History of EBUG勉強会/20190223_UEFI_GPT (No. 10)

• History
• View the diff.
• View the diff current.
• View the source.
• Go to EBUG勉強会/20190223_UEFI_GPT.
  • 1 (2019-02-14 (Thu) 15:18:04)
  • 2 (2019-02-14 (Thu) 18:36:54)
  • 3 (2019-02-15 (Fri) 11:23:28)
  • 4 (2019-02-15 (Fri) 12:40:22)
  • 5 (2019-02-15 (Fri) 14:33:20)
  • 6 (2019-02-16 (Sat) 04:42:57)
  • 7 (2019-02-16 (Sat) 13:50:16)
  • 8 (2019-02-16 (Sat) 17:06:09)
  • 9 (2019-02-19 (Tue) 14:01:19)
  • 10 (2019-02-19 (Tue) 19:06:22)
  • 11 (2019-02-19 (Tue) 19:06:22)
  • 12 (2019-02-20 (Wed) 15:02:39)
  • 13 (2019-02-20 (Wed) 23:32:18)
  • 14 (2019-02-21 (Thu) 13:34:01)
  • 15 (2019-02-21 (Thu) 19:43:29)
  • 16 (2019-02-21 (Thu) 19:43:29)

---

河豚板のUEFI/GPT対応†

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 (参考)†

UEFI登場以前から用いられてきた方法

• ハードウェア上のファームウェアがHDDのセクタ0にあるMBRブートコードを実行する。

• MBRブートコードは、ブートフラグがONになっているパーティションの先頭セクタにあるPBR (Partition Boot Record)に実行を移す。
  • OpenBSDでは、PBRは/usr/mdec/biosbootが用いられる。

• PBRはOpenBSDのルートファイルシステム上にある/bootを実行する。
  • この/bootが「boot>」プロンプトを表示し、カーネル起動に関するユーザからの指定を受け付ける。

• bootは指定にしたがって、該当するカーネルを起動する。

• なお、OpenBSD用と設定された区画(右図の例ではentry 3)は、同時にdisklabelユティリティによる管理範囲(OpenBSD Area)として設定される。 OpenBSD Areaの中にdisklabelによるBSDパーティションが作成され、ファイルシステムやスワップ領域として使われる(参考:他のBSDユーザのためのOpenBSD管理入門)。 #img(): File not found:

UEFI / GPT†

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

• ハードウェア上のファームウェアがGPT内でEFI Sysパーティションを探し、この中に \efi\BOOT\BOOT*.EFIという実行ファイル(EFIアプリケーション)があれば実行する。
  このファイル名は、
  • i386ではBOOTIA32.EFI
  • amd64はBOOTX64.EFI
  • arm64はBOOTAA64.EFI

となっている。

• OpenBSDのEFIアプリケーションは、「boot>」プロンプトを表示し、カーネル起動に関するユーザからの指定を受け付ける。
  これは、MBR起動の場合の/bootに相当する。

• EFIアプリケーションは指定にしたがって、該当するカーネルを起動する。

• なお、GPTの場合にも先頭セクタの部分に、従来のMBRとの互換性を考慮してprotective MBR (保護MBR)というものが書き込まれている。これはfdiskなどのMBRを扱うユティリティが誤ってMBRを書き換えないようにするためのものである。

• OpenBSD Area内の管理については、MBRの場合と同じ。 #img(): File not found:

UEFI / MBR†

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)。

• arm64ではUEFI用のパーティションIDは0C (FAT32L)、amd64インストーラではEF (EFI Sys)。

• arm64ではUEFI用のパーティション内にはU-BOOTも書き込まれている。

• amd64インストーラではMBR boot code、PBR、/bootもセットアップされ、Legacy BIOS・UEFIのどちらでも起動する。 #img(): File not found:

Hybrid MBR†

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。

• Legacy BIOS・UEFIのどちらでも起動することが期待できる。

• 非標準。規格上は定義されていない方法。

• 現状ではMBRとGPTとを同時に変更するツールがないため、作成後にパーテショニングを変更することが困難。 #img(): File not found:

†

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。

• 対象ディスクがMBRで区画分けされている場合、PBRと/bootを書込む

  # mount /dev/wd1a /mnt
  # installboot -r /mnt wd1 /usr/mdec/biosboot /usr/mdec/boot
                            ↑                 ↑
                            PBR                secondary loader
  # umount /mnt

• 対象ディスクがGPTで区画分けされている場合、EFIアプリケーションをEFI Sysパーティションに\efi\boot\*.EFIとして書込む

  # installboot wd1

†

• ISO版は変更しない。

• img版は、以下のように対応する。
  • i386版は、Legacy BIOS/MBRにする(UEFIアプリケーションが供給されていないため)。

• amd64版は、Hybrid MBRとし、Legacy BIOS/UEFIのいずれでも使用できるようにする。

• arm64版は、UEFI/MBRにする(オリジナルのOpenBSD/arm64と同じ)。

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メモリ限らず、ストレージデバイス全般で使用可

用途

• 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。

• 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

• LiveUSB版の河豚板を新規作成する機能に
  • 起動方法としてLegacy/BIOS and/or UEFIを指定出来るようにする

• パーティショニングとしてMBR and/or GPTを指定出来るようにする

河豚板のパーティション構成

• EFI sys ... UEFIブートの際に必要 (Legacy BIOS、データ保存専用デバイスでは不要)
• OpenBSD Area
  • a
    • 河豚板のファイルツリー(実際にはlndirを使ってtmpfsにマッピング)
    • デバイスをファイル保存用のみに使う場合は不要
  • d
    • usbfadmを使ってTMPFS内のデータをUSBメモリに保存する場合に必要
• FAT ... ユーザの指示がある場合、ディスクに空きがあれば作成

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:

アーキテクチャ依存部 - 組み合わせとデフォルト†

「アーキテクチャ毎の対応表」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アーキテクチャ毎に変わってくる。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。

• i386はEFIアプリケーションが供給されていないため、UEFI起動不可
• arm64はU-BOOT起動のため、Legacy BIOS起動不可

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、ie386の場合、このファイルに

disable_uefiboot=Yes

などと記述することで、UEFIブートを選択肢からはずせるようにした。

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。

• 基本はUEFI/MBRの構成だが、MBRブートフラグとUEFI Sysのパーティションタイプを変更する必要がある。

• OpenBSD/arm64では、

usbfadm_postproc.sh

開発環境†

---