| # | 
| # Copyright (C) 2015 Google, Inc | 
| # | 
| # SPDX-License-Identifier:    GPL-2.0+ | 
| # | 
|   | 
| =========== Table of Contents =========== | 
|   | 
|   1  U-Boot on EFI | 
|   1.1  In God's Name, Why? | 
|   1.2  Status | 
|   1.3  Build Instructions | 
|   1.4  Trying it out | 
|   1.5  Inner workings | 
|   1.6  EFI Application | 
|   1.7  EFI Payload | 
|   1.8  Tables | 
|   1.9  Interrupts | 
|   1.10 32/64-bit | 
|   1.11 Future work | 
|   1.12 Where is the code? | 
|   | 
|   2  EFI on U-Boot | 
|   2.1  In God's Name, Why? | 
|   2.2  How do I get it? | 
|   2.3  Status | 
|   2.4  Future work | 
|   | 
| U-Boot on EFI | 
| ============= | 
| This document provides information about U-Boot running on top of EFI, either | 
| as an application or just as a means of getting U-Boot onto a new platform. | 
|   | 
|   | 
| In God's Name, Why? | 
| ------------------- | 
| This is useful in several situations: | 
|   | 
| - You have EFI running on a board but U-Boot does not natively support it | 
| fully yet. You can boot into U-Boot from EFI and use that until U-Boot is | 
| fully ported | 
|   | 
| - You need to use an EFI implementation (e.g. UEFI) because your vendor | 
| requires it in order to provide support | 
|   | 
| - You plan to use coreboot to boot into U-Boot but coreboot support does | 
| not currently exist for your platform. In the meantime you can use U-Boot | 
| on EFI and then move to U-Boot on coreboot when ready | 
|   | 
| - You use EFI but want to experiment with a simpler alternative like U-Boot | 
|   | 
|   | 
| Status | 
| ------ | 
| Only x86 is supported at present. If you are using EFI on another architecture | 
| you may want to reconsider. However, much of the code is generic so could be | 
| ported. | 
|   | 
| U-Boot supports running as an EFI application for 32-bit EFI only. This is | 
| not very useful since only a serial port is provided. You can look around at | 
| memory and type 'help' but that is about it. | 
|   | 
| More usefully, U-Boot supports building itself as a payload for either 32-bit | 
| or 64-bit EFI. U-Boot is packaged up and loaded in its entirety by EFI. Once | 
| started, U-Boot changes to 32-bit mode (currently) and takes over the | 
| machine. You can use devices, boot a kernel, etc. | 
|   | 
|   | 
| Build Instructions | 
| ------------------ | 
| First choose a board that has EFI support and obtain an EFI implementation | 
| for that board. It will be either 32-bit or 64-bit. Alternatively, you can | 
| opt for using QEMU [1] and the OVMF [2], as detailed below. | 
|   | 
| To build U-Boot as an EFI application (32-bit EFI required), enable CONFIG_EFI | 
| and CONFIG_EFI_APP. The efi-x86 config (efi-x86_defconfig) is set up for this. | 
| Just build U-Boot as normal, e.g. | 
|   | 
|    make efi-x86_defconfig | 
|    make | 
|   | 
| To build U-Boot as an EFI payload (32-bit or 64-bit EFI can be used), adjust an | 
| existing config (like qemu-x86_defconfig) to enable CONFIG_EFI, CONFIG_EFI_STUB | 
| and either CONFIG_EFI_STUB_32BIT or CONFIG_EFI_STUB_64BIT. All of these are | 
| boolean Kconfig options. Then build U-Boot as normal, e.g. | 
|   | 
|    make qemu-x86_defconfig | 
|    make | 
|   | 
| You will end up with one of these files depending on what you build for: | 
|   | 
|    u-boot-app.efi      - U-Boot EFI application | 
|    u-boot-payload.efi  - U-Boot EFI payload application | 
|   | 
|   | 
| Trying it out | 
| ------------- | 
| QEMU is an emulator and it can emulate an x86 machine. Please make sure your | 
| QEMU version is 2.3.0 or above to test this. You can run the payload with | 
| something like this: | 
|   | 
|    mkdir /tmp/efi | 
|    cp /path/to/u-boot*.efi /tmp/efi | 
|    qemu-system-x86_64 -bios bios.bin -hda fat:/tmp/efi/ | 
|   | 
| Add -nographic if you want to use the terminal for output. Once it starts | 
| type 'fs0:u-boot-payload.efi' to run the payload or 'fs0:u-boot-app.efi' to | 
| run the application. 'bios.bin' is the EFI 'BIOS'. Check [2] to obtain a | 
| prebuilt EFI BIOS for QEMU or you can build one from source as well. | 
|   | 
| To try it on real hardware, put u-boot-app.efi on a suitable boot medium, | 
| such as a USB stick. Then you can type something like this to start it: | 
|   | 
|    fs0:u-boot-payload.efi | 
|   | 
| (or fs0:u-boot-app.efi for the application) | 
|   | 
| This will start the payload, copy U-Boot into RAM and start U-Boot. Note | 
| that EFI does not support booting a 64-bit application from a 32-bit | 
| EFI (or vice versa). Also it will often fail to print an error message if | 
| you get this wrong. | 
|   | 
|   | 
| Inner workings | 
| ============== | 
| Here follow a few implementation notes for those who want to fiddle with | 
| this and perhaps contribute patches. | 
|   | 
| The application and payload approaches sound similar but are in fact | 
| implemented completely differently. | 
|   | 
| EFI Application | 
| --------------- | 
| For the application the whole of U-Boot is built as a shared library. The | 
| efi_main() function is in lib/efi/efi_app.c. It sets up some basic EFI | 
| functions with efi_init(), sets up U-Boot global_data, allocates memory for | 
| U-Boot's malloc(), etc. and enters the normal init sequence (board_init_f() | 
| and board_init_r()). | 
|   | 
| Since U-Boot limits its memory access to the allocated regions very little | 
| special code is needed. The CONFIG_EFI_APP option controls a few things | 
| that need to change so 'git grep CONFIG_EFI_APP' may be instructive. | 
| The CONFIG_EFI option controls more general EFI adjustments. | 
|   | 
| The only available driver is the serial driver. This calls back into EFI | 
| 'boot services' to send and receive characters. Although it is implemented | 
| as a serial driver the console device is not necessarilly serial. If you | 
| boot EFI with video output then the 'serial' device will operate on your | 
| target devices's display instead and the device's USB keyboard will also | 
| work if connected. If you have both serial and video output, then both | 
| consoles will be active. Even though U-Boot does the same thing normally, | 
| These are features of EFI, not U-Boot. | 
|   | 
| Very little code is involved in implementing the EFI application feature. | 
| U-Boot is highly portable. Most of the difficulty is in modifying the | 
| Makefile settings to pass the right build flags. In particular there is very | 
| little x86-specific code involved - you can find most of it in | 
| arch/x86/cpu. Porting to ARM (which can also use EFI if you are brave | 
| enough) should be straightforward. | 
|   | 
| Use the 'reset' command to get back to EFI. | 
|   | 
| EFI Payload | 
| ----------- | 
| The payload approach is a different kettle of fish. It works by building | 
| U-Boot exactly as normal for your target board, then adding the entire | 
| image (including device tree) into a small EFI stub application responsible | 
| for booting it. The stub application is built as a normal EFI application | 
| except that it has a lot of data attached to it. | 
|   | 
| The stub application is implemented in lib/efi/efi_stub.c. The efi_main() | 
| function is called by EFI. It is responsible for copying U-Boot from its | 
| original location into memory, disabling EFI boot services and starting | 
| U-Boot. U-Boot then starts as normal, relocates, starts all drivers, etc. | 
|   | 
| The stub application is architecture-dependent. At present it has some | 
| x86-specific code and a comment at the top of efi_stub.c describes this. | 
|   | 
| While the stub application does allocate some memory from EFI this is not | 
| used by U-Boot (the payload). In fact when U-Boot starts it has all of the | 
| memory available to it and can operate as it pleases (but see the next | 
| section). | 
|   | 
| Tables | 
| ------ | 
| The payload can pass information to U-Boot in the form of EFI tables. At | 
| present this feature is used to pass the EFI memory map, an inordinately | 
| large list of memory regions. You can use the 'efi mem all' command to | 
| display this list. U-Boot uses the list to work out where to relocate | 
| itself. | 
|   | 
| Although U-Boot can use any memory it likes, EFI marks some memory as used | 
| by 'run-time services', code that hangs around while U-Boot is running and | 
| is even present when Linux is running. This is common on x86 and provides | 
| a way for Linux to call back into the firmware to control things like CPU | 
| fan speed. U-Boot uses only 'conventional' memory, in EFI terminology. It | 
| will relocate itself to the top of the largest block of memory it can find | 
| below 4GB. | 
|   | 
| Interrupts | 
| ---------- | 
| U-Boot drivers typically don't use interrupts. Since EFI enables interrupts | 
| it is possible that an interrupt will fire that U-Boot cannot handle. This | 
| seems to cause problems. For this reason the U-Boot payload runs with | 
| interrupts disabled at present. | 
|   | 
| 32/64-bit | 
| --------- | 
| While the EFI application can in principle be built as either 32- or 64-bit, | 
| only 32-bit is currently supported. This means that the application can only | 
| be used with 32-bit EFI. | 
|   | 
| The payload stub can be build as either 32- or 64-bits. Only a small amount | 
| of code is built this way (see the extra- line in lib/efi/Makefile). | 
| Everything else is built as a normal U-Boot, so is always 32-bit on x86 at | 
| present. | 
|   | 
| Future work | 
| ----------- | 
| This work could be extended in a number of ways: | 
|   | 
| - Add a generic x86 EFI payload configuration. At present you need to modify | 
| an existing one, but mostly the low-level x86 code is disabled when booting | 
| on EFI anyway, so a generic 'EFI' board could be created with a suitable set | 
| of drivers enabled. | 
|   | 
| - Add ARM support | 
|   | 
| - Add 64-bit application support | 
|   | 
| - Figure out how to solve the interrupt problem | 
|   | 
| - Add more drivers to the application side (e.g. video, block devices, USB, | 
| environment access). This would mostly be an academic exercise as a strong | 
| use case is not readily apparent, but it might be fun. | 
|   | 
| - Avoid turning off boot services in the stub. Instead allow U-Boot to make | 
| use of boot services in case it wants to. It is unclear what it might want | 
| though. | 
|   | 
| Where is the code? | 
| ------------------ | 
| lib/efi | 
|     payload stub, application, support code. Mostly arch-neutral | 
|   | 
| arch/x86/lib/efi | 
|     helper functions for the fake DRAM init, etc. These can be used by | 
|     any board that runs as a payload. | 
|   | 
| arch/x86/cpu/efi | 
|     x86 support code for running as an EFI application | 
|   | 
| board/efi/efi-x86/efi.c | 
|     x86 board code for running as an EFI application | 
|   | 
| common/cmd_efi.c | 
|     the 'efi' command | 
|   | 
| -- | 
| Ben Stoltz, Simon Glass | 
| Google, Inc | 
| July 2015 | 
|   | 
| [1] http://www.qemu.org | 
| [2] http://www.tianocore.org/ovmf/ | 
|   | 
| ------------------------------------------------------------------------------- | 
|   | 
| EFI on U-Boot | 
| ============= | 
|   | 
| In addition to support for running U-Boot as a UEFI application, U-Boot itself | 
| can also expose the UEFI interfaces and thus allow UEFI payloads to run under | 
| it. | 
|   | 
| In God's Name, Why? | 
| ------------------- | 
|   | 
| With this support in place, you can run any UEFI payload (such as the Linux | 
| kernel, grub2 or gummiboot) on U-Boot. This dramatically simplifies boot loader | 
| configuration, as U-Boot based systems now look and feel (almost) the same way | 
| as TianoCore based systems. | 
|   | 
| How do I get it? | 
| ---------------- | 
|   | 
| EFI support for 32bit ARM and AArch64 is already included in U-Boot. All you | 
| need to do is enable | 
|   | 
|   CONFIG_CMD_BOOTEFI=y | 
|   CONFIG_EFI_LOADER=y | 
|   | 
| in your .config file and you will automatically get a bootefi command to run | 
| an efi application as well as snippet in the default distro boot script that | 
| scans for removable media efi binaries as fallback. | 
|   | 
| Status | 
| ------ | 
|   | 
| I am successfully able to run grub2 and Linux EFI binaries with this code on | 
| ARMv7 as well as AArch64 systems. | 
|   | 
| When enabled, the resulting U-Boot binary only grows by ~10KB, so it's very | 
| light weight. | 
|   | 
| All storage devices are directly accessible from the uEFI payload | 
|   | 
| Removable media booting (search for /efi/boot/boota{a64,arm}.efi) is supported. | 
|   | 
| Simple use cases like "Plug this SD card into my ARM device and it just | 
| boots into grub which boots into Linux", work very well. | 
|   | 
|   | 
| Running HelloWord.efi | 
| --------------------- | 
|   | 
| You can run a simple 'hello world' EFI program in U-Boot. | 
| Enable the option CONFIG_CMD_BOOTEFI_HELLO. | 
|   | 
| Then you can boot into U-Boot and type: | 
|   | 
|    > bootefi hello | 
|   | 
| The 'hello world EFI' program will then run, print a message and exit. | 
|   | 
|   | 
| Future work | 
| ----------- | 
|   | 
| Of course, there are still a few things one could do on top: | 
|   | 
|    - Improve disk media detection (don't scan, use what information we | 
| have) | 
|    - Add EFI variable support using NVRAM | 
|    - Add GFX support | 
|    - Make EFI Shell work | 
|    - Network device support | 
|    - Support for payload exit | 
|    - Payload Watchdog support |