📚 课程目录第3章实现SEC阶段的临时RAM配置

3. 实现SEC阶段的临时RAM配置

任务目标

在UEFI的SEC（Security）阶段，正式内存（DRAM）尚未初始化，但C语言执行环境需要栈（Stack）支持。本案例通过配置处理器Cache作为临时RAM（Cache As RAM，CAR），在SEC阶段建立可用栈，并验证栈指针（RSP）已正确指向CAR区域。

实现原理

CAR的核心思路：利用CPU Cache的SRAM特性，通过设置MTRR（Memory Type Range Registers）将指定内存区域配置为Write-Back（WB）类型，然后对该区域执行读写操作触发Cache填充，使Cache行锁定数据，从而在没有DRAM的情况下获得可读写的临时存储。本案例基于x64架构，使用NEM（No-Eviction Mode）模式——通过设置IA32_MISC_ENABLE的Bit 11（CAR位）禁止Cache行被逐出，确保数据驻留。

关键代码实现

// SecCar.c - SEC阶段临时RAM配置实现（x64，NEM模式）
#include <Base.h>
#include <Library/IoLib.h>
#include <Library/PcdLib.h>

// MSR定义
#define MSR_IA32_MISC_ENABLE          0x1A0
#define MSR_IA32_MTRR_CAP             0x0FE
#define MSR_IA32_MTRR_PHYSBASE0       0x200
#define MSR_IA32_MTRR_PHYSMASK0       0x201
#define MSR_IA32_CR_PAT               0x277
#define MSR_IA32_MISC_ENABLE_NEM      (1ULL << 11)

// PAT内存类型（与MTRR配合）
#define PAT_WB                        0x06
#define PAT_UC                        0x00

// CAR区域配置（通过PCD可调整）
#define CAR_BASE_ADDRESS              FixedPcdGet32 (PcdCarBaseAddress)   // 默认0x800000
#define CAR_REGION_SIZE               FixedPcdGet32 (PcdCarRegionSize)    // 默认0x40000 (256KB)
#define CAR_MASK                      (~(CAR_REGION_SIZE - 1) & 0xFFFFFFFFF000ULL)

// 栈顶位置（栈向下增长，栈顶在CAR区域最高地址）
#define CAR_STACK_TOP                 (CAR_BASE_ADDRESS + CAR_REGION_SIZE)

/**
  配置MTRR将CAR区域设为WB类型
**/
VOID
ConfigureCarMtrr (
  VOID
  )
{
  UINT64  MtrrCap;
  UINT64  PhysBase;
  UINT64  PhysMask;
  UINT64  PatValue;

  // 读取MTRR能力，确认可变范围MTRR数量
  MtrrCap = AsmReadMsr64 (MSR_IA32_MTRR_CAP);
  ASSERT ((MtrrCap & 0xFF) > 0);

  // 设置MTRR PhysBase0：基地址 + 类型WB（0x06）
  PhysBase = (CAR_BASE_ADDRESS & 0xFFFFFFFFF000ULL) | 0x006;
  AsmWriteMsr64 (MSR_IA32_MTRR_PHYSBASE0, PhysBase);

  // 设置MTRR PhysMask0：有效位（Bit 11）+ 掩码
  PhysMask = CAR_MASK | 0x800;  // Bit 11 = Valid
  AsmWriteMsr64 (MSR_IA32_MTRR_PHYSMASK0, PhysMask);

  // 设置PAT，确保WB类型映射正确（保持默认PAT即可，此处显式确认）
  PatValue = AsmReadMsr64 (MSR_IA32_CR_PAT);
  PatValue = (PatValue & ~(0x07ULL << 0)) | (PAT_WB << 0);  // PA0 = WB
  AsmWriteMsr64 (MSR_IA32_CR_PAT, PatValue);
}

/**
  启用NEM模式（禁止Cache逐出）
**/
VOID
EnableNem (
  VOID
  )
{
  UINT64  MiscEnable;

  MiscEnable = AsmReadMsr64 (MSR_IA32_MISC_ENABLE);
  MiscEnable |= MSR_IA32_MISC_ENABLE_NEM;
  AsmWriteMsr64 (MSR_IA32_MISC_ENABLE, MiscEnable);
}

/**
  填充Cache：对CAR区域执行写操作触发Cache Line填充
**/
VOID
FillCarRegion (
  VOID
  )
{
  volatile UINT64  *Buffer;
  UINTN            Index;
  UINTN            Count;

  Buffer = (volatile UINT64 *) (UINTN) CAR_BASE_ADDRESS;
  Count  = CAR_REGION_SIZE / sizeof (UINT64);

  // 写入整个区域，确保所有Cache Line被填充并锁定
  for (Index = 0; Index < Count; Index++) {
    Buffer[Index] = 0x5A5A5A5A5A5A5A5AULL;
  }

  // 读回验证（确保数据驻留Cache）
  for (Index = 0; Index < Count; Index++) {
    if (Buffer[Index] != 0x5A5A5A5A5A5A5A5AULL) {
      CpuDeadLoop ();  // 填充失败，挂起
    }
  }
}

/**
  设置栈指针并验证
**/
VOID
SetupCarStack (
  VOID
  )
{
  UINT64  RspValue;

  // 将RSP设置为CAR区域顶部（栈向下增长）
  RspValue = CAR_STACK_TOP;

  // 内联汇编设置RSP
  __asm {
    mov rsp, qword ptr [RspValue]
  }

  // 验证RSP是否在CAR有效范围内
  RspValue = (UINT64) &RspValue;  // 取当前栈上变量地址验证
  if ((RspValue < CAR_BASE_ADDRESS) || (RspValue >= CAR_STACK_TOP)) {
    CpuDeadLoop ();  // 栈指针异常
  }
}

/**
  SEC阶段入口 - CAR配置主流程
**/
VOID
EFIAPI
SecCarMain (
  VOID
  )
{
  // 1. 配置MTRR使CAR区域为WB
  ConfigureCarMtrr ();

  // 2. 启用NEM模式
  EnableNem ();

  // 3. 填充Cache，锁定CAR数据
  FillCarRegion ();

  // 4. 设置栈指针
  SetupCarStack ();

  // 5. 栈验证：调用一个函数测试栈可用性
  // 此时RSP已指向CAR区域，函数调用将使用CAR栈
  volatile UINT64  StackMarker = 0xDEADBEEF;
  if (StackMarker != 0xDEADBEEF) {
    CpuDeadLoop ();
  }

  // 到达此处说明CAR配置成功，栈可正常使用
  // 后续可调用C函数继续SEC阶段流程
}

编译与链接说明

本代码需在EDK2环境中编译，依赖以下库：

BaseLib：提供AsmReadMsr64/AsmWriteMsr64等汇编封装
PcdLib：读取PCD配置的CAR基地址与大小
DebugLib：提供CpuDeadLoop（断言失败时挂起）

在.inf文件中声明依赖，并在.dsc中定义PCD默认值：

[PcdsFixedAtBuild]
  gEfiMdePkgTokenSpaceGuid.PcdCarBaseAddress|0x800000
  gEfiMdePkgTokenSpaceGuid.PcdCarRegionSize|0x40000

验证方法

在真实硬件或QEMU（-cpu qemu64）中运行，通过以下方式确认成功：

断点观察：在SetupCarStack执行后设置断点，检查RSP寄存器值是否等于0x840000（基址0x800000 + 大小0x40000）。
函数调用测试：在CAR配置完成后调用任意C函数（如DebugPrint），若函数正常执行且不崩溃，说明栈可用。
数据完整性：在FillCarRegion中读回验证已确保数据未被逐出；若CpuDeadLoop未触发，说明Cache填充成功。

通过条件：RSP值位于[0x800000, 0x840000)区间内，且后续C函数调用正常返回，无#PF异常。

常见问题

Cache未命中导致死循环：确认MTRR的PhysMask有效位（Bit 11）已置1，且掩码计算正确（基地址按4KB对齐）。
NEM位被硬件忽略：部分早期CPU不支持NEM，需改用传统CAR方式（填充后锁定Cache行），此时需额外配置Cache控制寄存器。
栈溢出：CAR区域通常仅256KB，避免在SEC阶段分配大数组或深层递归。