基于UEFI的SMBIOS設(shè)計(jì)與研究

朱賀新，王正鵬

（1.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程系，北京100042；2.瞬聯(lián)軟件科技 （北京）有限公司，北京100102）

0 引 言

系統(tǒng)管理基本輸入輸出系統(tǒng) （system management basic input output system，SMBIOS）負(fù)責(zé)收集系統(tǒng)信息，提供給操作系統(tǒng)，用于操作系統(tǒng)安裝與管理。由于計(jì)算機(jī)涉及的軟硬件種類(lèi)繁多，每種設(shè)備的品牌、型號(hào)、版本各不相同，各種配置的組合致使機(jī)型數(shù)目巨大，操作系統(tǒng)無(wú)法根據(jù)各種機(jī)型逐一定制，因此需要SMBIOS的支持。從計(jì)算機(jī)分層設(shè)計(jì)角度出發(fā)，操作系統(tǒng)不會(huì)直接掃描全部計(jì)算機(jī)固件和硬件，他需要基本輸入輸出系統(tǒng) （basic input output system，BIOS）的支持，BIOS負(fù)責(zé)初始化硬件設(shè)備，收集計(jì)算機(jī)系統(tǒng)信息和引導(dǎo)操作系統(tǒng)。BIOS中的系統(tǒng)軟硬件基本信息將以SMBIOS的形式組織，并提供給操作系統(tǒng)訪(fǎng)問(wèn)。SMBIOS是BIOS的核心組成部分之一，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不可或缺的部分。目前有關(guān)SMBIOS的研究多集中在SMBIOS所提供信息的應(yīng)用，如通過(guò)讀取SMBIOS表用于生成隨機(jī)數(shù)并加密［1］，讀取特定表項(xiàng)并分析以讀取系統(tǒng)固件［2］，使用表項(xiàng)進(jìn)行雜湊并數(shù)字簽名［3］，傳輸整個(gè)SMBIOS表［4］。有關(guān)架構(gòu)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法的資料比較缺乏，工程師在開(kāi)發(fā)SMBIOS過(guò)程很難獲得指導(dǎo)其開(kāi)發(fā)的相關(guān)資料，而SMBIOS的開(kāi)發(fā)與客戶(hù)化定制是目前工程應(yīng)用中研發(fā)熱點(diǎn)與難點(diǎn)之一，本文源自實(shí)際工程應(yīng)用，針對(duì)研發(fā)過(guò)程，系統(tǒng)介紹SMBIOS架構(gòu)和參考實(shí)現(xiàn)，從而為SMBIOS研發(fā)工程師及相關(guān)領(lǐng)域的研究提供指導(dǎo)。

1 技術(shù)綜述

1.1 UEFI

BIOS介于硬件和操作系統(tǒng)之間，負(fù)責(zé)系統(tǒng)加電自檢，硬件設(shè)備初始化，執(zhí)行驅(qū)動(dòng)和某些應(yīng)用程序，收集系統(tǒng)信息，屏蔽硬件差異，引導(dǎo)操作系統(tǒng)并提供系統(tǒng)調(diào)用。統(tǒng)一可擴(kuò) 展 固 件 接 口 （unified extensible firmware interface，UEFI）是替代傳統(tǒng)BIOS的升級(jí)方案［5］。UEFI規(guī)范定義了固件于固件之間，固件與操作系統(tǒng)之間的接口與服務(wù)，相比傳統(tǒng)BIOS，UEFI采用全新的架構(gòu)與模塊化設(shè)計(jì)［6］的理念；具有豐富的可擴(kuò)展性，良好的兼容性，絕大多數(shù)采用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，易于開(kāi)發(fā)與維護(hù)，UEFI規(guī)范中已定義SMBIOS＿TABLE＿GUID用來(lái)定位SMBIOS表因而本文在UEFI的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)SMBIOS。

1.2 SMBIOS

系統(tǒng)管理BIOS （system management BIOS，SMBIOS）規(guī)范定義了用戶(hù)或者應(yīng)用程序存儲(chǔ)和訪(fǎng)問(wèn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)信息的一系列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) （即信息存放格式）以及訪(fǎng)問(wèn)方法［7］（例如如何在系統(tǒng)中獲得SMBIOS所描述的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)信息），是主板或系統(tǒng)制造者以標(biāo)準(zhǔn)格式顯示產(chǎn)品管理信息所需遵循的統(tǒng)一規(guī)范。根據(jù)SMBIOS規(guī)范，系統(tǒng)管理者可以獲取系統(tǒng)各部件的型號(hào)，參數(shù)設(shè)置，所處狀態(tài)等一系列信息，通常SMBIOS實(shí)現(xiàn)至少包含BIOS，整機(jī)，主板，內(nèi)存，CPU，端口和集成設(shè)備的詳細(xì)信息。

SMBIOS的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)由兩部分構(gòu)成：入口結(jié)構(gòu)（Entry Point Structure，EPS）表和SMBIOS數(shù)據(jù)表，EPS表對(duì)SMBIOS版本，SMBIOS數(shù)據(jù)表在內(nèi)存中存儲(chǔ)位置，長(zhǎng)度等信息進(jìn)行說(shuō)明。SMBIOS數(shù)據(jù)表對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各組件的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。SMBIOS EPS表部分結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1。

表1 EPS結(jié)構(gòu)

通過(guò)EPS表結(jié)構(gòu)中的16H以及18H處，獲得數(shù)據(jù)表長(zhǎng)度和數(shù)據(jù)表地址，即可訪(fǎng)問(wèn)結(jié)構(gòu)表。從EPS表中的1CH處可得知SMBIOS數(shù)據(jù)表表項(xiàng)的總數(shù)。

2 架構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)SMBIOS規(guī)范的支持，基于固件和軟件相關(guān)規(guī)范設(shè)計(jì)了SMBIOS系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 SMBIOS系統(tǒng)架構(gòu)

SMBIOS核心服務(wù)部分主要需要完成兩方面功能，首先將負(fù)責(zé)創(chuàng)建EPS并將其注冊(cè)到固件系統(tǒng)；其次需要提供SMBIOS表項(xiàng)的操作接口，操作接口需要完成如下方面功能：添加SMBIOS數(shù)據(jù)表項(xiàng)；更新表項(xiàng)中字符串信息；刪除數(shù)據(jù)表項(xiàng)；查找獲取某數(shù)據(jù)表項(xiàng)。

SMBIOS數(shù)據(jù)表定制部分需要?jiǎng)討B(tài)收集或靜態(tài)填充相關(guān)規(guī)范所定義的數(shù)據(jù)表項(xiàng)信息，并調(diào)用SMBIOS核心服務(wù)部分提供的操作接口將組織好的SMBIOS表項(xiàng)添加到SMBIOS表中。該部分負(fù)責(zé)SMBIOS表項(xiàng)安裝功能，提供針對(duì)特定環(huán)境或系統(tǒng)客戶(hù)定制話(huà)開(kāi)發(fā)，該部分至少需要包括如下信息：BIOS廠商信息，版本信息，編譯時(shí)間；BIOS制造商名稱(chēng)，產(chǎn)品名稱(chēng)，產(chǎn)品序列號(hào)；主板制造商信息，序列號(hào)；SMBIOS結(jié)束表。

操作系統(tǒng)及應(yīng)用部分將根據(jù)UEFI提供的接口和傳遞的數(shù)據(jù)，訪(fǎng)問(wèn)SMBIOS數(shù)據(jù)表內(nèi)容。

3 核心實(shí)現(xiàn)

UEFI系統(tǒng)維護(hù)著一張系統(tǒng)表 （system table），每個(gè)UEFI驅(qū)動(dòng)程序或應(yīng)用程序的程序入口參數(shù)都包含該表信息，它包含了UEFI系統(tǒng)的服務(wù)與信息，主要的服務(wù)包括引導(dǎo)時(shí)服務(wù) （boot service）和運(yùn)行時(shí)服務(wù) （runtime service），通過(guò)這兩種服務(wù)可以獲取UEFI多數(shù)資源。System table同時(shí)也包括各種固件版本信息、錯(cuò)誤信息等，系統(tǒng)配置信息表 （EFI configuration table）也包含在系統(tǒng)表中，常用的工業(yè)規(guī)范都將在本表中描述。如高級(jí)電源管理接口［8］、SMBIOS。各系統(tǒng)配置表的表項(xiàng)采用全局唯一標(biāo)識(shí)符（globally unique identifier，GUID）與各表項(xiàng)內(nèi)容對(duì)應(yīng)，通過(guò)該唯一的GUID可以訪(fǎng)問(wèn)到各表信息。

UEFI規(guī)范僅對(duì)其進(jìn)行功能與接口定義，無(wú)相關(guān)實(shí)現(xiàn)方案。相關(guān)參考代碼僅對(duì)System table給出了框架實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)配置信息表中并沒(méi)有具體的信息表或工業(yè)規(guī)范表，我們所需要的SMBIOS表也沒(méi)有創(chuàng)建。此時(shí)我們需要將SMBIOS表實(shí)現(xiàn)，并且注冊(cè)到系統(tǒng)配置信息表中，并且以gE－fiSmbiosTableGuid為識(shí)別標(biāo)識(shí)。下面具體介紹如何在UEFI中實(shí)現(xiàn)SMBIOS表。

3.1 核心服務(wù)實(shí)現(xiàn)

UEFI核心代碼 （foundation code）已搭建UEFI框架，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)EFI系統(tǒng)表的主體部分，且創(chuàng)建了運(yùn)行UEFI所需的基礎(chǔ)協(xié)議 （PROTOCOL）。此時(shí)的UEFI系統(tǒng)基本可以運(yùn)行，但對(duì)于各工業(yè)規(guī)范尚未全部支持，客戶(hù)定制化功能缺乏。

SMBIOS的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)由EPS表和SMBIOS數(shù)據(jù)表構(gòu)成，其中EPS部分通過(guò)gEfiSmbiosTalbeGuid可以直接定位。SMBIOS數(shù)據(jù)表可以通過(guò)ESP中的指針尋址并定位。SMBIOS在內(nèi)存中以特定的字符標(biāo)識(shí)，而這些特定字符定義在EPS表中，按照SMBIOS規(guī)范定義EPS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中 AnchorString的值為 “＿SM ＿”，IntermediateAnchorString的值為 “＿DMI＿”，在查詢(xún)SMBIOS表時(shí)，我們可以在區(qū)域內(nèi)存中搜索這兩個(gè)標(biāo)識(shí)來(lái)定位SMBIOS表。

圖2 EPS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

在SMBIOS規(guī)范實(shí)現(xiàn)時(shí)需要將上述結(jié)構(gòu)體中定義的各項(xiàng)均填充完整，由于命名顯而易見(jiàn)各域所代表的內(nèi)容，此處不贅述，僅著重說(shuō)明一個(gè)域－－－TableAddress，該地址標(biāo)識(shí)實(shí)際的表項(xiàng) （即SMBIOS Table Type）在內(nèi)存中的物理地址。只要找到這個(gè)地址，即可根據(jù)SMBIOS規(guī)范所定義的各個(gè)表項(xiàng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)解析。

根據(jù)箱梁的幾何尺寸，建立ANSYS實(shí)體計(jì)算模型。雙面組合連續(xù)箱梁有限元模型如圖2所示，橫截面如圖3所示。本文采用三維六面體映射網(wǎng)格劃分的方法，截面網(wǎng)格劃分基本與二維模型相同，縱向單元長(zhǎng)度約為0.3 m。模型單元總數(shù)為38 812個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為66 823個(gè)。

為實(shí)現(xiàn)上述架構(gòu)所設(shè)計(jì)的SMBIOS核心服務(wù)，需要使用一個(gè)UEFI的驅(qū)動(dòng)程序，采用Protocol的形式，提供一組SMBIOS核心服務(wù)，gEfiSmbiosProtocolGuid作為該服務(wù)的唯一標(biāo)識(shí)，定義如下：

UEFI系統(tǒng)中任意階段和位置只要該SMBIOS Protocol已通過(guò)InstallProtocolInterface安裝到UEFI系統(tǒng)中，即可通過(guò)gEfiSmbiosProtocolGuid獲取到SMBIOS相關(guān)的服務(wù)。針對(duì)核心服務(wù)功能需求定義增加數(shù)據(jù)表項(xiàng)，更新字符串，移除表項(xiàng)，獲取表項(xiàng)接口。

SmbiosAdd函數(shù)能將Record的內(nèi)容添加到已有的SMBIOS Record之后，并返回新添加到Record的句柄SmbiosHandle，該句柄是作為此Record的身份識(shí)別標(biāo)志，在后續(xù)移除某項(xiàng)紀(jì)錄或添加字符串，都需要使用該句柄。該函數(shù)將實(shí)現(xiàn)SMBIOS各表項(xiàng) （Item）或者不同類(lèi)型的表（Type）的添加，實(shí)現(xiàn)表項(xiàng)的增加，原型定義如下：

SmbiosUpdateString函數(shù)根據(jù)將使用This指針將待寫(xiě)入的字符串信息 （String），根據(jù)已有Record紀(jì)錄所對(duì)應(yīng)句柄 （SmbiosHandle），寫(xiě)入到對(duì)應(yīng)的位置 （StringNumber參數(shù)所指示位置）。該函數(shù)將實(shí)現(xiàn)SMBIOS各表項(xiàng) （Item）或表 （Type）中字符串的添加功能，原型定義如下：

SmbiosRemove（）和SmbiosGetNext（）原型定義與SmbiosAdd（），SmbiosUpdateString（）類(lèi)似，原型在此不額外贅述，僅對(duì)參數(shù)及功能進(jìn)行說(shuō)明：SmbiosRemove函數(shù)根據(jù)將使用This將句柄SmbiosHandle所指示的的SMBIOS表項(xiàng)從SMBIOS整體表結(jié)構(gòu)中移除。SmbiosGet－Next將使用This通過(guò)給定的參數(shù)，查找SmbiosHandle的下一個(gè)表項(xiàng)，并返回該表項(xiàng)所對(duì)應(yīng)的句柄。如果Smbios－Handle輸入值為0，則表示返回第一個(gè)SMBIOS Record所對(duì)應(yīng)的句柄。返回句柄為0時(shí)，表示此時(shí)SMBIOS不存在SMBIOS Record，簡(jiǎn)而言之，此刻無(wú)SMBIOS表項(xiàng)。

當(dāng)上述核心服務(wù)函數(shù)各自功能完成之后，需要將上述服務(wù)安裝到UEFI系統(tǒng)之中，且于預(yù)先定義的gEfiSmbiosProtocolGuid相關(guān)聯(lián)，可以通過(guò)UEFI提供的系統(tǒng)服務(wù)InstallProtocolInterface實(shí)現(xiàn)SMBIOS核心服務(wù)函數(shù)與gE－fiSmbiosProtocolGuid關(guān)聯(lián)并安裝到UEFI系統(tǒng)之中。具體實(shí)現(xiàn)如圖3所示。

3.2 數(shù)據(jù)表定制

圖3 核心服務(wù)安裝

本部分最重要的工作是通過(guò)gEfiSmbiosProtocolGuid定位到一個(gè)可以使用的實(shí)例 （instance），并通過(guò)該實(shí)例調(diào)用SMBIOS核心服務(wù)，通過(guò)SmbiosAdd（）和SmbiosUpdateString（）核心服務(wù)添加表項(xiàng)和字符串。為便于客戶(hù)化定制，我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)程序來(lái)完成該任務(wù)。該驅(qū)動(dòng)的入口點(diǎn)為SmBiosTableDxeInitialize。如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)表定制

第一個(gè)方框表示程序的入口地址及入口參數(shù)，系統(tǒng)表指針即通過(guò)第二個(gè)參數(shù)傳入，當(dāng)需要使用系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)候可以通過(guò)SystemTable參數(shù)獲取，如需要使用運(yùn)行時(shí)服務(wù)可以通過(guò)gBS＝SystemTable－＞BootServices的方法獲得。第二個(gè)方框完成的主要工作是通過(guò)gEfiSmbiosProtocolGuid定位到一個(gè)可以使用的Smbios實(shí)例，后續(xù)的表項(xiàng)添加刪除及定位操作都需要使用Smbios實(shí)例；第三個(gè)方框所封裝的行數(shù)將通過(guò)調(diào)用SmbiosAdd（），SmbiosUpdateString（）等將收集到的系統(tǒng)硬件固件各狀態(tài)、版本等信息填充到各個(gè)表項(xiàng)并安裝至UEFI系統(tǒng)配置表。

各表項(xiàng)安裝原理相似，都是先將該表項(xiàng)的表頭添加通過(guò)SmbiosAdd（）核心服務(wù)添加到現(xiàn)有的SMBIOS表中，然后通過(guò)SmbiosUpdateString（）更新具體的字符串，下面已SMBIOS規(guī)范規(guī)定的某一個(gè)表項(xiàng) （類(lèi)型3）進(jìn)行簡(jiǎn)單說(shuō)明。如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)表項(xiàng)

UpdateSysEnclosureInfoTable函數(shù)將創(chuàng)建一個(gè)表項(xiàng)（type 3），它將在創(chuàng)建SMBIOS Table表項(xiàng)時(shí)被調(diào)用，見(jiàn)圖4最后一行代碼顯示調(diào)用。本函數(shù)使用SmbiosAdd（）核心服務(wù)通過(guò)Smbios－＞Add的形式將smbiosSysEnclosureInfo實(shí)例添加到表項(xiàng)，并返回SysEnclosureHandle句柄以供后續(xù)更新字符串或刪除表項(xiàng)使用；同時(shí)使用更新字符串核心服務(wù)將Test Manufacturer［My Paper Co.，Ltd.］和 Test String Version Number 1.0.0For My Paper更新到SysEnclosureHandle所對(duì)應(yīng)的表項(xiàng)。

4 驗(yàn) 證

對(duì)于本文所的設(shè)計(jì)方案，已進(jìn)行相關(guān)的代碼測(cè)試及實(shí)際運(yùn)行環(huán)境驗(yàn)證，相關(guān)的測(cè)試與驗(yàn)證結(jié)果如下：

UEFI提供了一套類(lèi)似于Linux shell的環(huán)境，可用來(lái)代碼驗(yàn)證和測(cè)試：我們?cè)赨EFI shell［9］環(huán)境下讀取出整個(gè)SMBIOS Table的內(nèi)容，其中有關(guān) UpdateSysEnclosureInfoTable（）部分所寫(xiě)入的字符串信息截圖如圖6所示。

圖6 UEFI Shell驗(yàn)證結(jié)果

圖6右側(cè)方框即為UpdateSysEnclosureInfoTable（）函數(shù)所寫(xiě)入的字符串信息的Ascii碼顯示，而其左側(cè)則為對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制顯示信息，通過(guò)SMBIOS Table解析程序解析完該 表 后 可見(jiàn)該表 類(lèi) 型 為 System Enclosure （Type 3），Manufacturer為 Test Manufacturer［My Paper Co.，Ltd.］，版本 信 息 為：Test String Version Number 1.0.0For My Paper，至于其他信息暫時(shí)沒(méi)有填充全面，但作為真實(shí)的對(duì)外銷(xiāo)售產(chǎn)品，其余各項(xiàng)已被補(bǔ)全。

使用 Win32 系統(tǒng)函數(shù) GetSystemFirmwareTable［10－11］也可以去讀SMBIOS信息。如圖7所示，在windows控制臺(tái)（cmd.exe）下運(yùn)行讀取SMBIOS的可執(zhí)行文件，打印出整個(gè)SMBIOS表。本程序僅顯示出整個(gè)SMBIOS表，并未逐項(xiàng)解析各表。（由于涉及所使用的真實(shí)硬件平臺(tái)某項(xiàng)私密信息，故將某些部分模糊化處理）為了便于閱讀與理解，此處都是以Ascii形式輸出，由于每個(gè)表項(xiàng)皆有各自表頭，表頭信息打印出來(lái)的不一定是可讀的Ascii碼，故比較凌亂。

圖7 Win32API驗(yàn)證結(jié)果

Windows下微軟也提供了相應(yīng)的 組件讀取SMBIOS Table的內(nèi)容，我們可以使用 WMI［12］（Windows Management Instrumentation）讀取SMBIOS信息；圖8是基于WMI的Win 32控制臺(tái)程序的運(yùn)行結(jié)果。該程序?qū)Ω黝?lèi)型的SMBIOS表項(xiàng)進(jìn)行了解析，劃線(xiàn)部分內(nèi)容為Update－SysEnclosureInfoTable（）函數(shù)所寫(xiě)入字符串信息。

圖8 WMI驗(yàn)證結(jié)果

綜上各環(huán)境下的運(yùn)行結(jié)果可見(jiàn)此設(shè)計(jì)方案具有可行性，在UEFI shell和Windows下均可被各自系統(tǒng)識(shí)別且運(yùn)行結(jié)果與期望結(jié)果一直。

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)適用于基于UEFI的SMBIOS相關(guān)的研究與開(kāi)發(fā)。由于采用分層設(shè)計(jì)且符合UEFI規(guī)范，較傳統(tǒng)BIOS實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)可通過(guò)GUID定位SMBIOS并讀取其內(nèi)容；模塊化設(shè)計(jì)易于開(kāi)發(fā)、集成與測(cè)試，核心服務(wù)與SMBIOS數(shù)據(jù)表分離的設(shè)計(jì)，Protocol形式提供核心服務(wù)，簡(jiǎn)單易用；SMBIOS數(shù)據(jù)表采用單獨(dú)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，方便擴(kuò)充數(shù)據(jù)表內(nèi)容及客戶(hù)化定制。本文已進(jìn)行代碼實(shí)現(xiàn)且在真實(shí)平臺(tái)上正確運(yùn)行，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行全面的驗(yàn)證，確保設(shè)計(jì)可行性與可實(shí)現(xiàn)性。由于BIOS異常將導(dǎo)致計(jì)算機(jī)無(wú)法啟動(dòng)，后續(xù)需要提升程序容錯(cuò)能力，錯(cuò)誤恢復(fù)與旁路 （by pass）以增強(qiáng)程序健壯性。

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