MBR及linux下grub执行原理浅析

MBR及linux下grub执行原理浅析

2014年01月03日 10:19:35 阅读数：3704 标签： MBRlinux计算机启动-引导grub2更多

个人分类： linux 基础学习 归纳 转述

前几天，手痒痒把系统搞坏了，但正如那句话说的：塞翁失马，怎知不是福？查找了很多资料，接触到了很多新知识，发现大牛们要么不出手，出手的文章必定深入浅出，风趣幽默，还穿插了很多从技术中悟出的人生哲理，让人回味无穷。今天就把我这几天学习到的知识理出一条线，尝试模仿大牛们的方法跟大家分享，希望不会是邯郸学步。

 

首先让我们要讲一下MBR这个东东。它的英文全称是Master Boot Record,中文名叫“主引导记录”。每块硬盘都有且只有一个这个东东。（注意我说的是“硬盘”，不要顺眼一晃就看成来是C盘/D盘这个文件系统概念了）它指的是硬盘的第一个扇区中的前446字节。一个扇区共512字节，剩下另外的64个字节用于存储“硬盘分区表”DPT(Disk Partition Table)，最后两个字节“55，AA”是分区表结束的标志。这个整体构成了硬盘的主引导扇区。

 

好吧，说到这，我们还得提议下关于硬盘的分区的概念：主分区/活动分区/拓展分区/逻辑分区。首先，一块硬盘最多只能划分4个主分区。如果你想要更多的分区（比如说在linux下，根目录/， 用户文档目录/home , 用户安装的程序目录/opt , 用户自己编译安装程序的目录/usr ，我都想单独的存储在一个分区，以便将来我手痒痒又把系统弄坏的时候，这些文件都可以丢失或不须要重新安装），那么就应该将未被划分为主分区的硬盘弄成拓展分区，这样在拓展分区下就可以任意划分多个逻辑分区了。要注意，拓展分区只是一个概念，以区别于主分区，在硬盘上并没有某个位置对应拓展分区（一般认为只要将某个分区设置成逻辑分区，那么该硬盘上也就自动有了拓展分区）。所以，你在linux下查看你的硬盘分区，一定不会看到sda1,sda2 ... sda7 ...这样连续不间断的分区号，因为最多只能有4个主分区，所以整块硬盘你只划分成主分区，那么也就只有sda1～sda4，没有后续了。如果你划分了逻辑分区，那么就肯定没有4个主分区了，所以最多你也只能是sda1，sda2，sda3，sda5....注意，sda4这个编号会被跳过（如果你只划分出一个主分区，那么sda2，sda3，sda4都会被跳过，直接跳到sda5）。而活动分区这个概念主要是存在于Windows下，linux则没有这个概念。因为window要将一个主分区设置为活动分区，然后将系统安装在这个被标记为活动分区的主分区上，这样windows的引导程序——ntldr才能判断windows系统被装在哪里了，然后再跳到该分区上引导系统。

 

（图片来源：http://hi.baidu.com/waybq/item/a4490f026f9859d21ef046a4）

好了，讲到这我们可以把前面的开机过程串一下：按下电源开关后，BIOS检查设备，可以听到“滴”的一声就说明设备正常。然后就是我们装系统时需要专注的时刻——按F2或者DEL进如启动顺序的设置：如你可以选择从光盘，U盘，或者默认的硬盘启动。假如你有两块硬盘，一个U盘都装了系统，还有启动光盘你也给他插到电脑上，那么你就至少有4个可以选择的系统，这个时候，按下F2或DEL然后在BOOT菜单中选择这些硬件的启动顺序，就是要告诉BIOS你要启动那个系统。这个过程结束后，BIOS就把启动过程的控制权给到了引导程序（Boot Loader）。

 

什么是Boot Loader?——嗯，这个是我们这篇文章的主角。Boot Loader是一个很小但非常重要的可执行文件（程序），不同的操作系统都有其对应的boot loadr，如windows 的叫ntldr，linux的就有很多了，有grub grub2，Syslinux等，更具体的待会再讨论。先关注一下这个Boot Loader住哪？啊哈，就安装在硬盘的MBR上。大家学过微机原理的都知道“指针”这么个概念，它对应的就是物理地址，再说白一点，就是你的硬盘上的某个位置。BIOS完成任务后，把指针指向了MBR，实际是怎么执行的呢？就是CPU到该指针所指向的地址读取下一条指令（就是程序代码）。该MBR就是你在BIOS的BOOT启动顺序所选择的安装了操作系统的那个设备的MBR。

 

说到这大家应该有疑问了吧？什么，没有？！唉，你真是中国好同学。但不能我说什么就是什么，很有可能我说错了，对吧。至少我有两个问题：BIOS怎么知道MBR的地址？如何知道我的硬盘/U盘/光盘上有没有安装操作系统？第一个问题: 有一个硬件中断INT13会告诉BIOS外设的MBR地址。看看，看看！软件并不是万能的，它不能解决所有问题，软硬件结合才能最好的完成任务。同样一个人也不能什么都干，因该是找一个人尽其才的团队，这样才能有所作为，SuperMan就让他在电影里飞着就好了，从屏幕里飞出来是要摔死的。第二个问题：这个问题比较复杂，我们来慢慢讲。首先，对于windows，之前我们讲到它要求一个主分区设置为活动分区，并把windows操作系统安装在该主分区。这个时候，windows的引导程序ntldr就会寻找到活动分区，并加载系统文件到内存。那要是linux系统呢，它可是个跟洪七公一样的大侠，居无定所，住哪都行的。要处理这样一个棘手的问题，就要隆重请出本文的主角啦——grub2. grub2现在是Ubuntu linux 默认的引导程序（boot loader）。如果你的一块硬盘里有两个操作系统，一个是linux，一个是windows.那么如果是windows的引导程序ntldr安装在了MBR上，除非使用像easyBCD这样的配置工具进行额外配置，它是只能够启动windows的，因为它不会把控制权交到别个系统的boot loader手上。而如果MBR上安装的是grub2，那么它就默认提供3大功能：
A.提供一块硬盘上所有安装的系统的选择菜单；
B.载入操作linux系统内核，移交控制权给内核；
C.将控制权移交给其他系统的boot loader

也就是说在grub2启动，在屏幕上呈现出操作系统的选择菜单，如果你并没有选择linux，而是选择了windows那么grub2就会把控制权交给ntldr，进而启动windows操作系统。

 

boot loader 最主要的作用就是识别自己的操作系统文件，并将它载入到内存。好问题又来了：一块硬盘只有一个MBR，那么你装上了grub2之后，就不能再装windows的ntldr了，如果没有ntldr就载入不了windows的系统文件，启动不了系统。但现在我们很多人的电脑上都有双系统，那是怎么做到的呢？答案是这样的：大家看上边的图，每个分区都有一个引导扇区（boot sector）。那么当你把系统安装在某个分区时，它同时也会在该分区的boot sector上安装它自己的boot loader。因为一个分区只能装一个系统（注意是分区，不是一块硬盘），这样该分区上的系统就可以被该分区的boot sector上的boot loader引导了，不会有其他系统的loader来抢占这个位置。但windowns除了在自己所在分区的boot sector上安装自己的boot loader，它还会在硬盘的MBR上也装上一份（linux的brub2不会这样）。所以，如果你先安装了linux，再装windows，那么最后MBR上就是ntldr，它是不会将控制权转交给别个系统的loader的，所以你也就启动不了linux。如下图所示：

（图片来源---鸟哥的博客http://linux.vbird.org/linux_basic/0510osloader.php#startup）

我在安装linux的时候，还遇到了以下几个特别搞的情况：
1.在安装系统的过程中，为linux的根“/", "/boot"都分配了各自的分区，但却在最后的“安装启动引导器的设备”一栏选择 /dev/sda 而不是/boot. 这导致了个什么结果呢？就目前我所分析的，结果应该是这样：MBR上装上了grub2，系统装在了/里（/boot目录里包括原本想安装在/boot分区的内容），而/boot分区里什么也没有，也没有被系统给mount起来，grub.cfg也没有关于/boot的内容。也就是说/boot分区完全成为了“路人甲”。但系统运行没有任何问题。

2.之前的linux被弄坏了，且MBR上安装的是grub2.那么重装linux，"/" "/home"跟之前的都一样，但/boot选则了别的分区，在“安装启动引导器的设备”一栏选择/boot.结果是系统正确安装了，但并没有重写MBR，其上还是原来的那个grub2，所以它还是到原来旧的/boot读取其配置文件，造成系统启动不了。解决的办法就是从光盘启动，将/boot分区挂载到/的/boot目录下，然后执行指令 sudo grub-install /dev/sda 将grub2重新安装到MBR上，这个新的grub2默认读取配置文件是在这个新的/boot分区了。这个现象说明了一个问题：linux重装系统并不会在硬盘的MBR上安装它的boot loader（除非你指定让它安装在/dev/sda上）。【疑问：会不会是重装系统并不会覆盖MBR上已存在的与该系统配套的boot loader？】

 

情况2的显示形式：

 

接下来请转到鸟哥的博客（http://linux.vbird.org/linux_basic/0510osloader.php#startup）里阅读vmlinuz和initrd.img的作用。

 

那么你现在是否该有疑问了：由于MBR的容量太小，只能安装grub2代码，它的配置文件都是放在硬盘上的，要读取它们需要分区的驱动。但分区的驱动要在内核vmlinuz和initrd.img载入后才能找到而这两个东西又是依靠grub.cfg才能找到的，并且选择内核的菜单都是在该文件中配置的，这不是矛盾了吗？哈哈，这就是刚才没有认真读鸟哥的博客啦吧，不是说了有些分区格式，如ext2，是不需要驱动也能被内核找到的吗。而/boot一般都选取为ext2格式，grub.cfg也存储在那，所以正好解决了这个矛盾。（目前我认为MBR上的grub2代码有一条应该是指向了/boot分区的，这样他就可以绕过内核，直接读取配置文件。这也恰好解决了“特别搞情况2 所描述旧grub2还是指向旧的/boot而没有刷新到新的/boot的原因。因为是代码存储在MBR，而MBR的grub2又没有被重新安装）

好，讲到这，我们就来分析一下grub.cfg文件。

menuentry 'Ubuntu, with Linux 3.2.0-57-generic' --class ubuntu --class gnu-linux --class gnu --class os {
 recordfail
 gfxmode $linux_gfx_mode
 insmod gzio
 insmod part_msdos
 insmod ext2
 set root='(hd0,msdos10)'
 search --no-floppy --fs-uuid --set=root 6f887a61-a153-47bb-9631-4554472a1d6c
 linux /vmlinuz-3.2.0-57-generic root=UUID=e5f51b57-91c9-4ca8-8245-971ddee22269 ro quiet splash $vt_handoff
 initrd /initrd.img-3.2.0-57-generic

}

 前几行都是在这条启动命令之前定义的函数，用于设置背景，文字的干活。set语句和search语句目的一样，都是为了设置root变量的值，这样做保险，因为UUID更为稳定，其实root变量都是以最后设置的为准，所以前边set一句基本是废话。之前我以为这个root是告诉grub2去那找grub.cfg文件的，这不可能：第一，既然grub2都已经读取到了这个配置文件，还需要你告诉它去哪找这个文件吗？另一个是因为我目前认为每个grub2有一条特定代码告诉它去哪(地址）找到与它配对的配置文件。所以这个root是用于确定 /vimlinz 和/initrd.img文件是相对谁（root)的路径。  linux 这条载入内存指令中的 root==UUID=.....是指定系统文件所在的根目录，也就是系统运行时的那个"/"分区。（从鸟哥的博客里知道内核还要载入系统文件，而系统文件是在/上的，所以要在linux载入内核指令里指定你系统文件的根目录的UUID。）这样set和search语句设定/boot分区的UUID为 vmlinuz和initrd.img的root，并在linux载入内核指令中指定系统根目录/分区的UUID，这样就把分开成两个分区的/boot和/联系到一块了。

如果不是linux和initrd语句的错误，而是其他配置语句有问题，如找不到，就会有如下提示，但不要紧，有可能是你输入有错误，认真接查拼写就好了，不影响系统启动。


如果/boot与根/是独立的两个分区，但在linux载入内核指令中，root=UUID=...还是写的/boot的UUID，那么就找不到系统文件，但内核已经载入，所以出现如下提示：

 

耶，终于基本写完了。！！！（花了3天啦） 总结一下grub2的开机过程： BIOS自检->选择硬盘启动顺序->跳转到第一顺序硬盘上的MBR读取boot loader（grub2）->到硬盘特定的位置读取配置文件->显示操作系统菜单->加载linux内核mlinuz和虚拟文件系统initr.img->内核到/目录下加载系统文件->启动init进程初始化系统->等待用户登录使用。
进入系统后，就是挂载硬盘的过程了，如果你的/etc/fstab文件关于挂载分区的UUID有问题，那么就会出现如下现象：



如果/boot和根/挂载正确，并不影响使用。进入后修改fstab文件就可以了。
===========================华丽的分割线==========================

前边讲到的都是/boot与/是两个独立分区的情况。那么如果没有划分独立的/boot，应该是怎么样的情况呢？当你将分区与挂载点连接在一起之后，就得选择“安装启动引导器的设备”，有两种情况，一是你选择了/的分区；二是选择了/dev/sda，装在MBR上，覆盖掉原来装在MBR上的boot loader。

 

情况一：你将boot loader只是装在了/分区上，但MBR上还是原来旧的boot loader。如果原来的是ntldr，那么你就找不到你的linux系统了，要进入windows后用easyBCD等配置工具添加对linux启动的引导。由于我不喜欢ntldr的黑白引导界面，所以我很讨厌这样做。好，加入原来的是grub2，那么好了，由于原来的/或者/boot没有了，那么grub2到特定地方找不到配置文件，那么就会进入grub rescue界面，可以手动引导它找到新的配置文件位置。这样进入linux后，因为配置文件上的分区都是正确的，所以只要sudo grub-install /dev/sda将grub2安装到MBR覆盖旧的就解决了。还有一种特别绝的情况，就是既进入不了windows也到不了grub rescue，就是MBR上的boot loader坏掉了。这种情况下就没有办法了，MBR坏掉了，该硬盘上的系统肯定是启动不了了，但不妨碍其他硬盘或者光盘的系统启动呀。以linux启动光盘为例，进入BIOS的boot选项，设置启动顺序，选择DVD优先。进入启动界面，选择试用Ubuntu。因为这个时候系统是光盘上的系统，分区什么的信息都是相对于光盘而言的，它的配置文件对于硬盘上的Ubuntu来说都是不正确的。所以我们得移花接木，利用挂载mount指令，将当前的系统的挂载分区换成跟硬盘上的系统一致的。首先如果你有/boot分区，就要将该分区挂载到当前系统的/boot目录下。最绝的一点，我们可以把当前系统的根目录替换为硬盘系统的跟目录（当然这个要求你光盘系统跟硬盘系统是一样的，包括版本号和系统位数，不然恐怕要出错）。这样移花接木之后，当前的系统其实就相当与硬盘上的系统启动后的状态，配置信息什么的都是一致的。所以这时候执行指令sudo grub-install /dev/sda就可以把硬盘上的MBR给修复成硬盘系统的boot loader了。

 

情况二：如果你选择将boot loader装在了/dev/sda上，那么恭喜你，系统一定可以正常使用，它会同时在你挂载的根目录/分区的boot sector和硬盘的MBR上同时安装grub2。但如果这时你单独有一个/boot分区，那对不起，系统也只是将内核和initrd.img安装在/分区下的/boot目录里，不会安装在你的那个/boot相当于/boot被忽略，没有被使用到。

如果遇到了grub rescue的问题，不要着急，其实很easy，参考http://www.2cto.com/os/201111/112327.html，很有效的解决该问题。

参考资料：
大牛详述linux文件系统  http://forum.ubuntu.org.cn/viewtopic.php?t=257333
硬盘MBR详述  http://blog.csdn.net/sallay/article/details/3668614
鸟哥linux私房菜  http://linux.vbird.org/linux_basic/0510osloader.php#startup

grub2 详细介绍  https://wiki.archlinux.org/index.php/GRUB_(%E7%AE%80%E4%BD%93%E4%B8%AD%E6%96%87)