07-从 BIOS 到 bootloader：创业伊始，有活儿老板自己上

BIOS 时期

按下计算机启动按钮后，主板就加电了。这个时候没有操作系统，内存也是空的，CPU 会先执行计算机生产时就在主板上的 ROM （Read Only Memory，只读存储器）里烧写的初始化程序，即 BIOS（Basic Input and Output System，基本输入输出系统）。

假如现在实模式有 1M 的内存地址空间。这个空间非常有限，需要好好利用。

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 0xFFFF，将 IP 设置为 0x0000，所以第一条指令就会指向 0xFFFF0，正是在 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。

• BIOS 要检查一下系统的硬件是不是正常；

• 要建立一个中断向量表、中断服务程序；因为现在需要用键盘和鼠标，这些都要通过中断进行的。

这个时期也要在屏幕上显示一些字符，也就是在内存空间映射显存的空间。

bootloader 时期

操作系统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。

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。

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

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事情就是加载 grub2 的另一个镜像 core.img。

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.img，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 对应的代码是 startup_raw.S，kernel.img 是压缩过的，现在执行的时候需要先解压缩。

在这之前，我们所有遇到过的程序都非常非常小，完全可以在实模式下运行，但是随着我们加载的东西越来越大，实模式这 1M 的地址空间实在放不下了，所以在真正的解压缩之前，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，这样就能在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，大部分工作都与内存的访问方式有关。

第一项是启用分段，就是在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子，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，这些我们放到内存那一节详细再讲。

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 对应的代码是 startup.S 以及一堆 c 文件，在 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，我们上面写的那个 grub.conf 文件里的配置信息。

如果是正常启动，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() 会显示出操作系统的列表让你选择。

选择之后，启动某个操作系统，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。

总结

启动的过程比较复杂，这里画一个图，让你比较形象地理解这个过程。梳理一下，做到不管是从流程还是细节上，都能心中有数。

课堂练习

grub2 是一个非常牛的 Linux 启动管理器，请你研究一下 grub2 的命令和配置，并试试通过它启动 Ubuntu 和 centOS 两个操作系统。