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File metadata and controls

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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, 而不是新出的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首先选择"启动设备"(软盘, 硬盘, CD, usb闪存设备或是网络). 我们的第一次启动会使用硬盘(但它也可以从CD或usb闪存设备启动).

BIOS会寻找第一个有效的引导扇区, 从中读取512字节(最后两个字节会是0x55 0xAA). 如果没找到, 则查找错误信息. 然后是把这512字节, 从0x7c00地址开始写入到物理内存. 代码就从0x7c00这开始运行.

BIOS把控制权移交引导扇区后, CPU在16位实模式(Real Mode)下, 装载该区代码, 从物理地址0x7c00开始运行. 但我们的内核只能是是32位的, 因此需要bootloader来读取内核, 切换到保护模式(Protexted Mode)再运行.

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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