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第3章: 使用GRUB进行初次启动

启动要干些什么?

从一台x86计算机开机开始, 它就走在了一条复杂的路上, 直到控制权交到内核"主"程序(kmain())手上. 在这一章, 我们只考虑BIOS启动, 而不是其替代者, UEFI.

BIOS的启动顺序是: 识别RAM -> 识别硬件/初始化 -> 引导序列

对我们而言, 最重要的一步是"引导序列". 这时BIOS刚完成初始化, 尝试把控制权移交给下一步的bootloader.

在"引导序列"中, BIOS会尝试找到一个"启动设备"(如软盘, 硬盘, CD, usb闪存设备或是网络). 我们的操作系统会使用硬盘进行初次启动(但它也可以从CD或usb闪存设备启动). 一个"可启动"的设备是这样的: 设备的启动扇区的第511和512字节内容分别为0x55和0xAA, 这是有效识别符.

BIOS通过载入每个设备的前512个字节到物理内存中(以物理地址0x7C00开始的1KiB, 32KiB的最后1KiB), 来识别设备是否可启动. 当识别到有效识别符, BIOS会通过一个跳转指令, 把控制权移交给0x7C00内存地址, 以执行启动扇区代码.

(译注: 关于0x7C00的来源, 可以参考http://www.glamenv-septzen.net/en/view/6)

在这一整个过程中, CPU是在16位实模式(Real Mode)下运行的(x86 CPU的默认状态, 这是为了后向兼容). 为了在内核中执行32位指令, 我们需要一个bootloadeer来使CPU切换到保护模式(Protexted Mode).

什么是GRUB?

GNU GRUB(GNU GRand Unified Bootloader的缩写), 是GNU计划的一个bootloader包. GRUB是自由软件基金会关于多重引导规范的参考实现. 它让用户可以在一台计算机安装的多个操作系统中选择一个, 或是指定一个操作系统下可用的内核配置.

简而言之, GRUB是机器(bootloader)第一个启动的, 它简化载入硬盘中内核的过程.

为什么使用GRUB?

  • GRUB非常易用
  • 不需要16位代码就能轻易地载入32位内核
  • 提供Linux, Windows及其他系统的多重引导
  • 容易载入内存中的额外模块

怎么使用GRUB?

GRUB遵循多重引导规范, 其可执行的二进制(程序)是32位的, 而且必须在前8192字节内包含一个特定header(多重引导的header). 我们的内核会使用ELF可执行文件("Executable and Linkable Format", "可执行可链接格式", 是大部分UNIX系统中的可执行, 通用标准文件格式).

这个内核的首次启动顺序是用汇编来写的: start.asm. 还会用一个链接器文件来定义可执行结构: linker.ld.

这个启动过程同时会初始化一些C++的运行环境. 下一章会详细介绍.

多重引导的header结构:

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;
};

可以用mbchk kernel.elf命令来检查kernel.elf文件是否符合多重引导标准. 同样可以用nm -n kernel.elf来检查在ELF二进制中的对象的偏移.

为内核与grub创建一个磁盘镜像

这个diskimage.sh脚本可以生成一个QEMU可用的硬盘镜像.

第一步, 使用qemu-img创建一个硬盘镜像(c.img):

qemu-img create c.img 2M

现在用fdisk进行磁盘分区

fdisk ./c.img

# Switch to Expert commands
> x

# Change number of cylinders (1-1048576)
> c
> 4

# Change number of heads (1-256, default 16):
> h
> 16

# Change number of sectors/track (1-63, default 63)
> s
> 63

# Return to main menu
> r

# Add a new partition
> n

# Choose primary partition
> p

# Choose partition number
> 1

# Choose first cylinder (1-4, default 1)
> 1

# Choose last cylinder, +cylinders or +size{K,M,G} (1-4, default 4)
> 4

# Toggle bootable flag
> a

# Choose first partition for bootable flag
> 1

# Write table to disk and exit
> w

现在需要使用losetup, 把刚创建的分区绑定到回环设备(loop-device, 可以让文件通过块设备的方式访问). 通过偏移量 = 开始扇区 * 每扇区字节数 计算分区偏移量, 作为参数传递.

fdisk -l -u c.img 得到 63 * 512 = 32256.

(译注: 以下命令请使用sudo执行)

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

在新设备上创建EXT2文件系统

mke2fs /dev/loop1

复制文件到已挂载磁盘上

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

在磁盘上安装GRUB

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

最后脱离回环设备

losetup -d /dev/loop1

####参见

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