Linux下基于edk2的UEFI开发环境搭建

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2025-01-10

init

本文介绍了在Linux下基于edk2搭建UEFI开发环境的方法，包括下载edk2源码、安装编译工具，并通过HelloWorld示例演示了编写DSC、INF和C代码，编译生成x64及aarch64平台的目标文件，以及在Emulator和QEMU中运行和用gdb调试的流程。文章还展示了HelloStd示例，说明如何在UEFI中调用标准C库。

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基本环境搭建

这是我的硬件环境及操作系统

硬件环境

下载 edk2 源码

# 安装需要的软件包
sudo apt update
sudo apt install git
mkdir -p ~/UEFI
cd UEFI
git clone "https://github.com/tianocore/edk2.git"
cd edk2
# 使用这个分支
git checkout origin/stable/202408
git submodule update --init --recursive
git branch
# 查看子模块是否都已正确初始化，如果子模块未下载完毕，编译时会有一些问题
git submodule status
cd -
# 下载edk2-libc的代码，这个主要是为了在UEFI开发中使用c标准库
git clone https://github.com/tianocore/edk2-libc.git
# 创建code文件夹用于存放我们自己的代码
mkdir -p code

安装编译工具

# 下载一些基本软件包
sudo apt-get install python3 python3-distutils uuid-dev build-essential bison flex nasm acpica-tools gcc
# 安装arm的编译器, 这里主要是为了编译aarch64的
mkdir -p ~/UEFI/toolchain
cd ~/UEFI/toolchain
wget https://developer.arm.com/-/media/Files/downloads/gnu-a/8.2-2019.01/gcc-arm-8.2-2019.01-x86_64-aarch64-elf.tar.xz
tar -xf gcc-arm-8.2-2019.01-x86_64-aarch64-elf.tar.xz
cd -

HelloWorld

下面通过一个 HelloWorld 的例子来实现编译 UEFI 代码到目标平台为 x64 或 aarch64，并支持在 Emulator 和 qemu 中运行，最后用 gdb 调试程序

代码

touch HelloWorld.dsc
touch HelloWorld.inf
touch HelloWorld.c
# 这个命令行工具可以生成uuid, 后面的dsc和inf中的uuid都是这样生成的
uuidgen

HelloWorld.dsc

DSC 文件是包描述文件，其中Defines中的所有字段都是强制性的。

对于 LibraryClasses 中的路径可以通过以下命令查找

cd edk2
# 以UefiApplicationEntryPoint为例
grep UefiApplicationEntryPoint -r ./ --include=*.inf | grep LIBRARY_CLASS
# 通过GUID查找
grep -i 752F3136 -r ./ --exclude-dir=Build

LibraryClasses 的格式是

LibraryClassName|Path/To/LibInstanceName.inf

对于 DSC 文件的完整解释，参考以下链接：

INF-Specification

https://tianocore-docs.github.io/edk2-DscSpecification/release-1.28/

[Defines]
  DSC_SPECIFICATION         = 0x0001001A
  PLATFORM_GUID             = c08977d4-6e87-42f6-bf5c-4d41cfe7ba53
  PLATFORM_VERSION          = 0.01
  PLATFORM_NAME             = HelloWorld
  SKUID_IDENTIFIER          = DEFAULT
  SUPPORTED_ARCHITECTURES   = AARCH64|X64
  BUILD_TARGETS             = DEBUG|RELEASE|NOOPT
  OUTPUT_DIRECTORY          = $(PKG_OUTPUT_DIR)

[LibraryClasses]
  BaseLib|MdePkg/Library/BaseLib/BaseLib.inf
  BaseMemoryLib|MdePkg/Library/BaseMemoryLib/BaseMemoryLib.inf
  DevicePathLib|MdePkg/Library/UefiDevicePathLib/UefiDevicePathLib.inf
  MemoryAllocationLib|MdePkg/Library/UefiMemoryAllocationLib/UefiMemoryAllocationLib.inf
  PrintLib|MdePkg/Library/BasePrintLib/BasePrintLib.inf
  UefiLib|MdePkg/Library/UefiLib/UefiLib.inf
  UefiHiiServicesLib|MdeModulePkg/Library/UefiHiiServicesLib/UefiHiiServicesLib.inf
  ShellCEntryLib|ShellPkg/Library/UefiShellCEntryLib/UefiShellCEntryLib.inf
  HiiLib|MdeModulePkg/Library/UefiHiiLib/UefiHiiLib.inf


  UefiApplicationEntryPoint|MdePkg/Library/UefiApplicationEntryPoint/UefiApplicationEntryPoint.inf
  UefiBootServicesTableLib|MdePkg/Library/UefiBootServicesTableLib/UefiBootServicesTableLib.inf
  UefiRuntimeServicesTableLib|MdePkg/Library/UefiRuntimeServicesTableLib/UefiRuntimeServicesTableLib.inf

  DebugLib|MdePkg/Library/BaseDebugLibNull/BaseDebugLibNull.inf
  PcdLib|MdePkg/Library/BasePcdLibNull/BasePcdLibNull.inf

[LibraryClasses.ARM,LibraryClasses.AARCH64]
  NULL|ArmPkg/Library/CompilerIntrinsicsLib/CompilerIntrinsicsLib.inf
  NULL|MdePkg/Library/BaseStackCheckLib/BaseStackCheckLib.inf

[LibraryClasses.X64]
  RegisterFilterLib|MdePkg/Library/RegisterFilterLibNull/RegisterFilterLibNull.inf

[Components]
  HelloWorld.inf

HelloWorld.inf

INF 文件是 edk2 app 的配置文件，其中

• [Defines] 该节定义了一些模块的基本信息
  • BASE_NAME app 的名称
  • FILE_GUID 可以通过命令 uuidgen 生成，UEFI 通过 GUID 来区分不同的模块
  • MODULE_TYPE 这里填 UEFI_APPLICATION
  • ENTRY_POINT c 代码中的主函数的名称
• [Sources] 模块的源代码，一般是.c,.h 文件
• [Packages] 需要使用到的包
• [LibraryClasses] 需要使用到的库

对于 INF 文件的完整解释，参考以下链接：

INF-Specification

https://tianocore-docs.github.io/edk2-InfSpecification/release-1.27/

下面是定义的一个简单的模块

# Variables defined to be used during the build process
[Defines]
  INF_VERSION       = 1.25
  BASE_NAME         = HelloWorld
  FILE_GUID         = 5455334b-dbd9-4f95-b6ed-5ae261a6a0c1
  MODULE_TYPE       = UEFI_APPLICATION
  VERSION_STRING    = 1.0
  ENTRY_POINT       = UefiMain

# Source code
[Sources]
  HelloWorld.c

# Required packages
[Packages]
  MdePkg/MdePkg.dec            # Contains Uefi and UefiLib

# Required Libraries
[LibraryClasses]
  UefiApplicationEntryPoint    # Uefi application entry point
  UefiLib                      # UefiLib
  UefiBootServicesTableLib

HelloWorld.c

#include <Library/UefiLib.h>
#include <Uefi.h>

EFI_STATUS
EFIAPI
UefiMain(IN EFI_HANDLE ImageHandle, IN EFI_SYSTEM_TABLE *SystemTable) {
  Print(L"Hello World!!!\n");
  SystemTable->BootServices->Stall(10000000);
  return EFI_SUCCESS;
}

编译脚本

首先我们需要创建一个脚本，用于设置环境变量

touch env.sh
chmod a+x env.sh

env.sh

#!/bin/bash
# 项目名称,也是源代码的源文件目录
export PROJ_NAME="HelloWorld"
# dsc文件名
export DSC_NAME="HelloWorld"
# inf文件名
export INF_NAME="HelloWorld"
# 也是编译生成的*.efi的名字，在inf的BASE_NAME中定义
export INF_BASE_NAME="HelloWorld"
# UEFI 工作目录
export UEFI_WORKSPACE="$HOME/UEFI"
# EDK II 路径
export EDK_PATH="$UEFI_WORKSPACE/edk2"
# EDK II libc路径
export EDK_LIBC_PATH="$UEFI_WORKSPACE/edk2-libc"
# 应用代码路径
export APP_PATH="$UEFI_WORKSPACE/code/$PROJ_NAME"
# 构建输出目录
export PKG_OUTPUT_DIR="$APP_PATH/Build"
# 模拟器路径
export EMULATOR_PATH="$EDK_PATH/Build/EmulatorX64/DEBUG_GCC5/X64"
# 包路径设置，支持多个路径，用冒号分隔
export PACKAGES_PATH="$EDK_PATH:$EDK_LIBC_PATH:$APP_PATH"
# 指定 Python 解释器
export PYTHON_COMMAND="/usr/bin/python3"
# 确认设置完成
echo "Environment variables for $PROJ_NAME project are configured."

接下来写一个脚本实现编译我们的代码到 x64 目标平台

touch build-x64.sh
chmod a+x build-x64.sh

build-x64.sh

#!/bin/bash
set -e
trap "Exiting" INT

# environment variables
source env.sh

export GCC5=/usr/bin/gcc
cd $EDK_PATH
source edksetup.sh
cd -

# Building BaseTools
make -C $EDK_PATH/BaseTools
# 这里设置-b参数为DEBUG，需要部署时用RELEASE
# -p --platform=
# -m --module=
# -a --arch=
# -b --buildtarget=
# -t --tagname=
build -p $APP_PATH/$DSC_NAME.dsc -m $APP_PATH/$INF_NAME.inf -a X64 -t GCC5 -b DEBUG -D PKG_OUTPUT_DIR=$PKG_OUTPUT_DIR

编译到 aarch64 平台同理

touch build-aarch64.sh
chmod a+x build-aarch64.sh

build-aarch64.sh

#!/bin/bash
set -e
trap "Exiting" INT

# environment variables
source env.sh

export GCC5_AARCH64_PREFIX=$UEFI_WORKSPACE/toolchain/gcc-arm-8.2-2019.01-x86_64-aarch64-elf/bin/aarch64-elf-

cd $EDK_PATH
source edksetup.sh
cd -

# Building BaseTools
make -C $EDK_PATH/BaseTools

build -p $APP_PATH/$DSC_NAME.dsc -m $APP_PATH/$INF_NAME.inf -a AARCH64 -t GCC5 -b DEBUG -D PKG_OUTPUT_DIR=$PKG_OUTPUT_DIR

运行

Emulator 运行

最后我们写一个脚本在 edk2 自带的模拟器上运行一下, 注意这里需要你有 gui 环境, 如果是只有命令行则跳过这一步, 看下面一节用 qemu 运行

touch run.sh
chmod a+x run.sh

run.sh

#!/bin/bash
set -e
trap "Exiting" INT

source env.sh

export GCC5=/usr/bin/gcc
# Emulator编译,编译过一次就不用再编译了
cd $EDK_PATH
source edksetup.sh
build -p $EDK_PATH/EmulatorPkg/EmulatorPkg.dsc -t GCC5 -a X64

sudo mkdir -p $EMULATOR_PATH/UEFI_Disk

sudo cp $APP_PATH/Build/DEBUG_GCC5/X64/$INF_BASE_NAME.efi $EMULATOR_PATH/UEFI_Disk/

cd $EMULATOR_PATH
./Host

qemu 运行

首先编译并安装 QEMU，这里我选择 8.1.5 的版本，如果达不到预期的效果可以考虑使用这个版本的 QEMU

git clone https://gitlab.com/qemu-project/qemu.git
cd qemu
git checkout stable-8.1
sudo apt install python3-venv python3-pip python3-setuptools python3-sphinx ninja-build pkg-config libglib2.0-dev libpixman-1-dev
# x86_64
./configure --target-list=x86_64-softmmu
make -j$(nproc)
sudo make install
# aarch64
./configure --target-list=aarch64-softmmu
make -j$(nproc)
sudo make install

接下来写脚本用 qemu 运行, 这里一些参数是为下一节用 gdb 调试程序用的, 但如果你只是想用 qemu 运行一下也不影响

touch debug.sh
chmod a+x debug.sh

debug-x64.sh

#!/bin/bash
set -e
trap "Exiting" INT

# environment variables
source env.sh

export GCC5=/usr/bin/gcc
# 编译过一次就不用再编译了
cd $EDK_PATH
source edksetup.sh
build -a X64 -p OvmfPkg/OvmfPkgX64.dsc -t GCC5 -b DEBUG #-D SOURCE_DEBUG_ENABLE

cd $APP_PATH
mkdir -p _ovmf_dbg
cd _ovmf_dbg
rm -f debug.log
# 与 Ubuntu 22.04 软件源默认的 QEMU 不兼容，需要升级 QEMU 版本到 v8.1.5
cp $EDK_PATH/Build/OvmfX64/DEBUG_GCC5/FV/OVMF.fd ./

mkdir -p UEFI_Disk
cp $APP_PATH/Build/DEBUG_GCC5/X64/$INF_BASE_NAME.efi ./UEFI_Disk/
cp $APP_PATH/Build/DEBUG_GCC5/X64/$INF_BASE_NAME.debug ./UEFI_Disk/

# -s 启用 GDB 调试，默认监听在 127.0.0.1:1234
# -bios OVMF.fd，指定 OVMF 固件文件，这是一个支持 UEFI 的 QEMU 固件。
# -debugcon file:debug.log 将调试输出重定向到 debug.log 文件。
# -global isa-debugcon.iobase=0x402 配置调试控制台的 I/O 基地址。


qemu-system-x86_64 \
-s \
-bios OVMF.fd \
-drive format=raw,file=fat:rw:UEFI_Disk/ \
-net none \
-debugcon file:debug.log \
-global isa-debugcon.iobase=0x402 \
-nographic

这个脚本首先会编译 OVMF(Open Virtual Machine Firmware)，OVMF 是一个基于 EDKII 的固件，可以在 qemu x86-64 虚拟机下运行。这使得调试和实验 UEFI 固件变得更加容易；无论是用于测试操作系统启动，还是使用（内置的）EFI shell。

OVMF 固件（用于 QEMU 的 UEFI 实现）被分为两个文件：

• OVMF_CODE.fd：包含实际的 UEFI 固件。
• OVMF_VARS.fd：作为一个“模板”用于模拟持久化的 NVRAM 存储。所有虚拟机实例可以共享来自 ovmf 包的系统范围内的只读 OVMF_CODE.fd 文件，但每个实例都需要一个私有的、可写的 OVMF_VARS.fd 副本。在 qemu 中，可以分别指定 OVMF_CODE.fd 和 OVMF_VARS.fd，也可以采用简化的写法：

# 分别指定
qemu-system-x86_64 -drive if=pflash,format=raw,readonly,file=Build/OvmfX64/RELEASE_GCC5/FV/OVMF_CODE.fd \
                     -drive if=pflash,format=raw,file=Build/OvmfX64/RELEASE_GCC5/FV/OVMF_VARS.fd \
                     -nographic \
                     -net none
# 简化写法
qemu-system-x86_64 -drive if=pflash,format=raw,file=Build/OvmfX64/RELEASE_GCC5/FV/OVMF.fd \
                     -nographic \
                     -net none

运行 debug-x64.sh, 不出意外会出现如下界面, 即 UEFI 的 Shell

UEFI Interactive Shell v2.2
EDK II
UEFI v2.70 (EDK II, 0x00010000)
Mapping table
      FS0: Alias(s):HD0a1:;BLK1:
          PciRoot(0x0)/Pci(0x1,0x1)/Ata(0x0)/HD(1,MBR,0xBE1AFDFA,0x3F,0xFBFC1)
     BLK0: Alias(s):
          PciRoot(0x0)/Pci(0x1,0x1)/Ata(0x0)
     BLK2: Alias(s):
          PciRoot(0x0)/Pci(0x1,0x1)/Ata(0x0)
Press ESC in 2 seconds to skip startup.nsh or any other key to continue.
Shell>

在这个 shell 中输入 fs0:(注意这有一个英文冒号), 然后输入 HelloWorld.efi 运行我们的程序,预期输出"Hello World!!!"

在 Shell 中如果按 Backspace 没有反应，可以按 Ctrl+H 代替

UEFI Interactive Shell v2.2
EDK II
UEFI v2.70 (EDK II, 0x00010000)
Mapping table
      FS0: Alias(s):HD0a1:;BLK1:
          PciRoot(0x0)/Pci(0x1,0x1)/Ata(0x0)/HD(1,MBR,0xBE1AFDFA,0x3F,0xFBFC1)
     BLK0: Alias(s):
          PciRoot(0x0)/Pci(0x1,0x1)/Ata(0x0)
     BLK2: Alias(s):
          PciRoot(0x0)/Pci(0x1,0x1)/Ata(0x0)
Press ESC in 2 seconds to skip startup.nsh or any other key to continue.
Shell> fs0:
FS0:\> ls
Directory of: FS0:\
01/08/2025  22:23                  82  gdb_commands.txt
01/10/2025  20:22             184,544  HelloWorld.debug
01/10/2025  20:22               5,760  HelloWorld.efi
01/10/2025  12:22               1,391  NvVars
          4 File(s)     191,777 bytes
          0 Dir(s)
FS0:\> HelloWorld.efi
Hello World!!!

退出 QEMU 按 Ctrl+A，松开后再按 X

下面是 aarch64 版本的
debug-aarch64.sh

#!/bin/bash
set -e
trap "Exiting" INT

# environment variables
source env.sh

export GCC5_AARCH64_PREFIX=$UEFI_WORKSPACE/toolchain/gcc-arm-8.2-2019.01-x86_64-aarch64-elf/bin/aarch64-elf-

# 编译过一次就不用再编译了
cd $EDK_PATH
source edksetup.sh
build -a AARCH64 -p ArmVirtPkg/ArmVirtQemu.dsc -t GCC5 -b RELEASE

cd $APP_PATH/$INF_NAME
mkdir -p _armvirt_dbg
cd _armvirt_dbg
rm -f debug.log
# 与 Ubuntu 22.04 软件源默认的 QEMU 不兼容，需要升级 QEMU 版本到 v8.1.5

cp $EDK_PATH/Build/ArmVirtQemu-AARCH64/RELEASE_GCC5/FV/QEMU_EFI.fd ./

mkdir -p UEFI_Disk
cp $APP_PATH/$INF_NAME/Build/DEBUG_GCC5/AARCH64/$INF_BASE_NAME.efi ./UEFI_Disk/
cp $APP_PATH/$INF_NAME/Build/DEBUG_GCC5/AARCH64/$INF_BASE_NAME.debug ./UEFI_Disk/

#qemu命令
qemu-system-aarch64 \
-machine virt,kernel_irqchip=on,gic-version=3 \
-cpu cortex-a57 -m 1G  \
-drive format=raw,file=fat:rw:UEFI_Disk/ \
-bios QEMU_EFI.fd \
-net none \
-nographic

调试

gdb 调试 UEFI 程序稍稍有点麻烦, 但可以用脚本自动化一些操作, 总体流程如下:

1. 运行 debug.sh, 然后进入 UEFI Shell 中运行一下代码(和上一小节用 qemu 运行一样的操作, 这里主要是为了在_ovmf_dbg/debug.log 中拿到 driver 启动的地址)
2. 开另一个 terminal, 运行下面的脚本 addr.sh
3. 在_ovmf_dbg/UEFI_Disk 目录下运行 gdb -x gdb_commands.txt
4. 在 gdb 里面打断点, 比如 break UefiMain
5. 添加 gdb 调试 target remote localhost:1234
6. 运行,输入 c 跳到第一个断点位置
7. 在 UEFI Shell 中运行你的代码

addr-x64.sh

#!/bin/bash
source env.sh

cd _ovmf_dbg

logfile="debug.log"

line=$(grep -oP "Loading driver at 0x[0-9a-fA-F]+ EntryPoint=0x[0-9a-fA-F]+ $INF_BASE_NAME\.efi" "$logfile" | tail -n 1)

# 使用正则表达式提取两个地址
if [[ $line =~ Loading\ driver\ at\ (0x[0-9a-fA-F]+)\ EntryPoint=(0x[0-9a-fA-F]+)\ $INF_BASE_NAME\.efi ]]; then
    address0="${BASH_REMATCH[1]}"
    address1="${BASH_REMATCH[2]}"
    echo "Loading driver at $address0"
    echo "EntryPoint=$address1"
else
    echo "Error: No matching line found, maybe you need to run $INF_BASE_NAME in qemu first"
    exit 0
fi

cd UEFI_Disk

# 使用 objdump 获取文件头信息并提取 .text 和 .data 的 File off
text_offset=$(objdump -h "$INF_BASE_NAME.efi" | awk '
  /\.text/ {print $6}  # 提取 .text 的 File off
')

data_offset=$(objdump -h "$INF_BASE_NAME.efi" | awk '
  /\.data/ {print $6}  # 提取 .data 的 File off
')

# 输出提取的结果
echo ".text file off: $text_offset"
echo ".data file off: $data_offset"

# 计算
text_addr=$((0x${address0#0x} + 0x${text_offset}))
data_addr=$((0x${address0#0x} + 0x${data_offset}))

# 输出结果时使用16进制格式
printf "text_addr: 0x%X   data_addr: 0x%X\n" $text_addr $data_addr

rm -rf gdb_commands.txt

# 创建 gdb_commands.txt 文件并写入内容
cat <<EOL > gdb_commands.txt
file ${INF_BASE_NAME}.efi
add-symbol-file ${INF_BASE_NAME}.debug 0x$(printf "%X" $text_addr) -s .data 0x$(printf "%X" $data_addr)
EOL


# 输出文件内容确认
echo "gdb_commands.txt has been created with the following content:"
printf "\n"
cat gdb_commands.txt
printf "\n"
echo "run the following command to debug"
echo "cd _ovmf_dbg/UEFI_Disk"
echo "gdb -x gdb_commands.txt"
echo "break UefiMain"
echo "target remote localhost:1234"
echo "c"

HelloStd

另一个例子, 使用 edk-libc 实现在 UEFI 中调用标准 c 库程序

可以复制 HelloWorld.dsc，在此基础上修改 GUID，然后记得修改 [Components] 为 HelloStd.inf，最后在 DSC 的 [LibraryClasses] 最后添加一行下面的代码

HelloStd.dsc

!include StdLib/StdLib.inc

接下来是 HelloStd.inf, 首先[Defines]中的 ENTRY_POINT 要改为 ShellCEntryLib, [Packages]中添加 StdLib/StdLib.dec 和 ShellPkg/ShellPkg.dec 这两个包, [LibraryClasses]中要去掉 UefiApplicationEntryPoint, 添加 LibC 和 LibStdio 这两个库, 下面是 HelloStd.inf 的声明

HelloStd.inf

# Variables defined to be used during the build process
[Defines]
  INF_VERSION       = 1.25
  BASE_NAME         = HelloStd
  FILE_GUID         = d0956d2b-c033-45af-8ef2-76c9d30518ec
  MODULE_TYPE       = UEFI_APPLICATION
  VERSION_STRING    = 1.0
  ENTRY_POINT       = ShellCEntryLib

# Source code
[Sources]
  HelloStd.c

# Required packages
[Packages]
  MdePkg/MdePkg.dec            # Contains Uefi and UefiLib
  StdLib/StdLib.dec
  ShellPkg/ShellPkg.dec

# Required Libraries
[LibraryClasses]
  # UefiApplicationEntryPoint    # Uefi application entry point
  UefiLib                      # UefiLib
  LibC
  LibStdio

接着我们就可以在 UEFI 中调用标准库程序了

HelloStd.c

#include <Library/ShellCEntryLib.h>
#include <Library/UefiBootServicesTableLib.h>
#include <Library/UefiLib.h>
#include <Library/UefiRuntimeServicesTableLib.h>
#include <Uefi.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main(IN int Argc, IN char **Argv) {
  EFI_TIME curTime;
  printf("HelloStd!!!\n");
  gBS->Stall(2000);
  gRT->GetTime(&curTime, NULL);
  printf("Current Time: %d-%d-%d %02d:%02d:%02d\n", curTime.Year, curTime.Month,
         curTime.Day, curTime.Hour, curTime.Minute, curTime.Second);
  return 0;
}

接着更改 env.sh 中的 PROJ_NAME、DSC_NAME、INF_NAME、INF_BASE_NAME 即可编译，运行、调试等操作与 HelloWorld 中描述的相同

参考文献

[1]

UEFI-Lessons

[2]

UEFI编程实践 罗冰