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title: Gears OS UEFI対応
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  }

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<!-- class: title -->
# <!--fit--> Gears OS のBootに関する研究

- 奥田光希
    - 琉球大学工学部工学科知能情報コース
- 河野 真治
    - 琉球大学工学部

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# OSとアプリケーションの信頼性を高めたい

- Meta計算を用いて信頼性を高めるGearsOSを提案している
- x.v6を元にRaspberry Pi上で動くGears OSを実装中
- キーボードやマウスが使えない
- デバイスドライバを作る必要がある
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# BIOS問題
- x.v6の起動はBIOSを使っている
- IntelがBIOSとの互換を無くした
- BIOSを前提としたOSが動かなくなる
また
- キーボードやマウスはUSBが主流
- USBドライバを作るのは難しい
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# <!--fit--> Gears OSをUEFIでBootさせよう
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# UEFIへの移行
- CPUなどの機種依存性を避けることができる
- GearsOSはCbC(Continuation based C)で記述されていて、CPUやデバイスに影響されない
- 様々な組み込みシステムに対してGears OSを応用できる様になる
- UEFIのApplicationによりUSBドライバ開発が簡単になる

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# 研究の成果
- UEFIの開発環境をSingularityで作成した
- gnu-efiで作成したUEFI Applicationをqemu-system-armで動かすことができた
- RaspberryPiにUEFIをファームウェアとして設定し、実行することができた
- ミニマムなKernel Loaderを調査しARM xv6用に書き直した
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# CbC(Continuation based C)
- 並列信頼研究で開発されているプログラミング言語
- C言語の下位言語
- 関数呼び出しではなく継続(goto)
- 関数の代わりにCodeGearという単位でプログラミングを行う。

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# GearsOS
- 並列信頼研究で開発されているOS
- 信頼性と拡張性がテーマ
- CbCによって記述されている
- x.v6をCbCで書き直して実装している
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# UEFI
- Unified Extensible Firmware Interfaceの略
- OSとプラットフォームファームウェアの間のソフトウェアインタフェースを定義する仕様
- Intel、AMD、Apple、Microsoftなどの企業からなるUnified EFI　Forumの元で開発
- BIOSの後継
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# UEFIの利点
- CPUやドライバに依存しない
- 2TBを超える大きなディスクからBootできる
- メモリも64bitなら理論上16EB
- BIOSより高速でBootできる
- オープンな仕様だから開発が簡単

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# UEFI 開発環境
- EDK2
- gnu-efi
- qemu
- Singularity

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# gnu-efi
- UEFIアプリ開発ツール
- UEFI Applicationをリンクするためのライブラリがある
- UEFI Applicationの開発に特化している
- EDK2のファームウェアがベース
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# qemu
- 異なるアーキテクチャのプログラムを動かすエミュレータ
- 本開発ではX86上でARMを動かした
- gnu-efiで実装したUEFIを動かした
```
$ qemu-system-arm (gnu-efiで作ったUEFI) 
```


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# singularity
- ユーザーが自身の計算環境を完全再現し、保持できる様にしたLinuxコンテナ
- 学科のサーバーで利用できる
- CbC GCC ARM CrossCompile環境を作った
- UEFIの開発環境を作った
```
Singularity> qemu-system-arm (gnu-efiで作ったUEFI) 
```

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# UEFI Application
- UEFI Boot Managreがロード、実行するプログラムのこと
- C言語で記述可能
- OSがなくてもプログラムを書ける
- CPUやドライバに依存しない

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# UEFI Applicationの例
Hello.c
``` 
#include <efi.h>
#include <efilib.h>
 
EFI_STATUS
EFIAPI
efi_main (EFI_HANDLE ImageHandle, EFI_SYSTEM_TABLE *SystemTable)
{
  InitializeLib(ImageHandle, SystemTable);
  Print(L"Hello, world!\n");
  return EFI_SUCCESS;
}
```
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# Gears OS UEFI Bootの課題
- UEFIからx.v6はBootできない
- x.v6はUEFIに対応されてない
- x.v6のBootLoaderが必要
- BootLoaderを作成する 
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# Boot Loader

- OSをLoadしてBootさせる役割をもつプログラム
- UEFI ApplicationとしてC言語で実装できる
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# Boot Loaderの役割
1. 電源が入る
1. UEFIが立ち上がる
1. Boot ManagerからBootLoaderが起動する
1. BootLoaderがOSのKernelをメモリにLoadさせる
1. KernelがOSのinitプロセスを起動
1. initプロセスがOSのBootプロセスを起動
1. OSがBootされる

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# BootLoader.c
- efi_mainの引数設定

```
#include<efi.h>
#include<efilib.h>

EFI_STATUS
efi_main(EFI_HANDLE ImageHandle, EFI_SYSTEM_TABLE *SystemTable)
{
    EFI_DEVICE_PATH *Path;
    EFI_LOADED_IMAGE *LoadedImageParent;
    EFI_LOADED_IMAGE *LoadedImage;
    EFI_HANDLE Image;
    CHAR16 *Options = L"root=/dev/sda2 rootfstype=btrfs rw quiet splash";
    EFI_STATUS Status=EFI_SUCCESS;

    InitializeLib(ImageHandle, SystemTable);
    Print(L"Hello, EFI!\n");
```
---
- uefi_call_wrapperでプロトコルを呼び出している

```
    Status = uefi_call_wrapper(BS->OpenProtocol, 6, ImageHandle, &
    LoadedImageProtocol,(void**)&LoadedImageParent, 
    ImageHandle, NULL, EFI_OPEN_PROTOCOL_GET_PROTOCOL);
```

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- xv6.imgのデバイスパスをPathに格納している
- このデバイスパスはKernelをLoadするときに使う
```
    Path = FileDevicePath(LoadedImageParent->DeviceHandle, L"\\xv6.img");
```

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- ここでデバイスパスを使いKernelをLoadする。
- これでKernelがメモリに展開される。
```
    Status = uefi_call_wrapper(BS->LoadImage, 6, FALSE, ImageHandle,
     Path, NULL, 0, &Image);
```

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- Loadされたイメージを起動
- Kernelが起動する
```    
    Status = uefi_call_wrapper(BS->StartImage, 3, Image, NULL, NULL);
    uefi_call_wrapper(BS->UnloadImage, 1, Image);
    FreePool(Path);
    
    return EFI_SUCCESS;
}
```
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# 大変だったこと
- EDK2は汎用的だがARMのConfigなどの書き換えが困難
- UEFI開発の情報が少なく、偏りがあった
- UEFI独特のプログラムの書き方があった
- 低レベルの開発に慣れていなかった

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# 今後の課題

- Singularity上のqemu-system-armにgdbを接続する
- そのgdbでKernel Loaderをデバックする
- xv6 KernelにUEFIからBootするコードを入れる
- xv6を書き換えたGears OSを実装する
- USB Driverを実装し、キーボードやマウスを使える様にする