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UEFI系统的启动遵循UEFI平台初始化标准。UEFI系统从上电到关机可以分为以下7个阶段：

SEC（安全验证）→PEI（EFI前期初始化）→DXE（驱动执行环境）→BDS（启动设备选择）→TSL（操作系统加载前期）→RT（Run Time）→AL（系统灾难恢复期）

        下图展示了UEFI系统从加电到关机的7个阶段（以图中竖线为界）。前三个阶段是UEFI初始化阶段，DXE阶段结束后UEFI环境已经准备完毕。BDS和TSL是操作系统加载器作为UEFI应用程序运行的阶段。操作系统加载器调用ExitBootServices()服务后进入RT阶段，RT阶段包括操作系统加载器后期和操作系统运行期。当系统硬件或操作系统出现严重错误不能继续正常运行时，固件会尝试修复错误，这时系统进入AL期。但PI规范和UEFI规范都没有规定AL期的行为。“？”表示其行为由系统供应商自行定义。

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 一、SEC（Security Phase）安全验证阶段

        SEC作为整个系统的起点，可能会遇到各种异常，就需要设置IDT，有了中断描述符表接收异常，就能让系统遭遇意外的情况时不会崩溃，同时它还为PEI阶段的代码设置临时内存的基地址和长度，并传给PEI，最后找到PEI代码入口点，移交控制权，并且处理临时内存。SEC是平台初始化的第一个阶段，计算机加电后首先进入这个阶段。它主要做以下4件事情：

1. 接收和处理系统的启动、重启、异常信号。
2. SEC phase特色功能”Cache As RAM(CAR)”，在Cache上开辟一片空间作为内存使用。（原因：因为此时内存还没有被初始化，C语言运行时需要内存和栈空间）
3. SEC阶段作为可信系统的根。
4. 传递系统参数给PEI phase。

（一）SEC阶段的功能

1. 接收并处理系统启动和重启的信号，系统加电信号、重启信号、运行过程的异常信号。
2. 在SEC阶段时，仅有CPU和CPU内部资源被初始化，而各种外部设备和内存都没有被初始化。因此系统需要一部分临时的内存用于代码和数据的存储，一般称为临时RAM，此时它只能位于CPU内部。最常用的临时RAM是Cache，将它作为初始化临时存储区域。
3. 只有SEC phase被系统信任，下面的各个阶段才有被信任的基础。
4. SEC phase移交控制权给PEI phase，SEC phase给PEI phase传递的参数如下：

1. 栈的地址和大小
2. 系统当前的状态
3. 可启动固件的地址和大小
4. 临时RAM区域的地址和大小

（二）SEC阶段的执行流程

        根据临时RAM是否初始化为界限，SEC阶段分为两部分：临时RAM初始化前称为Reset Vector阶段；临时RAM初始化后调用SEC入口函数进入SEC功能区。

1、Reset Vector的执行流程如下：

A)进入固件入口

B)从实模式转换为32位平坦模式

C)定位固件中的BFV

D)定位BFV中的SEC映像

E)若是64位系统，要从32位模式转换为64位模式

F)调用SEC入口函数

2、进入SEC功能区

       进入功能区后，首先利用CAR技术初始栈，初始化IDT，初始化EFI_SEC_PEI_HAND_OFF，将控制权交给PEI，并将EFI_SEC_PEI_HAND_OFF传递给PEI。

EFI_SEC_PEI_HAND_OFF结构体很重要，具体如下：

/// /// EFI_SEC_PEI_HAND_OFF structure holds information about /// PEI core's operating environment, such as the size of location of /// temporary RAM, the stack location and BFV location. /// typedef struct _EFI_SEC_PEI_HAND_OFF { /// /// Size of the data structure. /// UINT16 DataSize; /// /// Points to the first byte of the boot firmware volume, /// which the PEI Dispatcher should search for /// PEI modules. /// VOID *BootFirmwareVolumeBase; /// /// Size of the boot firmware volume, in bytes. /// UINTN BootFirmwareVolumeSize; /// /// Points to the first byte of the temporary RAM. /// VOID *TemporaryRamBase; /// /// Size of the temporary RAM, in bytes. /// UINTN TemporaryRamSize; /// /// Points to the first byte of the temporary RAM /// available for use by the PEI Foundation. The area /// described by PeiTemporaryRamBase and PeiTemporaryRamSize /// must not extend outside beyond the area described by /// TemporaryRamBase & TemporaryRamSize. This area should not /// overlap with the area reported by StackBase and /// StackSize. /// VOID *PeiTemporaryRamBase; /// /// The size of the available temporary RAM available for /// use by the PEI Foundation, in bytes. /// UINTN PeiTemporaryRamSize; /// /// Points to the first byte of the stack. /// This are may be part of the memory described by /// TemporaryRamBase and TemporaryRamSize /// or may be an entirely separate area. /// VOID *StackBase; /// /// Size of the stack, in bytes. /// UINTN StackSize; } EFI_SEC_PEI_HAND_OFF;

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 EFI_SEC_PEI_HAND_OFF结构体中保存了PEI core的运行环境信息，如临时RAM的位置大小、堆栈位置和BFV位置。

1）数据结构的大小。

讯享网 /// /// Size of the data structure. /// UINT16 DataSize;

2）指向BFV的第一个字节，PEI Dispatcher应该搜索PEI模块。

 /// /// Points to the first byte of the boot firmware volume, /// which the PEI Dispatcher should search for /// PEI modules. /// VOID *BootFirmwareVolumeBase; 

3）BFV的大小，单位是字节。

讯享网 /// /// Size of the boot firmware volume, in bytes. /// UINTN BootFirmwareVolumeSize; 

4）指向临时RAM的第一个字节。

 /// /// Points to the first byte of the temporary RAM. /// VOID *TemporaryRamBase; 

5）临时RAM的大小，以字节为单位。

讯享网 /// /// Size of the temporary RAM, in bytes. /// UINTN TemporaryRamSize; 

6）指向PEI可以使用的临时RAM的第一个字节。PeiTemporaryRamBase和PeiTemporaryRamSize所描述的区域不能超出TemporaryRamBase和TemporaryRamSize所描述的区域。这个区域不应该与StackBase和StackSize返回的区域重叠。

 /// /// Points to the first byte of the temporary RAM /// available for use by the PEI Foundation. The area /// described by PeiTemporaryRamBase and PeiTemporaryRamSize /// must not extend outside beyond the area described by /// TemporaryRamBase & TemporaryRamSize. This area should not /// overlap with the area reported by StackBase and /// StackSize. /// VOID *PeiTemporaryRamBase;

7）PEI使用的可用临时RAM的大小，以字节为单位。

讯享网 /// /// The size of the available temporary RAM available for /// use by the PEI Foundation, in bytes. /// UINTN PeiTemporaryRamSize; 

8）指向堆栈的第一个字节。这可能是由TemporaryRamBase和TemporaryRamSize描述的内存的一部分，也可能是一个完全独立的区域。

 /// /// Points to the first byte of the stack. /// This are may be part of the memory described by /// TemporaryRamBase and TemporaryRamSize /// or may be an entirely separate area. /// VOID *StackBase;

9）堆栈的大小，以字节为单位。

讯享网 /// /// Size of the stack, in bytes. /// UINTN StackSize;

3、IA32下的SEC入口函数，截取了一部分，详细代码在UefiCpuPkg\SecCore\SecMain.c。SEC的C语言阶段的入口点。SEC汇编代码初始化一些临时内存并建立堆栈后，控制被转移到这个函数。

 

二、PEI（Pre-EFI Initialization）前期初始化阶段

        虽然SEC阶段对CPU和CPU内部的资源进行了初始化。但PEI阶段可用的资源依旧十分有限，该阶段是对内存进行初始化，主要功能是为DXE阶段准备执行环境，将所需要传递给DXE的信息组成HOB（Hand Off Block）列表，最终将控制权转交给DXE。UEFI具有模块化设计的特点，PEI就是一个模块。PEI Image的入口函数调用PEI模块的入口函数PEICore。

（一）PEI阶段的执行流程

 1、SEC模块找到PEI Image的入口函数_ModuleEntryPoint，函数位于       MdePkg/Library/PeiCoreEntryPoint/PeiCoreEntryPoint.c中。

VOID EFIAPI _ModuleEntryPoint( IN CONST EFI_SEC_PEI_HAND_OFF *SecCoreData, IN CONST EFI_PEI_PPI_DESCRIPTOR *PpiList ) { ProcessModuleEntryPointList (SecCoreData, PpiList, NULL); // // Should never return // ASSERT(FALSE); CpuDeadLoop (); } 

2、_ModuleEntryPoint函数最终调用PEI模块的入口函数PEICore，进入PEI入口。

讯享网VOID EFIAPI PeiCore ( IN CONST EFI_SEC_PEI_HAND_OFF *SecCoreDataPtr, IN CONST EFI_PEI_PPI_DESCRIPTOR *PpiList, IN VOID *Data )

以OVMF为例，从SEC阶段分析得知，PEI入口函数是PeiCore，位置：

edk2\MdeModulePkg\Core\Pei\PeiMain\PeiMain.c，以上代码只是PeiCore函数的一部分。

3、根据SEC阶段传入的信息初始化PS（PEICore Service）。

 // // Initialize PEI Core Services // InitializeMemoryServices (&PrivateData, SecCoreData, OldCoreData);

4、调度系统中的PEIM（PEI Module），准备HOB列表。

讯享网 // // Call PEIM dispatcher // PeiDispatcher (SecCoreData, &PrivateData);

5、调用PEIServices得到DXE IPL PPI的Entry服务（即DXELoadCore）。

 // // Lookup DXE IPL PPI // Status = PeiServicesLocatePpi ( &gEfiDxeIplPpiGuid, 0, NULL, (VOID )&TempPtr.DxeIpl ); ASSERT_EFI_ERROR (Status);

        注意：PPI与DXE阶段的Protocol类似，每个PPI都是一个结构体，包含有函数指针和变量。每个PPI都有一个GUID。通过PEIServices的LocatePPI服务可以找到GUID对应的PPI实例。

6、 DXELoadCore服务找出并运行DXEImage的入口函数，将HOB列表传递给DXE。

讯享网 // DXE IPL Status = TempPtr.DxeIpl->Entry ( TempPtr.DxeIpl, &PrivateData.Ps, PrivateData.HobList );

PEI阶段执行流程图如下：

        PEI阶段执行流程完整描述：SEC模块找到PEI Image的入口函数 _ModuleEntryPoint， _ModuleEntryPoint函数最终调用PEI模块的入口函数PEICore，进入PEICore后，首先根据从SEC阶段出入的信息设置PEI Core Services，然后调用PEIDispatcher执行系统总的PEIM，在内存初始化完成后，系统切换栈并重新进入PEICore。重新进入PEICore后使用的不再是临时RAM 而是真正的内存。在所有PEIM执行完成后，调用PEIServices的LocatePPI服务得到DXE IPL PPI，并调用DXE IPL PPI的Entry服务（即DEXLoadCore），找出DEX Image的入口函数，执行DXE Image函数并将HOB列表传递给DXE。

（二）具体调用的系统中的PEIM如下

1. CPU PEIM（提供CPU相关功能，如进行Cache设置、主频设置等等）。
2. 平台相关的PEIM（初始化内存控制器、I/O控制器等等）。
3. 内存初始化PEIM（对内存进行初始化，此时内存才可以被使用，之前使用的是CPU模拟的临时内存）。

（三）PEI阶段的功能

1. 初始化内存
2. 为DXE阶段准备执行环境

具体为：

        基本的Chipset初始化

        Memory Sizing

        BIOS Recovery

        S3 Resume

        切换Stack到Memory(Disable CAR, Enable Cache)

        启动DXEIPL(DXE Initial Program Loader)

 （四）PEI划分

        PEI内核（PEI Foundation）：负责PEI基础服务和流程。

        PEIM（PEI Module）派遣器：找出系统中所有的PEIM，并根据PEIM之间的依赖关系按顺序执行PEIM。PEI阶段对系统的初始化主要由PEIM完成。

        每个PEIM都是一个独立的模块。通过PEIMServices，PEIM可以调用PEI阶段提供的系统服务。通过调用这些服务，PEIM可以访问PEI内核。PEIM之间的通信通过PPI（PEIM-to-PEIM Interfaces）完成。

（五）为什么要有PEI Phase？

1. ROM空间的问题，所有的Code都没有压缩。

2. Memory还没有初始化。

3. Chipset没有初始化。

三、DXE（Driver Execution Environment）驱动执行环境阶段

        DXE阶段执行大部分系统初始化工作，进入此阶段时，已经有足够的内存可以使用，因此可以完成大量的驱动加载和初始化工作。遍历固件中所有的Driver，当Driver所依赖的资源都满足要求时，调度Driver到执行队列执行，直到所有的Driver都被加载和执行完毕，系统完成初始化。

（一）DXE阶段的执行流程

1、DXE Core入口。

VOID EFIAPI DxeMain ( IN VOID *HobStart )

2、根据HOB列表初始化系统服务。

讯享网 // VectorInfoList = NULL; GuidHob = GetNextGuidHob (&gEfiVectorHandoffInfoPpiGuid, HobStart); if (GuidHob != NULL) { VectorInfoList = (EFI_VECTOR_HANDOFF_INFO *) (GET_GUID_HOB_DATA(GuidHob)); } Status = InitializeCpuExceptionHandlersEx (VectorInfoList, NULL); ASSERT_EFI_ERROR (Status); 

3、初始化DXE调度程序。

 // // Initialize the DXE Dispatcher // CoreInitializeDispatcher (); 

4、负责调用Dispatcher，所有的DXE Driver在这个函数中被检测并执行。

讯享网 CoreDispatcher ();

5、 传输控制到BDS架构协议。

 DXE阶段的执行流程如下：

（二）DXE阶段的功能

1. 几乎所有的硬件初始化都在这里完成。
2. 产生EFI System Table，来提供各种Service供所有阶段使用。
3. 把控制权交给BDS来BOOT OS。

（三）涉及到的元件及功能

1. DXE Core:可视为DXE的核心，用来Dispatch DXE Driver和产生EFI System Table，以提供BOOT Service,RunTime Service,DXE Service，负责DXE基础服务和执行流程。
2. DXE Driver:被DXE Core所读取，用来做各种硬件初始化，产生protocol和其它Service。
3. DXE Dispatcher:DXE Core的一部分，以正确的顺序来搜寻和执行DXE Driver，负责调度执行DXE驱动，初始化系统设备。DXE提供的基础服务包括系统表、启动服务、Run Time Services。
4. DXE architecture protocol:由DXE Driver所产生，是DXE Core和HardWare沟通的唯一媒介，所以没有install完全不能开机。
5. EFI System Table: 包含了许多pointer,如所有EFI System Table,Configuration Table,Handledatabase,Console Device。

（四）DXE Architecture Protocol种类及其功能

   1、Security: 提供 DXE core 验证 firmware volume中的程序是否可用。

   2、Cpu: 提供cpu的service，如管理cache,管理中断，取得处理器频率，查询处理器的timer。

   3、下面是一个结构体，它用来提供一个微小的延时，单位为百万分之一秒。

typedef struct _EFI_METRONOME_ARCH_PROTOCOL { EFI_METRONOME_WAIT_FOR_TICK WaitForTIck; UINT32 TickPeriod; }EFI_METRONOME_ARCH_PROTOCOL; 

  4、Timer: 提供固定时间的中断，使Dxe Core Dispatch 完成所有driver后，会将控制权交给BDS。

四、BDS (Boot Device Select)启动设备选择阶段

该阶段所做的任务：

        在BDS阶段，主要是初始化控制台设备，加载执行必要的设备驱动，根据用户的选择，执行相应的启动项。

概述：

        DXE阶段最终会调用BDS ARCH Protocol的接口EFI_BDS_ARCH_PROTOCOL.Entry()转入BDS阶段。BDS阶段负责加载额外的驱动，与用户交互，必要的硬件初始化，并转入操作系统。

        这个阶段前面是DXE后面是OS Loader或shell，同时所有定制化的东西都在这个阶段完成，最主要的Setup page(UI界面)是不同的，不同的BIOS Vendor的UI是不一样的。造成直接影响的三个决策是:启动策略的管理、启动设备的选择、Setup界面。

        从DXE拿到控制权后由用户去选择启动设备，开始转交控制权。在过程中可能失败，为了防止此类现象出现定义了Watch Dog来实时监控状态，如果失败则会返回启动界面，BDS再从下一个启动选项开始启动，直到启动成功，如上图所示。所以在BDS阶段要通过Boot Option这个Variable准备好所有可能的Boot选项，可以提供给用户选择。

        在整个BDS phase还需要提供用户一个可配置的UI界面，该界面包含若干配置选项信息，这些信息完全是客户定制化的，客户想给用户暴露什么信息，就提供什么信息，正常时候报给客户的信息有：启动列表（哪些是设备是可以启动的）、基本的一些配置（Seurite boot如果这个选项是强制选项，那么根本不会暴露给用户）、显示的页面（宽屏或是窄屏）、安全相关的passwd、硬件相关的CPU芯片组的工作，硬盘工作模式等等。

（一）BSD阶段执行流程

BDS阶段是可以用于定制化的module,可以根据客户要求进行相应的设计。

1、Entry()的服务例程。连接好设备，初始化控制台，并尝试启动选项。BDS 的入口函数，负责安装EFI_BDS_ARCH_PROTOCOL 协议，以让DXE Foundation 调用。

讯享网VOID EFIAPI BdsEntry ( IN EFI_BDS_ARCH_PROTOCOL *This )

2、Timeout用于在例如设备启动过程中时间的累计计算，如果在时间内一直未成功，则会进行下一个设备启动。

 BootTimeOut = PcdGet16 (PcdPlatformBootTimeOut);

3、函数用于初始化一个加载选项。

讯享网 Status = EfiBootManagerInitializeLoadOption ( &LoadOption, LoadOptionNumberUnassigned, LoadOptionTypePlatformRecovery, LOAD_OPTION_ACTIVE, L"Default PlatformRecovery", FilePath, NULL, 0 ); 

4、在调用平台代码之前初始化ConnectConIn事件。通过PcdGetbool来判定条件进而触发事件函数 （用于实现定制化要求）。

 if (PcdGetBool (PcdConInConnectOnDemand)) { Status = gBS->CreateEventEx ( EVT_NOTIFY_SIGNAL, TPL_CALLBACK, BdsDxeOnConnectConInCallBack, NULL, &gConnectConInEventGuid, &gConnectConInEvent ); if (EFI_ERROR (Status)) { gConnectConInEvent = NULL; } } 

5、执行平台初始化，可以通过OEM/IBV定制，可以在PlatformBootManagerBeforeConsole中完成的事情。

讯享网 PERF_START (NULL, "PlatformBootManagerBeforeConsole", "BDS", 0);

6、基于控制台设备变量ConIn、ConOut和ErrOut连接所有控制台设备。

 EfiBootManagerConnectAllDefaultConsoles ();

7、尝试启动EFI启动选项。这个例程设置L“BootCurent”，并通知EFI准备好启动事件。

讯享网EfiBootManagerBoot (&BootManagerMenu);

8、整个启动函数，包括枚举所有boot option ，然后判断UEFI还是Legacy启动，Legacy启动通过读MBI进行；UEFI启动通过读取特定路径下的BOOt信息，根据Boot Option优先级选择设备启动。

BdsBootDeviceSelect ();

（二）BDS Steps

1. 初始化语言和字符串数据库
2. 获得当前启动模式
3. 基于启动模式建立设备清单
4. 连接设备
5. 检测input output设备
6. 执行内存测试
7. 过程引导选项

（三）执行策略

1. 初始化控制台console设备，查看系统有多少可以启动的设备。
2. 启动所有检测到的设备，加载Driver。
3. 检测启动console设备，即输入输出设备。
4. 根据收集到的所有信息，提供一个setup的UI界面，终端用户可以在此选择，当用户真正选择启动选项的时候，BDS就会加载启动选项里的OS loader,最后移交真正的控制权给OS Loader ,由OS Loader 转移控制权给OS。

（四）BDS三大任务

console初始化、Driver初始化、BootDeviceSelect

具体包括：

        初始化快捷键服务、初始化SystemTable 中的FirmwareVendor 和FirmwareRevision 域、平台相关BDS 初始化、初始化HwErrRecSupport 系统变量、加载操作系统等。

       当加载项其启动失败时，系统将重新执行DXE Dispatcher以加载更多的驱动，然后重新尝试加载驱动项。BDS策略通过全局NVRAM变量配置，这些变量可以被运行时服务的GetVariable()读取，通过SetVariable()设置（如BootOrder定义了启动顺序，Boot对应不同的启动项，#为十六进制数）。当用户选中某个启动项（或进入系统默认启动项）后，OS Loader启动，系统进入TSL阶段。

五、TSL(Transient System Load)操作系统加载前期阶段

      TSL阶段是OS Loader执行的第一个阶段，为OS Loader准备执行环境，OS Loader调用ExitBootService结束启动服务，进入RunTime阶段。

        TSL阶段被称为临时系统的原因在于它为操作系统加载器准备执行环境。虽然是临时系统，但是已经具备操作系统的雏形，UEFI Shell是这个临时系统的人机交互界面。正常运行中，系统不会进入UEFI Shell，而是直接执行OS Loader，只有在用户干预或是操作系统加载器出现严重问题时才会进入UEFI Shell。

在TSL阶段，系统资源管理通过BS管理，BS提供的服务如下：

1. 事件服务：事件是异步操作的基础。有了事件的支持，才可以在UEFI系统内执行并发操作。
2. 内存管理：主要提供内存的分配与释放，管理系统的内存映射。
3. Protocol管理：提供了安装Protocol与卸载Protocol的服务，以及注册Protocol通知函数（该函数会在Protocol安装时调用）的服务。
4. Protocol的实用类服务：包括Protocol的打开与关闭，查找支持protocol的控制器。
5. 驱动管理：包括用于将驱动安装到控制器的connect服务，及将驱动从控制器上卸载的disconnect服务。
6. Image管理：此类服务包括加载，卸载，启动和推出UEFI应用程序或驱动。
7. ExitBootServices：用于结束启动服务，注销BS。

六、 RT(Run Time)运行阶段

        在RT阶段，OS Loader已经完全取得了系统的控制权，因此要清理和回收一些之前被UEFI占用的资源，runtime services随着操作系统的运行提供相应的运行时的服务，这个期间一旦出现错误和异常，将进入AL进行修复。

RT阶段提供的服务如下：

七、AL(After Life)灾难恢复阶段

        在RT阶段如果系统（硬件或是软件）遇到灾难性错误，系统固件需要提供错误处理以及灾难恢复机制，这种机制运行在AL阶段。根据厂家自定义修复方案，UEFI和UEFI PI均未对AL阶段的行为和规范进行定义。