BIOS中的仿真器，解决ARM和RISCV板卡生态匮乏的神器：X86Emulator
前年，在一个风和丽日的午后，我接待了一位风尘仆仆的客户。不，准确的来说是处理一起上门踢馆的客诉。在简单的寒暄之后，开始进入正题。原来，他们公司的PCIe显卡在某个基于ARM国产CPU的主板上运行不了，来寻求支持。于是发生了下面的对话：
我：请问贵司的显卡在别的平台上试过吗？
客户：我们的显卡在Intel和AMD的主板上跑都没问题的。
我：那在ARM的机器上试过吗？
客户：需要吗？
我：不需要吗？
客户（一脸懵逼）：需要吗？
为了避免尴尬，我赶紧换了一个问题：请问贵司的显卡带ARM原生的Option ROM吗？
客户：我们的显卡在Intel和AMD的主板上跑都没问题的。
我：那就只有x86的，没有ARM的了？
客户：需要吗？
我：不需要吗？
客户（一脸懵逼）：需要吗？
看着金主爸爸空洞的眼神，我的思绪开始漂移。看来，ARM的生态建设任重而道远啊，众多的外围设备都需要适配ARM Option ROM， 这真是一个系统工程。国产CPU很多都是基于ARM的，而外围板卡适配的难度还不为很多人所知，作为科普人士的我，工作不到位啊。想到这里，肩膀上的担子感觉更重了！拉回了思绪，我清了清嗓子，开始了ARM指令集和x86指令集的科普工作。时间过得真快，在落日的余晖下，我送走了疲惫的显卡公司销售，尽管口干舌燥，但我感到十分充实。我紧了紧红领巾，迎着落日，一蹦一跳向家走去！嗯？怎么感觉这段在女儿的作业里看到过？
但后来，我得知一个高级神器，让我有了不一样的答案。如果上天再给我一次机会，在那个该死的下午，我一定会真诚地看着金主爸爸的眼睛，回答：
我：是的，不需要，您说的都对。
这个高级神器，就是BIOS中的仿真器：X86Emulator [1]。它是一个BIOS模块，它可以在ARM的BIOS中，仿真运行x86 ISA的UEFI驱动，包括各种板卡内置的UEFI驱动。它即插即用，全自动在ARM BIOS中加载运行x86驱动，就像原生ARM驱动一样！它是如何做到的呢？
X86Emulator工作原理
Qemu[2] ，能够在很多ISA架构的Host中仿真其他ISA的运行环境。借助于灵活的TCG（Tiny Code Generator）层，Host和Guest设置非常灵活，可以方便的两两配对。BIOSer这几年接触Qemu越来越多，很多原因是OVMF和RISC-V的调试需要。Qemu更多的是UEFI运行的容器，是UEFI in Qemu。能不能把Qemu做到UEFI中呢？对了，这就是x86Emulator的运行基石：Qemu in UEFI。
将Qemu移植成为一个UEFI驱动只完成了运行的引擎，还需要解决两个问题：
1. 怎么让BIOS在x86驱动被加载的时候自动运行仿真器？
2. UEFI驱动在运行时一定会大量调用UEFI Boot time和Run time服务，两种异构ISA的程序怎么交互调用？
如何自动运行？
出乎大多数BIOSer的认知，UEFI其实早就支持仿真器。UEFI内核在Image加载的时候，会根据文件头部的Machine Type检查已经注册的仿真器，如果两者匹配，则让该仿真器运行这个驱动，而不是CPU原生运行。这个机制让EBC（EFI Byte Code）驱动得以运行，今天，也让x86仿真器可以自动运行。
x86Emulator仅需要安装标准的PECOFF_IMAGE_EMULATOR_PROTOCOL，并在machine Type中填入EFI_IMAGE_MACHINE_X64（就是x86的64位驱动） ，UEFI内核就会在加载x86驱动时候，调用x86Emulator的相关函数，用Qemu解释运行x86代码了。
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x86和ARM代码如何交互
当然有更麻烦的做法，但x86Emulator的做法相当聪明而高效。它利用了ARM MMU的NX（No-eXecute，Intel也有类似的技术）安全技术。它设计的目的，主要是为了对抗buffer overflow和stack overflow等攻击，将数据标记为NX，可以有效阻止这些攻击手段。它的细节和x86Emulator无关，本文就不展开讲了，仅仅需要知道，在标记了NX的内存，如果运行代码，立刻会产生的异常。
x86Emulator巧妙的利用这种机制，注册了异常处理函数，并将x86驱动所在的内存标记为NX。这样相当于将x86驱动从ARM BIOS中隔离出来，进出都会调用到x86Emulator，而它则巧妙的在整个异常函数中，转换ARM ISA和x86在calling convention中不同的参数传递寄存器。它的这种做法如此巧妙，让这种调用完全无感，甚至可以嵌套进行！
结论
x86Emulator是开源的，大家可以去它的主页 下载研究它的代码。它是商业相对友好的LGPL License。目前它仅仅支持在ARM的AARCH64（64位ARM ISA）上模拟x64，可以解决一部分ARM机器，外围板卡相对x86匮乏的问题；对于国产板卡，也有帮助。我们尝试过一款A卡，甚至最新的Intel Arc显卡，还有一块网卡，都可以正常在ARM N1 SDP机器上和飞腾D2000主板上，正常运行。
方兴未艾的RISC-V CPU的生态更加薄弱。大的主流的PCIe板卡，很多都有了ARM Native的Option ROM，但RISC-V的应该是一个没有。因为QEMU对RISC-V支持的很好，RISC-V既可以作为QEMU的Guest（普通用法），也可以是Host。相信x86Emulator做一些升级，应该也可以在RISC-V上仿真运行x86 option rom，部分解决生态短板。当然要做到像ARM这么高效，需要MMU支持NX，这个目前我还没又看到。
参考资料
[1] x86Emulator主页：https://github.com/ardbiesheuvel/X86EmulatorPkg
[2] qemu主页：https://www.qemu.org/docs/master/system/introduction.html