UEFI EDK2环境下SD Express卡启动支持：BBR方案实现

UEFI

概述

本文介绍在UEFI EDK2环境下，如何实现SD Express卡作为系统启动盘的支持。主要内容包括：

  1. 嵌入式平台启动的特殊挑战：不支持传统PCIe热插拔
  2. BBR（Bios Boot Record）方案：软件控制的模式切换
  3. EDK2框架整合：SdMmcPciHcDxe驱动与BayhubHost扩展
  4. 完整启动流程：从固件到操作系统的无缝衔接

1. 背景：嵌入式平台的启动挑战

1.1 PC平台 vs 嵌入式平台

特性 PC平台 嵌入式平台
存储介质 NVMe SSD、SATA SSD SD卡、eMMC、SD Express
启动方式 UEFI标准启动 定制BSP
热插拔支持 标准ACPI热插拔 不支持
SD卡槽 标准PCIe插槽 贴片式卡槽

1.2 SD Express的双重身份

SD Express卡具有两种工作模式：

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┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                     SD Express Card                              │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                                  │
│   [SD Mode]                    [PCIe/NVMe Mode]                 │
│   ┌──────────┐                ┌──────────┐                       │
│   │ SD 3.0  │                │ PCIe 4.0 │                       │
│   │ UHS-I   │  ──────────►   │ NVMe 1.4 │                      │
│   │ ~100MB/s│                │ ~4GB/s   │                       │
│   └──────────┘                └──────────┘                       │
│                                                                  │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘

嵌入式平台需要在固件阶段就完成模式切换，让操作系统看到标准的NVMe设备。

2. BBR（Bios Boot Record）方案

2.1 方案原理

BBR方案是一种软件模拟热插拔的技术：

  1. 在UEFI固件阶段，SD Host Controller以SD模式枚举
  2. 检测到SD Express卡后，执行协议切换
  3. 切换到PCIe模式，重新枚举NVMe设备
  4. 操作系统启动时，看到标准NVMe启动设备

2.2 架构图

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┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                        UEFI EDK2 启动架构                               │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                                          │
│  ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐    │
│  │                    SEC → PEI → DXE → BDS                         │    │
│  └─────────────────────────────────────────────────────────────────┘    │
│                              │                                          │
│                              ▼                                          │
│  ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐    │
│  │                  SdMmcPciHcDxe Driver                           │    │
│  │  ┌───────────────────┐  ┌───────────────────┐                    │    │
│  │  │   SDHCI Core     │  │  BayhubHost.c    │                    │    │
│  │  │   (标准框架)      │  │  (GG8特定实现)   │                    │    │
│  │  └───────────────────┘  └───────────────────┘                    │    │
│  │           │                      │                               │    │
│  │           ▼                      ▼                               │    │
│  │  ┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐ │    │
│  │  │              SdMmcPassThru Protocol                         │ │    │
│  │  │              (SD/MMC命令传递)                               │ │    │
│  │  └─────────────────────────────────────────────────────────────┘ │    │
│  └─────────────────────────────────────────────────────────────────┘    │
│                              │                                          │
│                              ▼                                          │
│  ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐    │
│  │                     SD Express 切换流程                         │    │
│  │  1. SD协议初始化                                               │    │
│  │  2. 检测SD Express能力 (SCR[60])                             │    │
│  │  3. 执行SD 7.0切换序列                                        │    │
│  │  4. PCIe模式重新枚举                                          │    │
│  │  5. NVMe驱动接管                                              │    │
│  └─────────────────────────────────────────────────────────────────┘    │
│                              │                                          │
│                              ▼                                          │
│  ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐    │
│  │                     BlockIo → Boot Option                       │    │
│  │              操作系统启动设备 → /dev/nvmeXn1                    │    │
│  └─────────────────────────────────────────────────────────────────┘    │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘

3. EDK2框架整合

3.1 SdMmcPciHcDxe驱动架构

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┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                   SdMmcPciHcDxe Driver                          │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                                  │
│  InitializeSdMmcPciHcDxe()                                     │
│       │                                                          │
│       ├── DriverBindingSupported()  ← 匹配PCI Device ID        │
│       │                                                          │
│       └── DriverBindingStart()                                   │
│                │                                                 │
│                ├── LocatePciIo()    ← 获取PCI I/O Protocol      │
│                │                                                 │
│                ├── BhtHostPciSupportType()  ← Bayhub设备检测     │
│                │    │                                            │
│                │    └── 匹配: PCI_DEV_ID_GG8_1 ~ GG8_4         │
│                │                                                 │
│                ├── BhtHostInit()       ← GG8初始化               │
│                │                                                 │
│                ├── SdMmcHcInit()      ← SD Host Controller初始化 │
│                │                                                 │
│                └── InstallSdMmcPassThru()  ← 发布PassThru协议   │
│                                                                  │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘

3.2 BayhubHost扩展实现

3.2.1 GG8设备识别

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// BayhubHost.c

// GG8 PCI Device ID定义
#define PCI_DEV_ID_GG8_1    0x9860
#define PCI_DEV_ID_GG8_2    0x9861
#define PCI_DEV_ID_GG8_3    0x9862
#define PCI_DEV_ID_GG8_4    0x9863

/**
  检测Bayhub设备类型

  @param  PciIo    PCI I/O Protocol指针

  @retval eMMC_HOST  eMMC控制器
  @retval SD_HOST    SD控制器（包括GG8系列）
  @retval UNSUPPORT  不支持的设备
**/
UINT8 BhtHostPciSupportType(EFI_PCI_IO_PROTOCOL *PciIo)
{
    PCI_TYPE00 Pci;
    UINT8      HostType;

    // 读取PCI配置空间
    PciIo->Pci.Read(PciIo, EfiPciIoWidthUint32,
                     0, sizeof(Pci) / sizeof(UINT32), &Pci);

    // 检查Vendor ID (Bayhub: 0x1217)
    if (Pci.Hdr.VendorId != 0x1217) {
        HostType = UNSUPPORT;
        goto end;
    }

    // 保存Device ID供后续使用
    BhtDeviceId = Pci.Hdr.DeviceId;

    // 根据Device ID判断主机类型
    switch (Pci.Hdr.DeviceId) {
        case PCI_DEV_ID_SB0:
            HostType = eMMC_HOST;  // BH720 eMMC控制器
            break;

        // GG8系列: 0x9860 ~ 0x9863 (SD Express支持)
        case PCI_DEV_ID_GG8_1:
        case PCI_DEV_ID_GG8_2:
        case PCI_DEV_ID_GG8_3:
        case PCI_DEV_ID_GG8_4:
        default:
            HostType = SD_HOST;  // SD控制器
            break;
    }

end:
    return HostType;
}

3.2.2 GG8寄存器访问

GG8系列与其他Bayhub芯片的寄存器访问方式不同：

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// GG8系列直接通过Memory Space访问
// 其他系列(如SDS0/SDS1)需要通过PCI Mapping访问

UINT32 PciBhtRead32(EFI_PCI_IO_PROTOCOL *PciIo, UINT32 offset)
{
    UINT32 result;

    if ((BhtDeviceId == PCI_DEV_ID_GG8_1) ||
        (BhtDeviceId == PCI_DEV_ID_GG8_2) ||
        (BhtDeviceId == PCI_DEV_ID_GG8_3) ||
        (BhtDeviceId == PCI_DEV_ID_GG8_4))
    {
        // GG8: 直接MMIO访问
        result = bht_readl(PciIo, offset);
    } else {
        // 其他: 通过PCI Mapping访问
        // ... 复杂的映射逻辑 ...
    }

    return result;
}

3.2.3 GG8主机初始化

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EFI_STATUS EFIAPI BhtHostInit(
    IN EFI_PCI_IO_PROTOCOL *PciIo,
    IN UINT8 Slot
)
{
    UINT32 value32;
    EFI_STATUS Status;

    // ===== 1. 设置200MHz基础时钟 =====
    value32 = PciBhtRead32(PciIo, 0x304);
    value32 &= 0x0000FFFF;
    value32 |= 0x25100000;  // 200MHz PLL设置
    PciBhtWrite32(PciIo, 0x304, value32);

    // ===== 2. 启用内部时钟 =====
    value32 = BIT0;
    Status = SdMmcHcOrMmio(PciIo, Slot, SD_MMC_HC_CLOCK_CTRL,
                            sizeof(value32), &value32);

    // ===== 3. 复位PLL =====
    // ... 省略部分代码 ...

    // ===== 4. GG8特定: M/N/OD分频设置 =====
    if ((BhtDeviceId == PCI_DEV_ID_GG8_1) ||
        (BhtDeviceId == PCI_DEV_ID_GG8_2) ||
        (BhtDeviceId == PCI_DEV_ID_GG8_3) ||
        (BhtDeviceId == PCI_DEV_ID_GG8_4))
    {
        // 等待PLL解锁 (1CC[14] = 0)
        Status = SdMmcHcRwMmio(PciIo, Slot, 0x1CC, TRUE,
                               sizeof(value32), &value32);
        while (value32 & BIT14) {
            gBS->Stall(100);
            Status = SdMmcHcRwMmio(PciIo, Slot, 0x1CC, TRUE,
                                   sizeof(value32), &value32);
        }

        // 解锁PCR访问
        PciBhtAnd32(PciIo, 0xD0, ~(BIT31));

        // 设置M/N/OD分频
        value32 = PciBhtRead32(PciIo, 0x304);
        value32 |= 0xffff0000;
        value32 &= 0x2520ffff;
        PciBhtWrite32(PciIo, 0x304, value32);

        // 锁定PCR访问
        PciBhtOr32(PciIo, 0xD0, (BIT31));
    }

    // ===== 5. 等待PLL锁定 =====
    if ((BhtDeviceId == PCI_DEV_ID_GG8_1) ||
        (BhtDeviceId == PCI_DEV_ID_GG8_2) ||
        (BhtDeviceId == PCI_DEV_ID_GG8_3) ||
        (BhtDeviceId == PCI_DEV_ID_GG8_4))
    {
        // 等待PLL锁定 (1CC[14] = 1)
        Status = SdMmcHcRwMmio(PciIo, Slot, 0x1CC, TRUE,
                               sizeof(value32), &value32);
        while (!(value32 & BIT14)) {
            gBS->Stall(100);
            Status = SdMmcHcRwMmio(PciIo, Slot, 0x1CC, TRUE,
                                   sizeof(value32), &value32);
        }
    }

    return Status;
}

4. INF文件配置

4.1 SdMmcPciHcDxe.inf

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## @file
# SdMmcPciHcDxe - SD/MMC PCI Host Controller Driver
#
# 支持SD Host Controller规范v3.0和64位系统地址支持

[Defines]
  INF_VERSION                    = 0x01540012
  BASE_NAME                      = SdMmcPciHcDxe
  FILE_GUID                      = 8E325979-3FE1-4927-AAE2-8F5C4BD2AF0D
  MODULE_TYPE                    = UEFI_DRIVER
  VERSION_STRING                 = 1.1
  ENTRY_POINT                    = InitializeSdMmcPciHcDxe

[Sources]
  SdMmcPciHcDxe.c    # 主驱动
  SdDevice.c         # SD设备操作
  SdMmcPciHci.c      # Host Controller接口
  BayhubHost.c       # Bayhub特定实现 ← 关键文件
  BayhubHost.h       # Bayhub头文件

[Protocols]
  gEfiPciIoProtocolGuid           ## TO_START
  gEfiSdMmcPassThruProtocolGuid   ## BY_START

[LibraryClasses]
  UefiBootServicesTableLib
  UefiDriverEntryPoint
  DebugLib
  BaseMemoryLib

4.2 驱动加载顺序

在DSC文件中确保正确的加载顺序：

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[Components]
  # 1. 先加载PCI Bus Driver
  MdeModulePkg/Bus/Pci/PciBusDxe/PciBusDxe.inf

  # 2. 再加载SD/MMC Host Controller Driver
  MdeModulePkg/Bus/Pci/SdMmcPciHcDxe/SdMmcPciHcDxe.inf

  # 3. SD卡设备驱动
  MdeModulePkg/Bus/Sd/SdDxe/SdDxe.inf

  # 4. BlockIo支持
  MdeModulePkg/Bus/Ata/AtaAtapiPassThru/AtaAtapiPassThru.inf

  # 5. NVMe Driver (切换后由标准NVMe驱动接管)
  MdeModulePkg/Bus/Pci/NvmExpressDxe/NvmExpressDxe.inf

5. SD Express切换流程

5.1 切换时序图

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┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    SD Express 切换时序                                    │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                                          │
│  UEFI DXE Phase                                                        │
│       │                                                                 │
│       ▼                                                                 │
│  ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐   │
│  │ Step 1: SD协议初始化                                             │   │
│  │  - 发送CMD0 (GO_IDLE_STATE)                                     │   │
│  │  - 发送CMD8 (SEND_IF_COND) - 检测SD 2.0+                       │   │
│  │  - 发送ACMD41 (SD_SEND_OP_COND) - 获取OCR                       │   │
│  │  - 发送CMD2 (ALL_SEND_CID) - 获取CID                            │   │
│  │  - 发送CMD3 (SEND_RELATIVE_ADDR) - 获取RCA                      │   │
│  └─────────────────────────────────────────────────────────────────┘   │
│       │                                                                 │
│       ▼                                                                 │
│  ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐   │
│  │ Step 2: 检测SD Express能力                                      │   │
│  │  - 发送CMD8 (SEND_SCR) - 获取SCR寄存器                         │   │
│  │  - 检查SCR[60] = 1 (SD Express Supported)                       │   │
│  │  - 检查SCR[51:60] (Bus Speed Control)                          │   │
│  └─────────────────────────────────────────────────────────────────┘   │
│       │                                                                 │
│       ▼                                                                 │
│  ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐   │
│  │ Step 3: 电压切换 (1.8V)                                          │   │
│  │  - 发送CMD11 (VOLTAGE_SWITCH)                                  │   │
│  │  - 等待卡进入1.8V信号模式                                        │   │
│  └─────────────────────────────────────────────────────────────────┘   │
│       │                                                                 │
│       ▼                                                                 │
│  ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐   │
│  │ Step 4: PCIe链路训练                                            │   │
│  │  - 等待卡发出PCIe clkreqn信号                                  │   │
│  │  - 执行PCIe Detect/Polling/LTraining                           │   │
│  └─────────────────────────────────────────────────────────────────┘   │
│       │                                                                 │
│       ▼                                                                 │
│  ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐   │
│  │ Step 5: 模式切换寄存器写入                                       │   │
│  │  - 写PCR 0x54[8] = 1 (触发PCIe Switch)                        │   │
│  │  - 等待切换完成                                                  │   │
│  └─────────────────────────────────────────────────────────────────┘   │
│       │                                                                 │
│       ▼                                                                 │
│  ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐   │
│  │ Step 6: PCI总线重新扫描                                         │   │
│  │  - PCIe Bus Driver发现新设备                                    │   │
│  │  - NVMe Driver枚举                                             │   │
│  │  - BlockIo安装                                                   │   │
│  └─────────────────────────────────────────────────────────────────┘   │
│       │                                                                 │
│       ▼                                                                 │
│  OS Boot Loader                                                        │
│       │                                                                 │
│       ▼                                                                 │
│  /dev/nvme0n1 (标准NVMe设备)                                          │
│                                                                          │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘

5.2 关键寄存器说明

寄存器 偏移 说明 GG8支持
PCR 0x304 0x304 PLL时钟设置 M/N/OD分频
PCR 0x1CC 0x1CC PLL控制 复位/锁定检测
PCR 0xD0 0xD0 PCR访问锁定 GG8需要解锁
PCR 0x54 0x54 PCIe Switch 模式切换触发

6. 完整启动流程

6.1 UEFI启动阶段

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UEFI Boot Flow:
─────────────────────────────────────────────────────────────

SEC Phase
   │
   ▼
PEI Phase
   │  ├── 初始化最小CPU
   │  ├── 初始化内存
   │  └── 传递HOB给DXE
   │
   ▼
DXE Phase
   │  ├── PciBusDxe        ← 枚举PCI设备
   │  ├── SdMmcPciHcDxe    ← SD控制器驱动
   │  │     ├── BayhubHost.c    (GG8支持)
   │  │     ├── BhtHostInit()
   │  │     └── SdMmcPassThru Protocol
   │  │
   │  ├── SdDxe           ← SD块设备驱动
   │  │
   │  └── NvmExpressDxe   ← NVMe驱动 (切换后接管)
   │
   ▼
BDS Phase
   │  ├── 检测启动设备
   │  ├── 创建Boot Option
   │  └── 加载Boot Loader
   │
   ▼
TSL/Run Phase
   │  └── OS Loader启动
   │
   ▼
Exit Boot Services
   └── 操作系统控制

6.2 与标准PC启动流程的对比

阶段 PC平台 嵌入式BBR方案
存储检测 BIOS POST阶段 UEFI DXE阶段
驱动加载 PCI枚举自动发现 定制SD驱动先加载
模式切换 N/A 软件模拟热插拔
NVMe发现 标准PCIe枚举 BBR后重新枚举
启动设备 标准NVMe设备 /dev/nvme0n1

7. 调试方法

7.1 UEFI Shell调试命令

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# 查看PCI设备树
Shell> pci

# 查看SD控制器
Shell> pci 00:1c.0
  Vendor 1217: Device 9860 (Bayhub GG8)

# 查看块设备
Shell> blk

# 手动触发SD Express切换
Shell> sddevicetest

7.2 Debug Log示例

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[SDHCI] BhtHostPciSupportType: Checking device 1217:9860
[SDHCI] Device is GG8 (0x9860), HostType = SD_HOST
[SDHCI] BhtHostInit: Setting 200MHz base clock
[SDHCI] BhtHostInit: Waiting for PLL lock...
[SDHCI] BhtHostInit: PLL locked
[SDHCI] SdMmcHcInit: Initializing SD Host Controller
[SDHCI] SdMmcHcInit: Card present detected
[SDHCI] SdCardInit: Sending CMD0 (GO_IDLE)
[SDHCI] SdCardInit: CMD8 response: 0x1AA
[SDHCI] SdCardInit: SD 2.0+ card detected
[SDHCI] SdCardInit: Sending ACMD41
[SDHCI] SdCardInit: OCR = 0x40FF8000 (SDXC, SD Express capable)
[SDHCI] SdCardInit: Reading SCR register
[SDHCI] SdCardInit: SCR[60:55] = 0x02 (SD Express supported)
[SDHCI] SdCardInit: Initiating SD Express switch...
[SDHCI] SdCardInit: Switching to 1.8V signaling
[SDHCI] SdCardInit: Waiting for PCIe clkreqn...
[SDHCI] SdCardInit: PCIe link training detected
[SDHCI] SdCardInit: Triggering PCIe switch (PCR 0x54[8] = 1)
[SDHCI] SdCardInit: Switch complete, waiting for rescan...
[PCIeBus] Device detected at 00:1c.1
[PCIeBus] NVMe device found: 1217:8760
[Nvme] Controller initialized
[BlockIo] BlockIo installed on handle

8. 总结

本文介绍了在UEFI EDK2环境下实现SD Express卡作为系统启动盘的完整方案：

8.1 核心技术点

  1. BayhubHost扩展：通过添加GG8设备支持，实现特定寄存器的正确访问
  2. BBR方案：软件模拟热插拔，解决嵌入式平台不支持硬件热插拔的问题
  3. 框架整合：将定制驱动无缝集成到标准EDK2框架中

8.2 与标准EDK2组件的关系

组件 作用 是否定制
SdMmcPciHcDxe SD Host Controller驱动 标准 + BayhubHost扩展
SdDxe SD块设备驱动 标准
NvmExpressDxe NVMe驱动 标准
PciBusDxe PCI总线枚举 标准

8.3 后续优化方向

  • 异步模式切换，减少启动时间
  • 支持更多SD Express卡型号
  • 错误恢复机制完善

这种方案已在实际嵌入式产品中验证，能够稳定地将SD Express卡作为系统启动盘使用。