Merge /u/esben/gnu-efi/ branch intptr-t-fix into master
[syslinux-gnu-efi.git] / README.gnuefi
blob512698c28b49ef8adbb0d72215bc78fc6057daaf
1         -------------------------------------------------
2         Building EFI Applications Using the GNU Toolchain
3         -------------------------------------------------
5                 David Mosberger <davidm@hpl.hp.com>
7                         23 September 1999
10                 Copyright (c) 1999-2007 Hewlett-Packard Co.
11                 Copyright (c) 2006-2010 Intel Co.
13 Last update: 04/09/2007
15 * Introduction
17 This document has two parts: the first part describes how to develop
18 EFI applications for IA-64,x86 and x86_64 using the GNU toolchain and the EFI
19 development environment contained in this directory.  The second part
20 describes some of the more subtle aspects of how this development
21 environment works.
25 * Part 1: Developing EFI Applications
28 ** Prerequisites:
30  To develop x86 and x86_64 EFI applications, the following tools are needed:
32         - gcc-3.0 or newer (gcc 2.7.2 is NOT sufficient!)
33           As of gnu-efi-3.0b, the Redhat 8.0 toolchain is known to work,
34           but the Redhat 9.0 toolchain is not currently supported.
36         - A version of "objcopy" that supports EFI applications.  To
37           check if your version includes EFI support, issue the
38           command:
40                 objcopy --help
42           Verify that the line "supported targets" contains the string
43           "efi-app-ia32" and "efi-app-x86_64" and that the "-j" option
44           accepts wildcards. The binutils release binutils-2.24
45           supports Intel64 EFI and accepts wildcard section names.
47         - For debugging purposes, it's useful to have a version of
48           "objdump" that supports EFI applications as well.  This
49           allows inspect and disassemble EFI binaries.
51  To develop IA-64 EFI applications, the following tools are needed:
53         - A version of gcc newer than July 30th 1999 (older versions
54           had problems with generating position independent code).
55           As of gnu-efi-3.0b, gcc-3.1 is known to work well.
57         - A version of "objcopy" that supports EFI applications.  To
58           check if your version includes EFI support, issue the
59           command:
61                 objcopy --help
63           Verify that the line "supported targets" contains the string
64           "efi-app-ia64" and that the "-j" option accepts wildcards.
66         - For debugging purposes, it's useful to have a version of
67           "objdump" that supports EFI applications as well.  This
68           allows inspect and disassemble EFI binaries.
71 ** Directory Structure
73 This EFI development environment contains the following
74 subdirectories:
76  inc:   This directory contains the EFI-related include files.  The
77         files are taken from Intel's EFI source distribution, except
78         that various fixes were applied to make it compile with the
79         GNU toolchain.
81  lib:   This directory contains the source code for Intel's EFI library.
82         Again, the files are taken from Intel's EFI source
83         distribution, with changes to make them compile with the GNU
84         toolchain.
86  gnuefi: This directory contains the glue necessary to convert ELF64
87         binaries to EFI binaries.  Various runtime code bits, such as
88         a self-relocator are included as well.  This code has been
89         contributed by the Hewlett-Packard Company and is distributed
90         under the GNU GPL.
92  apps:  This directory contains a few simple EFI test apps.
94 ** Setup
96 It is necessary to edit the Makefile in the directory containing this
97 README file before EFI applications can be built.  Specifically, you
98 should verify that macros CC, AS, LD, AR, RANLIB, and OBJCOPY point to
99 the appropriate compiler, assembler, linker, ar, and ranlib binaries,
100 respectively.
102 If you're working in a cross-development environment, be sure to set
103 macro ARCH to the desired target architecture ("ia32" for x86, "x86_64" for
104 x86_64 and "ia64" for IA-64).  For convenience, this can also be done from
105 the make command line (e.g., "make ARCH=ia64").
108 ** Building
110 To build the sample EFI applications provided in subdirectory "apps",
111 simply invoke "make" in the toplevel directory (the directory
112 containing this README file).  This should build lib/libefi.a and
113 gnuefi/libgnuefi.a first and then all the EFI applications such as a
114 apps/t6.efi.
117 ** Running
119 Just copy the EFI application (e.g., apps/t6.efi) to the EFI
120 filesystem, boot EFI, and then select "Invoke EFI application" to run
121 the application you want to test.  Alternatively, you can invoke the
122 Intel-provided "nshell" application and then invoke your test binary
123 via the command line interface that "nshell" provides.
126 ** Writing Your Own EFI Application
128 Suppose you have your own EFI application in a file called
129 "apps/myefiapp.c".  To get this application built by the GNU EFI build
130 environment, simply add "myefiapp.efi" to macro TARGETS in
131 apps/Makefile.  Once this is done, invoke "make" in the top level
132 directory.  This should result in EFI application apps/myefiapp.efi,
133 ready for execution.
135 The GNU EFI build environment allows to write EFI applications as
136 described in Intel's EFI documentation, except for two differences:
138  - The EFI application's entry point is always called "efi_main".  The
139    declaration of this routine is:
141     EFI_STATUS efi_main (EFI_HANDLE image, EFI_SYSTEM_TABLE *systab);
143  - UNICODE string literals must be written as W2U(L"Sample String")
144    instead of just L"Sample String".  The W2U() macro is defined in
145    <efilib.h>.  This header file also declares the function W2UCpy()
146    which allows to convert a wide string into a UNICODE string and
147    store the result in a programmer-supplied buffer.
149  - Calls to EFI services should be made via uefi_call_wrapper(). This
150    ensures appropriate parameter passing for the architecture.
153 * Part 2: Inner Workings
155 WARNING: This part contains all the gory detail of how the GNU EFI
156 toolchain works.  Normal users do not have to worry about such
157 details.  Reading this part incurs a definite risk of inducing severe
158 headaches or other maladies.
160 The basic idea behind the GNU EFI build environment is to use the GNU
161 toolchain to build a normal ELF binary that, at the end, is converted
162 to an EFI binary.  EFI binaries are really just PE32+ binaries.  PE
163 stands for "Portable Executable" and is the object file format
164 Microsoft is using on its Windows platforms.  PE is basically the COFF
165 object file format with an MS-DOS2.0 compatible header slapped on in
166 front of it.  The "32" in PE32+ stands for 32 bits, meaning that PE32
167 is a 32-bit object file format.  The plus in "PE32+" indicates that
168 this format has been hacked to allow loading a 4GB binary anywhere in
169 a 64-bit address space (unlike ELF64, however, this is not a full
170 64-bit object file format because the entire binary cannot span more
171 than 4GB of address space).  EFI binaries are plain PE32+ binaries
172 except that the "subsystem id" differs from normal Windows binaries.
173 There are two flavors of EFI binaries: "applications" and "drivers"
174 and each has there own subsystem id and are identical otherwise.  At
175 present, the GNU EFI build environment supports the building of EFI
176 applications only, though it would be trivial to generate drivers, as
177 the only difference is the subsystem id.  For more details on PE32+,
178 see the spec at
180         http://msdn.microsoft.com/library/specs/msdn_pecoff.htm.
182 In theory, converting a suitable ELF64 binary to PE32+ is easy and
183 could be accomplished with the "objcopy" utility by specifying option
184 --target=efi-app-ia32 (x86) or --target=efi-app-ia64 (IA-64).  But
185 life never is that easy, so here some complicating factors:
187  (1) COFF sections are very different from ELF sections.
189         ELF binaries distinguish between program headers and sections.
190         The program headers describe the memory segments that need to
191         be loaded/initialized, whereas the sections describe what
192         constitutes those segments.  In COFF (and therefore PE32+) no
193         such distinction is made.  Thus, COFF sections need to be page
194         aligned and have a size that is a multiple of the page size
195         (4KB for EFI), whereas ELF allows sections at arbitrary
196         addresses and with arbitrary sizes.
198  (2) EFI binaries should be relocatable.
200         Since EFI binaries are executed in physical mode, EFI cannot
201         guarantee that a given binary can be loaded at its preferred
202         address.  EFI does _try_ to load a binary at it's preferred
203         address, but if it can't do so, it will load it at another
204         address and then relocate the binary using the contents of the
205         .reloc section.
207  (3) On IA-64, the EFI entry point needs to point to a function
208      descriptor, not to the code address of the entry point.
210  (4) The EFI specification assumes that wide characters use UNICODE
211      encoding.
213         ANSI C does not specify the size or encoding that a wide
214         character uses.  These choices are "implementation defined".
215         On most UNIX systems, the GNU toolchain uses a wchar_t that is
216         4 bytes in size.  The encoding used for such characters is
217         (mostly) UCS4.
219 In the following sections, we address how the GNU EFI build
220 environment addresses each of these issues.
223 ** (1) Accommodating COFF Sections
225 In order to satisfy the COFF constraint of page-sized and page-aligned
226 sections, the GNU EFI build environment uses the special linker script
227 in gnuefi/elf_$(ARCH)_efi.lds where $(ARCH) is the target architecture
228 ("ia32" for x86, "x86_64" for x86_64 and "ia64" for IA-64).
229 This script is set up to create only eight COFF section, each page aligned
230 and page sized.These eight sections are used to group together the much
231 greater number of sections that are typically present in ELF object files.
232 Specifically:
234  .hash (and/or .gnu.hash)
235         Collects the ELF .hash info (this section _must_ be the first
236         section in order to build a shared object file; the section is
237         not actually loaded or used at runtime).
239         GNU binutils provides a mechanism to generate different hash info
240         via --hash-style=<sysv|gnu|both> option. In this case output
241         shared object will contain .hash section, .gnu.hash section or
242         both. In order to generate correct output linker script preserves
243         both types of hash sections.
245  .text
246         Collects all sections containing executable code.
248  .data
249         Collects read-only and read-write data, literal string data,
250         global offset tables, the uninitialized data segment (bss) and
251         various other sections containing data.
253         The reason read-only data is placed here instead of the in
254         .text is to make it possible to disassemble the .text section
255         without getting garbage due to read-only data.  Besides, since
256         EFI binaries execute in physical mode, differences in page
257         protection do not matter.
259         The reason the uninitialized data is placed in this section is
260         that the EFI loader appears to be unable to handle sections
261         that are allocated but not loaded from the binary.
263  .dynamic, .dynsym, .rela, .rel, .reloc
264         These sections contains the dynamic information necessary to
265         self-relocate the binary (see below).
267 A couple of more points worth noting about the linker script:
269  o On IA-64, the global pointer symbol (__gp) needs to be placed such
270    that the _entire_ EFI binary can be addressed using the signed
271    22-bit offset that the "addl" instruction affords.  Specifically,
272    this means that __gp should be placed at ImageBase + 0x200000.
273    Strictly speaking, only a couple of symbols need to be addressable
274    in this fashion, so with some care it should be possible to build
275    binaries much larger than 4MB.  To get a list of symbols that need
276    to be addressable in this fashion, grep the assembly files in
277    directory gnuefi for the string "@gprel".
279  o The link address (ImageBase) of the binary is (arbitrarily) set to
280    zero.  This could be set to something larger to increase the chance
281    of EFI being able to load the binary without requiring relocation.
282    However, a start address of 0 makes debugging a wee bit easier
283    (great for those of us who can add, but not subtract... ;-).
285  o The relocation related sections (.dynamic, .rel, .rela, .reloc)
286    cannot be placed inside .data because some tools in the GNU
287    toolchain rely on the existence of these sections.
289  o Some sections in the ELF binary intentionally get dropped when
290    building the EFI binary.  Particularly noteworthy are the dynamic
291    relocation sections for the .plabel and .reloc sections.  It would
292    be _wrong_ to include these sections in the EFI binary because it
293    would result in .reloc and .plabel being relocated twice (once by
294    the EFI loader and once by the self-relocator; see below for a
295    description of the latter).  Specifically, only the sections
296    mentioned with the -j option in the final "objcopy" command are
297    retained in the EFI binary (see Make.rules).
300 ** (2) Building Relocatable Binaries
302 ELF binaries are normally linked for a fixed load address and are thus
303 not relocatable.  The only kind of ELF object that is relocatable are
304 shared objects ("shared libraries").  However, even those objects are
305 usually not completely position independent and therefore require
306 runtime relocation by the dynamic loader.  For example, IA-64 binaries
307 normally require relocation of the global offset table.
309 The approach to building relocatable binaries in the GNU EFI build
310 environment is to:
312  (a) build an ELF shared object
314  (b) link it together with a self-relocator that takes care of
315      applying the dynamic relocations that may be present in the
316      ELF shared object
318  (c) convert the resulting image to an EFI binary
320 The self-relocator is of course architecture dependent.  The x86
321 version can be found in gnuefi/reloc_ia32.c, the x86_64 version
322 can be found in gnuefi/reloc_x86_64.c and the IA-64 version can be
323 found in gnuefi/reloc_ia64.S.
325 The self-relocator operates as follows: the startup code invokes it
326 right after EFI has handed off control to the EFI binary at symbol
327 "_start".  Upon activation, the self-relocator searches the .dynamic
328 section (whose starting address is given by symbol _DYNAMIC) for the
329 dynamic relocation information, which can be found in the DT_REL,
330 DT_RELSZ, and DT_RELENT entries of the dynamic table (DT_RELA,
331 DT_RELASZ, and DT_RELAENT in the case of rela relocations, as is the
332 case for IA-64).  The dynamic relocation information points to the ELF
333 relocation table.  Once this table is found, the self-relocator walks
334 through it, applying each relocation one by one.  Since the EFI
335 binaries are fully resolved shared objects, only a subset of all
336 possible relocations need to be supported.  Specifically, on x86 only
337 the R_386_RELATIVE relocation is needed.  On IA-64, the relocations
338 R_IA64_DIR64LSB, R_IA64_REL64LSB, and R_IA64_FPTR64LSB are needed.
339 Note that the R_IA64_FPTR64LSB relocation requires access to the
340 dynamic symbol table.  This is why the .dynsym section is included in
341 the EFI binary.  Another complication is that this relocation requires
342 memory to hold the function descriptors (aka "procedure labels" or
343 "plabels").  Each function descriptor uses 16 bytes of memory.  The
344 IA-64 self-relocator currently reserves a static memory area that can
345 hold 100 of these descriptors.  If the self-relocator runs out of
346 space, it causes the EFI binary to fail with error code 5
347 (EFI_BUFFER_TOO_SMALL).  When this happens, the manifest constant
348 MAX_FUNCTION_DESCRIPTORS in gnuefi/reloc_ia64.S should be increased
349 and the application recompiled.  An easy way to count the number of
350 function descriptors required by an EFI application is to run the
351 command:
353   objdump --dynamic-reloc example.so | fgrep FPTR64 | wc -l
355 assuming "example" is the name of the desired EFI application.
358 ** (3) Creating the Function Descriptor for the IA-64 EFI Binaries
360 As mentioned above, the IA-64 PE32+ format assumes that the entry
361 point of the binary is a function descriptor.  A function descriptors
362 consists of two double words: the first one is the code entry point
363 and the second is the global pointer that should be loaded before
364 calling the entry point.  Since the ELF toolchain doesn't know how to
365 generate a function descriptor for the entry point, the startup code
366 in gnuefi/crt0-efi-ia64.S crafts one manually by with the code:
368                 .section .plabel, "a"
369         _start_plabel:
370                 data8   _start
371                 data8   __gp
373 this places the procedure label for entry point _start in a section
374 called ".plabel".  Now, the only problem is that _start and __gp need
375 to be relocated _before_ EFI hands control over to the EFI binary.
376 Fortunately, PE32+ defines a section called ".reloc" that can achieve
377 this.  Thus, in addition to manually crafting the function descriptor,
378 the startup code also crafts a ".reloc" section that has will cause
379 the EFI loader to relocate the function descriptor before handing over
380 control to the EFI binary (again, see the PECOFF spec mentioned above
381 for details).
383 A final question may be why .plabel and .reloc need to go in their own
384 COFF sections.  The answer is simply: we need to be able to discard
385 the relocation entries that are generated for these sections.  By
386 placing them in these sections, the relocations end up in sections
387 ".rela.plabel" and ".rela.reloc" which makes it easy to filter them
388 out in the filter script.  Also, the ".reloc" section needs to be in
389 its own section so that the objcopy program can recognize it and can
390 create the correct directory entries in the PE32+ binary.
393 ** (4) Convenient and Portable Generation of UNICODE String Literals
395 As of gnu-efi-3.0, we make use (and somewhat abuse) the gcc option
396 that forces wide characters (WCHAR_T) to use short integers (2 bytes) 
397 instead of integers (4 bytes). This way we match the Unicode character
398 size. By abuse, we mean that we rely on the fact that the regular ASCII
399 characters are encoded the same way between (short) wide characters 
400 and Unicode and basically only use the first byte. This allows us
401 to just use them interchangeably.
403 The gcc option to force short wide characters is : -fshort-wchar
405                         * * * The End * * *