深入理解 GNU GRUB - 01 介绍

GNU GRUB是一款多重引导程序。简单来讲，引导程序是计算机开机运行的第一个软件，它的使命是装载操作系统并运行。实际上，由于平台、存储介质、操作系统、文件系统等的多样性，引导程序都很复杂，同时，引导程序要求有更高安全性、健壮性。

GNU GRUB支持多平台（例如X86、PowerPC等）、多存储介质（例如硬盘、软盘、光盘、 U盘）、多操作系统（例如Linux、Gnu Hurd等）、多重引导（例如Windows等）、多文件系统（例如Ext2、Ext3、Ext4、FAT32、NTFS）。支持模块化扩展，可按照配置文件及命令行方式加载操作系统。以下是一些设计引导程序基本概念及标准的文档：

Multiboot

http://www.gnu.org/software/grub/manual/multiboot/

Multiboot-with-GRUB

http://tldp.org/HOWTO/Multiboot-with-GRUB.html

本文对GRUB (grub-1.98) 实现进行跟踪和分析。为简化流程，我们做如下假定：

• Intel i386兼容系列CPU；
• 硬盘引导， GRUB安装在硬盘中，并且使用主引导记录MBSR(Master Boot Record)。

当计算机开机时，所有电子元器件都处于随机状态。此时一个特殊的硬件电路产生复位脉冲信号RESET，经CPU复位引脚进入CPU，CPU检测到RESET信号后，设置某些寄存器为预定值，其中寄存器CS和IP被预置为CS:IP=0xF000:FFF0，并让CPU在实模式下运行，可知CPU将执行地址0xFFFF0处代码。硬件电路把地址0xFFFF0映射到ROM中， ROM上保存有BIOS（Basic Input/Output System）例程。BIOS例程完成通电自检（POST，Power-on-self-test）、硬件初始化、读取CMOS配置，并提供一组中断驱动的低级过程供操作系统启动时使用。 BIOS初始化完成后，将搜索一个操作系统来启动，按照用户配置，这个过程试图访问软盘、光盘、磁盘、USB、FLASH等存储芯片。在找到一个有效设备后，BIOS把该设备主引导记录（MBR，或者称作分区扇区，是0柱面0磁头1扇区，LBA下称为0扇区，512字节）的内容拷贝到RAM中物理地址为0x7C00的位置，然后跳转至CS:IP=0x0000:0x7C00执行来自MBR的代码。一个有效设备MBR中最后两个字节的值为0x AA 55。MBR分为三部分，分别是指令代码、分区表DPT (Disk Partition Table) 、幻数0x AA 55。 一般在MBR中存放引导程序的一部分，由这部分指令读取引导程序剩余部分，加载整个引导程序到内存并继续运行引导程序。引导程序查询可引导的操作系统列表，提供给用户选择，或者在超过一个预设的时间值后，加载默认的操作系统项。操作系统加载完毕后，计算机执行权限交给操作系统，而引导程序则功成身退。

安装在硬盘中的GRUB，完整的加载到内存中需要三步：

1. BIOS加载主引导记录MBR（512字节）到内存0x7C00~0x7DFF位置，并跳转执行0x7C00处

指令。这些指令设置堆栈（SP=0x2000），探测硬盘/软盘读取模式（LBA/CHS）并保存。无论LBA或者CHS，都将加载另一扇区（该扇区位置在安装过程中确定）代码到内存0x7000 位置，然后拷贝到内存0x8000处。跳转至0x8000执行。这部分指令由 grub-1.98/boot/i386/pc/boot.S生成。

1. 0x8000~0x81FF处存放第一步中加载的扇区。这部分代码利用第一步中保存的读取

模式(mode)、以及堆栈(0x2000)，以及安装时指定的扇区位置和扇区数，循环加载GRUB 剩余部分到内存0x8200开始的位置。在循环加载时，对于每次迭代，都是先加载到内存 0x7000处，然后拷贝到从0x8200开始的正确位置。这部分指令由 grub-1.98/boot/i386/pc/diskboot.S生成，在安装过程中，grub-mkimage更改扇区参数块值（0x1F4~0x1FF）为实际参数。

1. 0x8200~x(x<0x10000) 处存放第二步中加载的指令。这部分指令是一个包含自解压

算法lzma的压缩包（启动和解压缩部分是未压缩的，对应为startup.S和lzma_decode.S 文件）。GRUB在这里进入CPU保护模式，自解压并释放到0x10000开始内存处，解压完成后再拷贝回原来位置，然后调用grub_main，grub_main位于未见grub-1.98/kern/main.c， grub_main初始化系统，加载模块，并进入normal或者rescue模式。GRUB将根据配置文件或者用户输入，加载操作系统并运行。如果主引导记录MBR被别的引导程序（或者操作系统）占用，则由这个引导程序（或者操作系统）负责加载GRUB所在分区的首扇区到内存0x7C00~0x7DFF，此后的处理完全一致。例如通过Windows引导Linux的双系统，假定 GRUB安装在sda6（扩展分区），Windows允许配置引导部分，加载sda6分区表所在扇区到内存0x7C00~0x7DFF并执行，此后的情况和前面所述就完全一致了。至于Windows下配置引导的方法比较简单， Win7下使用EasyBCD，XP下直接编辑C:/boot.ini文件并使用 GRUB4DOS（只需要grldr、menu.ls两个文件）就可实现，网上资料很多，这里就不再深入描述了。