UEFIベアメタルプログラミング

1. わんくま同盟札幌勉強会 #1 2017-03 UEFIベアメタルプログラミング大神祐真 yuma@ohgami.jp

2. わんくま同盟札幌勉強会 #1 2017-03 自己紹介 • 大神祐真 (おおがみゆうま) – http://yuma.ohgami.jp • 職業 – 組み込み系の技術営業@東京 (2016/12から) • 趣味 – フルスクラッチでOS自作

3. わんくま同盟札幌勉強会 #1 2017-03 自己紹介 • 大神祐真 (おおがみゆうま) – http://yuma.ohgami.jp • 職業 – 組み込み系の技術営業@東京 (2016/12から) • 趣味 – フルスクラッチでOS自作

4. わんくま同盟札幌勉強会 #1 2017-03 自己紹介 • 大神祐真 (おおがみゆうま) – http://yuma.ohgami.jp • 職業 – 組み込み系の技術営業@東京 (2016/12から) • 趣味 – フルスクラッチでOS自作【技術書典2】 http://techbookfest.org え-15: へにゃぺんて “Ohgami’s Commentary on OS5”

5. わんくま同盟札幌勉強会 #1 2017-03 自己紹介 • 大神祐真 (おおがみゆうま) – http://yuma.ohgami.jp • 組み込み系のエンジニア – Linux – C言語、アセンブラ(ARM) • 趣味 – フルスクラッチでOS自作 • 名前: OS5 • アーキテクチャ: BIOS + x86_32 • 動作確認: QEMU • 作りこみ • ブートローダー: ○ • カーネル : ○ • ユーザーランド: △

6. わんくま同盟札幌勉強会 #1 2017-03 自己紹介 • 大神祐真 (おおがみゆうま) – http://yuma.ohgami.jp • 組み込み系のエンジニア – Linux – C言語、アセンブラ(ARM) • 趣味 – フルスクラッチでOS自作 • 名前: OS5 • アーキテクチャ: BIOS + x86_32 • 動作確認: QEMU • 作りこみ • ブートローダー: ○ • カーネル : ○ • ユーザーランド: △

7. わんくま同盟札幌勉強会 #1 2017-03 自己紹介 • 大神祐真 (おおがみゆうま) – http://yuma.ohgami.jp • 組み込み系のエンジニア – Linux – C言語、アセンブラ(ARM) • 趣味 – フルスクラッチでOS自作 • 名前: OS5 • アーキテクチャ: BIOS + x86_32 • 動作確認: QEMU • 作りこみ • ブートローダー: ○ • カーネル : ○ • ユーザーランド: △ 今どき、 UEFI + x86_64

8. わんくま同盟札幌勉強会 #1 2017-03 自己紹介 • 大神祐真 (おおがみゆうま) – http://yuma.ohgami.jp • 組み込み系のエンジニア – Linux – C言語、アセンブラ(ARM) • 趣味 – フルスクラッチでOS自作 • 名前: OS5 • アーキテクチャ: BIOS + x86_32 • 動作確認: QEMU • 作りこみ • ブートローダー: ○ • カーネル : ○ • ユーザーランド: △ 今どき、 UEFI + x86_64 まずは UEFIから勉強してみよう

9. わんくま同盟札幌勉強会 #1 2017-03 目次 • UEFIとは？、ベアメタルプログラミングとは？ <ベアメタルプログラミング> • Hello world! (実行までの流れを把握) • UEFIバージョン取得 (UEFIの情報取得) • グラフィック表示 (GUIDを使ってみる)

10. わんくま同盟札幌勉強会 #1 2017-03 UEFIとは？ Unified Extensible Firmware Interface (統一された拡張性のあるファームウェアインタフェース) Unified Extensible Firmware Interface – Wikipedia https://ja.wikipedia.org/wiki/Unified_Extensible_Firmware_Interface

11. わんくま同盟札幌勉強会 #1 2017-03 ベアメタルプログラミングとは？ • OSやライブラリ等を使用せず、ハードウェアを制御するプログラミング • OS5へ反映させるために、まずは、UEFIでベアメタルプログラミング • 今回紹介しきれないものも含め、サンプルコードを以下で公開している – https://github.com/cupnes/bare_metal_uefi

13. わんくま同盟札幌勉強会 #1 2017-03 実行までの流れ 1. ソースコード作成(C言語) 2. コンパイル(PE32+) 3. 2.を、ストレージ(USBフラッシュメモリ等)の第1パーティション(FAT)の EFI/BOOT/BOOTX64.EFI に配置 4. 3.で起動

14. わんくま同盟札幌勉強会 #1 2017-03 1. ソースコード作成(C言語) UEFI Specification を用意【私の環境の場合】 • QEMU(OVMF.fd) : v2.4 • 実機(Lenovo ThinkPad) : v2.3.1

15. わんくま同盟札幌勉強会 #1 2017-03 1. ソースコード作成(C言語) 仕様書にはCのプロトタイプ宣言も書かれているので、この記載に則った形でソースコードを作っていく Unified Extensible Firmware Interface Specification Version 2.3.1 (P.75) http://www.uefi.org/specifications

16. わんくま同盟札幌勉強会 #1 2017-03 1. ソースコード作成(C言語) 【UEFIの機能を呼び出すには】 • UEFIアプリのエントリ関数のプロトタイプ宣言が、仕様で決められている Unified Extensible Firmware Interface Specification Version 2.3.1 (P.75) http://www.uefi.org/specifications

17. わんくま同盟札幌勉強会 #1 2017-03 【UEFIの機能を呼び出すには】 • UEFIアプリのエントリ関数のプロトタイプ宣言が、仕様で決められている Unified Extensible Firmware Interface Specification Version 2.3.1 (P.75) http://www.uefi.org/specifications この構造体を通して UEFIの機能を呼び出せる 1. ソースコード作成(C言語)

18. わんくま同盟札幌勉強会 #1 2017-03 【UEFIの機能を呼び出すには】 EFI_SYSTEM_TABLEの宣言(一部) Unified Extensible Firmware Interface Specification Version 2.3.1 (P.78) http://www.uefi.org/specifications 1. ソースコード作成(C言語)

19. わんくま同盟札幌勉強会 #1 2017-03 EFI_SIMPLE_TEXT_OUTPUT_PROTOCOLの宣言 Unified Extensible Firmware Interface Specification Version 2.3.1 (P.424) http://www.uefi.org/specifications コンソールへ文字列を出力する関数 1. ソースコード作成(C言語)

20. わんくま同盟札幌勉強会 #1 2017-03 EFI_TEXT_STRINGの宣言 Unified Extensible Firmware Interface Specification Version 2.3.1 (P.428) http://www.uefi.org/specifications この関数(EFI_TEXT_STRING)をメンバとする構造体 (EFI_SIMPLE_OUTPUT_PROTOCOL)のポインタ 1. ソースコード作成(C言語)

21. わんくま同盟札幌勉強会 #1 2017-03 EFI_TEXT_STRINGの宣言 Unified Extensible Firmware Interface Specification Version 2.3.1 (P.428) http://www.uefi.org/specifications 文字列(Unicode,2bytes)のポインタ 1. ソースコード作成(C言語)

22. わんくま同盟札幌勉強会 #1 2017-03 “Hello UEFI!”を出力するサンプル 010_conout/BOOTX64.c https://github.com/cupnes/bare_metal_uefi 1. ソースコード作成(C言語)

23. わんくま同盟札幌勉強会 #1 2017-03 “Hello UEFI!”を出力するサンプル 010_conout/BOOTX64.c https://github.com/cupnes/bare_metal_uefi 1. ソースコード作成(C言語)

24. わんくま同盟札幌勉強会 #1 2017-03 2. コンパイル(PE32+) 1. PE32+のクロスコンパイラを用意 – apt: x86_64-w64-mingw32-gcc 2. コンパイル $ x86_64-w64-mingw32-gcc -e efi_main ¥ -nostdlib -Wl,--subsystem,10 ¥ -o BOOTX64.EFI hello.c

25. わんくま同盟札幌勉強会 #1 2017-03 3. ストレージへ配置、4. ストレージから起動【実機】 1. ストレージの第1パーティション(FAT)の EFI/BOOT/BOOTX64.EFI に配置 2. 1.のストレージから起動 # mount /dev/sdb1 /mnt # mkdir -p /mnt/EFI/BOOT # cp BOOTX64.EFI /mnt/EFI/BOOT/

26. わんくま同盟札幌勉強会 #1 2017-03 3. EFI/BOOT/BOOTX64.EFI へ配置【QEMU】 1. UEFIファームウェア(OVMF.fd)をダウンロード – https://sourceforge.net/projects/edk2/files/OVMF/ 2. QEMUにHDDと認識させるディレクトリ作成、 BOOTX64.EFI配置 3. QEMU起動 $ mkdir -p hdd/EFI/BOOT $ cp BOOTX64.EFI hdd/EFI/BOOT/ $ qemu-system-x86_64 -bios OVMF.fd -hda fat:hdd

27. わんくま同盟札幌勉強会 #1 2017-03 実機での実行の様子

28. わんくま同盟札幌勉強会 #1 2017-03 キー入力を取得する【UEFIの機能を呼び出すには】 EFI_SYSTEM_TABLEの宣言(一部) Unified Extensible Firmware Interface Specification Version 2.3.1 (P.78) http://www.uefi.org/specifications

29. わんくま同盟札幌勉強会 #1 2017-03 キー入力を取得する【UEFIの機能を呼び出すには】 EFI_SYSTEM_TABLEの宣言(一部) Unified Extensible Firmware Interface Specification Version 2.3.1 (P.78) http://www.uefi.org/specifications キー入力を取得できそうな機能がある

31. わんくま同盟札幌勉強会 #1 2017-03 UEFIの情報取得 UEFIの情報も”SystemTable”から辿りつける EFI_SYSTEM_TABLEの宣言(一部) Unified Extensible Firmware Interface Specification Version 2.3.1 (P.78) http://www.uefi.org/specifications

32. わんくま同盟札幌勉強会 #1 2017-03 UEFIの情報取得 EFI_TABLE_HEADERの定義

33. わんくま同盟札幌勉強会 #1 2017-03 UEFIの情報取得 EFI_TABLE_HEADERの定義 Unified Extensible Firmware Interface Specification Version 2.3.1 (P.77) http://www.uefi.org/specifications マイナーバージョンメジャーバージョン上位16ビット下位16ビット例) 0x0002 0x0040 (2.4) 0x0002 0x0031 (2.3.1)

34. わんくま同盟札幌勉強会 #1 2017-03 UEFIの情報取得 UEFIバージョンを表示させてみる【サンプルコード】 https://github.com/cupnes/bare_metal_uefi/tree/master/012_ efiversion 【実行の様子】 QEMU 実機

36. わんくま同盟札幌勉強会 #1 2017-03 プロトコルとGUID • 全ての機能がSystemTableからメンバとして辿れるわけではない • UEFIでは機能ごとに”プロトコル”と呼んで分けている – 各プロトコルには一意の”GUID”が存在

37. わんくま同盟札幌勉強会 #1 2017-03 Unified Extensible Firmware Interface Specification Version 2.3.1 (P.466) http://www.uefi.org/specifications プロトコルとGUID

38. わんくま同盟札幌勉強会 #1 2017-03 Unified Extensible Firmware Interface Specification Version 2.3.1 (P.184) http://www.uefi.org/specifications プロトコルの構造体へのポインタが設定される LocateProtocol() SystemTable->BootServices->LocateProtocol() で GUIDからプロトコルの構造体の先頭アドレスを取得できる

39. わんくま同盟札幌勉強会 #1 2017-03 GUIDとLocateProtocol() LocateProtocol()使用例

40. わんくま同盟札幌勉強会 #1 2017-03 gop 画面描画を行ってくれる関数 Unified Extensible Firmware Interface Specification Version 2.3.1 (P.466) http://www.uefi.org/specifications

41. わんくま同盟札幌勉強会 #1 2017-03 gop->Blt() Unified Extensible Firmware Interface Specification Version 2.3.1 (P.474) http://www.uefi.org/specifications

42. わんくま同盟札幌勉強会 #1 2017-03 gop->Blt() Unified Extensible Firmware Interface Specification Version 2.3.1 (P.474) http://www.uefi.org/specifications

43. わんくま同盟札幌勉強会 #1 2017-03 gop->Blt() Unified Extensible Firmware Interface Specification Version 2.3.1 (P.474) http://www.uefi.org/specifications ピクセルデータを画面表示

44. わんくま同盟札幌勉強会 #1 2017-03 gop->Blt() 表示するピクセルデータ B G R - B G R - B G R - ・・・・・・・・・各8ビット 32ビットで1ピクセル Unified Extensible Firmware Interface Specification Version 2.3.1 (P.474) http://www.uefi.org/specifications

45. わんくま同盟札幌勉強会 #1 2017-03 gop->Blt() Unified Extensible Firmware Interface Specification Version 2.3.1 (P.474) http://www.uefi.org/specifications 表示先座標 (原点は画面左上)

46. わんくま同盟札幌勉強会 #1 2017-03 gop->Blt() Unified Extensible Firmware Interface Specification Version 2.3.1 (P.474) http://www.uefi.org/specifications ピクセルデータの幅、高さ

47. わんくま同盟札幌勉強会 #1 2017-03 実行の様子わんくまの画像を表示してみる【サンプルコード】 https://github.com/cupnes/bare_metal_uefi/tree/master/043_ graphic_image_blt 【実行の様子】

48. わんくま同盟札幌勉強会 #1 2017-03 【発表後追記】発表で行った、スライドに無かった内容について • UEFIスライドショー – 以下に置いてあります使い方はREADMEを見てみてください – https://github.com/cupnes/bare_metal_uefi/tree/master/050_slide show • UEFI Shell – TianoCore[*1]から配布されている以下のEFIバイナリを使用しました – https://github.com/tianocore/edk2/tree/master/EdkShellBinPkg/Ful lShell/X64 – このEFIバイナリも、前述の説明通り、ストレージの第1パーティション(FAT)の EFI/BOOT/BOOTX64.EFI へ配置すれば、 UEFIのファームウェアが実行してくれます [*1] ベアメタルプログラミングのため、使用していないですが、 UEFIのプログラムを作る開発環境等をオープンソースで提供するプロジェクトです。

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Yuma Ohgami

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