれます。

レガシーと同様に、プロセッサは0xFFFFFFF0のアドレススペースの最後で最初の命令の実行を開始します。この命令は、プラットフォーム初期化の最初のフェーズであるSECへのジャンプです。

SEC（セキュリティ）フェーズ

このフェーズでは、次のタスクを解決する必要があります。

• enableイベントの処理。
• 次のフェーズのために十分なメモリを初期化します。
• システムへの信頼のルートを確立する。
• 必要な情報と制御を次のフェーズに転送します。

x86_64プロセッサは16ビットの実モードで起動し、初期初期化中にBSPは32ビットの保護モードになります。次に、使用可能なすべてのプロセッサのマイクロコードが更新されます。



次は、enableイベントの処理です。これは、機器の状態に関する情報の集約を意味し、次のフェーズで一部のモジュールがプラットフォームの「健全性」と一般的な状態について結論を出すことができるようにします。



SECフェーズでは、RAMの初期化は行われません。代わりに、空きプロセッサキャッシュはフラッシュ不可としてマークされ、一時RAMに変換されます。このモードは、エビクションなしモード（NEM）と呼ばれます。..。割り当てられたメモリにスタックが作成されます。これにより、次のフェーズのモジュールは、メインRAMを初期化する前にスタックプログラミング言語を使用できます。



さらに、すべてのアプリケーションプロセッサ（アプリケーションプロセッサ、AP）は、それらに送信されるプロセッサ間割り込み（プロセッサ間割り込み、IPI）の特別なシーケンスで初期化されます。 Init IPIシーケンス（Start-up IPI）は、アプリケーションプロセッサをウェイクアップし、その上で組み込みセルフテスト（BIST）を開始します。テスト結果は記録され、分析に渡されます。



セキュリティフェーズの最後に、ブートファームウェアボリューム（BFV）セクションを見つける必要があります、次のフェーズの実行可能コードが配置されているほか、可能であれば、コードを含む他のマイナーなセクション（Firmware Volume、FV）を見つけます。



セキュリティフェーズの名前を正当化し、信頼のルートになるために、このフェーズの実行中に、制御を転送する予定のコードで、プログラムの不正な変更や悪意のある部分をチェックできます。



SECの実行が終了すると、次の情報が収集されます。

• ブートファームウェアボリューム（BFV）のサイズとアドレス。
• 他のファームウェアボリューム（FV）のサイズとアドレス。
• 一時RAMのサイズとアドレス。
• スタックのサイズとアドレス。

次に、次の段階が始まります-EFIの初期化前。

PEI（Pre EFI Initialization）フェーズ

^{SuperMicroマザーボードのPEIフェーズPreEFI}

初期化フェーズの^目的は、接続されたデバイスに関する情報を収集し、完全な初期化プロセスを開始するために必要な最小限のハードウェアを準備することです。



プロセッサのキャッシュメモリが制限されているため、設計上、PEIフェーズは軽量である必要があります。さらに、PEIフェーズは障害から回復できるため、PEIフェーズコードをより復元力のあるストレージに配置する必要があります。



このフェーズは、 PEIFoundationおよびPEIModule（PEIM）プラグインと呼ばれるコアで構成されます。カーネルの中心部分は、モジュールマネージャーであるPEIディスパッチャーです。、モジュールの実行順序を制御し、モジュール間の相互作用（PEIMからPEIMへのインターフェイス、PPI）も整理します。



SECフェーズは、マザーボード上のフラッシュメモリから実行され、PEIの開始時にのみ、このフェーズに必要な実行可能コードが一時RAMにコピーされることに注意してください。



次はPEIディスパッチャーです。PEIモジュールを特定の順序で起動します。最初に、依存関係のないモジュール、次に依存関係のあるモジュール、というように、モジュールがなくなるまで続きます。



PEIフェーズのアーキテクチャにより、アクティビティの結果を次のフェーズに転送できる独自のモジュールを開発できます。情報転送は、特別なハンドオフブロック（HOB）データ構造を介して行われます。



PEIモジュールを起動するプロセスでは、次の点に注意してください。

• CPUPEIM-プロセッサの初期化。
• プラットフォームPEIM-北（メモリコントローラーハブを含む）および南（I / Oコントローラーハブ）ブリッジの初期化。
• メモリ初期化PEIM-メインRAMの初期化と、一時メモリからRAMへのデータの転送。

以前は、包含はSECフェーズから受信されていました。パワーオンイベントである場合はS3レジューム次に、S3ブートスクリプトが実行され、次のプロセッサと接続されているすべてのデバイス、及びその後の転送の保存された状態を復元し、OSを直接制御します。

S3（Suspend to RAM）状態は、プロセッサとチップセットの一部がコンテキストを失ってシャットダウンされるスリープ状態です。この状態から復帰すると、プロセッサは通常の電源投入時のように実行を開始します。ただし、完全に初期化してすべてのテストに合格する代わりに、システムはすべてのデバイスの状態の復元に制限されます。

他の状態から開始すると、制御はドライバー実行環境フェーズに移されます。

DXE（ドライバー実行環境）フェーズ

^DXE

フェーズ^{AHCI初期化}ドライバー実行環境（DXE）^{フェーズは}、残りのデバイスの初期化に^{重点を置い}ています。DXEフェーズが開始するまでに、プロセッサとメインメモリは作業の準備ができており、DXEドライバは厳密なリソース制限の対象ではありません。



PEI Foundationと同様に、このフェーズには独自のコアであるDXEFoundationがあります。カーネルは必要なインターフェースを作成し、3種類のDXEサービスをロードします。

• UEFIブートサービス-ブートタイムサービス。
• UEFIランタイムサービス-ランタイムサービス。
• DXEサービスは、DXEコアに必要な特別なサービスです。

サービスが初期化されると、DXEDispatcherが動作を開始します。DXEドライバーを見つけてロードし、DXEドライバーがハードウェアの初期化を完了します。

UEFIには、ハードウェアがPOST（パワーオンセルフテスト）に合格する専用フェーズはありません。代わりに、各PEIおよびDXEフェーズモジュールは独自のテストセットを実行し、POSTコードを介してユーザーに、および次のフェーズでHOBを介してこれを伝達します。

x86_64プロセッサにロードされた多くのドライバの中で、システム管理モード初期化（SMM初期化）ドライバに注意を払う価値があります。このドライバーは、システム管理モード（SMM）が機能するためのすべてを準備します。 SMMは、現在のコード（オペレーティングシステムを含む）の実行を一時停止し、独自のコンテキストでSMRAMの保護領域からプログラムを実行できる特別な特権モードです。

SMMは、非公式に-2保護リングと見なされます。OSカーネルはリング0で実行され、より制限された保護リングには1から3までの番号が付けられます。公式には、リング0が最も特権があると見なされます。ただし、ハードウェアで仮想化されたハイパーバイザーは従来、リング-1と呼ばれ、IntelMEとAMDSTはリング-3と呼ばれます。

さらに、互換性サポートモジュール（CSM）に注目します。これは、レガシー互換性を提供し、UEFIサポートなしでOSを起動できるようにします。このモジュールについては、後で詳しく説明します。



すべての機器を初期化したら、起動デバイスを選択します。

BDS（ブートデバイス選択）フェーズ

ブートデバイス選択フェーズは、UEFIアプリケーションのブートポリシーを実装します。これは別のフェーズですが、DXEフェーズ中に作成されたディスパッチャを含むすべてのサービスは引き続き利用できます。



BDSフェーズの目的は、次のタスクを実行することです。

• コンソールデバイスの初期化。
• 起動できるデバイスを検索します。
• 見つかったデバイスから優先順位に従って起動しようとします。

^{LSIアドイン}

カードの^PCIeBIOSブートマネージャは、デバイス上のブート領域を検出します。ネットワークカードやRAIDコントローラなどの一部の拡張カードには、オプションROMまたはOpROMと呼ばれる独自の「BIOS」が含まれている場合があります。 OpROMデバイスの内容は、検出直後に開始され、実行後、制御はブートマネージャーに戻ります。



ダウンロード領域を含むすべてのパーティションは、ブートマネージャのメモリに保存され、ブート順序に従って順序付けられます。アプリケーションが見つからない場合、ディスパッチャが検索中に追加のドライバをロードし、新しいデバイスがブートマネージャに対して「開く」可能性がある場合、ブートマネージャはDXEディスパッチャを呼び出すことができます。



前述のように、マスターブートレコードマークアップを使用すると、ドライブ上のパーティションのサイズとその数に制限が課せられ、いくつかのオペレーティングシステムのメンテナンスに一定の不便が生じます。これらすべての問題の解決策は、UEFI仕様の一部であるGUIDパーティションテーブルです。

GPT（GUIDパーティションテーブル）

GUIDパーティションテーブルは、従来のMBRに代わる標準化されたパーティションテーブルレイアウト形式です。



まず、GPTは、シリンダー、ヘッド、セクター（CHS）のアドレス指定ではなく、論理ブロックアドレス指定（LBA）を使用します。アドレス指定方法を変更すると、GPTは最大9.4 ZB（9.4 * 10 ²¹バイト）のドライブで動作できるのに対し、MBRでは2.2TBです。



次に、パーティションテーブルが変更され、1つのドライブ内に最大^264個のパーティションを作成できるようになりました。ただし、オペレーティングシステムはMicrosoft Windowsの場合は128個、Linuxの場合は256個しかサポートしていません。



第3に、各セクションには、セクションの目的を説明する独自のタイプ識別子があります。したがって、たとえば、識別子C12A7328-F81F-11D2-BA4B-00A0C93EC93Bは、ブートマネージャがアプリケーションのロードを試行できるEFIシステムパーティション（ESP）を一意に指します。



GPTの開発中、MBRとの互換性は惜しみませんでした。ディスクユーティリティがGPTディスクを認識せず、ワイプしない場合があります。これを回避するために、GPTパーティショニング中に、最初の512バイトが保護MBR（保護MBR）で埋められます。これは、システム識別子0xEEのドライブ全体の1つのパーティションからのパーティションです。このアプローチにより、UEFIは、それが実際のMBRではなく、GPTをサポートしていない古いソフトウェアであることを理解できます。つまり、不明なタイプのデータを含むパーティションを確認できます。



GPTは、起動可能として認識されるESPパーティションを優先して、起動領域を破棄しました。Boot Managerは、ディスク上のすべてのESPに関する情報を収集します。これにより、ESPごとに1つずつ、競合することなくドライブに複数のブートローダーを配置できます。

オペレーティングシステムのロード

すべてのデバイスをポーリングしてブート領域を探した後、BootManagerはブート優先順位でブートを開始します。一般に、制御はUEFIアプリケーションに転送され、UEFIアプリケーションはそのロジックの実行を開始します。ただし、レガシーモードの互換性があるシステムの場合、ブート領域リストにMBRが含まれている可能性があり、互換性サポートモジュールであるCSMに移動する必要があります。



CSMを使用すると、UEFIをサポートしないオペレーティングシステムを実行できます。このようなオペレーティングシステムをロードするために、CSMモジュールは「クラシック」オペレーティングシステムが該当する環境をエミュレートします。

• レガシードライバーをロードします。
• レガシーBIOSをロードします。
• ビデオ出力をレガシー互換モードにします。
• UEFIで使用できないメモリ内のレガシーに必要なデータ構造を作成します。
• SMMがレガシーで動作するようにCompatibilitySmmドライバーをロードします。

レガシーモードでは、OSは16ビットモードで起動しますが、UEFIではすべてが32ビットモードで動作することを思い出してください。CSMはレガシーブートローダーを16ビットモードで起動し、必要に応じて32ビットUEFIドライバーとの通信を提供します。

フェーズRT​​（実行時間）

OSまたはレガシーブートローダーのロードを開始すると、ランタイムフェーズが開始されます。このフェーズでは、すべてのDXEサービス（UEFIランタイムサービスを除く）は使用できなくなります。



RTフェーズの内容はさまざまです。レガシーでおなじみのOSローダーが存在する可能性があります。たとえば、GRUB2やWindows Boot Managerは、プロセッサを64ビットモードにしてOSを起動します。ただし、独立したアプリケーションまたはオペレーティングシステムのカーネルが同時に存在する可能性があります。



バージョン3.3以降のLinuxカーネルは、CONFIG_EFI_STUBフラグが存在する場合、通常のUEFIアプリケーションに変わり、サードパーティのブートローダーを使用せずにUEFIから起動できます。



レガシーの場合と同様に、ブートローダーまたはカーネル自体がプロセッサを64ビットモードにし、すべてのドライバをロードし、スケジューラを構成して、initを実行する必要があります。次に、Initはユーザースペースでプロセスを起動し、その後OSログインウィンドウが表示されます。

結論

UEFIの起動は、より複雑ですが、標準化された、ほぼ普遍的なプロセスです。レガシーとの類似点は一般的な用語でのみ観察され、ご存知のように、悪魔は詳細にあります。



どれくらい早くレガシーを完全に離れることができると思いますか？

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