grub 引导启动过程详解

        机器加电启动后，BIOS开始检测系统参数，如内存的大小、日期和时间、磁盘设备以及这些磁盘设备用来引导的顺序。通常情况下，BIOS都是被配置成首先检查软驱或者光驱（或两者都检查），然后再尝试从硬盘引导。如果在这些可移动的设
备中，没有找到可引导的介质，那么BIOS通常是转向第一块硬盘最初的几个扇区，寻找用于装载操作系统的指令。装载操作系统的这个程序就是boot loader。
    linux里面的boot loader通常是lilo或者grub，从Red Hat Linux 7.2起，GRUB(GRand Unified Bootloader)取代LILO成为了默认的启动装载程序。那么启动的时候grub是如何被载入的呢 ？
    grub有几个重要的文件，stage1，stage2，有的时候需要stage1.5，这些文件一般都在/boot/grub文件夹下面.grub被载入通常包括以下几个步骤：
1、装载基本的引导装载程序(stage1)，stage1很小，通常是1024字节。stage1通常位于主引导扇区里面,对于硬盘就是MBR了,stage1的主要功能就是装载第二引导程序(stage2)。这主要是归结于在主引导扇区中没有足够的空间用于其他东西了，我用的是grub 0.93(grub --version)，stage2文件的大小是 107520 bit。
2、装载第二引导装载程序(stage2)，这第二引导装载程序实际上是引出更高级的功能， 以允许用户装载入一个特定的操作系统。在GRUB中，这步是让用户显示一个菜单或是输入命令。由于stage2很大，所以它一般位于文件系统之中(通常是boot所在的根分区)。 上面还提到了stage1.5这个文件，它的作用是什么呢？ 你到/boot/grub目录下看看，fat_stage1_5(或fat_stage_1.5)、e2fs_stage1_5(或e2fs_stage_1.5)、 xfs_stage1_5(或xfs_stage_1.5)等等。很容易猜想stage1.5和文件系统有关系。有时候基本引导装载程序(stage1)不能识别stage2所在的文件系统分区，那么这时候就需要stage1.5来连接stage1和stage2了。因此对于不同的文件系统就会有不同的stage1.5。但是对于grub 0.93好像stage1.5并不是很重要，因为我试过了，在没有stage1.5的情况下， 我把stage1安装在软盘的引导扇区内，然后把stage2放在格式化成ext2或者fat格式的软盘内，启动的时候照常引导，并不需要e2fs_stage1_5或者fat_stage1_5。
下面是我的试验:
    #mkfs.ext2  /dev/fd0
    #mount -t ext2  /dev/fd0  /mnt/floppy
    #cd  /mnt/floppy
    #mkdir boot
    #cd  boot
    #mkdir grub  (以上三步可用mkdir -p  boot/grub命令完成)
    #cd grub
    #cp  /boot/grub/{stage1,stage2,grub.conf}  ./
    #cd; umount /mnt/floppy
    以上几步把软盘格式化成ext2格式，然后把stage1、stage2、grub.conf这几个启动的时候必须的文件拷贝到软盘的指定目录下。下面安装grub到软盘上。
   #grub  (进入grub环境)
   grub> install (fd0)/boot/grub/stage1 (fd0)  (fd0)/boot/grub/stage2 p (fd0)/boot/grub/grub.conf
   以上这条命令也可以用下面的两句代替
   grub>root (fd0)    #grub的根目录所在的分区
   grub>setup (fd0)   #这一步就相当于上面的install命令
   我在这里解释一下
    install (fd0)/boot/grub/stage1 (fd0)  (fd0)/boot/grub/stage2 p (fd0)/boot/grub/grub.conf 这条命令。
install    告诉GRUB将(fd0)/boot/grub/grub/stage1   安装到软驱的引导扇区(fd0)，
(fd0)/boot/grub/stage2  告诉grub stage2这个文件所在的位置，
p 参数后面跟着(fd0)/boot/grub/grub.conf 告诉grub的配置文件所在的位置。
    好了，让BIOS从软驱启动，试一下，没有e2fs_stage_1.5文件照样能够进入系统。
其实这就是一个小小的启动盘啊.。了解了grub的运行原理，就简单多了^_^)
  3、 现在我们已经到grub的开机选单这一步了，接下来grub所需要做的就是装载在一个特定分区上的操作系统，如linux内核。一旦GRUB从它的命令行或者配置文件中，接到开始操作系统的正确指令，它就寻找必要的引导文件，然后把机器的控制权移交给操作系统。
      一个典型的引导linux的命令如下：
     title 51base
           root(hd0,0)
           kernel /bzImage  ro  root=/dev/ram0
           initrd /initrd.img
     这里有必要注意一下几个问题：
     (1)grub的磁盘以及分区的命名方式和linux有所区别。第一个磁盘是从0开始，第一个分区也是从0开始。譬如第一个硬盘的第5分区在linux下面是/dev/hda5，而在grub里面是(hd0,4)。再如/dev/fd0在grub里面是(fd0,0)。(最后一句如有错误望提醒)
     (2)不管是IDE硬盘hda、hdb还是SCSI硬盘sda、sdb，在grub里面都是以hd方式命名。譬如虚拟机里面的/dev/sda2在grub里面是(hd0,1)，/dev/hdb7在grub里面以(hd1,6)命名。
     (3)要搞清楚上面两个root的关系，root (hd0,0)中的root是grub命令，它用来指定boot所在的分区作为grub的根目录。而root=/dev/ram0是kernel的参数，它告诉操作系统内核加载完毕之后，真实的文件系统所在的设备。要注意grub的根目录和文件系统的根目录的区别。
     kernel命令用来指定内核所在的位置,"/"代表(hd0,0)，也就是grub的根目录
     initrd命令用来指定初始化ram的img文件所在位置。
    grub载入内核bzImage并展开到指定位置(应该是0x100000这个地方),同时载入initrd.img到内存(不知道是什么地方).
ps:
    grub的任务至此就结束了,下面grub将机器的控制权转交给操作系统(linux)。
   操作系统接到控制权之后，开始start_kernel，接着内核将initrd.img展开到/dev/ram0为临时根文件系统,执行里面的linuxrc文件。
    这里有必要说一下initrd的作用特别是它里面的核心文件linuxrc的作用。initrd是inital ram disk的宿写。
   当存在initrd的时候，机器启动的过程大概是以下几个步骤(当initrd这一行用noinitrd 命令代替后，就不存在initrd了)
    1)boot loader(grub)加载内核和initrd.img
    2)内核将压缩的initrd.img解压成正常的ram disk并且释放initrd所占的内存空间
    3)initrd作为根目录以读写方式被挂载
    4)initrd里面的文件linuxrc被执行
    5)linuxrc挂载新的文件系统
    6)linuxrc使用pivot_root系统调用指定新的根目录并将现有的根目录place到指定位置
    7)在新的文件系统下正式init
    8)initrd被卸载
    为了便于理解，我将red hat linnux9 里面的initrd-2.4.20-8.img拿出来分析一下。
    这其实是一个压缩了的文件,是以gz结尾的。
[root@localhost root]#cp  /boot/initrd-2.4.20-8.img  /mnt/initrd-2.4.20-8.gz
[root@localhost root]#gunzip /mnt/initrd-2.4.20-8.gz
[root@localhost root]#mount -o loop /mnt/initrd-2.4.20-8  /mnt/ram
[root@localhost root]#cd  /mnt/ram
[root@localhost ram]#ls
bin dev etc lib linuxrc loopfs  proc sbin sysroot
[root@localhost ram]#ls bin
insmod modprobe nash
[root@localhost ram]#ls lib
Buslogic.o  ext3.o  jbd.o  scsi_mod.o   sd_mod.o
[root@localhost ram]ls  dev
console  null  ram  systty  tty1  tty2  tty3  tty4
sbin目录是指向bin目录的一个连接,其他目录是空的.
[root@localhost ram]cat  linuxrc
#!/bin/nash
1.echo "Loading scsi_mod.o module"
2.insmod /lib/scsi_mod.o
3.echo "Loading sd_mod.o module"
4.insmod /lib/sd_mod.o
5.echo "Loading BusLogic.o module"
6.insmod /lib/BusLogic.o
7.echo "Loading jbd.o module"
8.insmod /lib/jbd.o
9.echo "Loading ext3.o module"
10.insmod /lib/ext3.o
11.echo Mounting /proc filesystem
12.mount -t proc /proc /proc
13.echo Creating block devices
14.mkdevices /dev
15.echo Creating root device
16.mkrootdev /dev/root
17.echo 0x0100 > /proc/sys/kernel/real-root-dev
18.echo Mounting root filesystem
19.mount -o defaults --ro -t ext3 /dev/root /sysroot
20.pivot_root /sysroot /sysroot/initrd
21.umount /initrd/proc
上面的编号是为了下面好说明加上去的。
   1)首先我们必须注意的是这里使用的shell是nash而不是bash，nash是专门为linuxrc可执行脚本设计的，因此你有必要看一看nash的man文档。
1-10行是加载一些必要的模快
11-12行加载proc内核文件系统
13-14行利用nash内建的命令mkdevices创建块设备，mkdevices是根据/proc/partitions文件创建里面列出的所有块设备
15-16行利用nash内建的命令mkrootdev，mkrootdev使它后面的参数/dev/root成为一个块节点从而使得根分区设备被挂载，其中根分区设备由grub.conf里面的kernel命令后面所带的参数root=决定，如果root=参数没有被指定，/proc/sys/kernel/real-root-
dev文件将提供根分区设备号
17行将数字256写入到后面的文件里面去
18-19行挂载根文件系统到/sysroot目录下，/dev/root里面的内容就是root=参数所指定的设备里面的内容
20行调用pivot_root改变根目录所在地并place旧的根目录到指定的位置.21行卸载旧的根目录里面的proc内核文件系统.
从这里面我们总结一下linuxrc的作用:  (参考/usr/src/linux-2.4/Documentation/initrd.txt文档)
    2)/linuxrc文件决定在挂载真正的文件系统之前所需完成的事情(譬如加载必要的网络驱动或者加载ext3文件系统).
    3)/linuxrc加载必要的模块.
    4)/linuxrc挂载根文件系统
    5)/linuxrc调用pivot_root来改变根目录
    关于initrd的用途可以查考上面提到的文档，想知道linux系统是如何安装的吗？那里面有答案。
    既然linuxrc的主要目的是加载模快用的，那么如果我们的内核没有动态的模块而所需的功能都是静态编译进内核的，那么是不是可以不用linuxrc文件呢？答案是可以不用，在普通的linux操作系统里面可以加入noinitrd选项以告知boot loader 不使用initrd。如果我们做网关，因为ram是我们的文件系统的载体，所以initrd一行当然不能去掉，但是我们可以不用linuxrc文件，sysroot文件夹和initrd文件夹。
    不信的话，试试看吧。
    好了，initrd(linuxrc)已经介绍完了，linuxrc执行完毕之后，系统就会以真正的根目录正式init。
    系统在/bin/或者/sbin目录下找到init程式，然后根据它的配置文件/etc/fstab进行初始化，最后调用mingetty程式启动login完成引导。