OS开发笔记(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。这个程序的任务是检查位于逻辑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原因。
在分区表中，每个分区可以有一个“可引导”标记。MBR引导程序会根据某种规则选取一个被标记为“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（一般加载到地址 0x7C00 以保证兼容性）。随后，程序跳转到VBR，由VBR负责加载并启动该分区中的操作系统。
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，需考虑BIOS和其他数据占用）。因此，对于体积超过1MB或需要加载到1MB以上地址的内核文件，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系统管理。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系统，我选择了使用GRUB。
GRUB的解决方案
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划分的空闲空间。 - 基于文件系统引导
core.img被当作一个普通文件存储在文件系统中，由MBR程序加载到内存中。
GRUB如何找到core.img
如果采用基于文件系统的方式，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，它由多个部分组成，包括：
- diskboot：负责从磁盘加载
core.img的第一部分，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 的各个部分在磁盘上的位置。这样，diskboot 可以顺利加载完整的 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，必要时解压。 - 启动操作系统内核
grub-core最终加载目标操作系统的内核文件，并完成引导。
感想
稍微深入了解过GRUB后，感觉像是迷你内核一样，功能这么丰富。
