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河豚板のUEFI/GPT対応

EBUG 第68回会合
2019年2月23日、(有)銀座堂
川俣吉広、kaw@on.rim.or.jp

発端

Twitterでのこのtweetがきっかけ。

このやりとりが発端となり、河豚板のUEFI対応を開始する。

UEFIとGPT

UEFI (Unified Extensible Firmware Interface)
OSとファームウェアとの間のソフトウェアインタフェースを定義する仕様(Wikipedia)
従来のBIOS (Legacy BIOS)による起動方法からの置換えを意図している。
・UEFI用のパーティション(ファイルシステムとしてはFAT)を持つ。
・そのパーティション内に起動用の実行バイナリが格納されている。このバイナリファイルは*.EFIの拡張子を持ち、UEFIアプリケーションと呼ばれる。
GPT (GUID (Globally Unique Identifier) Partition Table)
ストレージデバイス上のパーティションテーブルの配置に関する標準規格(Wikipedia)
Legacy BIOSで用いられてきたMBR (Master Boot Record)に替わるものとしてUEFIの一部として定義されている。
・MBRが扱えるのは最大2TBのディスクを4区画まで
・GPTでは最大8ZBを128区画まで分割可能

OpenBSDの場合に現状で考えられる起動方法とパーティショニングのパターンを以下に示す。

Legacy BIOS / MBR

MBR.png

UEFI登場以前から用いられてきた方法 (参考)

UEFI / GPT

GPT.png

起動にUEFI、ディスクパーテショニングにGPTを用いるパターン

となっている。

UEFI / MBR

ARM64.png

UEFIとしてEFIアプリケーションがロードされるが、パーテショニングとしてMBRが使われるパターン。GPTは存在しない。
amd64のインストールメディアやarm64で使われている。

amd64のインストールメディアとarm64とでは細かい箇所で異なっている部分がある(右図はarm64)。

Hybrid MBR

Hyb.png

MBRとGPTの両方に同じパーテショニング情報を書込み、ブートローダもLegacy BIOS, UEFI共にセットアップしたもの。

OpenBSDでのUEFI実装

2015年に安岡昌彦氏によりカーネルにUEFI対応の機能が実装された

現在では、インストーラ含め、関連ユティリティがUEFI/GPTに対応している。

インストーラ

前述のように、Legacy BIOS、UEFIのいずれからでも起動可。

Legacy BIOS、UEFIのどちらで起動したかによって、パーティショニングのデフォルトも変わる。

UEFIで起動した場合

Available disks are: wd0 wd1.
Which disk is the root disk? ('?' for details) [wd0] wd1
No valid MBR or GPT.
Use (W)hole disk MBR, whole disk (G)PT or (E)dit? [gpt]       ←インストーラをUEFIで起動した
Setting OpenBSD GPT partition to whole wd1...done.              ので、GPTがデフォルト
The auto-allocated layout for wd1 is:
#                size           offset  fstype [fsize bsize   cpg]
  a:        819776.0K             1024  4.2BSD   2048 16384     1 # /
  b:         83090.0K          1640576    swap                    
  c:       2097152.0K                0  unused                    
  d:        930704.0K          1806784  4.2BSD   2048 16384     1 # /usr
  e:        263024.0K          3668192  4.2BSD   2048 16384     1 # /home
  i:           480.0K               64   MSDOS                             ←EFI Sys領域
Use (A)uto layout, (E)dit auto layout, or create (C)ustom layout? [a]

Legacy BIOSで起動した場合

Available disks are: wd0 wd1.
Which disk is the root disk? ('?' for details) [wd0] wd1
No valid MBR or GPT.
Use (W)hole disk MBR, whole disk (G)PT or (E)dit? [whole]     ←MBRがデフォルト
Setting OpenBSD MBR partition to whole wd1...done.
The auto-allocated layout for wd1 is:
#                size           offset  fstype [fsize bsize   cpg]
  a:           800.6M               64  4.2BSD   2048 16384     1 # /
  b:            81.1M          1639616    swap                    
  c:          2048.0M                0  unused                    
  d:           908.9M          1805824  4.2BSD   2048 16384     1 # /usr
  e:           256.9M          3667232  4.2BSD   2048 16384     1 # /home
Use (A)uto layout, (E)dit auto layout, or create (C)ustom layout? [a] 

fdisk

パーティションのメンテナンスツールfdisk(8)は、パーティションの初期化時にオプションによってMBRかGPTかを指定する。

MBRで初期化

# fdisk -i wd1
Do you wish to write new MBR and partition table? [n] y
Writing MBR at offset 0.
# fdisk wd1
Disk: wd1       geometry: 520/128/63 [4194304 Sectors]
Offset: 0       Signature: 0xAA55
            Starting         Ending         LBA Info:
 #: id      C   H   S -      C   H   S [       start:        size ]
-------------------------------------------------------------------------------
 0: 00      0   0   0 -      0   0   0 [           0:           0 ] unused      
 1: 00      0   0   0 -      0   0   0 [           0:           0 ] unused      
 2: 00      0   0   0 -      0   0   0 [           0:           0 ] unused      
*3: A6      0   1   2 -    519 127  63 [          64:     4193216 ] OpenBSD     

GPTで初期化

# fdisk -i -g wd1
Do you wish to write new GPT? [n] y
Writing MBR at offset 0.
Writing GPT.
# fdisk wd1
Disk: wd1       Usable LBA: 64 to 4194240 [4194304 Sectors]
   #: type                                 [       start:         size ]
------------------------------------------------------------------------
   3: OpenBSD                              [          64:      4194177 ]
パーティションの詳細を見る
↓
# fdisk -v wd1
Primary GPT:
Disk: wd1       Usable LBA: 64 to 4194240 [4194304 Sectors]
GUID: 09d92128-d884-40f8-9e17-a606721cd8c7
   #: type                                 [       start:         size ]
      guid                                 name
------------------------------------------------------------------------
   3: OpenBSD                              [          64:      4194177 ]
      376b4152-9c45-4d7a-8392-5f0f3e015d51 OpenBSD Area                    

Secondary GPT:
Disk: wd1       Usable LBA: 64 to 4194240 [4194304 Sectors]
GUID: 09d92128-d884-40f8-9e17-a606721cd8c7
   #: type                                 [       start:         size ]
      guid                                 name
------------------------------------------------------------------------
   3: OpenBSD                              [          64:      4194177 ]
      376b4152-9c45-4d7a-8392-5f0f3e015d51 OpenBSD Area                    

MBR:
Disk: wd1       geometry: 520/128/63 [4194304 Sectors]
Offset: 0       Signature: 0xAA55
            Starting         Ending         LBA Info:
 #: id      C   H   S -      C   H   S [       start:        size ]
---------------------------------------------------------------------------
 0: EE      0   0   2 - 532610   4   4 [           1:  4294967295 ] EFI GPT
 1: 00      0   0   0 -      0   0   0 [           0:           0 ] unused 
 2: 00      0   0   0 -      0   0   0 [           0:           0 ] unused 
 3: 00      0   0   0 -      0   0   0 [           0:           0 ] unused 
# 

installboot

OpenBSDでは、ブートローダの書込みにinstallboot(8)を使用する。

河豚板での実装

配布物

usbfadm

usbfadm (USB Flashdrive ADMinistration tool) - 河豚板付属のUSBメモリ管理ツール
実際はUSBメモリに限らず、ストレージデバイス全般で使用可

用途

syncコマンド
TMPFS内のデータをUSBメモリに保存する
読み出しは次回起動時に「起動モード3」を指定する。
newdriveコマンド
LiveUSB版の河豚板を新規作成する
LiveUSB版河豚板のディスクイメージを作成する

UEFI/GPT対応として、newdriveコマンドに

FuguIta.png

河豚板のパーティション構成

Hybrid MBRを用い、かつパーティションを全て作成する場合、右図のようになる。

#img(): File not found:

プラットフォーム依存部 - 組み合わせとデフォルト

「プラットフォーム毎の対応表」を見るとわかるように、ブート方法、及びパーティションテーブルの選択肢はプラットフォーム毎に変わってくる。例えばi386ではUEFIが、arm64ではLegacy BIOSを選択できてもOSが対応していないため、意味がない。
さらに、ユーザが「データ保存のみ」を選択した場合はブートローダが不要となる。以上より選択の組合せは以下のようになる。

Legacy BIOSUEFIHybridnon-boot
(data only)
MBRi386, amd64amd64, arm64N/Aall
GPTN/Aamd64, arm64N/Aall
HybridN/AN/Aamd64all
プラットフォーム毎の対応表

この複雑さを緩和するため、今回の改修では/usr/fugutia/etc/usbfadm.confというファイルを新設した。
例えば、i386の場合、このファイルに

disable_uefiboot=Yes

などと記述することで、UEFI起動を選択肢からはずせるようにした。 一方arm64の場合、Legacy BIOSでは起動できないので、

disable_legacyboot=Yes

となる。

またarm64の場合は以下の理由から、さらなる処理が必要となる。

Hybrid MBRの作成

OpenBSDでのUEFI実装で説明したように、OpenBSDのfdiskコマンドにはディスクをMBR、GPTそれぞれのパーティションで初期化する機能を持っているが、MBRとGPTを同時に作成しHybrid MBRとする機能は持っていない。

今回のUEFI対応では、以下のような方法でHybrid MBRを実装した。

mkHybrid.png

開発環境

初期

QEMU.png

開発の初期段階では、プロセッサエミュレータQEMUを用いて開発を行った。

QEMUは、デフォルトではLegacy BIOS (SMBIOS)として動作する。
UEFI起動を行うためには、-biosオプションでOVMF (Open Virtural Machine Firmware)を指定する。

#img(): File not found:

Legacy BIOS起動

# qemu-system-x86_64 -m 512 -hda install64.fs -hdb testhdd.img

UEFI起動

# qemu-system-x86_64 -m 512 -hda install64.fs -hdb testhdd.img -bios OVMF.fd

パーティション操作を行う対象となるディスクイメージファイルはrawイメージとした。
これにより、vnconfig(8)を用いてvnodeデバイスのディスクとして実環境でも扱えるようになった。

中期以降

usbfadmが一通り動作するようになってからはプラットフォーム依存部分を開発・動作確認したり、河豚板のリリースに組込む必要があるため、実ハードウェアにて開発を行った。

手順は概ね以下のとおり;

RealDev.png
#img(): File not found:

その他諸々

OVMFの不具合(?)

開発当初、OVMFを使ってQEMUを起動したところ不具合が発生。

何回か試行を行っていたところ正常に起動し、その後現象の再発なし。結局原因は不明

installbootの不具合

installbootは、EFIアプリケーションのインストールに失敗する。

# installboot -v -r /mnt vnd0 /fuguita/usr/mdec/biosboot /fuguita/usr/mdec/boot 
Using /mnt as root
installing bootstrap on /dev/rvnd0c
using first-stage /fuguita/usr/mdec/biosboot, second-stage /fuguita/usr/mdec/boot
newfs_msdos: /dev/rdfe15236c496b5df.i: No such file or directory   ←デバイスの指定がDUIDで行われている
installboot: unable to mount EFI System partition: No such file or directory

newfs_msdosによりEFI Sysのパーティションをフォーマットする段階で、なぜかデバイス名の指定でDUIDが使われるが、ここでコマンドが異常終了するため、処理が正常に完了しない。

UEFIのセットアップはEFI SysのパーティションをFATでフォーマットし、その中にディレトクトリを掘ってEFIアプリケーションを/usr/mdecからこのディレクトリにコピーするだけなので、installbootが失敗した場合に上記処理を行うworkaroundコードを追加した。


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Attach file: fileRealDev.fig 466 download [Information] fileRealDev.png 995 download [Information] fileQEMU.fig 441 download [Information] fileQEMU.png 1029 download [Information] filemkHybrid.fig 456 download [Information] filemkHybrid.png 979 download [Information] fileMBR.fig 454 download [Information] fileMBR.png 1067 download [Information] fileGPT.fig 437 download [Information] fileGPT.png 1001 download [Information] fileARM64.fig 457 download [Information] fileARM64.png 1021 download [Information] fileHyb.fig 450 download [Information] fileHyb.png 988 download [Information] fileFuguIta.fig 460 download [Information] fileFuguIta.png 1070 download [Information]

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Last-modified: 2019-02-21 (Thu) 19:43:29