Linux学习之路------从BIOS到bootloader

当按下计算机的启动按钮时，主板就开始上电。

在主板上，有一个东西叫ROM（Read Only Memory，只读存储器）。这和咱们平常说的内存RAM（Random Access Memory，随机存取存储器）不同。

咱们平时买的内存条时可读可写的，这样才能保存计算结果。而ROM是只度的，上面早就固化了一些初始化的程序，也就是BIOS（Basic Input and Output System，基本输入输出系统）。

如果安装过操作系统，刚启动的时候，按某个组合键，显示器就会弹出一个蓝色的界面，能够调整启动顺序的系统，就是我说的BIOS，然后我们就可以先执行它。

在x86系统中，将1M空间最上面的0xF0000到0xFFFFF这64K映射给ROM，也就是说，到这部分地址访问的时候，会访问ROM。

当电脑刚加电的时候，会做一些重置的工作，将CS设置为0xFFFFF，将IP设置为0x0000，所以第一条指令就会指向0xFFFF0，正式在ROM的范围内。在这里，有一个JMP命令会跳到ROM中做初始化工作的代码，于是BIOS开始进行初始化的工作。

这个时候，要建立一个终端向量表和中断服务的程序，因为现在还要用键盘和鼠标，这些都要通过中断进行；这个时期也要在内存空间映射显存的空间，在显示器上显示一些字符。

bootloader时期

BIOS初始化之后，我们需要操作系统。那么操作系统会在哪里呢？一般都会安装在硬盘上，在BIOS的界面上。你会看到一个启动盘的选项。启动盘有上面特点呢？它一般在第一个扇区，占512字节，而且以0xAA55结束。这是一个约定，当满足这个条件的时候，就说明这是一个启动盘，在512字节以内会启动相关的代码。

这些代码是谁放在这里的呢？在Linux里面有一个工具，叫Grub2，全称Grand Unified Bootloader Version 2。顾名思义，就是搞系统启动的。可以通过grub2-mkconfig -o /boot/grub2/grub.cfg来配置系统启动的选项。你可以看到里面有类似这样的配置。

menuentry 'CentOS Linux (3.10.0-862.el7.x86_64) 7 (Core)' --class centos --class gnu-linux --class gnu --class os --unrestricted $menuentry_id_option 'gnulinux-3.10.0-862.el7.x86_64-advanced-b1aceb95-6b9e-464a-a589-bed66220ebee' {
	load_video
	set gfxpayload=keep
	insmod gzio
	insmod part_msdos
	insmod ext2
	set root='hd0,msdos1'
	if [ x$feature_platform_search_hint = xy ]; then
	  search --no-floppy --fs-uuid --set=root --hint='hd0,msdos1'  b1aceb95-6b9e-464a-a589-bed66220ebee
	else
	  search --no-floppy --fs-uuid --set=root b1aceb95-6b9e-464a-a589-bed66220ebee
	fi
	linux16 /boot/vmlinuz-3.10.0-862.el7.x86_64 root=UUID=b1aceb95-6b9e-464a-a589-bed66220ebee ro console=tty0 console=ttyS0,115200 crashkernel=auto net.ifnames=0 biosdevname=0 rhgb quiet 
	initrd16 /boot/initramfs-3.10.0-862.el7.x86_64.img
}

这里面的选项会在系统启动的时候，成为一个列表，让你选择从哪个系统启动。最终显示出来的结果就是下面这张图。

使用grub2-install /dev/sda，可以将启动程序、装到相应的位置。

grub2第一个要安装的就是boot.IMG。它由boot.S编译而成，一共512字节，正式安装到启动盘的第一个扇区。这个扇区通常称为MBR（Master Boot Record，主引导记录/扇区）。

BIOS完成任务后，会将boot.img从硬盘加载到内存中的0x7c00来运行。

由于512个字节实在有限，boot.img做不了太多的事情。它能做的最重要的一个时期就是加载grub2的另一个镜像core.img。

引导扇区就是你找到的门卫，虽然他看着档案库的大门，但是直到的事情很少。它不知道你的宝典在哪里，但是，它知道应该问谁。门卫说，档案库入口有一个管理处，然后把你领到门口。

core.img就是管理处，他们知道的和能做到事情就多了一些。core.img由lzma_decompress.img、diskboot.img、kernel.img和一系列的模块组成，功能比较丰富，能做很多事情。

boot.img先加载的是core.img的第一个扇区。如果从硬盘启动的话，这个扇区里面是diskboot，对应的代码是diskboot.S。

boot.img将控制权交给diskboot.img后，diskboot.img的任务就是将core.img的其他部分加载进来，先是解压缩程序lzma_decompress.img，再往下是kernel.img，最后是各个模块module对应的映像。这里需要注意，它不是Linux的内核，而是grub的内核。

lzma_decompress.img对应的代码时startup_raw.S，本来kernel.img是压缩过的，现在执行的时候，需要解压缩。

在这之前，我们所有遇到过的程序都非常非常小，完全可以再实模式下运行，但是随着我们加载的东西越来愈大，实模式者1M的地址空间实在放不下了，所以再真正的解压缩之前，lzma_decompress.img做了一个重要的决定，就是调用real_to_prot，切换到保护模式，这样就能再更大的寻址空间里面，加载更多的东西。

从实模式切换到保护模式

切换到保护模式要干很多工作，大部分工作都和内存的访问方式有关。

第一项是启用分段，就是再内存里面建立段描述符表，将寄存器里面的段寄存器变成段选择器，指向某个段描述符，这样就能实现不同进程的切换了。第二项是启动分页。能够管理的内存变大了，就需要将内存分成相等大小的块。

切换保护模式的函数DATA32 call real_to_prot会打开Gate A20，也就是第21根地址线的控制线。现在好了，有的是空间了。接下来我哦们要对压缩过的kernel.img进行解压缩，然后跳转到kernel.img开始运行。

kernel.img对应的代码时staartup.S以及一堆C文件，再startup.S中会调用grub.main，这是grub kernel的主函数。

在这个函数里面，grub_load_config()开始解析，我们上面写的哪个grub.conf文件里的配置信息。

如果时正常启动，grub_main最后会调用grub_command_execute(“normal”,0,0)，最终会调用grub_normal_execute()函数。在这个函数里面，grub_show_menu()会显示出让你选中的哪个操作系统的列表。

一旦选中了操作系统，就要开始调用grub_menu_execute_entry()，开始解析并执行你选择的那一项。

例如里面的 linux16 命令，表示装载指定的内核文件，并传递内核启动参数。于是 grub_cmd_linux() 函数会被调用，它会首先读取 Linux 内核镜像头部的一些数据结构，放到内存中的数据结构来，进行检查。如果检查通过，则会读取整个 Linux 内核镜像到内存。

如果配置文件里面还有 initrd 命令，用于为即将启动的内核传递 init ramdisk 路径。于是 grub_cmd_initrd() 函数会被调用，将 initramfs 加载到内存中来。

当这些事情做完之后，grub_command_execute (“boot”, 0, 0) 才开始真正地启动内核。