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基于GRUB启动

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小牛编辑
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2023-12-01

boot 是怎样工作的？

当 X86 电脑开机后，经过一个复杂的阶段后，控制权将交给内核的 "main" 入口 (kmain())。 在本章中，我们仅仅了解BIOS引导的方式，不关注 UEFI (统一可扩展固件接口)。

BIOS启动的过程是：RAM detection(RAM检测) -> Hardware detection/Initialization （硬盘检测）-> Boot sequence（启动顺序）.

最重要的一步是"Boot sequence"（启动顺序）， BIOS在此阶段结束后将尝试交换控制权到下个阶段的bootloader（引导程序）。

在"Boot sequence"阶段，BIOS将选择一个"boot device"（启动设备），比如floppy disk（闪存）, hard-disk（硬盘）, CD, USB flash memory device（USB设备） 或者 network（网络）。我们的操作系统将从硬盘初始化启动，当然以后也可以从CD，USB介质启动。 判断设备是否能够引导，还需校验该设备是否包含Master Boot Record (MBR：主引导记录），校验手法是判断偏移第511字节为0x55，第512字节为0xAA，这两个字节二进制表示为 0b1010101001010101，如果这两个字节不等于 0x55AA，则该设备不能被引导。

BIOS搜寻引导设备的方式是从每个设备的引导区加载前512字节到物理内存的 0x7C00 处。 当上述的标志校验通过后，BIOS通过跳转执行0x7C00的引导区代码，从而交换控制权。

此时的CPU还是运行在16位模式（X86向后兼容的特性）。为了执行我们的32位内核，引导程序必须切换CPU到保护模式下。

译者注：对boot做精确的中文定义是比较难的，大部分翻译为引导或启动。

GRUB是什么?

GNU GRUB（简称“GRUB”）是一个来自GNU项目的启动引导程序。GRUB是多启动规范的实现，它允许用户可以在计算机内同时拥有多个操作系统，并在计算机启动时选择希望运行的操作系统。GRUB可用于选择操作系统分区上的不同内核，也可用于向这些内核传递启动参数。.

简而言之，GRUB就是用来启动后加载存储在硬盘上的内核。

为何使用GRUB?

  • GRUB易于使用
  • 可以直接用来加载32位内核
  • 支持多系统引导(Multiboot with Linux, Windows and others)
  • 易于加载额外模块到内存

如何使用GRUB?

GRUB使用 多启动规范,被其加载执行的二进制执行文件应该是32位并且前8192字节必须包含指定的multiboot header（多启动规范头）。我们的内核是 ELF 执行文件，ELF 是大多数UNIX系统下的标准执行文件格式。

我们内核的第一启动顺序由汇编写成：start.asm ，并使用链接器链接到我们的内核结构体上：linker.ld

译者注： 让我们深入了解下链接脚本 linker.ld

链接脚本主要用于规定如何把输入文件内的section放入输出文件内, 并控制输出文件内各部分在程序地址空间内的布局

/* 定义输出文件的格式 */
OUTPUT_FORMAT(elf32-i386)
/* 设置输出文件的machine architecture(体系结构) */
OUTPUT_ARCH(i386)
/* 入口地址(entry point): 进程执行的第一条用户空间的指令在进程地址空间的地址 ，将符号_start的值设置成入口地址 */
ENTRY (_start)

SECTIONS{
    /* 据说是grub规定内核必须被加载到1M以上的内存  0x00100000为1 MiB. */
    . = 0x00100000;

    /* 代码区 */
    .text :{
        *(.text)
    }

    .data ALIGN (0x1000) : {
       start_ctors = .;
       *(.ctor*)
       end_ctors = .;
       start_dtors = .;
       *(.dtor*)
       end_dtors = .;
       *(.data)
    }

    /* 只读数据 4K对齐 */
    .rodata ALIGN (0x1000) : {
        *(.rodata)
    }

    /* 数据(已被初始化) 4K对齐 */
    .data ALIGN (0x1000) : {
        *(.data)
    }

    /* 数据（未被初始化) 和栈 */ 
    .bss : {
        sbss = .;
        *(COMMON)
        *(.bss)
        ebss = .;
    }
}

引导程序也初始化一些C++运行时，在后面的章节中将有所描述。

Multiboot多协议规范头结构体：

struct multiboot_info {
    u32 flags;
    u32 low_mem;
    u32 high_mem;
    u32 boot_device;
    u32 cmdline;
    u32 mods_count;
    u32 mods_addr;
    struct {
        u32 num;
        u32 size;
        u32 addr;
        u32 shndx;
    } elf_sec;
    unsigned long mmap_length;
    unsigned long mmap_addr;
    unsigned long drives_length;
    unsigned long drives_addr;
    unsigned long config_table;
    unsigned long boot_loader_name;
    unsigned long apm_table;
    unsigned long vbe_control_info;
    unsigned long vbe_mode_info;
    unsigned long vbe_mode;
    unsigned long vbe_interface_seg;
    unsigned long vbe_interface_off;
    unsigned long vbe_interface_len;
};

通过使用命令 mbchk kernel.elf 来检验 kernel.elf 文件是否符合multiboot标准，也可以通过命令 nm -n kernel.elf 校验ELF二进制文件不同对象的偏移量。

创建内核和GRUB磁盘镜像

译者注： 首先读者应该了解下磁盘相关的知识：

disk

磁道：Track，可以理解为一个圆形盘片由许许多多的同心圆组成，每一个同心圆可以认为是一个磁道。（硬盘是一个高速旋转的东西，当磁盘旋转时，磁头若保持在一个位置上不动，则磁头会在磁盘表面划出一个圆形轨迹，这些圆形轨迹就叫做磁道）

扇区：Sector，可以联想到“扇形区域”，磁盘上的每个磁道被等分为若干个弧段，这些弧段便是磁盘的扇区，每个扇区的大小为512个字节，磁盘驱动器在向磁盘读取和写入数据时应该以扇区为单位。

柱面：Cylinder，硬盘通常由重叠的一组盘片构成，每个盘面都被划分为数目相等的磁道，并从外缘的0开始编号，具有相同编号的磁道形成一个圆柱，称之为磁盘的柱面。显然，磁盘的柱面数与一个盘面上的磁道数是相等的。

磁头：Head，当然是读取信息用的了。每个盘面都有自己的磁头，如果盘面的双面都记录信息，那么双面都应该有磁头。所以，硬盘的容量计算公式如下：硬盘的容量=柱面数×磁头数×扇区数×512（字节数）

脚本 diskimage.sh 可以生成一个给QEMU使用的磁盘镜像。

下面是该脚本的部分解释：

首先使用 qemu-img 创建硬盘镜像(c.img)：

qemu-img create c.img 2M

接下来使用 fdisk 给磁盘分区:

fdisk ./c.img

# Switch to Expert commands 专家命令模式
> x

# Change number of cylinders (1-1048576) 设置柱面数量
> c
> 4

# Change number of heads (1-256, default 16): 设置磁头数量
> h
> 16

# Change number of sectors/track (1-63, default 63) 设置每个磁道的扇区数量
> s
> 63

# Return to main menu 返回主菜单
> r

# Add a new partition 增加新的分区
> n

# Choose primary partition 设置为主分区
> p

# Choose partition number 设置分区号
> 1

# Choose first sector (1-4, default 1) 设置起始扇区
> 1

# Choose last sector, +cylinders or +size{K,M,G} (1-4, default 4) 设置分区大小为整个磁盘
> 4

# Toggle bootable flag 切换启动标志
> a

# Choose first partition for bootable flag 设置第一分区为引导区
> 1

# Write table to disk and exit 写入
> w

现在需要使用 losetup 连接镜像c.img为loop-device（伪设备），伪设备能使我们像块设备一样访问一个文件。 losetup需要传入一个分区偏移量参数，该参数可以通过 offset= start_sector * bytes_by_sector 计算得到。

使用 fdisk -l -u c.img, 将得到: 63 * 512 = 32256.

# fdisk -l -u c.img            
You must set cylinders.
You can do this from the extra functions menu.

Disk c.img: 0 MB, 0 bytes
16 heads, 63 sectors/track, 0 cylinders, total 0 sectors
Units = sectors of 1 * 512 = 512 bytes
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes
Disk identifier: 0xe8c36f7f

Device Boot      Start         End      Blocks   Id  System
c.img1   *          63        4031        1984+  83  Linux

losetup -o 32256 /dev/loop1 ./c.img

使用mse2fs对设备创建EXT2文件系统

mke2fs /dev/loop1

拷贝bootdisk下的文件到挂载的磁盘上：

mount  /dev/loop1 /mnt/
cp -R bootdisk/* /mnt/
umount /mnt/

在该磁盘上安装GRUB:

grub --device-map=/dev/null << EOF
device (hd0) ./c.img
geometry (hd0) 4 16 63
root (hd0,0)
setup (hd0)
quit
EOF

卸载该伪设备:

losetup -d /dev/loop1

参考

译者注：

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