摘要：作者浪潮信息技術(shù)研發(fā)部吳海波背景月日，字節(jié)跳動宣布全球首批基于云固件的服務(wù)器實現(xiàn)批量化上線運行。指是提出的對目前固件的開源優(yōu)化解決方案。已被基金會接受。

作者： 浪潮信息技術(shù)研發(fā)部 吳海波

背景

9 月 15 日，字節(jié)跳動宣布全球首批基于LinuxBoot云固件的x86服務(wù)器實現(xiàn)批量化上線運行【1】。該產(chǎn)品固件由字節(jié)跳動系統(tǒng)技術(shù)與工程團隊(STE團隊)、浪潮信息技術(shù)研發(fā)團隊以及Intel聯(lián)合開發(fā)實現(xiàn)。

產(chǎn)品采用UEFI Minplatform（Minimum?Platform的縮寫）進行芯片初始化和最小化的平臺初始化功能，將其它大部分傳統(tǒng)UEFI固件初始化的流程代碼移植到LinuxBoot模塊中進行實現(xiàn)。通過精簡UEFI 功能模塊，在底層固件模塊中引入Linux軟件生態(tài)，面向云平臺原生需求開發(fā)云固件解決方案，使得服務(wù)器系統(tǒng)固件更易于開發(fā)和維護。

將Linux生態(tài)引入到系統(tǒng)固件中是目前開源固件技術(shù)發(fā)展的一種趨勢，本文簡單介紹了浪潮服務(wù)器在開源系統(tǒng)固件方面的創(chuàng)新實踐。

目前系統(tǒng)固件問題

在服務(wù)器領(lǐng)域，經(jīng)常會聽到“固件”這個名詞，什么是固件呢？

“固件”就是存儲在EEPROM或者FLASH中的程序。它是在電子硬件系統(tǒng)最基礎(chǔ)最底層的軟件，在系統(tǒng)上電后，首先要執(zhí)行的程序就是固件。固件負責完成硬件的初始化，讓電子設(shè)備系統(tǒng)處于一個正常的狀態(tài)，然后才能讓上層的操作系統(tǒng)或者應(yīng)用軟件正常使用。

對于服務(wù)器領(lǐng)域，BIOS是服務(wù)器最重要的固件，BIOS負責完成CPU、內(nèi)存和外設(shè)的初始化，將硬件系統(tǒng)的抽象信息報告給操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)才能正常使用硬件。

目前服務(wù)器的BIOS均采用UEFI/Tiano的方案[2]，但是隨著目前云服務(wù)和數(shù)據(jù)中心的快速發(fā)展，UEFI BIOS也逐漸顯露了一些問題：

（1）隨著技術(shù)的發(fā)展，UEFI越來越復雜，門檻高，在UEFI專業(yè)領(lǐng)域的開發(fā)人員相比其他軟件開發(fā)而言非常稀少。

（2）目前大多都是服務(wù)器廠商在購買BIOS軟件廠商的UEFI BIOS代碼基礎(chǔ)上進行增強開發(fā)。 不同BIOS軟件廠商提供代碼風格和架構(gòu)差別很大，一個服務(wù)器廠商的UEFI　BIOS開發(fā)人員需要熟悉多套代碼；另外，UEFI BIOS代碼結(jié)構(gòu)和內(nèi)容有時還會隨著服務(wù)器CPU的更新升級發(fā)生較大變動；這些都增加了BIOS固件的開發(fā)難度。

（3）由于UEFI BIOS固件中包含了服務(wù)器廠商和IBV（獨立BIOS）廠商的知識產(chǎn)權(quán)，所以大部分BIOS代碼都是閉源的，通過二進制的形式分發(fā)給服務(wù)器廠商使用。閉源會帶來三方面的問題：i) 如果BIOS固件出現(xiàn)問題，只能讓廠商來解決，這可能延長故障處理時間。ii) 由于代碼是閉源的，對客戶而言也隱藏著一些安全風險。Iii) 代碼閉源，也將導致用戶難以增添定制化功能，無法滿足當前云環(huán)境下的快速迭代更新的需求。

綜上所述，目前UEFI生態(tài)環(huán)境面臨著開發(fā)人員短缺，代碼不夠開放，開發(fā)難度大，隱藏著安全風險等問題。

開源固件解決方案

為解決當前UEFI BIOS固件的問題，尤其是針對當前云環(huán)境下的應(yīng)用，目前開源社區(qū)提出了多種優(yōu)化解決方案，包括Minplatform[3,4],CoreBoot[5]和LinuxBoot[6]等；主要是希望通過引入開源的方式來解決和優(yōu)化目前UEFI BIOS固件遇到的問題。下面分別簡單介紹下這些方案的內(nèi)容。

Minplatform

Minplatform指Mininum Platform, 是Intel 提出的對目前UEFI固件的開源優(yōu)化解決方案。如下圖1所示，Minplatform定義了平臺啟動的多個BootStage，通過BootStage的配置實現(xiàn)了UEFI BIOS開發(fā)過程中依據(jù)不同需求選擇配置相應(yīng)的功能模塊實現(xiàn)完整UEFI BIOS的最終解決方案。

圖1 Minplaform定義的多個BootStage

在具體的實現(xiàn)上，如圖2所示，Minplatform是依賴于UEFI Tiano EDK2[7]的開源代碼，以搭積木的方式逐漸添加系統(tǒng)固件的功能，最終實現(xiàn)完整的BIOS固件。Minplatfom相比當前全功能的UEFI BIOS而言，先是一個做減法的操作，能快速啟動。它定義了UEFI　BIOS的最小平臺代碼；然后才做加法，根據(jù)不同需求來增加功能，繼而實現(xiàn)較完整的UEFI BIOS。通過這種方式有效的減少了UEFI固件開發(fā)難度，增加功能代碼的復用，是對當前UEFI BIOS固件開發(fā)的一種優(yōu)化方案。

圖2 MinPlatform實現(xiàn)

由于Minplatform是基于UEFI Tiano EDK2的開源實現(xiàn)，從BIOS代碼廠商那購買UEFI BIOS，服務(wù)器廠商可以直接將功能代碼做簡單移植就可以作為Minplatform。這種方案對目前服務(wù)器廠商而言影響最小，因為已經(jīng)積累了豐富的UEFI開發(fā)經(jīng)驗。

CoreBoot

CoreBoot的前身是LinuxBios，是Ron Minnich于上世紀發(fā)起的項目，一種Linux代碼風格的開源固件解決方案，跟UEFI固件架構(gòu)完全不同。CoreBoot的目標是做最小的操作來完成硬件功能初始化，盡快的啟動到操作系統(tǒng)中。

圖3 CoreBoot的發(fā)展

UEFI的平臺啟動初始化流程為SEC->PEI->DXE->BDS->TLS->RT這幾個階段，其中SEC是指安全驗證階段，PEI是指EFI前期初始化階段，DXE是驅(qū)動執(zhí)行環(huán)境階段，BDS是指啟動設(shè)備選擇階段，TSL是指操作系統(tǒng)加載前期階段，RT是指運行時階段。

而CoreBoot將啟動流程分為bootblock->romstage->ramstage->payload這幾個主要階段, 如下圖4所示。其中booblock是匯編編寫的，主要為C運行環(huán)境做準備；romstage階段主要是來初始化內(nèi)存和一些早期初始化操作；ramstage階段主要執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)備的初始化，比如pcie初始化，創(chuàng)建ACPI表等；到了payload階段CoreBoot的初始化操作實際上已經(jīng)完成，payload可以作為最終的Bootloader來加載操作系統(tǒng)。

圖4 CoreBoot平臺初始化流程

相比UEFI架構(gòu)的代碼，CoreBoot代碼跟Linux風格類似，完全開源, 它結(jié)合CPU廠商的芯片初始化二進制包（FSP/ATF/AGASA等）一起使用，來完成封閉的芯片初始化功能，同時可以集成Tianocore、LinuxBoot等各種payload，來滿足各種需求。

目前CoreBoot主要在Chromebook等PC機器上應(yīng)用，由于CoreBoot的開源以及Linux風格的代碼架構(gòu)的原因, 以及在Linux領(lǐng)域的人才優(yōu)勢，也在推進支持使用CoreBoot作為服務(wù)器的UEFI BIOS的替代選擇。

LinuxBoot

LinuxBoot來源于NERF（Non-Extensible Reduced Firmware）項目，是用Linux作為固件的一部分的解決方案，它不是一個完整的固件方案，無法獨立完成所有的硬件初始化功能，必須依賴于UEFI 、CoreBoot等完成CPU和內(nèi)存初始化，然后使用Linux Kernel來完成外設(shè)初始化和啟動操作系統(tǒng)的功能。

圖5 LinuxBoot架構(gòu)圖

對于當前服務(wù)器固件解決方案UEFI BIOS而言，LinuxBoot主要是通過開源的Linux Kernel來取代UEFI DXE和BDS階段的功能，比如通過Linux下的開源driver來取代UEFI下的設(shè)備驅(qū)動，用Linux完備的網(wǎng)絡(luò)功能取代UEFI的。UEFI結(jié)合LinuxBoot可以減少UEFI代碼和開發(fā)難度。

LinuxBoot已被 Linux 基金會接受。目前在服務(wù)器領(lǐng)域，它作為固件部分的方案得到了許多廠商的支持，但是這種方案要求有較強的Linux開發(fā)能力，否則難以享受LinuxBoot帶來的優(yōu)勢。

固件發(fā)展趨勢

雖然目前基于UEFI的BIOS系統(tǒng)固件還是絕對的主流，但是UEFI BIOS面臨的閉源、安全和開發(fā)難問題也是無法回避的問題。尤其是對于具有大型數(shù)據(jù)中心的大型互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商來說，如何將符合自己業(yè)務(wù)場景需求的功能添加到固件中，如何實現(xiàn)系統(tǒng)固件的快速開發(fā)和維護，從而減少因為固件維護導致的停機時間，如何保證固件代碼的安全可靠, 如何具備系統(tǒng)固件開發(fā)能力和掌控能力，都需要考慮。

相比服務(wù)器廠商，大型互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商，擁有大量的Linux方面的開發(fā)人才，所以希望引入LinuxBoot和CoreBoot這些基于Linux或類似的固件方案來增加在服務(wù)器固件上的技術(shù)掌控能力。另外通過開源的固件解決方案，也能夠減少UEFI代碼中隱藏的代碼安全風險，加快服務(wù)器固件開發(fā)，減少服務(wù)器系統(tǒng)固件的維護時間。

圖6 服務(wù)器固件 Bootloader各方案對比（引自字節(jié)跳動STE團隊）

這也要求服務(wù)器廠商需要提前了解這些客戶的需求，并與之深入合作來保持在未來固件發(fā)展中重要地位。在構(gòu)建智慧時代的“新基建”-智算中心的過程中，浪潮秉承著開放標準、集約高效和普適普惠的理念，以穩(wěn)健、實干的態(tài)度，積極主動地與用戶、以及上下游合作伙伴一道，共同推動開放計算生態(tài)健康有序的發(fā)展。

感謝黃家明、吳安、葉毓睿等對本篇文章的貢獻。