PXE

简介

PXE全称是Pre-boot Execution Environment，由 Intel 公司开发的网络引导技术，工作在 Client/Server 模式，允许客户机通过网络从远程服务器下载引导镜像，并加载安装整个操作系统。PXE 严格来说是一种引导的方式。协议分为 client 和 server 端，PXE client 在网卡的 ROM 中，当计算机引导时，BIOS 把 PXE client 调入内存执行，由 PXE client 将放置在远端的boot文件通过网络下载到本地运行。PXE client先通过DHCP协议获取IP地址以及TFTP服务器地址，然后通过TFTP从服务器下载boot文件，并加载允许boot文件。所以，PXE client都集成了DHCP client和TFTP client的功能。有了PXE，就可以大规模地、自动化地实现操作系统的安装。

如前所述，PXE client的加载和执行由BIOS来负责，BIOS分Legacy和UEFI两种，Legacy是早期的接口规范，有诸多限制，UEFI则是新一代的接口规范。实现上，网卡作为一种PCIe设备，而PCIe提供PCI Expansion ROM功能，所以，通常将PXE client制作成PCI Expansion ROM烧进网卡，BIOS通过访问PCI设备空间的方式来获取PXE client。习惯上，PCI Expansion ROM也叫PCI Option ROM。

 

Legacy

Legacy BIOS是上世纪80年代开发的基于16位的系统固件接口标准，只支持Intel CPU，磁盘采用MBR分区，最多支持4个主分区，硬盘容量也限制在2T，启动时间较慢。

Legacy启动流程如下：

1.电脑开机后，开始启动BIOS，开始BIOS自检；

2.通过自检后，bios找到硬盘上的主引导记录MBR；

3.MBR开始读取硬盘分区表DPT，找到活动分区中的分区引导记录PBR，并且把控制权交给PBR；

4.PBR搜索活动区中的启动管理器bootmgr，找到后，PBR把控制权交给bootmgr(相当于xp里的ntldr文件)；

5.Bootmgr寻找活动分区中的boot文件夹中的BCD文件（启动配置数据，相当于xp里的boot.ini文件）；

6.找到BCD后，Bootmgr首先从BCD 中读取启动管理器bootmgr菜单的语言版本信息，没多系统直接加载系统，有多系统会显示多操作系统选择画面。

 

UEFI

UEFI全称是Unified Extensible Firmware Interface，是基于六十四位的系统固件接口标准。UEFI 是Legacy BIOS 的继承者，旨在解决其技术限制。UEFI的前身是Intel在1998年开始开发的Intel Boot Initiative，后来被重命名为可扩展固件接口（Extensible Firmware Interface，缩写EFI）。Intel在2005年将其交由统一可扩展固件接口论坛（Unified EFI Forum）来推广与发展，为了凸显这一点，EFI也更名为UEFI（Unified EFI）。UEFI论坛的创始者是11家知名电脑公司，包括Intel、IBM等硬件厂商，软件厂商Microsoft，及BIOS厂商AMI、Insyde及Phoenix。

UEFI使用GPT的分区引导方案，支持更大的硬盘。由于省去了BIOS自检的过程，所以启动速度更快。

UEFI启动流程如下：

1.电脑开机后，上电自检，UEFI固件被载，并由它初始化启动要用的硬件；

2.UEFI固件寻找EFI分区中的启动文件(\efi\Microsoft\boot\bootmgfw.efi)启动管理器；

3.启动管理器读取硬盘EFI分区中BCD文件(efi\Microsoft\BCD)系统菜单；

4.最后根据配置内容加载引导程序winload.efi(\Windows\system32\winload.efi)加载系统。

总之，UEFI是取代Legacy的新一代的BIOS，功能更加强大，而且它是以图形图像模式显示，让用户更便捷的直观操作。

Legacy与UEFI的区别

UEFI提供了更好的用户界面；

legacy使用MBR分区方案，UEFI使用GPT分区方案；

legacy最多支持4个分区，硬盘容量2TB，UEFI支持最多128个分区，硬盘容量9zB；

legacy有POST自检，启动速度慢，UEFI没有POST自检，启动速度快；

legacy仅在16位模式下运行，UEFI支持32位和六十四位模式；

legacy仅支持键盘，UEFI支持鼠标、触摸板；

legacy不支持安全启动，UEFI支持安全启动；

legacy流程复杂，UEFI流程简单。

在系统上电的时候，可以进入bios配置界面，选择Legacy还是UEFI。

Option ROM

简介

为了将操作系统加载到内存中，系统需要三类设备：

存储设备：用于保存操作系统；

显示设备：用于显示当前的启动进度；

输入设备：用于接收用户输入信息；

在这个阶段，操作系统还没有被加载到内存执行，也就意味着操作系统中对应的设备驱动程序也没有被加载，因此，就需要在Expansion ROM里面存放一份启动阶段使用的设备驱动程序。简单来说就是，BIOS阶段要使用一个PCIe设备，但是BIOS不包含这个设备的驱动程序，这个时候就从这个PCIe设备Expansion ROM里获取设备驱动程序代码，并加载到内存中执行。

PCI Expansion ROM又叫PCI Option ROM，用于设备初始化和系统启动的code。有的PCI Option ROM被存放在板卡上，而有的则保存在BIOS的binary里面。PCI Option ROM有固定的格式，BIOS通过读取PCI的配置空间来确定是否当前网卡支持Option ROM。如果支持，且配置了从网络引导，那么BIOS会负责将Option ROM中的PXE client载入内存，并执行PXE client。

 

配置空间

在PCI 配置空间的0X30处有这么一个寄存器，叫Expansion ROM Base Address。

 

关于“Expansion ROM Base Address”寄存器的具体定义细节如下：

bit11-bit31表示Expansion ROM映射到内存空间的高位地址，BIOS先全写1再回读就能获取到Option ROM的size，bit0用于控制对Expansion ROM的访问，1为使能Expansion ROM，启动地址解码。BIOS把“Expansion ROM Base Address”寄存器的基地址配置成内存空间地址并使能Expansion ROM以后，BIOS就可以对设备的Expansion ROM进行读访问了。具体过程如下：

1、 BIOS向Expansion ROM Base Address Register的高21位写入全1；

2、 BIOS读取Expansion ROM Base Address Register，如果值是0，那就表示不存在Expansion ROM；否则高21位就表示Expansion ROM所需的地址空间，所有无关的位都将返回0；

3、 BIOS给PCIe Expansion ROM映射内存空间，并把内存地址写入Expansion ROM Base Address Register的高21bit；

4、 BIOS将Expansion ROM Base Address Register bit 0置为1，使能address decode；

5、 后续BIOS访问这个内存地址即可实现对Expansion ROM的访问。

 

Shadow RAM

Shadow RAM也称为“影子”内存。它是为了提高系统效率而采用的一种专门技术。 Shadow RAM所使用的物理芯片仍然是CMOS DRAM(动态随机存取存储器)芯片。Shadow RAM 占据了系统主存的一部分地址空间。其编址范围为C0000～FFFFF，即为1MB主存中的 768KB～1024KB区域。这个区域通常也称为内存保留区，用户程序不能直接访问。 Shadow RAM的功能是用来存放各种ROM BIOS的内容。或者说Shadow RAM中的内容是ROM BIOS的拷贝。因此也把它称为ROM Shadow(即Shadow RAM的内容是ROM BIOS的“影 子”)。 在机器上电时，将自动地把系统BIOS、显示BIOS及其它适配器的BIOS装载到Shadow RAM 的指定区域中。由于Shadow RAM的物理编址与对应的ROM相同，所以当需要访问BIOS时， 只需访问Shadow RAM即可，而不必再访问ROM。 通常访问ROM的时间在200ns左右，而访问DRAM的时间小于100ns(最新的DRAM芯片访问时 间为60ns左右或者更小)。在系统运行的过程中，读取BIOS中的数据或调用BIOS中的程序 模块是相当频繁的。显然，采用了Shadow技术后，将大大提高系统的工作效率。 按下按键你可以看到该地址空间分配图,在如图所示的1MB主存地址空间中，640KB以下的 区域是常规内存。640KB～768KB区域保留为显示缓冲区。768KB～1024KB区域即为Shadow RAM区。在系统设置中，又把这个区域按16KB大小的尺寸分为块，由用户设定是否允许使 用。 C0000～C7FFF这两个16KB块(共32KB)通常用作显示卡的ROM BIOS的Shadow区。 C8000～EFFFF这10个16KB块可作为其它适配器的ROM BIOS的Shadow区。F0000～FFFFF 共64KB规定由系统ROM BIOS使用。 应该说明的是，只有当系统配置有640KB以上的内存时才有可能使用Shadow RAM。在系统 内存大于640KB时，用户可在CMOS设置中按照ROM Shadow分块提示，把超过640KB以上的 内存分别设置为“允许”(Enabled)即可。

格式

Option ROM为了方便BIOS解析，需要有一定的格式。每个ROM都有一个Option ROM Header和PCI Data Structure以及Image，对于UEFI Image可以是不同的CPU平台，比如Intel、AMD、ARM等；Option ROM Header和PCI Data Structure都有一定的结构，由标准定义。Other Header是用于自定义的一些头，不同的实现可以不一样；如果同时支持Leagacy PXE和UEFI PXE，那么Legacy PXE ROM必须排第一。

Option ROM Header

Option ROM Header结构定义如下：

每个ROM都必须以0x55AA开始，BIOS会对此进行校验，以表示是否是一个有效的Option ROM。

EFI ROM Header

EFI ROM Header存在一些差异。

PCI Data Structure

PCI Data Structure必须以”PCIR”开始，否则会认为是无效的；

Revision Level of Code/Data：Option ROM按版本分有2.1的Option ROM和3.0的Option ROM；

Device List Pointer：指向该ROM支持的设备id列表，值为相当于该PCI Data Structure的偏移，如果Code Type值为3，该字段必须为0；

Image Length：镜像的大小，单位512字节；

Code Type：取值范围0-3，如下：

0：Intel x86，PC-AT compatible

1：Open Firmware standard for PCI

2：Hewlett-Packard PA RISC

3：UEFI

对于Leagcy PXE来说，Code Type为0，对于UEFI PXE来说，Code Type是3；

Indicator：是否最后一个PCI Data Structure。

Expansion Header

每个Expansion Header都必须以“$PnP”开始。

PXE协议

1、 通过4次DHCP报文交互，获取分配的IP地址、TFTP server的地址和boot file name；

a)pxe client广播一个dhcp discovery广播报文；

b)dhcp server回复一个dhcp offer单播报文；

c)pxe client广播一个dhcp request广播报文；

d)dhcp server回复一个dhcp ack单播报文，dhcp ack的Next Server IP Address会提供TFTP server的IP地址，Boot file name会提供引导文件的名字；

2、 通过TFTP从TFTP Server下载boot file：

3、 执行boot file，将控制权交给boot file，boot file会继续下载OS镜像相关的文件，然后加载OS。

BIOS

中断

BIOS和Option ROM之间是通过中断来访问的，BIOS上电会注册中断服务，Option ROM在运行过程中可以重新进行注册。BIOS中断比较多，以下只列举了Option ROM常用的几个中断：

1、 INT 18h：引导失败触发该中断通知BIOS恢复，将控制权还给BIOS；

2、 INT 19h：启动引导，Option ROM注册并调用该中断就可以控制整个引导过程，BIOS默认会内置INI 19h服务，用于启动软盘、CD-ROM、硬盘等驱动器；

3、 INT 13h：访问磁盘服务，例如：读写扇区、初始化驱动器参数、读取驱动器参数、硬盘复位等；

 

POST流程

1、 上电初始化：所有设备上电，BIOS会完成所有Option ROM的内存映射；

2、 PnP Option ROM初始化：调用ROM header的初始化入口完成初始化并返回BIOS，该阶段不会注册与引导有关的中断；

3、 BIOS更新IPL 表和BCV表，每一个表项都存放了BCV或BEV，表项顺序代表了启动优先级；

4、 BIOS遍历BCV表，安装每一个BCV设备：调用BCV，注册INT 13h，将驱动器添加到系统中，第一个添加的驱动器获得80h编号，将作为引导设备；

5、 Legacy Option ROM初始化：调用ROM header的初始化入口；

6、 按热键，弹出启动菜单，选中的设备将优先引导；

7、 BIOS执行INT 19h处理：

a)到这一阶段，所有设备都已安装，从IPL表中的第一个设备开始尝试启动；

b)如果是软盘等不带Option ROM的设备，则调用BIOS内置的引导程序，如果是BEV设备，则调用表项中存放的BEV指针；

c)如果成功，程序永远不返回；

d)如果引导失败，则触发INT 18h中断做恢复处理，将控制权返回BIOS，BIOS则尝试下一个设备。

 

iPXE

简介

iPXE是一个PXE开源项目，除了DHCP/TFTP外还支持多种网络协议，如：HTTP、Iscsi、wireless、Infiniband等，集成了很多种友商网卡驱动，可以制作多种Option ROM，包括Legacy、UEFI、USB等；

代码架构

iPXE架构设计比较通用合理，从上往下分为：应用层、dhcp/tftp client、socket接口层、协议栈、驱动适配层、网卡驱动层。

dhcp/tftp client：主要实现了client功能，例如：dhcp client、tftp client、iSCSI INI等；

socket层：为上层提供统一的send/receive接口；

协议栈：提供类似Linux协议栈的功能，包括TCP/IP协议栈、Infiniband协议栈等；

驱动层适配层：向上为协议栈提供统一的接口，向下要提供框架，适配各种类型的网卡驱动；

网卡驱动层：真正的网卡驱动，负责将上层传递下来的报文递交给网卡传输出去，将网卡上送的报文递交给上层处理，驱动适配层通过UNDI API接口来访问网卡驱动层提供的服务。

目录结构

代码在src目录下

src/arch目录下主要个各种cpu平台的代码，跟体系结构相关，如：x86、arm等；

src/bin是编译rom输出的存放目录；

src/net目录是各种协议栈的实现，如TCP/IP、802.11、Infiniband等；

src/driver目录下是各种驱动，以太网卡位于driver/net目录下，driver下面又按照驱动类别划分了子目录

各种Header的定义

对于Legacy PXE来说，Option ROM Header、PCI Data Structure、Expansion Header都定义在src/arch/x86/prefix/romprefix.S文件中。除此之外，还定义了几个私有的Header：iPXE Header、UNDI Header、PXENV+ Header、!PXE Header，其中PXENV+ Header用于保护模式，!PXE Header用于实模式。因为PXE client访问服务都是通过API CALL的形式来进行的，所以增加了PXENV+ Header和!PXE Header。

 

pxe_api_call机制

pxe_api_call已经设计为一种通用机制，上层代码都通过该机制来访问下层提供的服务，通过opcode查找下层注册的回调函数，然后执行回调函数。

tftp pxe_api_call

应用层要启动tftp 传输，就会调用pxe_api_call来访问tftp协议层提供的服务.

 

udp pxe_api_call

tftp是通过udp来传输的，因此tftp层又会通过pxe_api_call来访问udp层提供的服务.

网卡的加载/卸载

上层服务通过pxe_api_call来启动网口的加载和卸载.

上层服务通过pxenv_start_undi来实现网卡的probe，通过pxenv_stop_undi来实现网口的remove。

 

访问网卡服务

设备的打开、关闭，报文的接收和传输，也是通过pxe_api_call机制来访问网卡驱动的：

上层服务通过pxenv_start_undi来实现网卡的probe，通过pxenv_stop_undi来实现网口的remove。

 

访问网卡服务

设备的打开、关闭，报文的接收和传输，也是通过pxe_api_call机制来访问网卡驱动的：

pxenv_undi_open会调用到netdev_open，pxenv_undi_close会调用到netdev_close，通过pxenv_undi_transmit来发送报文，通过pxenv_undi_isr来实现poll，注意：一张网卡可能会注册多个netdev，但当前active的只能有一个，从netdev_open和netdev_close的代码可以看出。

而pxe_netdev的设置是通过pxe_set_netdev函数实现的，pxe_set_netdev函数最终会被pxenv_start_undi调用，因此，在probe的时候就确定了当前active的netdev。因此，iPXE会从第一个网口probe开始，一直到引导成功，只有引导失败才会尝试下一个网口。

 

iPXE驱动框架

struct pci_driver

网卡是一种PCIe设备，因此驱动适配层提供了接口来完成PCIe设备的接入。只要对完成对struct pci_driver类型变量的定义和初始化即可完成驱动代码的接入。