基于Grub 2.00的x86内核引导流程

基于Grub 2.00的x86内核引导流程--源代码情景分析目前Linux中使用最广泛的的bootloader是Grub(GRand Unified Bootloader)。如今Grub 2已经替换了早期的0.9x系列版本的Grub Legacy，而且Grub Legacy已经不再开发维护。虽然Grub 2从名字上看像是Grub的升级版，但其源代码实际被完全重构了。现从源代码角度分析基于Grub 2.00的x86内核引导流程。

1. 磁盘简介

由于在Grub进行内核引导的过程中涉及到磁盘操作，先简介一下磁盘为后续引导流程分析作铺垫。磁盘三要素：由所有盘面上相同半径的同心圆形磁道(Track)组成的柱面(Cylinder), 磁头(Head), 扇区(Sector)之间的关系如下图所示：

对于磁盘，其最小存储单位为扇区（Sector），在相当长的一段时间里，扇区的大小固定在512 bytes[1]. 但是从2009年开始出现扇区大小为4096

bytes的磁盘，即Advanced Format disks。

对于扇区的编址，早期的方案是CHS编址(Cylinder-Head-Sector)，即用数据元组CHS tuples (c,h,s)的形式表示一个扇区的位置，但是在CHS编址时，扇区号是从1开始的，没有扇区0，但磁头和柱面编号都是从0开始的，即CHS编址起始于地址(0,0,1)。另外一种编址方案是LBA编址(Logical Block Addressing)，把整个磁盘的所有扇区资源统一分配序号。在2003年发布的ATA-6标准中，LBA采用48-bit地址。

CHS数据元组(c, h, s)根据如下公式转换成相应的LBA逻辑地址：

LBA= (c×Nheads + h)×Nsectors + (s ? 1)

其中：Nheads是硬盘中的磁头数目，Nsectors是每条磁道上可以划分的最大的扇区数目。上面的公式意味着LBA对扇区的编址是从0开始的，所以在Grub 的boot.S源代码中，当磁盘不支持LBA模式，代码执行流回退至CHS模式继续进行处理时，会将编址的起始地址调整成从1开始。

[1]Floppydisks and controllers use physical sector sizes of 128, 256, 512 and 1024 bytes(e.g., PC/AX), whereby formats with 512 bytes per physical sector becamedominant in the 1980s.

磁盘在使用过程中总是会涉及到分区方案，其中一个典型的四分区MBR磁盘结构如下所示：

其中：磁盘的0柱面、0磁头、1扇区即为主引导记录MBR(MasterBoot Record)扇区。它由三个部分组成：主引导程序bootloader、磁盘分区表和有效标志（0x55AA）。在总共512字节的主引导扇区里主引导程序（boot loader）占446个字节，第二部分是Partition table区（分区表），占64个字节，磁盘中分区有多少以及每一分区的大小都记在其中。第三部分是磁盘有效标志签名，占2个字节，固定为0x55AA。另外对于MBR磁盘，由于扇区空间限制分区表

最多占用64字节，每个分区表项占用16字节，所以其最多有4个分区。

后续对bootloader部分会有详细分析。先来分析磁盘分区表，其定义如下：Table 2 磁盘分区表项(DiskPartition Table)结构

磁盘分区表项结构定义对柱面、磁头和扇区的大小分别限定在10 bits、8 bits和6 bits，

该种定义隐含着限制了磁盘的大小。分区表可描述磁盘容量的大小根据如下公式计算：

MaxCapacity= Nheads×Nsectors×Ncylinders×SectorSize

取(c,h,s)的上限便可得到最大磁盘容量：

MaxCapacity= 256×64×1024×512 bytes = 8GB

即：现有的分区表项结构定义只能描述8GB容量以下的硬盘。

随着磁盘的容量越来越大，8GB的容量限制显然亟待扩容，最好的方式应该

是重新定义分区表项结构，但不幸的是：对于容量大于8GB的磁盘，磁盘分区表项结构定义并没有更新，只是将其中CHS相关的结构体变量设置成一个不合理配置(Cylinder = 1023, Head = 255, Sector = 63)，然后用32位LBA 扇区地址(Relative Sector)和32位分区长度(PartitionLength)去描述某个磁盘分区，但是该用法依然会限制磁盘容量：

MaxCapacity= 232 ? 512 bytes = 2TB

让人感觉更不合理的是：在2003年发布的ATA-6标准中，LBA采用48-bit 地址，在此分区表项定义中却只能使用其低32bit，这是一种自废武功的做法。为何不将结构体中空闲的CHS相关字段组合起来保存LBA-48的高16位呢？下面就是一种非官方的定义，悲哀的是：这种合理的定义并没有被实现。

Table 3 "Unofficial" 48bit LBA Proposed MBR Format

追根溯源，对于MBR磁盘，由于扇区空间大小的限制，留给磁盘分区表项的空间只有64 bytes，仅有的这点空间还要平均分配给若干个分区。清晰描述一个分区所需的最小空间需求摆在那里，无论怎么设计磁盘分区表项，用一个受限的分区表空间去描述的磁盘空间也同样是受限的。于是为了解决MBR磁盘分区表可描述磁盘容量受限的问题，在2004年，Wintel在共同推出的一种可扩展固件接口(EFI: Extensible Firmware Interface)的主板升级换代方案中提出了GPT分区模式。

GPT（Globally Unique Identifier Partition Table Format）磁盘分区模式虽然是EFI方案的一部分，但并不依赖于EFI主板，在BIOS主板的PC中也可使用GPT分区。与MBR分区方案的最大4个分区表项的限制相比，GPT 对分区数量没有限制。GPT还允许将主磁盘分区表和备份磁盘分区表用于冗余，支持唯一的磁盘和分区GUID。GPT分区方案目前在Windows操作系统上应用比较广泛。GPT分区方案示意图如下：

为了前向兼容性，在GPT分区方案中传统的MBR空间被保留下来，但是其用途是防止基于MBR分区的磁盘工具误判以及可能误写GPT磁盘。这也是第一个逻辑扇区LBA0称为保护分区PMBR(Protective MBR)的缘由。

Linux支持通过BIOS从基于GPT的磁盘中进行引导，即所谓的Hybrid MBR 模式。该模式下保护分区PMBR与传统的MBR作用相同：该扇区被用来存放引导程序bootloader第一阶段(Stage 1)的代码，但是磁盘分区表项中仅包含一种类型为0xEE的主分区表项(Primary Partition Entry)。

Note: 后续内核引导流程分析时，以当下主流的MBR分区磁盘为主，GPT 磁盘仅作提及，不作详述。

2. 基于Grub2.00的x86内核引导流程

有了磁盘简介的铺垫，现切入主题Grub 2.00内核引导源代码分析。整个分析过程基本都是一个逆向分析的过程，先介绍其用法及相关描述[1]，然后分析Makefile以确定生成某个可执行文件的依赖链，从而得出其对应的源文件，最后分析源文件解析其动作。

[1]对描述中涉及到英文的部分，为保留原意不致扭曲而不做翻译。毕竟在GNU Grub和Linux内核源代码中，所有文档注释都是英文描述。所以，英语，x86汇编语言，Makefile是内核开发过程中绕不过去的坎。

Grub的x86源代码主要分为四个部分，分别为位于目录grub-core/boot/i386/pc下的boot.S， diskboot.S， startup_raw.S，

以及grub-core/kern目录下的Grub main.c主模块相关代码。

2.1 Stage 1: boot.img分析

GNU的软件工程基本都依赖于Makefile去描述一个可执行文件的来龙去脉，由其编译过程可以整理出某个可执行文件的诞生过程：由哪些源文件编译，然后链接哪些库，以及还可能额外存在的二进制文件操作，比如objcopy，strip 等等。为了弄清楚boot.img的来龙去脉，需要理顺boot.img在Makefile中的依赖链：

由Makefile中的依赖链条可知：MBR中存放的bootloader的源代码就是boot.S，当然在编译过程中还涉及到一些其他细节，在此就不再展开。

先来分析boot.S。我原本打算摘一些重要的代码片段出来分析，但是之后发现boot.S中的代码是一个一气呵成的执行流，彼此之间相互铺垫但又甚是简洁明了。鉴于boot.S是MBR中的bootloader，我们有时候好奇在加电开机的瞬间到底发生了什么，操作系统到底是怎么一步步被引导起来的，下面就是加电开机“宇宙大爆炸”的瞬间：

结论：MBR中的boot.S，其唯一功能是加载硬盘第二个扇区的内容到内存中，并跳转至其入口函数继续执行。如是更加深入理解之前Stage1中对boot.img的描述：”the sole function of `boot.img' is to load the first sectorof core.img from a local disk and jump to it”。

GRUB启动过程分析 & GRUB 引导程序配置

计算机在启动的时候，首先由BIOS中的程序执行自检，自检通过后，就根据CMOS的配置找到第一个可启动磁盘的MBR中的Boot Loader程序（一般在启动盘的第一个物理扇区，占416字节），并把控制权交给Boot Loader，由Boot Loader进一步完成操作系统内核的加载。当Boot Loader找到内核之后，就把控制权交给操作系统内核，由内核继续完成系统的启动。

可以看出，Boot Loader是计算机启动中第二个要执行的程序，它是引导操作系统的关键程序。可以引导操作系统的Boot Loader主要有LiLo、GRUB以及Windows下的MBR程序。其中，GRUB是目前使用最为广泛，并且非常优秀的

一款启动引导程序。

GRUB对设备的命名

首先，GRUB对设备的命名必须包含在小括号( )内；其次，GRUB不区分IDE 硬盘和SCSI硬盘，统一使用hdx，其中x指定BIOS中硬盘的编号，并从0开始计数，而且IDE硬盘编号小于SCSI硬盘；第三，GRUB用fdx指定软盘设备，x是软盘驱动器号。下面是一些GRUB对设备命名的举例：

q(fd0)表示第1个软盘

q(hd0,1)表示第1个硬盘的第2个分区

q(hd0,0)/boot/vmlinuz表示第1个硬盘的第一个分区下的boot/目录下的vmlinuz文件。如果没有指定某个分区，则表示使用整个设备，否则只使用指定的分区

q(hd0,2,a)专用于FreeBSD，FreeBSD有一个slice概念，把一个分区进一步分为几个slice，此处指明是第1块硬盘的第3个分区中的slice a。

GRUB的执行流程

当系统加电后，固化在BIOS中的程序首先对系统硬件进行自检，自检通过后，就加载启动磁盘上的MBR，并将控制权交给MBR中的程序(stage1)，stage1执行，判断自己是否GRUB，如果是且配置了stage1_5，则加载stage1_5，否则就转去加载启动扇区，接着，stage2被加载并执行，由stage2借助stage1_5驱动文件系统，并查找grub.conf，显示启动菜单供用户选择，然后根据用户的选择或默认配置加载操作系统内核，并将控制权交给操作系统内核，由内核完成操作系统的启动。

GRUB涉及到几个重要的文件：

第一个就是stage1。它被安装在MBR扇区（0面0磁道的第1扇区），大小为512字节（446字节代码+64字节分区表+2字节标志55AA），它负责加载存放于0面0道第2扇区的start程序。

第二个是stage1_5。stage1_5负责识别文件系统和加载stage2，所以stage1_5往往有多个，以支持不同文件系统的读取。在安装GRUB的时候，GRUB 会根据当前/boot/分区类型，加载相应的stage1_5到0面0磁道的第3扇区。stage1_5是由start加载的。

第三个是stage2。它负责显示启动菜单和提供用户交互接口，并根据用户选择或默认配置加载操作系统内核。同前两个文件不同，stage2是存放在磁盘上/boot/grub下。

第四个是menu.lst(/boot/grub/grub.conf的链接)。grub.conf是一个基于脚本的文本文件，其中包含菜单显示的配置和各个操作系统的内核加载配置。GRUB根据grub.conf显示启动菜单，提供同用户交互界面。GRUB正是根据用户选择或默认配置和grub.conf的内核配置加载相应的内核程序，并把控制权交给内核程序，使得内核程序完成真正的操作系统的启动。

其它重要文件，GRUB除了上面叙述的主要文件之外，还包括支持交互功能的一些磁盘程序。主要包括/sbin/下的grub、grub-install、grub-md5-crypt 和grub-terminfo和/usr/bin/mbchk，以及/boot/grub下的设备映像文件(device.map)和菜单背景图像文件(splash.xpm.gz)。

通过上面的分析总结，可以很容易地看出，GRUB实际上包含两部分，一部分被安装在磁盘的特殊扇区，另外一部分则以文件的形式存在。要让GRUB启动操作系统，就必须首先把GRUB的stage1和stage1_5(根据文件系统自动选择

是否安装)安装到磁盘的特殊扇区，另外，在磁盘的/boot/grub下存在有grub.conf、device.map等文件和支持交互的程序，而且这些程序必须在PATH 环境变量指定的路径中。具备了这些知识，相信不管是安装、配置、备份或修复GRUB都不是件很难的是情。

安装GRUB到MBR

GRUB的工作目录是在/boot/grub下，而make install并没将其安装到/boot/grub。所以，安装完成后要执行如下一些操作：

a）把/usr/local/share/grub/i386-pc/目录下的所有文件统统拷贝到/boot/grub/目录下（要先下载源码包进行./configure,make, make install)

#cp /usr/local/share/grub/i386-pc/* /boot/grub/

b）在/boot/grub下创建grub.conf文件，并建立一个到grub.conf的软链接menu.lst

#cd /boot/grub

#touch grub.conf

#ln -s grub.conf menu.lst

注意！如果已经存在grub.conf，就最好不要再次创建，需要时直接修改即可。

c）确认/usr/local/sbin和/usr/local/bin在PATH变量的值中，执行如下命令检查

#env |grep PATH

如果发现/usr/local/sbin和/usr/local/bin不在PATH变量中，可以通过如下命令修改：

#export PATH=$PATH /usr/local/sbin:/usr/local/bin

d）安装GRUB到MBR

GRUB在启动中，被BIOS调用，只有放在MBR中才可以被调用，所以，GRUB

要让BIOS调用，就必须安装在MBR中。实际上是将stage1安装到MBR中，也可能根据文件系统选择安装了stage1_5。下面，提供几个安装GRUB的例子：#grub-install /dev/hda //将GRUB安装到第1块IDE硬盘的MBR

#grub-install /dev/sda//将GRUB安装到第1块SCSI硬盘的MBR

#grub-install /dev/fd0//将GRUB安装到软盘

#grub-install /dev/hda1//将GRUB安装到第1快硬盘的0扇区，当用其它引导程序引导系统时，往往选择这种方式，以免覆盖其它引导程序。

e）在GRUB的命令行模式下安装GRUB

关于GRUB命令行模式及其操作方法请参考3小节的内容。在系统显示启动菜单时候按下c键，或者系统启动后在命令行执行/usr/sbin/grub程序，都可以进入GRUB的命令行模式。命令行模式下安装GRUB的基本过程如下：q指定启动设备

grub>root (hd0,0)#除了root后必须有空格，别的位置均不能有空格！

此处（hd0，0）是指第1块硬盘的第1个分区。如果不能确定包含GRUB的stage1文件的分区，可以通过find指令查找确定：

grub>find /boot/grub/stage1#查找stage1

GRUB将会查找文件/boot/grub/stage1并显示包含这个文件的设备名，这个设备就是上面要用到的设备。

q安装GRUB

grub>setup (hd0)#除了setup后必须有空格，别的位置均不能有空格！

这条命令将会在第1块硬盘的MBR安装GRUB，如果不想在MBR安装GRUB，而是希望将GRUB安装在某分区的引导扇区的话，可以用下面的命令安装：

grub>setup (hd0,0)#除了setup后必须有空格，别的位置均不能有空格！

这将会在第1块硬盘的第1个分区的引导扇区安装GRUB。

q退出GRUB

grub>quit

f）重启机器，新安装的GRUB生效

GRUB配置文件示例

grub.conf是GRUB的配置文件，其结构比较简单，可以分为两部分，第一步分是全局配置，另外一部分就是每个操作系统的启动配置。其中可以有多个操作系统的菜单配置。下面就是一个具体的例子。

#===========/boot/grub/grub.conf文件范例=========

timeout 30 #等待用户选择菜单项的时间（以秒计），超时则引导默认的选项

default 0 #默认选项，第一项

fallback 1 #如果第一项出错，则启动下面的后备选项

splashimage=(hd0,0)/grub/splash.xpm.gz #GRUB启动画面

#以下是启动Linux的配置

titleRed Hat Linux Enterprise AS3 for syd168 #启动项的菜单标题

root (hd0,0) #指定根文件系统，第1块硬盘第1个扇区中的/boot。

kernel /vmlinuz-2.4.18 ro root=LABEL=/ #内核在/boot中

initrd /initrd-2.4.18-14.img #启动RAM盘在/boot下

#以下是启动Windows的配置，如果只有Linux就不需要

title Windows2003 Enterprise for syd168 #Windows启动菜单标题

root noverify(hd0,1) #该操作系统在hd0的第二分区，不mount

chainloader +1 #从第一个硬盘的第二个分区引导Windows