Grub2.00研究

    话说看linux内核源码真是一件辛苦的事情啊，为了弄清楚操作系统，我从linux源码看到grub源码，再看到BIOS，真心是伤不起啊。我研究的linux内核版本是2.6.34.13，它不支持从直接从内核启动，需要一个bootloader。目前linux中使用最广泛的的bootloader是grub，本文就是对grub2.00（下文中简写为grub）在x86下的分析研究。

    grub的源码主要分为四个部分，分别为grub-core/boot/i386/pc/boot.S， grub-core/boot/i386/pc/ diskboot .S，grub-core/boot/i386/pc/ startup_raw .S，以及grub的核心代码 。

• boot.S是MBR中的512个字节，主要工作是加载diskboot.S。
• diskboot.S也是512字节的代码，它的作用是加载startup_raw.S和grub的核心代码。
• startup_raw.S的作用是解压grub的核心代码。
• grub的核心代码是grub真正功能实现的地方。

    一般 boot.S是放在第一个扇区（即MBR）， diskboot.S是放在第二个扇区，startup_raw.S和grub核心代码放在接下来的几十个扇区（但是限于0-63扇区）。下面按照grub的执行流程来研究grub的工作原理。

1. grub-core/boot/i386/pc/boot.S

    计算机启动后（略过BIOS部分）会将硬盘的第一个扇区加载到0000:7C00处，这个扇区的布局如下图所示。

    此时IP寄存器的值为7C00，第一条指令为跳转指令，跳到BPB（BIOS Parameter Block）后面的代码处执行。这一部分比较简单，首先初始化段寄存器，然后从启动盘读取第二个扇区到0000:8000处。

/* boot kernel */
jmp *(kernel_address) /* kernel_address = 0000:8000 */

    随这这一条指令的执行，boot.S完成了它的使命，将执行权交给了diskboot.S。

2. grub-core/boot/i386/pc/diskboot.S

    diskboot.S的工作跟boot.S类似，它会根据配置信息从启动盘中读取不多于62个扇区的数据。它会将这些数据放在0000:8200处的一段内存中，其中开始部分是start_raw.S的代码，后一部分是压缩的grub核心代码。

ljmp $0, $(GRUB_BOOT_MACHINE_KERNEL_ADDR + 0x200)

    这条跳转指令是diskboot的最后一条指令（不考虑意外情况），实际上就是跳转到0000:8200处。

3. grub-core/kern/i386/pc/startup_raw.S

    startup_raw.S的部分关键代码如下，首先需要 设置数据段、堆栈段和扩展段寄存器，以及栈指针。

/* set up %ds, %ss, and %es */
xorw %ax, %ax
movw %ax, %ds
movw %ax, %ss
movw %ax, %es
/* set up the real mode/BIOS stack */
movl $GRUB_MEMORY_MACHINE_REAL_STACK, %ebp
movl %ebp, %esp

    进行一些准备工作后开始进入保护模式， real_to_prot 这个函数的代码在 grub-core/kern/i386/realmode .S中 。

/* transition to protected mode */
DATA32 call real_to_prot

    进入保护模式后就调用 _LzmaDecodeA解压压缩的核心代码， _LzmaDecodeA这个函数在 lzma_decode.S中定义 。紧接着的几条指令的作用是设置参数，然后跳转到核心代码。

movl $GRUB_MEMORY_MACHINE_DECOMPRESSION_ADDR, %edi
        ...
        popl %esi
movl LOCAL(boot_dev), %edx
movl $prot_to_real, %edi
movl $real_to_prot, %ecx
movl $LOCAL(realidt), %eax
jmp *%esi

    解压后的核心最开始放在0x00100000处，在上面的指令中，esi寄存器的值就是核心代码的地址，edx、edi、ecx、eax分别是启动设备、从保护模式进入实模式函数的地址、从实模式进入保护模式函数的地址、实模式中断描述符表的地址。

4. grub-core/kern/i386/pc/startup.S

    startup.S首先保存传递过来的参数，具体实现是下面的三条指令。

movl %ecx, (LOCAL(real_to_prot_addr) - _start) (%esi)
movl %edi, (LOCAL(prot_to_real_addr) - _start) (%esi)
movl %eax, (EXT_C(grub_realidt) - _start) (%esi)

    为什么不直接使用这几个变量的地址呢？这是因为startup.S当前所在地址为0x00100000，而代码的目标地址为0x00008200，所以需要转换一下变量的地址。

    现在需要将核心代码移动到目标地址，下面的代码完成了移动的工作。

/* copy back the decompressed part (except the modules) */
movl $(_edata - _start), %ecx
movl $(_start), %edi
rep
movsb
movl $LOCAL (cont), %esi
jmp *%esi
LOCAL(cont):

    ecx的值是核心代码的大小，由_edata减_start得来。edi的值为_start，也就是目标地址。esi是核心代码现在所在的地址，在startup_raw.S中设置，到现在一直未有变动。

    移动完成以后，jmp指令完成了到目标地址的跳转，这个跳转很巧妙，虽然整个代码移动了位置，但看起来就像没有移动一样。

/*
 *  Call the start of main body of C code.
 */
call EXT_C(grub_main)

    接下来清空BSS（Block Started by Symbol ），调用 grub_main进入grub的主函数，这个函数在 grub-core/kern/main.c中 。到这来我们已经来到了grub的核心代码部分，这部分主要是grub的模块化框架的初始化，各种命令的注册，各种模块的加载等等。

    我比较关心的是grub在用户选择指定的系统后怎么加载linux的，精力有限，其它代码暂时就不去阅读了。当用户选择指定的内核条目后， grub-core/commands/boot.c中的命令函数 g rub_cmd_boot开始执行 。

    加载linux的代码在grub-core/loader/i386目录下，grub支持16位、32位、64位三种模式启动linux内核。16位模式下会重新回到实模式，再启动linux内核。32位和64位两种模式下不需要再进入实模式，直接在保护模式启动。

    linux.c文件中的 grub_cmd_linux函数就是处理linux内核加载的 。函数 grub_cmd_linux的作用是根据命令行参数生成相关配置数据，然后设置一个回调函数，由 g rub_cmd_boot调用。这样做的好处是减小了代码的耦合度。

     g rub_cmd_boot和 grub_linux_boot两个函数 将linux内核从文件系统中读取到内存中，内核代码分为两部分，一部分是实模式代码，一部分是保护模式代码。实模式代码一般放在0x00009000处，保护模式代码一般放在0x00100000处，在 32位和64位两种模式启动实际上不需要实模式部分代码 。此外， g rub为linux内核设置了 linux_kernel_params 参数，这些参数在linux内核中会用到。

5.  grub_relocatorXX_boot

   

    离进入linux内核就差最后一步了， grub_linux_boot最后调用 grub_relocatorXX_boot（.../ lib/.../ relocator.c ） 进入内核。顾名思义，最后所要做的事情是重定位。 grub_cmd_linux只是将加载了内核的代码 ，这部分代码要能使用还必须对代码的每个chunk进行重定位。

    重定义这部分代码不是很复杂，需要结合ELF文件格式阅读，这里就不多说了。调用 grub_relocator_prepare_relocs重定位好之后，如下面代码所示，先关闭中断，然后调用 relst() 就进入到了linux内核， relst()后面的代码是永远不会执行的 。

asm volatile ("cli");
      ((void (*) (void)) relst) ();
      /* Not reached.  */
      return GRUB_ERR_NONE;

    到这里为止，本文就算是把grub启动linux简要叙述了一遍，其中还有很多细节这里没有讲，以后有时间再好好看看。