OS开辟条记(2)——GRUB启动流程

GRUB如何突破实模式的限制

BIOS与MBR引导机制

BIOS会在启动时，检查逻辑0扇区（即硬盘的第一个扇区）的结尾是否存在标志 0x55, 0xaa，以此判断该扇区是否可引导。按照传统的MBR（Master Boot Record）引导流程，逻辑0扇区包含一个特殊的引导程序。这个程序的使命是检查位于逻辑0扇区偏移 0x1BE 处的分区表。分区表最多可以记录四个分区，这也是为什么 MBR 分区的硬盘只能有四个主分区的缘故原由。
在分区表中，每个分区可以有一个“可引导”标志。MBR引导程序会根据某种规则选取一个被标志为“可引导”的分区，将该分区的第一个扇区（称为VBR，Volume Boot Record）加载到内存中（一般加载到地点 0x7C00 以包管兼容性）。随后，程序跳转到VBR，由VBR负责加载并启动该分区中的操纵体系。
MBR和VBR的局限性

然而，MBR和VBR的大小都仅有一个扇区，也就是512字节，这对稍微复杂的引导程序来说已经不够用。此外，在16位实模式下，CPU的寻址范围最大只有1MB（实际可用空间还小于1MB，需思量BIOS和其他数据占用）。因此，对于体积超过1MB或需要加载到1MB以上地点的内核文件，MBR和VBR的能力不足。
16位的寻址限制

切换到保护模式虽然可以突破1MB寻址范围的限制，但由于仅实模式支持调用BIOS功能，在保护模式下无法直接调用BIOS来实现硬盘驱动和文件体系管理。这就需要自行实现这些功能，极大地增加了引导程序的复杂度。为了避免在引导内再实现一边磁盘驱动和文件体系，我选择了使用GRUB。
GRUB的办理方案

在GRUB中，将被称为stage1.5阶段的GRUB核心加载器（从磁盘启动是diskboot，从光盘是cdboot等等）存放在存放磁盘中的某个空闲空间（默认是MBR后的一个扇区），一个定制的MBR引导程序（如 boot.S，编译后生成 boot.img）负责加载这一阶段的程序到内存中。
这时候就又出现一个问题，怎么存放GRUB核心呢？GRUB提供了两种方式：

• 使用磁盘未分配空间
  GRUB将包含核心功能的 core.img 写入硬盘上未被分区表分别的空闲空间。
  
• 基于文件体系引导
  core.img 被看成一个普通文件存储在文件体系中，由MBR程序加载到内存中。
  

GRUB如何找到core.img

如果采用基于文件体系的方式，问题在于MBR程序如何知道 core.img 的具体位置。GRUB 的core.img 是通过grub-mkimage命令生成的，它由多个部门组成，包括：

• diskboot：负责从磁盘加载 core.img 的第一部门，大小为一个扇区。
  
• decompresser：用于解压 grub-core，以支持压缩后的存储形式。
  
• core：核心程序模块，可以根据需要加载各种功能扩展（grub模块）。
  

当执行 grub-install 时，工具会自动将 diskboot 的位置写入 boot.img 中。diskboot 的末尾包含一个 blocklist，用于记录 grub-core 的各个部门在磁盘上的位置。如许，diskboot 可以顺遂加载完备的 grub-core。
GRUB的引导过程

综上，GRUB 2 的启动流程如下：

• MBR引导
  BIOS 加载 MBR（即 boot.img），运行其中的引导程序。
  
• 加载diskboot
  MBR 程序根据记录的位置加载 diskboot。
  
• 加载并解压grub-core
  diskboot 根据 blocklist 读取并加载 grub-core，须要时解压。
  
• 启动操纵体系内核
  grub-core 终极加载目标操纵体系的内核文件，并完成引导。
  

感想

稍微深入相识过GRUB后，感觉像是迷你内核一样，功能这么丰富。

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