UEFI开发探索41 – Event、Timer和任务优先级

请保留-> 【原文：  https://blog.csdn.net/luobing4365 和 http://yiiyee.cn/blog/author/luobing/】

作为一个底层的支持系统，UEFI没有支持中断。如果想支持异步操作，只能通过事件(Event)来实现。

在开发Foxdisk的过程中，也遇到需要同时处理的事件。比如提示用户输入的闪烁光标、自动显示的系统时间等，我是采用了时钟中断(int 1Ch)的方式来实现的，是段很有意思的程序。

不过，我只是简单地将需要的功能堆砌在int 1Ch中实现，并没有完整地实现多任务间的互斥，是一种“伪多任务”的实现。那么，UEFI中是怎么来支持多个任务同时执行呢？

1 支持的服务函数

图1为相关的服务函数，总共10个：

这些函数运行于Boot Services环境下，有不同的任务优先级要求（或者称为TPL要求）。在Boot Services环境下，有三种优先级：

TPL_APPLICATION-最低的优先级，应用程序运行在这个级别；
TPL_CALLBACK-中等优先级，比较耗时的一些操作，比如磁盘操作运行在此级别；
TPL_NOTIFY-高优先级，不允许阻塞，应该尽快完成，通常底层的IO操作在此级别。

高优先级运行的的任务可以中断低优先级任务。比如，运行于TPL_NOTIFY级别的任务可以中断运行于TPL_APPLICATION或者运行于TPL_CALLBACK级别的任务。为了让firmware(固件)有处理所有级别任务的能力，比如高级别的时钟事件或者内部设备，设计了第四种TPL，TPL_HIGH_LEVEL。

TPL_HIGH_LEVEL是最高级别优先级，此级别中断是被禁止的，UEFI内核全局变量的修改需要在此级别。

对于每个函数和Protocol运行于哪个级别，可以参考UEFI Spec 2.8 page 141-144。

事件(Event)存在两种互斥的状态，“waiting”(等待)和“signaled”(触发)。当事件被创建之后，固件（firmware）将其设置为等待状态。事件被触发后，固件将其转换为触发状态，如果事件类型为EVT_NOTIFY_SIGNAL，则其相关的notification函数也会放入FIFO队列中。

对TPL_CALLBACK和TPL_NOTIFY的事件，存在着处理队列。如果队列中的notification，其TPL等于或者小于目前任务的TPL，它只能等到当前任务TPL降低了，一般是通过EFI_BOOT_SERVICES.RestoreTPL来改变TPL。

通常来说，事件也可分为同步和异步两种类型。异步的例子，典型的如网络设备驱动中，通过EVT_TIMER事件等待新的网络包。而调用EFI_BOOT_SERVICES.ExitBootServices()是一个同步的例子，当函数完成后，将触发EVT_SIGNAL_EXIT_BOOT_SERVICES事件。

2 函数简述

2.1  CreateEvent()

typedef EFI_STATUS  (EFIAPI *EFI_CREATE_EVENT) (
IN UINT32 Type,   //事件类型
IN EFI_TPL NotifyTpl,   //事件NotifyFunction函数的优先级
IN EFI_EVENT_NOTIFY NotifyFunction, OPTIONAL  //事件NotifyFunction函数
IN VOID *NotifyContext, OPTIONAL  //传给事件NotifyFunction函数的参数
OUT EFI_EVENT *Event   //生成的事件
);

事件类型有如下几种（摘自MdePkg\Uefi\UefiSpec.h）:

EVT_TIMER：普通Timer（定时器）事件，生成事件后需要调用SetTimer服务设置Timer属性。

EVT_RUNTIME：如果事件在调用EFI_BOOT_SERVICES.ExitBootServices()之后触发，事件的数据结构和notification函数都必须由runtime memory分配。

EVT_NOTIFY_WAIT：普通事件，此事件有通知(Notification)函数，当这个事件通过EFI_BOOT_SERVICES.WaitForEvent()等待或者EFI_BOOT_SERVICES.CheckEvent()检查时，此函数将会被放到待执行队列中；

EVT_NOTIFY_SIGNAL：当此事件被触发时，它的NotifyFunction将会放到待执行队列中；

EVT_SIGNAL_EXIT_BOOT_SERVICES：当调用ExitBootSerices()时，系统会发出此事件；

EVT_SIGNAL_VIRTUAL_ADDRESS_CHANGE：当执行SetVirtualAddressMap()时，系统会发出此事件；

上述通知函数NotifyFunction的函数原型为：

typedef VOID (EFIAPI *EFI_EVENT_NOTIFY)(
         IN EFI_EVENT Event;  //notification函数调用的事件
         IN VOID  *Context   //指向notification函数的内容（个人感觉，有点类似于Windows控件ListView中的附加字符串）
);

CreateEventEx函数比CreateEvent函数多了一个事件组的入口参数，如果此参数没有指定(NULL)，此函数和CreateEvent是一样的。

事件组是一个事件的集合，共享同一EFI_GUID。组中的任意事件被触发后，组中其余所有的事件都会被触发，同组内所有通知函数都将加入待执行队列。

对类型为EVT_SIGNAL_EXIT_BOOT_SERVICES和EVT_SIGNAL_VIRTUAL_ADDRESS_CHANGE来说，事件组是固定的，已经在UEFI中预定好了。

可以让多个EVT_TIMER组成一个事件组，不过，没法方法确定哪个Timer被触发了。

对事件组中的事件，可以使用CloseEvent来将其移除。

2.3 CloseEvent()和SignalEvent()

typedef EFI_STATUS (EFIAPI *EFI_CLOSE_EVENT) (
IN EFI_EVENT Event  //需要关闭的事件
);

typedef EFI_STATUS (EFIAPI *EFI_SIGNAL_EVENT) (
IN EFI_EVENT Event  //触发的事件
);

以下是触发事件组的例子，创建一个事件加入到事件组，触发后移除此事件：

EFI_EVENT Event;
EFI_GUID gMyEventGroupGuid = EFI_MY_EVENT_GROUP_GUID;
gBS->CreateEventEx (0, 0, NULL, NULL,
&gMyEventGroupGuid,
&Event
);
gBS->SignalEvent (Event);
gBS->CloseEvent (Event);

2.4 WaitForEvent()和CheckEvent()

typedef EFI_STATUS (EFIAPI *EFI_WAIT_FOR_EVENT) (
IN UINTN NumberOfEvents, //事件数组中的事件数目
IN EFI_EVENT *Event,   //事件数组
OUT UINTN *Index   //返回处于触发态的事件再数组内的下标(从零开始计数)
);

typedef EFI_STATUS (EFIAPI *EFI_CHECK_EVENT) (
IN EFI_EVENT Event   //需要检查的事件，看是否处于触发状态
);

WaitForEvent必须在优先级TPL_APPLICATION下调用，如果在其他优先级下调用的话，函数将返回EFI_UNSUPPORTED。

WaitForEvent重复从前往后检查事件数组中的事件，直到找到事件被触发或者有错误产生。当检查到某个事件处于触发态时，*Index返回该事件在事件数组中的下标，返回前将该事件重置为等待状态。

如果某个事件类型为EVT_NOTIFY_SIGNAL，WaitForEvent将返回EFI_INVALID_PARAMETER，*Index指明此事件在数组的下标。

WaitForEvent函数是阻塞函数，如果不想等待的话，可以使用CheckForEvent函数来检查事件的状态。

2.5 SetTimer()

typedef EFI_STATUS (EFIAPI *EFI_SET_TIMER) (
IN EFI_EVENT Event,  //Timer事件
IN EFI_TIMER_DELAY Type,  //定时器类别
IN UINT64 TriggerTime    //定时器过期事件，100ns为一个单位
);

typedef enum {
TimerCancel,  //用于取消定时器触发事件，设置后不触发定时器
TimerPeriodic, //重复型定时器，触发时间为TriggerTime * 100ns  
TimerRelative  //一次性定时器，触发时间为TriggerTime * 100ns
} EFI_TIMER_DELAY;

此函数调用后，将取消之前设定的事件相关的时间设置，并启用新的触发事件设置。它只能用于类型为EVT_TIMER的事件。

2.6 RaiseTPL()和RestoreTPL()

typedef EFI_TPL (EFIAPI *EFI_RAISE_TPL) (
IN EFI_TPL NewTpl  //新的优先级，必须高于或者等于当前任务的优先级
);

相关优先级数值：

#define TPL_APPLICATION 4
#define TPL_CALLBACK 8
#define TPL_NOTIFY 16
#define TPL_HIGH_LEVEL 31

typedef VOID (EFIAPI *EFI_RESTORE_TPL) (
IN EFI_TPL OldTpl  //调用RaiseTPL前的任务的优先级
)

这两个函数是成对的，RaiseTPL调用后，会返回当前任务的优先级，以让RestoreTPL恢复。

任务提升到TPL_HIGH_LEVEL时，中断会关闭；恢复到低于此优先级时，中断会被重新打开。

3 机制探索

3.1 时钟中断（时钟0的作用）

在Foxdisk中，我使用了缺省的时钟0来进行操作。系统上电初始化时，会将定时器初始化为每隔55ms发出一次中断请求，CPU在响应中断请求后转入8H号中断处理程序。而在BIOS 的8H中断中，有一条指令“Int 1ch”，所以每秒约调用18.2次1CH号中断处理程序。

8254可编程时钟包含三个独立的16位时钟，时钟0用来系统定时的，在BIOS post阶段会初始化为上述状态。三个时钟分配有三个读写寄存器，分别为0x40、0x41、0x42，还包括一个公用的控制寄存器0x43。

我实际的代码都在Int 1cH中，采用这种方式编程简单，不用去太多操作硬件。连几个任务防止死锁的方式都是关中断。缺点是，没有实现完整的事件机制，不是真正意义上的多任务调度。

对8254的时钟0操作需要用到几个寄存器，我们主要关心模式控制部分，涉及到端口0x40和0x43。（博文中一般用“0x”前缀表示16进制，这是C语言的用法；有时候以“h”后缀表示十六进制，这是汇编语言的用法）

从图中可以看出，向端口0x43（模式控制寄存器）写入0x36，是将时钟0设置为模式3。往端口0x40(时钟0的系统滴答，即读写计数寄存器)设置相应的16位计数值即可，设置时，先发送计数值的低有效字节，然后发送高有效字节。

模式3是一种方波方式，用来生成一个周期性方波输出。计数值为0时，输出周期最大，每54.9ms出现一次输出。三个时钟的的输入频率初始都为1.1931817MHz，当计数值为0时，相当于输出频率为18.2Hz，也即输入频率1.1931817MHz与2^16相除的结果。

对时钟0操作的函数在\PcAtChipsetPkg\8254TimerDxe\Timer.c中，仔细读读代码，会发现不少有意思的东西。

函数SetPitCount:

函数SetPitCount对时钟0进行计数值设置，计数值由Count传入。此函数由TimerDriverSetTimerPeriod调用，除此外没有其他函数调用它。

TimerDriverSetTimerPeriod函数原型为：

EFI_STATUS EFIAPI  TimerDriverSetTimerPeriod (
  IN EFI_TIMER_ARCH_PROTOCOL  *This,
  IN UINT64                   TimerPeriod
  )

其入口参数TimerPeriod与调用SetPitCount时传入的参数TimerCount之间的公式是这样的：

TimerCount = ((TimerPeriod * 119318) + 500000)/1000000。

也就是说，TimerPeriod乘以100ns，即为时钟0周期输出的时间。而在初始化函数TimerDriverInitialize中，是这样调用设置函数的：

Status = TimerDriverSetTimerPeriod (&mTimer, DEFAULT_TIMER_TICK_DURATION);

时钟0在此被设置成每10ms中断一次，（ DEFAULT_TIMER_TICK_DURATION=100000），用来调度任务。

真正工作的调度函数是CoreTimerTick，位于\MdeModulePkg\Core\Dxe\Event\Timer.c下（UDK2018中）。时钟0每过10ms会调用它一次，实现了事件的调度机制。

至于这个函数怎么注册起来的、又如何起效的，在《UEFI原理与编程》中有很详细的描述，就不重复了。

3.2 SetTimer的迷思

SetTimer的第三个参数，是以100ns为粒度单位的。如果使用8254的时钟0，其最高频率是1.19318MHz，最小的时间间隔为840ns，这怎么能行？

UEFI对应Intel的平台下使用的定时器有8254和Hpet两种，在使用中到底是怎么选择的？

我使用windbg+Qemu0.13调试时用的是32位OVMF.fd，在枚举TimerDriverInitialize时，定位到的是8254TimerDxe的目录。我觉得平常使用的应该是Hpet定时器才对，很可能与我现在用的Qemu版本有关，它不一定模拟了Hpet定时器。（试了下64位OVMF.fd，也是同样现象）

Hpet定时器提供出去的接口，与8254提供出去的是一样的。我对Hpet不大熟悉，最近也没有时间仔细研究，贴一个其他人研究的帖子，对执行的过程做了一个全景描述：http://www.thzhonggong.com/plus/view.php?aid=30938

从精度来看，Hpet定时器当然能满足粒度为100ns的设置了。不过还是没解决8254设置为100ns粒度的问题，我猜测在使用Hpet定时器时，是以100ns作为中断间隔的；而在使用8254时，最小的粒度应该是10ms。基于以下事实推测的：

1) 调试过程中，除了在启动过程中调用了TimerDriverInitialize外，没有在此处断下来过。而在跟踪SetTimer过程中，也并未调用TimerDriverSetTimerPeriod之类的函数；
2) 跟踪SetTimer时，发现这个代码：

我故意将SetTimer的第三个参数设置为7，调试过程中会去比较Event2，而Event2的Period值为10000。它没有加进去？

不过，我没有找到方法来验证这个想法，把它作为一个需要解决的问题留存吧。

4 构建程序

跟踪了这么久的Event，总该用来做点什么。只是定时打印字符，也没有什么意思，我决定做一个有趣点的东西。

功能如下：1) 产生随机数，作为屏幕的坐标；
          2) 设定重复性的Event，每隔200ms触发一次；
          3) 每触发一次，在随机坐标处画一个方块；

然后可以发呆，放空自己，看屏幕什么时候填满。

这是一个毫无用处的佛性程序。

从UEFI spec 2.4开始，提供了一个随机数生成的Protocol-EFI_RNG_PROTOCOL：

我在测试代码中，写好了相关的函数，准备用它来实现随机数生成。不过，测试中发现，在TianCore的模拟环境和OvmfPkg的模拟环境中，都无法找到。怀疑可能模拟环境中没有实现它，不知道实际环境中是否支持，回头再试试。

暂时还是手写个伪随机函数吧。我把StdLib中的随机函数rand()拿过来，稍微改了改，就可以直接用了。具体的实现可以看代码。

至于Event的用法，前面的函数说明已经比较详细了。另外，也可以参考《UEFI原理与编程》的例子。

实现的效果如下：

百度云链接：https://pan.baidu.com/s/1gccSosw8_UAGTI5gZPnLCA
提取码：dx23
文件在 FF RobinPkg/ RobinPkg /Applications/RngEvent 下
(从此篇开始，如非特殊需要要，所有的代码都会放在我自制的Package中编译)

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