GPT 分区 4k 扇区对齐和 UEFI 引导

换了 Thinkpad x230 本子,硬盘已 高级格式化 过,是 4k 扇区的

小黑的 mini PCI-E 接口支持 mSATA 就再加了一条 64G 的东芝 SSD

磁盘使用 GPT 分区表,系统引导也换用 UEFI 模式

  • HDD 上面安装 arch 然后装了个 win8
  • SSD 上面装的 gentoo

换了新玩法,先上张整理的思维导图,下面是折腾手记:

http://mind42.com/mindmap/1f733b68-19ac-4431-9ea4-c819328122c8

4k align and GPT parted UEFI

UEFI bootable usb

所有系统的安装需要在 UEFI mode 下面进行,要先搞一个能从 UEFI 启动的 LiveUSB

参考 archlinux wiki : 「Create_UEFI_bootable_USB_from_ISO」 可以简单制作一个启动盘

设置 BIOS 引导选项

将 BIOS boot 引导 UEFI/Legacy BOOT 修改为 UEFI ONLY

插上 U 盘

开机按 F12 就可以引导 archlinux LiveUSB 了

4k 扇区对齐

对 4k sector 硬盘分区,要实现扇区对齐,可以partedgdisk 两个分区工具:

命令描述
parted支持 MBR / GPT 分区之间没有间隙
gdisk只支持 GPT 分区之间有间隙

工具测试

下面分别使用 gdisk 和 parted 测试以下分区大小:

挂载点/boot//home
分区大小200M200M~30G30G~60G

使用 parted /dev/sda unit s print free 命令查看两个工具,扇区对齐的结果不同

gdisk 每个分区起始扇区都为 8 的倍数,但在分区之间会留一段 2047s 大小的空隙:

Number  Start       End          Size         File system  Name  Flags
        34s         2047s        2014s        Free Space
 1      2048s       409600s      407553s                   boot
        409601s     411647s      2047s        Free Space
 2      411648s     62914560s    62502913s                 root
        62914561s   62916607s    2047s        Free Space
 3      62916608s   125829120s   62912513s                 home

parted 实现的扇区对齐,分区之间是连续的,分区的起始也为 8 的整数倍:

Number  Start       End          Size         File system  Name  Flags
        34s         2047s        2014s        Free Space
 1      2048s       391167s      389120s                   boot
 2      391168s     58593279s    58202112s                 root
 3      58593280s   117186559s   58593280s                 home

parted 分区

注意: 使用 parted 进行分区时 第一个分区 的起始参数要用 0% 而不是 0

# parted /dev/sda mklabel gpt mkpart primary 0% 200M

如果使用数字 0 作为分区开始,则无法实现分区对齐 parted 会提示警告:

Warning: The resulting partition is not properly aligned for best performance.

Number  Start  End      Size     File system  Name  Flags
 1      34s    390625s  390592s               boot
        ^^^
        强行确认,起始扇区是 34s

ESP (EFI System Partition) 分区

ESP 分区的 3 个配置项:

选项配置
分区类型 ( partition type code )EF00
分区大小200M ~ 500M
文件系统FAT32

分区类型

ESP 的分区类型是 EF00 使用 parted 设置 GPT 分区 set <ID> boot on

即可将分区类型设置为 EF00 参考自 wiki : 「UEFI Gentoo Quick Install Guide」

Setting the boot flag by parted in a MBR partition marks that partition as bootable, while in a GPT partition it is marked as EFI System Partition

parted 无法看到分区 code:

# parted /dev/sda print
...  ...
Number  Start   End    Size   File system  Name  Flags
 1      1049kB  200MB  199MB               ESP   boot

gdisk 可以列出分区 code 用来判断是否为正确的分区类型: EF00

# gdisk -l /dev/sda
...  ...
Number  Start (sector)    End (sector)  Size       Code  Name
   1            2048          391167   190.0 MiB   EF00  ESP

分区大小

磁盘扇区大小不同 ESP 大小也是不一样的。翻了好多文档,不同的文档有不同的解释。

「Configure UEFI/GPT-Based Hard Drive Partitions」

文档的 DiskPartitionRules 章节 Note 部分定义的 ESP 分区大小:

For Advanced Format 4K Native drives (4-KB-per-sector) drives, the minimum size is 260 MB, due to a limitation of the FAT32 file format. The minimum partition size of FAT32 drives is calculated as sector size (4KB) x 65527 = 256 MB. Advanced Format 512e drives are not affected by this limitation, because their emulated sector size is 512 bytes. 512 bytes x 65527 = 32 MB, which is less than the 100 MB minimum size for this partition.

引用中的 65527 是指 FAT32 文件系统支持的最少的 (和 Linux 文件系统的 block 同一个概念)

「Windows XP 中 FAT32 文件系统的限制」 文档解释:

使用 FAT32 文件系统时,请注意下列限制:… FAT32 卷必须至少包含 65527 个簇

上面解释的 ESP 的大小,应该是针对 windows 系统。UEFI 支持的文件系统 FAT32 毕竟是微软搞的

没有找到 Linux 下对 ESP 大小定义的具体数据,仅从从 gentoo wiki 找到下面一段对 ESP 大小的描述:

http://gentoo-en.vfose.ru/wiki/UEFI#File_system_support

The optimum size of the ESP varies depending on the number of OSes you’re installing and the Linux boot loader you choose to use. In particular, ELILO and the Linux kernel’s built-in EFI stub loader both require that the Linux kernel and associated RAM disk be stored on the ESP, so you should size the ESP much as you’d size a separate Linux /boot partition (or larger) – a minimum of 200 MiB, with 500 MiB being a more desirable size. If you use GRUB as your boot loader, the kernel can reside on a Linux partition, and the boot loader’s needs are more modest, so 100-200 MiB may be a reasonable size. Making your ESP larger than necessary can increase your flexibility for future choices.

那对于 linux ESP 分区大小:

  • 高级格式化的 4k 扇区硬盘 ESP 分区大小最小可设置为 256M
  • 高级格式化的 512e 和普通的 512 扇区磁盘,ESP 最小可设置为 100M

我安装双系统的 HHD 上指定 ESP 大小为 500M ;SSD 指定 300M 都可以正常引导

HDD:

Number  Start   End     Size    File system  Name   Flags
 1      1049kB  500MB   499MB   fat32        ESP    boot

SSD:

Number  Start   End     Size    File system  Name   Flags
 1      1049kB  300MB   299MB   fat32        ESP    boot

UEFI 引导

EFI stub boot 直接引导

EFI Boot Stub 可以直接通过 UEFI 加载内核,引导系统 EFI System partition 的相关描述:

EFI Boot Stub makes it possible to boot a Linux kernel without
the use of a conventional UEFI boot loader, such as GRUB2 or elilo.

gentoo wiki : 「EFI_stub_kernel」 提到首先要启用 CONFIG_EFI_STUB 等相关 kernel 配置

注意 :使用 EFI stub boot 需要将 root 分区路径,以及其他内核参数通过 CONFIG_CMDLINE 变量编译进 kernel

UEFI does not pass kernel parameters to the kernel during normal boot, so you need to hardcode them via CONFIG_CMDLINE. Example for the root partition on /dev/sda2.

GRUB 引导

可以使用 UEFI 引导 grub 然后通过 grub 加载内核,引导系统。和之前 BIOS/MBR 模式类似

相比上面的 EFI boot stub 引导方式,使用 grub 引导 kernel 可以随时修改 kernel 的引导参数

比如 进单用户模式修改 SSD 的磁盘调度策略 等 ……

EFI 模式下 gentoo 安装 grub 已经自动化了,基本不需要手动安装配置了,「GRUB2 wiki」 中的安装操作步骤, 看完了让人凌乱了,有些操作是之前 手动安装 的方式,而且文档中的路径也很乱,明显是不同人编辑 wiki 时, 使用的是自己的安装的路径,大家越改越乱 -_-# 下面是我的安装操作:

自动安装 GRUB

# echo 'GRUB_PLATFORMS="efi-64"' >> /etc/portage/make.conf

# mkdir -pv /boot/efi/EFI/BOOT
mkdir: created directory '/boot/efi/EFI'
mkdir: created directory '/boot/efi/EFI/BOOT'

安装 grub2 时,emerge 会自动安装依赖 sys-boot/efibootmgr

# emerge -avj grub:2

grub2-install 安装时,会自动调用 efibootmgr 添加引导项,都已自动化,无需额外补刀了

# grub2-install --target=x86_64-efi --efi-directory=/boot/efi /dev/sdb
BootCurrent: 0018
Timeout: 0 seconds
BootOrder: 001A,0000,0001,0002,0003,000D,0018,0019,000A,000C,0007,0008,0009,000B,000E,000F,0010,0011,0012
Boot0000  Setup
Boot0001  Boot Menu
...
Boot0018* arch_grub
Boot0019* Windows Boot Manager
Boot001A* gentoo
Installation finished. No error reported.

根据 kernel 生成配置文件:

# grub2-mkconfig -o /boot/grub/grub.cfg

下面是安装好 grub 后 /boot 下相关的文件目录结构:

$ tree -F /boot/efi
/boot/efi
└── EFI/
    ├── BOOT/       ## BOOT 目录为空,没有用到
    └── gentoo/
        └── grubx64.efi*

$ tree -F /boot/grub/
/boot/grub/
├── grub.cfg
├── grubenv
├── locale/
│   ├── ...
│   └── zh_CN.mo
└── x86_64-efi/
    ├── core.efi
    ├── grub.efi
    ├── fat.mod
    ├── ext2.mod
    ├── part_gpt.mod
    ...

/boot/efi/EFI/gentoo/grubx64.efi/boot/grub/x86_64-efi/core.efi 是同一个文件 grubx64.efi 有执行权限而已

# find /boot -name '*.efi'|xargs md5sum
29075033ec7ac6834560657d8251370a  /boot/efi/EFI/gentoo/grubx64.efi
29075033ec7ac6834560657d8251370a  /boot/grub/x86_64-efi/core.efi
d214e057be029b1ac965401c2db2d0b4  /boot/grub/x86_64-efi/grub.efi

如果是 手动安装 grub 要自己将 /boot/grub/x86_64-efi/core.efi 复制到 /boot/efi/EFI/ 下的

之后重启系统,在 BIOS boot 设置中,可以看到刚安装的 gentoo 引导项

设置为默认后,进入系统,使用 efibootmgr 可以查看引导顺序已是 001A 对应的是 gentoo

# efibootmgr
BootCurrent: 001A
Timeout: 0 seconds
...

efibootmgr 命令也可以修改引导顺序,还没测试,后面有机会,试试看。基本折腾完了。


本文标题GPT 分区 4k 扇区对齐和 UEFI 引导
原始链接https://lvii.github.io/system/2013-10-26-parted-gpt-4k-sector-align-and-uefi/

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