History of EBUG勉強会/20190223_UEFI_GPT(No. 8)

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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

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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。

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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。

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Legacy BIOS / MBR (参考)†

#ref(): File not found: "MBR2.png" at page "EBUG勉強会/20190223_UEFI_GPT"

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:

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UEFI / GPT†

#ref(): File not found: "GPT3.png" at page "EBUG勉強会/20190223_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GUID=xxxxxxxxx-xxxxxxxx-xxxxxxxxx-xxxxxxxxxxxxxxx (EFI Sys)となっている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:

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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:

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Hybrid MBR†

#ref(): File not found: "Hyb3.png" at page "EBUG勉強会/20190223_UEFI_GPT"

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:

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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。

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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]

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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