Linux开机启动流程之二Grub2

一、Grub2的基本认识

（1）Grub2的起源

　　GRUB起源于1995年，当时Erich Boleyn想尝试使用Utah大学研发的Mach4微内核（现在被称为GNU Mach）引导GNU Hurd。由于当时互不兼容的个人计算机引导方案，Erich和Brain Ford一起设计出了多重引导规范。

　　Erich刚开始去修改FreeBSD的引导加载器让其能兼容多重启动，但他很快就意识到应当自己编写一个更容易且简单的引导加载程序，而不是继续坚持在FreeBSD的引导加载器上做改动，因此GRUB诞生了。Erich给GRUB添加了许多特性，但是它与生俱来的优势使得其能够迅速满足扩大的用户需求。1999年，Gorden Matzigkeit和Yoshinori K.Okuji采用GRUB作为正式的GNU软件包，并通过匿名CVS去开放它的源代码从而让项目去发展更新。接下来的几年里，GRUB与它的扩展也满足了许多要求，但很快GRUB就暴露出它固有的缺陷（本身并不能很好的兼容其扩展设计的问题），同时GRUB的维护者们也意识到很难在不破坏现有功能的基础上进行修补。于是大约在2002年，Yoshinori K.Okuji开始了PUPA（初步通用编程体系架构GNU GRUB）的工作，就是为了重写GRUB的核心以使其更简洁，更安全，更健壮，更强大。PUPA最终被命名为GRUB2，以前的GRUB版本被重新命名为Grub Legacy。少量的人员被继续留下来开发Grub Legacy，但是最后一个版本是2005年（0.97），也基本成为了最终版本。

　　在2007年左右，GNU/Linux发行版开始使用Grub2，2009年之后大多数发行版厂商默认安装Grub2。

（2）Grub2的优点

　　1）认识并支持更多的文件系统，并且可以通过Grub2的主程序直接在文件系统中搜寻kernel文件；

　　2）开机的时候，可以“自行编辑与修改开机设置项目”，即在线编辑功能；

　　3）可以动态搜寻配置文件，而不需要在修改配置文件后重新加载Grub2，即下次开机之后就会生效；

（3）Centos7中GRUB2初探

1.   查看GRUB2的版本

     [root@lnmp ~]$ rpm -qa |grep 'grub2'          # 查看系统Grub2的版本
      grub2-2.02-0.65.el7.centos.2.x86_64
   

2.   查看GRUB2相关文件（/boot/grub2/*）　　　

　　　　[root@lnmp /boot/grub2/i386-pc]$ ls -lhrt *.img        # Grub由几个image组成
　　　　-rw-r--r--. 1 root root 27K Sep 7 2020 core.img
　　　　-rw-r--r--. 1 root root 512 Sep 7 2020 boot.img       # boot.img大小固定为512Byte

　　　　

　　　　[root@lnmp /boot/grub2/i386-pc]$ file boot.img          # 查看img文件类型
　　　　boot.img: x86 boot sector; partition 4: ID=0xd4, starthead 205, startsector 4277266767, 0 sectors, code offset 0x63         # x86 boot sector 表明x86架构下的boot sector

（4）GRUB2的bootstrap image文件初探

　　　Centos7系统/boot/grub2/i386-pc/*目录下存在许多image镜像文件，这些文件会被grub2-install命令安装到硬盘的相应位置。当BIOS执行完毕后，就会被加载并引导系统完成启动。

　　　1.   boot.img

　　　　boot.img是Grub2第一个被运行的程序，它被写入到MBR（Master Boot Record），固定大小为512B。boot.img功能很简单，主要是读取磁盘中core.img中的第一个扇区（sector）到内存中并执行相应的代码，因为仅有512B，boot.img不能够加载文件系统，并且只能从硬盘固定的位置加载。

　　　2.  diskboot.img

　　　　当从硬盘启动的时候这是core.img第一个扇区（sector）的内容，主要功能是读取剩下的core.img到内存中并开始运行kernel.img。同样diskboot.img没有文件系统的功能，当读取剩余的core.img时候，依然从硬盘固定位置读取。

　　　3.  kernel.img

　　　　GRUB2正确运行的基本组成：对设备及文件的处理框架，环境变量，恢复模式下的命令行等等。此模块很少被直接使用，一般是core.img中必不可少的一部分。

　　　4.  core.img

　　　　core.img是GRUB2的核心，包含了kernel.img及一些必要的modules，通常core.img包含了足够的模块（modules）为了访问xfs/ext4文件系统/boot/grub2目录，并且从/boot/grub2下加载所有剩余的模块，这些模块包含了启动目录处理，加载操作系统等等功能。目前disk限制core.img安装必须小于32KB，core.img一般被安装在硬盘特殊区域：embedding area。

　　　5.  *.mod

　　　　大部分模块会被core.img在运行时自动动态加载，其中小部分被整合到core.img中，比如文件系统xfs.mod等。

（5）GRUB2与GRUB Legacy之间的对比

　　 很多人都熟悉 GRUB2 Legacy里面的stage1、stage1.5、stage2等概念，而在GRUB2里面，这些都被各种bootstrap image文件代替。

1.  stage1相当于boot.img完成的功能。
2.  stage1.5相当于core.img，但是core.img功能更加强大，在不加载其他模块的情况下，提供修复shell操作。
3.  state2相当于加载modules。

 二、磁盘的基本认识

（1）磁盘的两种寻址方式

1. CHS（cylinders-heads-sectors）：CHS寻址模式将磁盘划分为磁头（Heads）、柱面（Cylinder）、扇区（Sector），其中MBR地址为0柱面、0磁头、1扇区。【基本不再使用】
2. LBA（Logical Block Address）：LBA是非常简单的一种寻址方式（从0开始编号来定位区块，依次类推），其中MBR地址为LBA0。

（2）boot.img和core.img安装

1. 拷贝boot.img到LBA0的MBR引导代码中
2. 拷贝core.img到LBA1-LBA31中空闲代码中

（3）硬盘的逻辑结构

　

三、Grub2启动过程

（1）boot.img

• 　Step1 无条件跳转　　jmp short 0x7c65
•     Step2  初始化    

　　　　DL初始化为0x80

　　　　ax清零，ds赋值0，ss赋值0

　　　　sp初始化化为0x2000

•    Step3  判断硬盘是否支持LBA还是只支持CHS

　　　　在加载后续GRUB2 core.img之前，系统必须判断硬盘是否支持LBA还是只支持CHS。备注目前普遍采用LBA模式，因此本文只讨论此模式。

•     Step4 采用LBA加载core.img第一个扇区

　　　　调用BIOS INT14把硬盘LBA1的512字节传输到内存0x7000:[0x0000]位置

•     Step5 拷贝core.img第一个扇区到内存的指定位置

　　　　把core.img第一个扇区从内存0x7000位置拷贝到0x8000位置

　Q：为啥不直接将MBR加载到内存的0x80000位置？

　A：在多个位置使用相同的代码或者将多个代码加载到同一个位置

　　1）多个位置重用相同的代码可以减少维护的成本负担

　　2）某些特定的机器或者媒介不仅仅只加载512个字节，比如CD代码总是加载2048字节的倍数，那么调用者可以只需复制它所需要的量，也可以选择使用偏移量

• 　　Step6 执行core.img第一条语句

　　总结：

　　boot.img的主要功能就是将硬盘LBA1（0柱面，0磁道，2扇区）的512字节加载到内存0x80000处。这部分代码就是core.img的第一个扇区内容，一般都是GRUB2的diskboot.img。

（2）core.img

　　其中core.img包含diskboot.img，kernel.img以及*.mod模块

• 　diskboot.img

　　1）Step1  初始化

　　2）Step2  从硬盘读取core.img第二个扇区开始的其余若干扇区。该部分的数据依然拷贝至内存0x7000:[0x0000]处-【物理地址：0x70000】

　　3）Step3  拷贝缓冲区。将Step2部门的内存数据拷贝至0x0820:[0x0000]处-【物理地址：0x8200】

　　4）Step4  跳转至core.img其实地址0x8200开始执行

　　总结：disboot.img主要功能就是件LBA2-LBA67的硬盘内容拷贝至内存0x8200位置。

　　那么LBA2-LBA67这部分内容是什么？

　　1）开始部分是startup的代码

　　2）后一部分是压缩的core.img核心代码

　　至此，diskboot.img完成任务，由core.img中的startup接收

• GRUB2 core Startup包括两部分：Startup_raw和Startup

　　1）Startup_raw - 此段代码必须加载至0x8200

　　　　I   Step1  初始化

　　　　II  Step2   进入保护模式

　　　　III Step3   解压core.img

　　　　IV Step4   跳转核心代码

　　2）Startup - 此段代码必须加载到0x00100000

　　　　I   Step1  初始化

　　　　II  Step2  调用grub_main进入grub的主函数

• GRUB主函数main.c，即GRUB主要功能

　　　　I   各种模块的加载

　　　　II  读取 /boot/grub2/grub.cfg 显示启动菜单

　　　　III  根据以上菜单配置加载 linux kernel

menuentry 'My_CentOS Linux (3.10.0-862.el7.x86_64) 7 (Core)' --class centos --class gnu-linux --class gnu --class os --unrestricted $menuentry_id_option 'gnulinux-3.10.0-862.el7.x86_64-advanced-a9b65ac9-e434-4628-b5eb-0d547de76ce9' {
load_video
set gfxpayload=keep
insmod gzio
insmod part_msdos
insmod xfs
set root='hd0,msdos1'
if [ x$feature_platform_search_hint = xy ]; then
search --no-floppy --fs-uuid --set=root --hint-bios=hd0,msdos1 --hint-efi=hd0,msdos1 --hint-baremetal=ahci0,msdos1 --hint='hd0,msdos1' 6798c33b-1978-4b25-a465-189df158ff27
else
search --no-floppy --fs-uuid --set=root 6798c33b-1978-4b25-a465-189df158ff27
fi
linux16 /vmlinuz-3.10.0-862.el7.x86_64 root=/dev/mapper/centos_centos-root ro rd.lvm.lv=centos_centos/root  # 加载内核 rd.lvm.lv=centos_centos/swap biosdevname=0 net.ifnames=0 rhgb quiet LANG=en_US.UTF-8
initrd16 /initramfs-3.10.0-862.el7.x86_64.img  # 加载虚拟文件系统
}

备注：加载的这两个文件都在/boot目录下，可以用file命令查看文件类型。可以肯定，这个GRUB已经有了文件系统（Centos07的XFS）驱动，不会调用BIOS INT13去加载这两个文件，而是直接在XFS文件系统/boot目录下加载。

/* 实际上准备linux内核启动参数，在配置文件后面的参数都是可以传到内核中

* root：指出启动的根文件系统

* rhgb：redhat graphics boot就是会看到图片来代替启动过程中显示的文件信息

* quet：将kernel log level设置为KERN_WARNING

* lang：缺省语言

*/

　　1）Step1 linux16　　加载内核与自定义配置参数

　　2）Step2 initrd16 　　加载虚拟文件系统

　　3）Step3 boot　　加载

•     kernel.img

　　　　Linux kernel的start()是当Kernel被grub2加载后，kernel的第一个入口方法，其地址为the kernel entry point is 9020:0000。

　　　　

 

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