GRUB2及启动过程详解
作者: 南瓜剪子 2016年7月28日
1. 概述 ............................................................................................................................................ 2 2. CentOS7中GRUB2 ..................................................................................................................... 2 3. GRUB2 的 bootstrap image文件 .............................................................................................. 3
3.1. boot.img ............................................................................................................................ 3 3.2. diskboot.img ...................................................................................................................... 3 3.3. kernel.img .......................................................................................................................... 4 3.4. core.img ............................................................................................................................. 4 3.5. *.mod ................................................................................................................................. 4 4. 对比GRUB Legacy ...................................................................................................................... 5
4.1. stage1 ................................................................................................................................ 5 4.2. *_stage1_5 ........................................................................................................................ 5 4.3. stage2 ................................................................................................................................ 5 5. grub2-mkimage定制core.img ................................................................................................... 6 6. GRUB2安装 ................................................................................................................................ 7
6.1. Linux是怎么命名设备(/dev/sda) ..................................................................................... 7 6.2. MBR(Master Boot Record) ................................................................................................. 8 6.3. MBR分区表DPT(Disk Partition Table) ............................................................................. 9 6.4. LBA and CHS..................................................................................................................... 14
6.4.1. CHS(cylinders-heads-sectors) ................................................................................ 14 6.4.2. LBA(Logical Block Address) .................................................................................... 14 6.5. boot.img和core.img安装 ............................................................................................. 14 6.6. 硬盘总结 ........................................................................................................................ 17 7. 启动过程................................................................................................................................... 19
7.1. BIOS ................................................................................................................................. 19 7.2. GRUB2中boot.img ......................................................................................................... 20
7.2.1. Step1无条件跳转 ................................................................................................ 20 7.2.2. Step2 初始化 ....................................................................................................... 20 7.2.3. Step3 判断硬盘是否支持LBA还是只支持CHS ................................................ 22 7.2.4. Step4 采用LBA加载core.img第一个扇区 ....................................................... 23 7.2.5. Step5 拷贝core.img第一个扇区到内存指定位置 ............................................ 25 7.2.6. Step6 执行core.img第一条语句 ....................................................................... 26 7.2.7. Step7 boot.img总结 ............................................................................................. 26 7.3. GRUB2中core.img.......................................................................................................... 28
7.3.1. diskboot.img .......................................................................................................... 28 7.3.2. GRUB2 core Startup .............................................................................................. 34 7.3.3. GRUB主函数即GRUB主要功能 ......................................................................... 37 7.3.4. 加载Linux Kernel ................................................................................................. 38
7.4. Linux kernel...................................................................................................................... 46 8. 结束语....................................................................................................................................... 47 9. 参考文献................................................................................................................................... 47
1. 概述
计算机系统上电之后由固化到ROM中的BIOS(UEFI)进行操作,然后导入硬盘MBR中Boot Loader并调到其运行,由Boot Loader对操作系统内核进行加载,并将控制权交给操作系统.下图简单描述了CentOS7的启动过程(CentOS7使用GRUB2作为Boot Loader):
现在的Boot Loader有很多类型,大致如下: 1．对Linux来说GRUB2占据了统治地位
2．对Windows来说Bootmgr/BCD占据了统治地位 3．对Apple系统缺省的是BootX
作为一名计算机工程师，了解Boot Loader的原理是很重要。本文着重介绍GRUB2及其启动流程.读完本文,相信读者能够对Boot Loader原理有一定深刻理解,并能大致知道其他Boot Loader的作用.
本文在介绍一些基本知识后,在第7章会引入基本的反汇编过程来讲解GRUB2的启动流程,因为只有直接读代码才能深入学习原理.需要读者:
- 有一定的汇编语言知识,如果读者对汇编不敢兴趣,可以跳过相关章节 - 同时也需要读者有一定C语言知识
本文稍微有点长，但都是作者本人的经验总结，如果静下心读完，相信对你会有帮助，相比其它GRUB一厚本书，能节约你很多时间。但由于作者水平有限，有不足之处忘谅解。
2. CentOS7中GRUB2
GRUB2是GNU下面的一个项目,有关其详细信息,请参考官方网站: http://www.gnu.org/software/grub/. 相对于GRUB2, 原先的GRUB(i.e. version 0.9x)被称为: GRUB Legacy. 官网上说明: GRUB Legacy is no longer being developed.
从 1.x 开始的新版本就称为 GRUB 2(注意,虽然称为GRUB2,但其版本号却是从1.x开始 1.99也是GRUB2). 现在各种最新发行版本的Linux(包括CentOS7)都采用GRUB2.
在CentOS7上可以查看安装的GRUB2版本
[root@controller ~]# rpm -qa | grep \grub2-2.02-0.34.el7.centos.x86_64
在CentOS7下面/boot/grub2目录可以看到有关GRUB2相关文件. 在/boot/grub2/i386-pc目录下是GRUB2 bootstrap images文件,该目录大部分文件是以.mod结
尾，这些文件为GRUB2模块文件，最后在该目录下面有以下两个image文件:
[root@controller i386-pc]# ls -lrt *.img
-rw-r--r--. 1 root root 26618 7\月 11 23:33 core.img -rw-r--r--. 1 root root 512 7\月 11 23:33 boot.img
以上两个img文件都会被grub2-install命令安装到硬盘上相应位置(在硬盘什么位置后面会说)，很有意思的是请注意两点
1) boot.img固定为512Byte 2) core.img小于32KByte
如果你觉得好奇，可以用file命令查看这些image文件类型
[root@controller i386-pc]# file boot.img
boot.img: x86 boot sector; partition 4: ID=0xd4, starthead 205, startsector 4277266767, 0 sectors, code offset 0x63
[root@controller i386-pc]# file core.img core.img: data
[root@controller i386-pc]# file xfs.mod
xfs.mod: ELF 32-bit LSB relocatable, Intel 80386, version 1 (SYSV), not stripped
对于boot.img file命令明确指出其为x86 boot sector，而mod文件却是ELF文件，接下来让我们进一步了解这些bootstrap image文件
3. GRUB2 的 bootstrap image文件
GRUB2有以下各种bootstrap images文件,大伙应悉知,这些image会被grub2-install安装到硬盘相应的位置,当BIOS完成后,他们会被加载并引导系统继续完成启动.
3.1. boot.img
在PC BIOS系统中，这个image是GRUB2第一个被运行的．它被写在MBR(Master Boot Record)或者在分区(partition)的boot sector中．因为MBR或PC boot sector是固定512字节，这个文件的大小也固定为512byte.
boot.img功能很简单，主要是读磁盘中core.img中的第一个扇区(sector)到内存中并跳到该部分运行(如果是硬盘启动，那么该扇区就是下面要介绍的diskboot.img)．因为只有512字节，boot.img不能够加载文件系统(比如CentOS7中XFS或其它Linux的EXT4等等)，并且只能是从硬盘固定的位置加载.
3.2. 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(XFS,EXT4等)，当他读取剩余的core.img时候，依然从硬盘固定位置读取.
根据启动的介质不同，类似diskboot.img文件有很多，在安装GRUB时候选用其中一个，目前大部分都是从硬盘启动diskboot.img
1．cdboot.img: 从CD-ROM启动
2．pxeboot.img: 从PXE网络启动
3．Lnxboot.img: 如果从其他bootloader比如LILO（用image=’ section）启动，这个image使GRUB看上去像一个Linux内核．
3.3. kernel.img
这个文件包含了GRUB2基本的运行时支撑：对设备及文件的框架，环境变量，恢复模式下的命令行等等．一般我们不会直接使用它，但是它是core.img中必不可少的一部分.
3.4. core.img
这个是GRUB的核心．他是被grub2-mkimage命令生存，包含了kernel.img以及一些必须必要的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，并且在运行时加载从文件系统(XFS)所有剩余的模块，这些剩余模块包含启动目录处理，加载操作系统等等功能．
模块化的设计思路最主要的目的是使core.img保持足够小，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(夹层区)，这个区一般有32K限制，我们在后面会介绍什么是夹层区．
3.5. *.mod
所有GRUB其他部分被称为模块，他们大部分被core.img在运行时自动动态加载，其中一小部分被整合到core.img中，这小部分是必须，比如文件系统支持(xfs.mod)
模块可以手工加载，请参考insmod command(在本文不作介绍,请查阅相关文档)
注意：如果对以上各种image文件还是不清楚，请继续往下读，后面会有详细说明。
4. 对比GRUB Legacy
GRUB2 与GRUB Legacy不同，很多人都熟悉GRUB Legacy里面的stage1, stage1_5,stage2等等概念，而在GRUB2里面，这些被各种bootstrap image文件替代：
boot.img diskboot.img core.img
大伙应悉知以上三个images
4.1. stage1
GRUB Legacy中stage1相当于GRUB 2中boot.img, 他们完成相同的功能.
4.2. *_stage1_5
GRUB Legacy中Stage 1.5包含了足够的文件系统(XFS或EXT4)代码而允许Stage2从文件系统中直接载入系统，就这个意义上来说很像GRUB 2中的core.img.
不过core.img功能更加强大，它提供了恢复shell，使能够在不能加载其他模块(modules)情况下(比如partition number已经改变)能够人工恢复。Core.img能够被灵活的创建，允许从LVM或者RAID加载模块.
GRUB Legacy 能够运行stage1和stage2而不运行stage1.5, 但是对GRUB2来说，core.img是必须的。
4.3. stage2
GRUB 2 没有对应stage2的image. 它从/boot/grub加载相应的模块。