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使用 BIOS 引导和 UEFI 引导的 GPT 分区的区别和制作方法

使用 BIOS 引导和 UEFI 引导的 GPT 分区的区别和制作方法

最后更新于 2020-11-11 发布于 2018-12-13

近年来在 FreeBSD 中，“分区”几乎总是使用 GPT（GUID Partition Table）无论磁盘大小如何，这几乎是不言而喻的选择。但是，“BIOS 引导”和“UEFI 引导”在分区方案上有细微差异^1^。本文将阐明两者之间的区别，并展示可用于引导的分区配置示例。

前提条件

本文假定操作的是 SATA 硬盘，设备名称表示为（/dev/）ada0。如果操作的是 SAS/USB 硬盘，则设备名称应为 daｎ；对于 NVMe 硬盘应为 nvdｎ；对于 eMMC 存储则为 mmcsdｎ（其中ｎ为 0 或更大的整数）。

共同事项

因为它是 GPT 分区，所以在任何步骤中，都有一些必须执行的命令^ 2^。

gpart create -s GPT ada0

为了简化讨论，假定要划分如下所示的分区。

设备名称分区类型用途

ada0p1

FreeBSD 引导或者 EFI

引导区域

ada0p2

免费 bsd-ufs^ 3^

自由的 BSD 領域

ada0p3

免费 bsd 交换

交換空間

在本次講話中，ada0p2 和 ada0p3 被視為相同的共同步驟。換句話說，執行以下命令在「當前時刻無實際用處」^4^^5^^6^。

gpart add -t freebsd-ufs  ada0
gpart add -t freebsd-swap ada0

BIOS 启动的情况下

gpart add -t freebsd-boot -b 40 -s 984  ada0

  • 定义“freebsd-boot”分区作为引导分区。如果不是“freebsd-boot”，引导程序将无法找到该区域。

  • 从逻辑块地址（LBA）40 处开始，指定起始位置为 40 个扇区（LBA 40）。

    • GPT 分区头大小（GPT 头大小）为 34 扇区^ 7 ^，但对于 4KiB 扇区兼容磁盘，扇区起始位置将被舍入为 8 的倍数。

    • 可能为了考虑这一点，最近 GPT 头大小变成了 40 扇区（从哪个版本开始尚未确认）。

  • 个人建议指定区域大小（ -s ）为 984 个扇区。

    • 下一个区域（freebsd-ufs）从 512Kib 起始位置开始有好处 ^ 8 ^。

    • 由于引导加载程序的限制，必须将大小限制在 545Kib 以下（本次大小为 492Kib）。

    • 因此，缩小没有意义，也没有必要进一步扩大。

gpart bootcode -b /boot/pmbr -p /boot/gptboot    -i 1 ada0
        または
gpart bootcode -b /boot/pmbr -p /boot/gptzfsboot -i 1 ada0

完成引导加载程序的安装。引导加载程序将在ＦｒｅｅＢＳＤ分区^ 9^^ 10^上搜索，并将控制转移到 /boot/loader 或 /boot/zfsloader。

对于ＵＥＦＩ启动

gpart add -t efi -b 40 -s 409560 ada0

  • 定义一个名为「efi」的分区作为引导分区。如果不是「efi」，ＵＥＦＩ将无法检测到这个区域。

  • 从扇区 40（LBA40）指定开始位置（ -b ）。

    • GPT 分区标头大小（GPT 标头大小）为 34 个扇区^7^，但是对于 4Kib 扇区对齐的磁盘来说，扇区起始位置会被舍入到 8 的倍数。

    • 最近，为了考虑这一点，GPT 标头大小可能变为了 40 个扇区（版本未知）。

  • 领域大小的指定（ -s ）建议指定为 40960 个扇区。

    • 对于这个设置，freebsd-ufs 的下一个区域的起始位置将从 200 MiB 的边界开始 ^ 8 ^。

    • 领域大小严格来说略小于 200 MiB（少了 40 个扇区，即 20 KB），不过这个误差可以忽略。

    • 目前（11.2-R 版本）/boot/boot1.efifat 引导区的大小为 800KiB。

    • 在 10.4-R 或 11.1-R 版本中，建议将此区域保留 200MiB，考虑到与其他操作系统（如 macOS）的兼容性设置，因此如果单独启动 FreeBSD，当前的 800KiB 大小是没有问题的。

    • 在 bsdisnstall: increase EFI partition size to 200MB 的讨论中，认识到对于类似固件更新工具的 EFI 应用程序还需要空间，因此认为 800KiB 的大小实在是太少了。

newfs_msdos -F 32 -c 1 -L EFISYS /dev/ada0p1
mount -t msdosfs /dev/ada0p1 /mnt
mkdir -p /mnt/EFI/BOOT
cp /boot/loader.efi /mnt/EFI/BOOT/BOOTX64.efi
umount /mnt
        または
gpart bootcode -p /boot/boot1.efifat -i 1 ada0

到此为止，启动加载程序的安装就完成了。启动加载程序会查找 FreeBSD 区域^ 11^ 来继续引导过程。

常见问题及解答

问：怎么跟 Bootable UEFI U 盘或硬盘上的步骤不一样啊？

一切都好。沒問題。時代已經追上我了。

問：經過一番調查，似乎對於在 /boot/boot1.efifat 目錄中寫入內容，有許多不同的步驟，哪一個才是正確的？

一切都好。沒問題。但是不建議使用任何這些步驟。

/boot/boot1.efifat 是分区镜像本身。极端来说可以认为是 dd if=/dev/ada0p1 of=/boot/boot1.efifat 的内容。实际在构建时正在做类似的事情。

因此，无论是使用 dd(8)还是 gpart(8)写入都是一样的。但毫无疑问，更智能的选择是使用 gpart(8)。

但最好不要使用/boot/boot1.efifat。关于之前提到的 200 MiB 扩展的问题，使用它会将 200 MiB 区域中的 800 KiB 变成只能访问的区域。

尽管已经保留了 200 MiB 的空间，但却无法运行 EFI 应用程序。

在新安装中没有问题，但如果想要更新，可能会走入不必要的方向而消失。

在进行操作系统更新时，是否需要更新引导分区？

常常需要但并非总是必要。然而…

  1. 如果从 UFS 启动，由于 UFS 格式的稳定性，bootloader 代码没有更改，因此几乎不会出错。如果出现问题，可能是在从 UFS1 升级到 UFS2 时。因此，即使未更新，也不会出现问题，或者可能不会被发现。

  2. 如果从 ZFS 启动，由于 ZFS 格式的不稳定性，bootloader 代码会发生变化，因此需要经常维护，否则可能无法启动。在这方面， /usr/src/UPDATING 的 ZFS notes 中提到了“当升级启动的 ZFS 池版本时，需要更新 bootloader”的说明。

从这个角度来看，更新引导程序的步骤也应该进行系统化。

对于 freebsd-boot 分区，只需使用 gpart bootcode -p 进行覆盖即可，但对于 efi 分区，则需要在挂载后，使用 cp 进行覆盖（详见后文）。

问：如果分区号不是 1，那么任何号码都可以吗？

不要紧，最好不要做。

MBR 有 2 TiB 的限制，如果使用后续区域，BIOS 可能无法找到引导加载程序（freebsd-boot）。此外，如果分区编号与区域顺序不匹配，将会变得很麻烦。

我们处理的是 GPT，所以 MBR 应该不相关。

很遗憾。因为 GPT 是 MBR 的更高兼容性版本，所以别想了。

就 UEFI 启动来说，GPT 会被解释为 GPT，所以可以断然地说“无关紧要”。

但对于 BIOS 启动，GPT 会被看作 MBR 来操作。因此，在前 2TiB 的区域内需要存在引导加载程序（freebsd-boot）。不过，仅仅存在是问题的关键，并不关心分区号是多少。

问：系统是 UEFI 启动还是 BIOS 启动我不知道！

答：启动 Live CD 后执行 sysctl machdep.bootmethod 命令，可以确认是 UEFI 启动还是 BIOS 启动。

【附录】更新引导加载程序

BIOS 启动时

gpart bootcode -p /boot/gptboot    -i 1 ada0
        または
gpart bootcode -p /boot/gptzfsboot -i 1 ada0

UEFI 启动时

首先，在 /etc/fstab 中添加以下设置。

# Device    Mountpoint FStype  Options Dump Pass #
/dev/ada0p1 /boot/efi  msdosfs rw      0    0

接下来创建 /boot/efi 目录。

mkdir -p /boot/efi

手动挂载一次，当然也可以忽略重启后的问题。

mount /boot/efi

以后的更新如下。

cp /boot/loader.efi /boot/efi/EFI/BOOT/BOOTX64.efi

参考文献

  1. 在 BIOS 中通常被称为“MBR（Master Boot Record）引导”，但由于 2TB 限制和几乎消失了多重引导需求，现在已经统一为 GPT 启动（？）

  2. 此命令的执行无需任何更改。从兼容性的角度看，根本不应修改默认值。

  3. 虽然有时可能想将 freebsd-ufs 更改为 freebsd-zfs，但本次讨论将略过此内容。

  4. 实际上，需要使用 -s サイズ 选项来指定大小。如果未指定，则表示将剩余的全部内容作为意味着不能分配交换空间。

  5. 注意执行顺序。如果继续进行，将无法分配启动区域（分区编号将错一位）。

  6. 尽管可以使用 -i パーティション番号 或 -b 開始位置 -i パーティション番号 选项进行控制，但作为基本说明，我们愿意放弃。

  7. LBA 0 到 LBA 33 是 GPT 头区域。

  8. 近来，各种媒体（包括 4Kibytes HDD 和 NAND Flash 等）中充当边界的最小公倍数（即使有 512KiB，也适用于任何媒体）并不是一个糟糕的数字（应该）。

  9. gptboot 在 freebsd-ufs 区域中查找 /boot/loader，gptzfsboot 在 freebsd-zfs 区域中查找 /boot/zfsloader。 ↩

  10. 仅与存储着"/boot/(zfs)loader"的领域的文件系统相关联，因此在引导时会被视为 UFS，而在根目录中会被视为 ZFS，因此对于混合环境中的解释将作为"UFS"来处理。

  11. 尽管在搜索 freebsd-ufs 或 freebsd-zfs 领域时，它们的优先级和控制在这里很难解释，因此请参考参考资料。虽然并不复杂。但是由于需要对文件系统级别进行调整，因此需要深入了解一下。

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