紀(jì)向尚 莊克良 王大慶

（海軍704廠 青島 266109）

1 引言

小型計算機系統(tǒng)接口（Small Computer System Interface），簡稱SCSI，主要應(yīng)用于計算機外圍設(shè)備，如硬盤、軟驅(qū)、光驅(qū)、打印機等。SCSI標(biāo)準(zhǔn)定義了命令、通訊協(xié)議以及實體的電氣特性，其主要軟件接口是SCSI命令。

SCSI的原始版本是SCSI－1，SCSI－1具有8位總線，數(shù)據(jù)傳輸率為4Mbps。目前SCSI－1已經(jīng)很少使用。作為對SCSI－1的改進(jìn)，SCSI－2使用了兩項新技術(shù)Fast SCSI和 Wide SCSI。

Fast SCSI將傳輸速率提高到10MB／Sec，而Wide SCSI突破SCSI－1的單字節(jié)傳輸限制，將數(shù)據(jù)總線的帶寬提高到16位或者32位。當(dāng)使用Fast－Wide SCSI時，其理論傳輸速率為20MB／s或者40MB／s，SCSI－2增加了新的設(shè)備命令集，對光驅(qū)的支持也出現(xiàn)在SCSI－2標(biāo)準(zhǔn)文檔中。

UEFI則定義了操作系統(tǒng)與系統(tǒng)硬件平臺固件之間的開放接口。該規(guī)范定義的接口包括平臺相關(guān)信息、啟動服務(wù)例程以及操作系統(tǒng)運行時服務(wù)例程。操作系統(tǒng)裝載器與操作系統(tǒng)可通過接口調(diào)用這些服務(wù)例程。UEFI規(guī)范是一個公開的純接口定義，它不依賴于某個特定的BIOS制造商或某個特定的BIOS的實現(xiàn)，它僅僅定義了平臺固件必須實現(xiàn)的接口，以及操作系統(tǒng)可能使用的一系列接口與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其實現(xiàn)的方式與細(xì)節(jié)均取決于該規(guī)范的實現(xiàn)者。UEFI規(guī)范還定義了固件驅(qū)動程序模型，使得所有遵循此模型開發(fā)的固件驅(qū)動程序能夠互相協(xié)作。

目前UEFI BIOS下還沒有相應(yīng)的虛擬光驅(qū)方面的應(yīng)用程序，本文研究的就是在UEFI接口規(guī)范下基本SCSI虛擬光驅(qū)技術(shù)的設(shè)計和實現(xiàn)。

2 SCSI協(xié)議分析

UEFI的所有驅(qū)動依靠協(xié)議堆疊形成協(xié)議棧，并以此組織系統(tǒng)中的驅(qū)動模塊。SCSI作為總線控制器，要求提供控制器本身的控制協(xié)議即SCSI Pass Thru Protocol或者其擴展版本Ext Scsi Pass Thru Protocol。該協(xié)議可以驅(qū)動SCSI總線控制器，向總線控制器發(fā)出輸入輸出或其它控制命令。SCSI設(shè)備驅(qū)動則依賴該協(xié)議提供具體的設(shè)備輸入輸出控制接口。

在UEFI中，這種總線結(jié)構(gòu)依賴于三個驅(qū)動實現(xiàn)：總線控制器驅(qū)動、總線驅(qū)動、子設(shè)備驅(qū)動?？偩€控制器作為一種設(shè)備，其驅(qū)動提供控制接口?？偩€驅(qū)動則利用這種接口查詢并枚舉總線控制器上的所有子設(shè)備，并為每一個子設(shè)備創(chuàng)建新的設(shè)備句柄，安裝Device Path Protocol以及向子設(shè)備發(fā)送命令的總線IO協(xié)議?？偩€驅(qū)動不關(guān)心子設(shè)備類型，子設(shè)備上的總線IO只可向設(shè)備發(fā)送IO及控制信號。不同設(shè)備的驅(qū)動為了提供設(shè)備本身特有的接口，將該總線IO封裝，提供工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的設(shè)備控制接口。

如圖1所示，SCSI總線控制器句柄SCSI Bus Controller Handle由系統(tǒng)或其父節(jié)點的總線驅(qū)動負(fù)責(zé)創(chuàng)建。SCSI總線控制器的控制接口協(xié)議Ext SCSI Pass Thru Protocol由總線控制器驅(qū)動實現(xiàn)并安裝在該控制器句柄上。

圖1 SCSI總線及設(shè)備協(xié)議棧

SCSI總線驅(qū)動使用Ext SCSI Pass Thru Protocol查詢并枚舉總線上的每個子設(shè)備，創(chuàng)建新的句柄，為這些子設(shè)備句柄安裝Device Path Protocol和SCSI IO Protocol。其中，SCSI IO Protocol提供了統(tǒng)一的設(shè)備輸入輸出及控制接口。圖1中Scsi Device 1Handle和SCSI Device 2Handle即為總線子設(shè)備句柄，由總線驅(qū)動創(chuàng)建。

由于SCSI設(shè)備的多樣性，不同的設(shè)備需要特定的協(xié)議作為接口。圖1中的SCSI設(shè)備為CD－Drive、磁盤等塊設(shè)備。UEFI標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定這些塊設(shè)備應(yīng)當(dāng)提供Block IO Protocol，因此，EDK II中給出了SCSI塊設(shè)備的驅(qū)動。該驅(qū)動檢測通過SCSI IO Protocol檢查每個設(shè)備的類型，并負(fù)責(zé)為光驅(qū)和磁盤創(chuàng)建塊輸入輸出協(xié)議Block IO Protocol。

到此，SCSI總線結(jié)構(gòu)的協(xié)議棧已經(jīng)建立。EDK II提供Disk IO Protocol，其接口與Block IO Protocol有所不同，但一部分上層驅(qū)動同時使用這兩個協(xié)議。Simple File System Protocol由文件系統(tǒng)相關(guān)的驅(qū)動模塊負(fù)責(zé)。簡單文件系統(tǒng)協(xié)議向Shell以及所有使用文件系統(tǒng)的驅(qū)動提供了文件訪問接口。

根據(jù)以上分析，可以得出這樣的結(jié)論：有效驅(qū)動SCSI光驅(qū)或者磁盤需要三個驅(qū)動模塊完成，總線控制器驅(qū)動，總線驅(qū)動和子設(shè)備驅(qū)動。這三個驅(qū)動彼此獨立地負(fù)責(zé)三個協(xié)議的安裝，即 Ext Scsi Pass Thru Protocol，Scsi IO Protocol和Block IO Protocol。其中，Block IO Protocol抽象了塊設(shè)備讀寫，與具體設(shè)備無關(guān)。

3 模塊設(shè)計

3.1 頂層結(jié)構(gòu)

圖2 SCSI虛擬光驅(qū)頂層結(jié)構(gòu)

SCSI虛擬光驅(qū)系統(tǒng)由兩個模塊組成，虛擬光驅(qū)驅(qū)動和Shell接口。模塊間通過固件卷（Firmware Volume）實現(xiàn)配置信息的傳遞。圖2給出了系統(tǒng)的頂層結(jié)構(gòu)圖。

Shell接口通過命令行獲得配置信息，并將配置信息存入到固件卷中，比如虛擬光驅(qū)的數(shù)目，每個光驅(qū)對應(yīng)的ISO鏡像文件等。驅(qū)動的內(nèi)核通過讀取這些信息，動態(tài)創(chuàng)建出相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來提供虛擬光驅(qū)服務(wù)，比如向用戶提供一個或多個虛擬光驅(qū)等。

從前面的論述中知道，虛擬光驅(qū)驅(qū)動在實質(zhì)上虛擬SCSI總線控制器，提供Ext SCSI Pass Thru Protocol接口。雖然該驅(qū)動是總線控制器驅(qū)動，但仍然是一個設(shè)備驅(qū)動，驅(qū)動接口被總線驅(qū)動（即SCSI Bus驅(qū)動）所使用。而在總線控制器內(nèi)部維持著一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，向上層總線驅(qū)動提供虛擬信息，基于這個選擇，可以得到如圖3所示的驅(qū)動內(nèi)核結(jié)構(gòu)。

圖3 遵循UEFI驅(qū)動模型的虛擬光驅(qū)驅(qū)動內(nèi)核

3.2 Shell用戶接口

虛擬光驅(qū)系統(tǒng)具有如下要求功能：

1）列出所有虛擬光驅(qū)，及其對應(yīng)的ISO文件信息；

2）設(shè)置虛擬光驅(qū)數(shù)量；

3）為指定編號的虛擬光驅(qū)進(jìn)行ISO鏡像裝載；

4）為指定編號的虛擬光驅(qū)進(jìn)行ISO鏡像卸載。

根據(jù)預(yù)期的四個功能，設(shè)計出如下格式的Shell命令：

其中，vscsi為Shell接口的程序名，－l選項以列表形式所有的虛擬光驅(qū)信息，－n用來設(shè)置虛擬光驅(qū)的數(shù)量，－m用來設(shè)置Num對應(yīng)虛擬光驅(qū)的鏡像文件，－u用來對Num指定虛擬光驅(qū)進(jìn)行卸載。

虛擬光驅(qū)的Shell接口程序?qū)⒆裱瓨?biāo)準(zhǔn)的程序結(jié)構(gòu)，利用Shell相關(guān)的庫和協(xié)議獲得命令行參數(shù)并將其存放入固件卷中。Shell接口程序的框架如上圖所示。Shell接受用戶命令并分析后，將調(diào)用EFI Runtime Services向固件卷中寫入配置信息。需要說明的是，命令行指定的文件路徑中的盤符信息不能被設(shè)備驅(qū)動識別。比如，在f8：＼sample＼example1.iso這樣的文件路徑中，f8：＼不能被設(shè)備識別。因此，在Shell接口應(yīng)當(dāng)將盤符信息轉(zhuǎn)化為設(shè)備驅(qū)動可以識別的信息，然后存儲。

3.3 虛擬設(shè)備驅(qū)動

分析上述可知，驅(qū)動內(nèi)核將使用一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來表示配置信息，并提供虛擬光驅(qū)服務(wù)。驅(qū)動應(yīng)當(dāng)首先創(chuàng)建虛擬的SCSI控制器建立對應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并根據(jù)配置信息在UEFI系統(tǒng)堆內(nèi)存中動態(tài)地創(chuàng)建表示子設(shè)備的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

虛擬SCSI控制器對應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將采用C面向?qū)ο蟮姆椒?，擴展Ext Scsi Pass Thru Protocol結(jié)構(gòu)，將需要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作為該協(xié)議私有的數(shù)據(jù)，如圖4所示。

其中，擴展后的Ext Scsi Pass Thru Protocol定義如圖5。

以這個結(jié)構(gòu)體作為虛擬的SCSI總線控制器的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

圖4 虛擬SCSI控制器結(jié)構(gòu)

圖5 虛擬SCSI總線控制器結(jié)構(gòu)體定義

前四個字節(jié)為signature。因為該結(jié)構(gòu)體在內(nèi)存中動態(tài)創(chuàng)建，協(xié)議中的函數(shù)可以利用這四個字節(jié)檢查數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的正確性，這個特性類似于信息安全領(lǐng)域的數(shù)字簽名。

簽名結(jié)束后是協(xié)議接口，在向系統(tǒng)注冊協(xié)議時將這個地址傳入UEFI系統(tǒng)。并且，虛擬SCSI總線控制器結(jié)構(gòu)體中，只有該域?qū)ν忾_放。在向虛擬設(shè)備裝載協(xié)議時，ExtScsiPassThruInterface域的地址將被傳入系統(tǒng)，保證了內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的封裝。因此，其它驅(qū)動或者用戶在向系統(tǒng)請求該協(xié)議接口時，得到的不是整個 VIRTUAL＿SCSI＿CONTROLLER結(jié)構(gòu)體地址，而是其中ExtScsiPassThruInterface的地址。

VIRTUAL＿SCSI＿CONTROLLER的最后部分由一個類型匿名的Private域構(gòu)成。該域僅包含兩項，虛擬光驅(qū)數(shù)量以及指向虛擬光驅(qū)結(jié)構(gòu)體數(shù)組的指針。對該域的數(shù)據(jù)類型進(jìn)行匿名，可以保證該域的封裝性。

對于每個虛擬光驅(qū)，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如圖6所示。

圖6 虛擬光驅(qū)設(shè)備結(jié)構(gòu)體定義

CDRomMounted用以表示該CD Drive中是否裝載了CD－Rom，F(xiàn)ileDevicePath指向文件類型的Device Path。它主要用來保存從CMOS中獲得的虛擬光驅(qū)配置信息，不負(fù)責(zé)文件的相關(guān)操作。根據(jù)FileDevicePath被打開的文件由FileHandle指向，文件的訪問操作也將通過FileHandle來進(jìn)行。TargetID和Lun是SCSI規(guī)范中定義的兩種類型的數(shù)據(jù)，TargetID用來表示SCSI目標(biāo)器的編號，Lun用來表示邏輯單元號（Logical Unit Number）。需要指出的是，在本虛擬光驅(qū)系統(tǒng)中對于任何一個TargetID，Lun均只為0，不使用其它值。

圖7 SCSI虛擬光驅(qū)驅(qū)動模塊詳細(xì)設(shè)計

綜合UEFI驅(qū)動模型、SCSI虛擬控制器結(jié)構(gòu)及虛擬光驅(qū)設(shè)備結(jié)構(gòu)得出如圖7的SCSI虛擬光驅(qū)驅(qū)動模塊詳細(xì)設(shè)計。其中鏡像文件（Image File）部分是驅(qū)動的二進(jìn)制可加載鏡像，由代碼編譯得到。堆空間（Heap Memory）中的所有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由驅(qū)動的Driver Binding Protocol負(fù)責(zé)構(gòu)造和析構(gòu)。

3.4 模塊間通信

圖2系統(tǒng)的頂層結(jié)構(gòu)圖中，Shell接口和驅(qū)動內(nèi)核通過固件卷進(jìn)行配置信息的傳遞。在進(jìn)行這種配置傳遞時需要解決兩個問題。

第一，由于UEFI規(guī)范不使用時鐘中斷外的所有中斷，因此UEFI系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)處于單一的運行環(huán)境，即單指令流。因此，不可能同時存在驅(qū)動進(jìn)程和Shell接口進(jìn)程，也不可能實時傳遞配置參數(shù)。由于EFI的加載速度很快，重啟EFI并不會耗費時間，所以無論是在傳統(tǒng)BIOS，還是在EFI中，一些配置往往都要求重啟。本設(shè)計選擇回避該問題，配置信息設(shè)置保存后應(yīng)當(dāng)重新啟動UEFI系統(tǒng)，以便驅(qū)動內(nèi)核讀取配置信息。

第二，EDK II的Shell中表示的盤符（如f8：＼）屬于Shell內(nèi)部表示，只有在Shell環(huán)境下可見。但驅(qū)動不在Shell環(huán)境下運行，也不能利用Shell庫讀取文件。如果簡單地向固件卷中寫入路徑f8：＼sample＼example1.iso，那么即使路徑信息能夠被設(shè)備驅(qū)動所獲取，驅(qū)動程序也不能從f8：＼訪問任何設(shè)備。

4 結(jié)語

本文主要研究了符合UEFI接口規(guī)范的SCSI虛擬光驅(qū)技術(shù)，并設(shè)計實現(xiàn)了該SCSI虛擬光驅(qū)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以向其它驅(qū)動或者用戶提供一個虛擬的SCSI總線控制器以及連接在總線控制器上的一個或多個虛擬光驅(qū)設(shè)備，用戶可以通過Shell接口配置光驅(qū)數(shù)量以及各光驅(qū)中加載的ISO 9660結(jié)構(gòu)的文件鏡像。該方法的實現(xiàn)，對于擴展基于UEFI BIOS計算機系統(tǒng)的多光驅(qū)應(yīng)用以及擴展外部設(shè)備接口，具有非?，F(xiàn)實的積極意義。

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