bootloader详解
一。bootloader介绍 bootloader是硬件在加电开机后，除BIOS固化程序外最先运行的软件，负责载入真正的操作系统，可以理解为一个超小型的os。目前在Linux平台中主要有lilo、grub等，在Windows平台上主要有ntldr、bootmgr、grldr等。这里以grub-0.97为基础描述bootloader的启动过程。 一般grub主要分为sta
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一。bootloader介绍 bootloader是硬件在加电开机后，除BIOS固化程序外最先运行的软件，负责载入真正的操作系统，可以理解为一个超小型的os。目前在Linux平台中主要有lilo、grub等，在Windows平台上主要有ntldr、bootmgr、grldr等。这里以grub-0.97为基础描述bootloader的启动过程。 一般grub主要分为stage1和stage2两个阶段。stage1作为启动设备的MBR存在于第一扇区，大小只有512字节。stage1加载位于第二扇区的start程序，然后start以磁盘扇区形式而非文件系统形式载入stage2。stage2中包含了可以进行用户交互的处理流程，实际上就是一个小型的os。通过stage2可以选择决定载入的操作系统版本和相关参数，另外stage2还提供一些特殊功能，如加密、网络以及光盘启动等。 如果grub支持stage1_5，则stage1加载的start不是直接去加载stage2，而是先加载stage1_5，然后通过stage1_5支持的文件系统驱动，通过文件系统加载stage2。 要特别指出的是，start.S即是stage1_5的开头512字节即start程序的源码，同时也是 stage2的开头512字节的源码，只是里面一些具体的过程和参数因为条件编译不同而不同，比如在编译stage1_5的start时使用了 -DSTAGE1_5，而编译stage2时则没有。 stage1位于MBR扇区，即0面0磁道的第1扇区，大小为512字节（388字节代码+58字节BIOS参数块BPB信息+64字节分区表+2字节标志55AA）。start程序位于0面0道第2扇区。系统如果支持stage1_5，stage1_5一般从0面 0磁道的第3扇区开始，这时候stage2就可以以文件方式载入，否则stage2一般就从0面0磁道的第3扇区开始。这些都是grub在安装到系统的时候就准备就绪的。 二。grub的启动过程 1。系统加电，BIOS自检硬件状态，如CPU、内存、硬盘等信息。 2。BIOS执行INT 0x19，读取启动设备的MBR，即起始扇区的512字节，实际上就是grub的stage1，将其加载至内存地址0x7c00处并跳转执行。注意当最初的系统安装时，在安装grub的stage1到启动设备起始扇区的时候，grub的安装程序会在stage1中嵌入stage1_5或者stage2的磁盘位置信息，有了这个准备，stage1才可以在没有文件系统支持的情况下载入stage2。 3。stage1开始执行，加载位于第二扇区的start程序到0x2000(若支持stage1_5)或0x8000(不支持stage1_5)，并跳转执行。 4。执行_start(在文件start.S中)，若支持stage1_5，则加载stage1_5到0x2200，否则加载stage2到0x8200，并跳转执行。 5。执行EXT_C(main) (在文件asm.S中) ，通过EXT_C(init_bios_info)进入cmain。 6。执行cmain(在文件stage1_5.c或stage2.c中都有)。若是支持stage1_5，则先进入stage1_5中的cmain，通过文件系统载入stage2，然后执行chain_stage2，跳转到stage2中的EXT_C(main) ，再进入EXT_C(init_bios_info)，然后是stage2中的cmain，否则直接进入stage2中的cmain。 7。调用run_menu，可进行用户交互选择启动内核。 8。执行run_script(在文件cmdline.c中)，依次运行menu.lst(grub.conf) 中的builtin->func，如root_func、kernel_func及initrd_func等(详见文件builtins.c中)，最后运行boot_func启动内核 。 三。硬盘工作模式和相关BIOS调用介绍 1。硬盘工作模式 现在的硬盘一般都支持逻辑块寻址(LBA)和柱面磁头扇区寻址(CHS)模式，CHS模式是指柱面/磁头/扇区 (Cylinder/Head/Sector) 组成的3D寻址方式。在磁盘的CHS寻址方式中，数据传输的地址是写到4个8位寄存器里的，分别是：柱面低位寄存器、柱面高位寄存器、扇区寄存器和设备/ 磁头寄存器。 柱面地址是16位，即柱面低位寄存器(8位)加上柱面高位寄存器(8位)。扇区地址是8位(注意：扇区寄存器里第一个扇区是1扇区，而不是0扇区)。而磁头地址是4位(没有完全占用8位)。因此，硬盘柱面的最大数是65,536(2的16次方)，磁头的最大数是 16(2的4次方)，扇区的最大数是255(2的8次方-1，注意刚刚我们提到的扇区寄存器问题)。所以，能寻址的最大扇区数是267,386,880 (65,536x16x255)。一个扇区的大小是512字节，也就是说如果以CHS寻址方式，IDE硬盘的最大容量为136.9GB。 在LBA寻址方式中，上述的总共28位可用的寄存器空间(16+8+4)被看作一个完整的LBA地址，因为包括了位0(在CHS模式中扇区不能从0开始计算)，其能寻址的扇区数是268,435,456 (65,536x16x256)，这时IDE硬盘的最大容量为137.4GB。 特别要指出的是由于BIOS中int13缺陷所导致的528MB和8.4GB限制 早先的硬盘容量比较小，所以在设计BIOS时，在把寻址地址从Int 13的地址寄存器转换为IDE(ATA)的地址寄存器时，仅仅把int13中10位的柱面地址对应IDE(ATA)界面中的16位柱面寄存器，而把没有用到的6位(高位寄存器)地址都设定为0。同时仅把6位的扇区地址来对应IDE(ATA)界面的8位扇区寄存器，其中没有用到的2位设置为0。并且仅使用 int13中的磁头寄存器4位(又去掉了4位)来对应IDE(ATA)。因此，此时的磁盘柱面最大数为1024(2的10次方)，磁头的最大数是16(2 的4次方)，扇区的最大数是63(2的6次方-1)。所以能寻址的扇区数就成了1,032,192(1,024x16x63)。一个扇区的容量是512字节，也就是说如果以CHS寻址方式，IDE硬盘的最大容量为528.4MB。因此528MB的硬盘容量限制就出现了。 后来尽管EIDE接口对普通IDE接口进行了扩展，支持了LBA存取方式，突破了528MB的容量限制，理论上可以支持到128G的硬盘容量。但老式的BOIS却继续使用10bit表示柱面数，8bit表示磁头数，6bit表示扇区数，因此老式BOIS最多可以支持 8.4GB的容量（512×63×255×1024=8.4GB)。 在目前新设计的BIOS中，新的int13不使用原有的寄存器传递硬盘的寻址参数，它使用的是存储在操作系统内存里的地址包(没有操作系统支持仍然有问题)。地址包里保存的是64位LBA地址，如果硬盘支持LBA寻址，就把低28位直接传递给ATA界面，如果不支持，操作系统就先把LBA地址转换为CHS地址，再传递给ATA界面。通过这种方式，能实现在ATA总线基础上CHS寻址最大容量是136.9GB，而 LBA寻址最大容量是137.4GB。 同时随着ATA-6规范以及48－Bit LBA Adress的规范的实施和发展，再加上ICH4以上南桥的支持，目前早已经突破硬盘所遇到的137.4GB 问题。 Maxtor是推出48-Bit LBA Address规范最早的公司，其中心思想就是增加CHS的位数，在48-Bit LBA Adress规范中，把扇区地址设置为16位的寄存器，磁头的地址寄存器也设为16位，柱面地址寄存器不变。这样在LBA寻址中可用的寄存器空间就从28 位提高到了48位（16＋16＋16），可以寻址的扇区数就为281,474,976,710,655（65,536x65，535x65,536），整个硬盘的容量就是281,474,976,710,655x512＝144,115,188,075,855,872字节,大约等于 144PB（1PB=1000,000,000,000,000字节）。48位LBA寻址基本上就可以支持非常大容量硬盘的寻址了。 2。相关BIOS调用 这里指的BIOS调用主要是int13的相关磁盘功能，有兴趣可以参考中断大全。 2.1。功能0x41 检查磁盘是否支持LBA，例如： movb $0x41, %ah movw $0x55aa, %bx int $0x13 2.2。功能0x42 从指定扇区读数据到内存 %dl可以从功能0x41中获得，是设备号，磁盘为0x80 %ds:%si是指定的内存地址 2.3。功能0x8 获取磁盘参数 2.4。功能0x2 读取指定扇区数据到内存 %al是扇区个数 %ch是柱面号 %cl是扇区号，第6、7位是柱面号高位 %dh是磁头 %dl是设备，0x80是磁盘，0x0是软驱 %es:%bx是指定的内存地址 四。MBR(stage1)详解 * MBR 获取： dd if=/dev/sda of=mbr bs=512 count=1 于是利用bview将0x4a之前数据先删掉再反汇编 一个实际启动硬盘的MBR内容，大小为512字节。
下面我们分析MBR的内容。我们使用AT&T汇编语言，通过对MBR的反汇编来解释MBR启动。注意在系统启动时MBR会被BIOS载入到内存的0x7c00位置。 1。启动跳转 00000000h：EB 48 ：jmp $0x0000004a ；跳转到0x0000004a位置执行，实际是0x00000048+2(EB 48所占的两个字节) 00000003h：90：nop 2。参数信息 00000004h至0000003dh是BIOS参数块BPB。 0000003eh：03：COMPAT_VERSION_MAJOR版本号 0000003fh：02：COMPAT_VERSION_MINOR版本号 00000040h：FF：GRUB_INVALID_DRIVE，载入stage2标记 00000042h：00 20：start程序载入到的地址0x2000，实际上从这里就可以看出来，此bootloader是支持stage1_5的 00000044h：01 00 00 00：start程序的扇区位置 00000048h：00 02：start程序的段地址0x0200 3。启动磁盘的检查以及载入start程序前的准备 0000004ah：FA ：cli ；清中断标记 0000004bh：90 90 ：nop nop 0000004dh：F6 C2 80 ：testb $0x80, %dl ：这是为了避免一些有问题的BIOS没有将启动设备放到%dl中 00000050h：75 02 ：jnz $0x00000054 ：如果测试为非0，则认为GRUB被安装到软驱上，直接跳转 00000052h：B2 80 ：movb $0x80, %dl ：如果%dl没有被设置，就将其设置为0x80 00000054h：EA 59 7C 00 00 ：ljmp $0x00007c59 ；长跳转到0x7c59，实际上就是这里的0x0059，因为磁盘上的0x0000就对应内存中的0x7c00，使用长跳转是为了避免有问题的BIOS跳转到07c0:0000而不是0000:7c00 00000059h：31 C0 ：xorw %ax, %ax 0000005bh：8E D8：movw %ax, %ds 0000005dh：8E D0：movw %ax, %ss；设置%ds和%ss为0 0000005fh：BC 00 20：movw $0x2000, %sp； 设置栈启始从0x2000开始 00000062h：FB：sti；设置中断标志 00000063h：A0 40 7C：movb $(0x7c40), %al ；实际就是0x40处的内容，0x7c40-0x7c00，这里就是0xFF 00000066h：3C FF：cmpb $0xFF, %al ；检查是否有设置了GRUB_INVALID_DRIVE标记，确认%al中是否0xFF 00000068h：74 02：je $0x0000006c ：相等的话跳到0x0000006c 0000006ah：88 C2：movb %al, %dl ，将0xFF保存到%dl 0000006ch：52：pushw %dx 0000006dh：BE 7F 7D：movw $(0x7d7f), %si；取0x7d7f-0x7c00=0x17f处的内容 ，当前为GRUB 00000070h：E8 34 01：call $0x01a7；即0x0134+0x70+0x03=0x01a7 ，实际上是调用message过程在屏幕上打印GRUB字样 4。判断磁盘模式，CHS还是LBA 00000073h：F6 C2 80：testb $0x80, %dl ；如果是软驱(0x80)的话就不进行LBA判断 00000076h：74 54：jz $0x00cc；0x76+0x54+0x2=0xcc ，如果比较结果为0，是软驱，直接跳转到CHS模式 00000078h：B4 41：movb $0x41, %ah 0000007ah：BB AA 55：movw $0x55aa, %bx 0000007dh：CD 13：int $0x13 ；调用int13的0x41检查磁盘是否支持LBA模式 0000007fh：5A：popw %dx 00000080h：52：pushw %dx 00000081h：72 49：jc $0x00cc ；出错跳转到CHS模式 00000083h：81 FB 55 AA：cmpw $0xaa55, %bx 00000087h：75 43：jne $0x00cc ；不相等跳转到CHS模式 00000089h：A0 41 7C：$(0x7c41), %al ；取0x0041处内容，是否强制为LBA(grub安装时可以强制LBA)，目前为0，不是强制LBA 0000008ch：84 C0：testb %al, %al 0000008eh：75 05：jnz $0x0095 ；若不为0，是强制LBA，跳转到LBA模式 00000090h：83 E1 01：andw $1, %cx 00000093h：74 37：jz $0x00cc ；若为0，跳转到CHS模式，显然在这里为0，所以实际上是进入CHS模式 5。使用LBA模式读取start程序，读取到内存0x7000处 00000095h：66 8B 4C 10：movl 0x10(%si), %ecx ；这里是LBA模式的入口，保存扇区数目到%ecx 00000099h：BE 05 7C：movw $(0x7c05), %si 0000009ch：C6 44 FF 01：movb $1, -1(%si) ：设置非零模式 000000a0h：66 8B 1E 44 7C：movl $(0x7c44), %ebx ：保存扇区位置到%ebx ，这里为1，实际上就是第2扇区 000000a5h：C7 04 10 00：movw $0x0010, (%si) 000000a9h：C7 44 02 01 00：movw $1, 2(%si) 000000aeh：66 89 5c 08：movl %ebx, 8(%si) ；计算扇区的LBA绝对地址 000000b2h：C7 44 06 00 70：movw $0x7000, 6(%si) 000000b7h：66 31 C0：xorl %eax, %eax 000000bah：89 44 04：movw %ax, 4(%si) 000000bdh：66 89 44 0C：movl %eax, 12(%si) 000000c1h：B4 42：movb $0x42, %ah 000000c3h：CD 13：int $0x13 ；使用int13的功能42将LBA指定的磁盘数据拷贝到0x7000 000000c5h：72 05：jc $0x00cc ；如果出错；则跳转到CHS模式 000000c7h：BB 00 70：movw $0x7000, %bx 000000cah：EB 7D：jmp $0x0149 ；跳转到移动数据到指定位置的调用入口 6。使用CHS模式读取start程序，读取到内存0x7000处 000000cch：B4 08：movb $8, %ah ；这里是CHS模式的入口，int13功能8为获取驱动器参数 000000ceh：CD 13：int $0x13 ；调用BIOS决定磁盘的geometry 000000d0h：74 0A：jnc $0x00dc ；情况正常进入处始化过程 000000d2h：F6 C2 80：testb $0x80, %dl 000000d5h：0F 84 EA 00：jz $0x01c3 ；调用失败，如果%dl为0x80则探测软盘 000000d9h：E9 8D 00：jmp $0x0169 ；否则打印硬盘错误 000000dch：BE 05 7C：movw $(0x7c05), %si ；CHS初始化过程开始 000000dfh：C6 44 FF 00：movb $0, -1(%si) ；设置模式为0 000000e3h：66 31 C0：xorl %eax, %eax ；保存磁头数开始 000000e6h：88 F0：movb %dh, %al 000000e8h：40：incw %ax 000000e9h：66 89 44 04：movl %eax, 4(%si) 000000edh：31 D2：xorw %dx, %dx 000000efh：88 CA：movb %cl, %dl 000000f1h：C1 E2 02：shlw $2, %dx 000000f4h：88 E8：movb %ch, %al 000000f6h：88 F4：movb %dh, %ah ；保存磁头数结束 000000f8h：40：incw %ax ；保存柱面数开始 000000f9h：89 44 08：movw %ax, 8(%si) 000000fch：31 C0：xorw %ax, %ax 000000feh：88 D0：movb %dl, %al 00000100h：C0 E8 02：shrb $2, %al ；保存柱面数结束 00000103h：66 89 04：movl %eax, (%si)；保存扇区数 00000106h：66 A1 44 7C：movl $(0x7c44), %eax ；从0x44位置载入逻辑启始扇区地址，这里为1，实际上是就第2扇区 0000010ah：66 31 D2：xorl %edx, %edx ；清0 0000010dh：66 F7 34：divl (%si) ；除以扇区数 00000110h：88 54 0A：movb %dl, 10(%si) ；保存启始扇区 00000113h：66 31 D2：xorl %edx, %edx ；清0 00000116h：66 F7 74 04：divl 4(%si) ；除以磁头数 0000011ah：88 54 0B：movb %dl, 11(%si) ；保存启始磁头 0000011dh：89 44 0C：movw %ax, 12(%si) ；保存启始柱面 00000120h：3B 44 08：cmpw 8(%si), %ax ；柱面是否超出 00000123h：7D 3C：jge $0x0161 ；若大于等于则出Geom错误 00000125h：8A 54 0D：movb 13(%si), %dl ；获取柱面的高位 00000128h：C0 E2 06：shlb $6, %dl ；平移6位 0000012bh：8A 4C 0A：movb 10(%si), %cl ；获取扇区 0000012eh：FE C1：incb %cl 00000130h：08 D1：orb %dl, %cl 00000132h：8A 6C 0C：movb 12(%si), %ch ；将扇区+柱面高位放到cl，将柱面放到ch 00000135h：5A：popw %dx 00000136h：8A 74 0B：movb 11(%si), %dh ；磁头号 00000139h：BB 00 70：movw $0x7000, %bx 0000013ch：8E C3：movw %bx, %es 0000013eh：31 DB：xorw %bx, %bx 00000140h：B8 01 02：movw $0x0201, %ax 00000143h：CD 13：int $0x13 ；int13功能0x2，将指定扇区内容读到0x7000 00000145h：72 24：jc $0x0171 ；磁盘读错误则跳转 7。将start程序从0x7000移动到指定的启始地址位置，在这里是0x2000，并跳转到start程序 00000147h：8C C3：movw %es, %bx 00000149h：8E 06 48 7C：movw $(0x7c48), %es；将0x7000的内容拷贝到0x0048指定的地址，这里是0x0200:0x0000 0000014dh：60：pusha 0000014eh：1E：pushw %ds 0000014fh：B9 00 01：movw $0x100, %cx 00000152h：8E DB：movw %bx, %ds 00000154h：31 F6：xorw %si, %si 00000156h：31 FF：xorw %di, %di 00000158h：FC：cld 00000159h：F3 A5：rep movsw ；串移动 0000015bh：1F：popw %ds 0000015ch：61：popa 0000015dh：FF 26 42 7C：jmp $(0x7c42) ；跳转到0x2000处执行，进入start阶段 8。一些基本的函数调用 00000161h：BE 85 7D：movw $0x7d85, %si ；geometry_error调用 00000164h：E8 40 00：call $0x01a7 00000167h：EB 0E：jmp $0x0177 00000169h：BE 8A 7D：movw $0x7d8a, %si ；hd_probe_error调用 0000016ch：E8 38 00：call $0x01a7 0000016fh：EB 06：jmp $0x0177 00000171h：BE 94 7D：movw $0x7d94, %si ；read_error调用 00000174h：E8 30 00：call $0x01a7 00000177h：BE 99 7D：movw $0x7d99, %si ；general_error调用 0000017ah：E8 2A 00：call $0x01a7 0000017dh：EB FE：jmp $0x017d ；进入死循环 。。。 000001a0h：BB 01 00：movw $0x0001, %bx 000001a3h：B4 0E：movb $0xe, %ah 000001a5h：CD 10：int $0x10 000001a7h：AC：lodsb ；在屏幕上显示消息的调用 000001a8h：3C 00：cmpb $0, %al 000001aah：75 F4：jne $0x01a0 000001ach：C3：ret 下图是对应的未安装到启动硬盘前的原始stage1内容，大小也为512字节。
对比MBR，我们可以看到被修改的地址有： 0x43：80 -> 20 实际上就是stage2的启始原先是0x8000的，在这个实例中，由于支持stage1_5，在安装grub时被setup_func修改成0x2000了。 0x49：08 -> 02 原来是0x0800，现在是0x0200，成为stage1_5的段地址，。 0x4b至0x4c：EB 07 -> 90 90 这是将原来的一个jmp指令改为nop 。 0x1be至0x1fc：实际上包含了分区表信息。 最后大家可以通过直接分析stage1.S文件进一步理解stage1的工作过程。 五。start程序的作用 start位于第2个扇区，在此实例中实际数据如下所示：
在此扇区中，0x01fe开始的内容0x0220是下一次转载到的段地址，0x01fc开始的内容0x000e是 start需要读取的扇区数目，从0x01f8开始的0x00000002是start读取的启始扇区，实际上是第三扇区。在这里我们通过分析 start.S来解析处理过程。 _start：
bootloop：
setup_sectors：
lba_mode：
1：
chs_mode：
2：
copy_buffer：
bootit：
geometry_error：
read_error：
general_error：
stop： jmp stop ；进入死循环 到此为止，start已经把第三扇区后的0x0e个扇区都读入从0x2200开始的内存中了。 六。真正的入口 - EXT_C(main) EXT_C(main) 在文件asm.S中，就是从地址0x2200开始的入口调用。在这里只做主要流程的分析。 ENTRY(main)：
codestart:：
在init_bios_info 中调用了stage1_5的cmain，此时已经加载了文件驱动，可以将stage2通过文件系统方式读入到地址0x8000处，然后执行ENTRY(chain_stage2)。下面看文件stage2/stage1_5.c中的cmain。 grub_open (config_file)；打开stage2文件 grub_read ((char *) 0x8000, SECTOR_SIZE * 2)；读取2个扇区的内容到地址0x8000 ret = grub_read ((char *) 0x8000 + SECTOR_SIZE * 2, -1)；读取其余数据 chain_stage2 (0, 0x8200, saved_sector)；具体函数在文件stage2/asm.S中 在ENTRY(chain_stage2)中，首先是EXT_C(prot_to_real)退出保护模式，最后跳转到从地址0x8200处开始执行，实际上就是跳过start，再次进入EXT_C(main)。 movl 0x8(%esp), %eax；取出栈中第一个参数(%esp+8)的内容放到%eax中 movl %eax, offset；实际上是将第一个参数0放到offset movl %eax, %ebx movw 0x4(%esp), %ax；取出栈中第二个参数(%esp+4)的内容放到%ax中 movw %ax, segment；实际上就是0x8200 shll $4, %eax；左移4位，得到0x0820 addl %eax, %ebx；产生线性地址0x0820:0000 movl 0xc(%esp), %ecx；将saved_sector赋给%ecx call EXT_C(prot_to_real)；从保护模式进入实模式 DATA32 ADDR32 ljmp (offset)；跳转到0x0820:0000，即进入stage2的EXT_C(main) 第二次进入EXT_C(main)，前面执行的内容和第一次进入一样，只不过这一次cmain不是上一次stage1_5的cmain了，真正进入了stage2的cmain，即grub的交互处理循环了，主要步骤如下： run_menu；处理用户键盘指令和用户选择菜单的命令，如光标上下移动、修改启动参数、选择启动选项等。 run_script；处理用户选择的启动选项中的命令，如root、kernel、initrd等命令，注意最后系统会自己加上boot命令。 builtin->func；具体执行root_func、kernel_func、initrd_func和boot_func命令。 七。kernel_func - 载入内核 在grub的stage2中的文件builtins.c中有一个结构builtin_table，是所有grub 支持命令的函数对应表，其中设计内核启动的主要有kernel_func和boot_func，另外setup_func是设计bootloader安装的处理，在这里也做介绍。 kernel_func 是将内核载入到内存指定地址的处理。 首先指定内核参数地址。 mb_cmdline = (char *) MB_CMDLINE_BUF；MB_CMDLINE_BUF=0x2000 grub_memmove (mb_cmdline, arg, len + 1);；将内核参数移动到0x2000 load_image (arg, mb_cmdline, suggested_type, load_flags)；开始栽入内核 在load_image中使用了文件系统读取fsys_table，这里就不详细介绍了。 grub_open (kernel)；打开内核文件，在这里即bzImage文件 grub_read (buffer, MULTIBOOT_SEARCH)；读取开头MULTIBOOT_SEARCH=8192个字节到buffer ，如下图所示部分内容：
lh = (struct linux_kernel_header *) buffer;；在这里lh是linux_kernel_header结构指针，具体可以参考Linux启动协议的定义 这时候一定是lh->boot_flag == BOOTSEC_SIGNATURE && lh->setup_sects <= LINUX_MAX_SETUP_SECTS；BOOTSEC_SIGNATURE=0xAA55，LINUX_MAX_SETUP_SECTS=64，分别见偏移0x1fe和0x1f1，lh->setup_sects=0x0a int setup_sects = lh->setup_sects；内核setup部分占的扇区数目，在这里就是0x0a lh->type_of_loader = LINUX_BOOT_LOADER_TYPE；指定type_of_loader为LINUX_BOOT_LOADER_TYPE=0x71 linux_data_real_addr = (char *) ((mbi.mem_lower << 10) - LINUX_SETUP_MOVE_SIZE);LINUX_SETUP_MOVE_SIZE=0x9100，mbi.mem_lower是系统低位内存大小，一般为640k if (linux_data_real_addr > (char *) LINUX_OLD_REAL_MODE_ADDR) linux_data_real_addr = (char *) LINUX_OLD_REAL_MODE_ADDR;LINUX_OLD_REAL_MODE_ADDR=0x90000 ；如果linux_data_real_addr 大于0x90000，则实际数据地址不能超过0x90000 lh->heap_end_ptr = LINUX_HEAP_END_OFFSET；设置heap_end_ptr ，LINUX_HEAP_END_OFFSET=0x9000 - 0x200 lh->loadflags |= LINUX_FLAG_CAN_USE_HEAP；设置loadflags，LINUX_FLAG_CAN_USE_HEAP=0x80 lh->cmd_line_ptr = linux_data_real_addr + LINUX_CL_OFFSET；设置cmd_line_ptr，内核即参数位置，LINUX_CL_OFFSET=0x9000 data_len = setup_sects << 9；获得bzImage中实模式代码setup部分的大小，这里是0x0a<<9，即0x1400字节 text_len = filemax - data_len - SECTOR_SIZE;；获得bzImage其余部分，即保护模式代码的大小 linux_data_tmp_addr = (char *) LINUX_BZIMAGE_ADDR + text_len；设置临时指针到地址0x100000+保护模式代码尺寸之后 grub_memmove (linux_data_tmp_addr, buffer, MULTIBOOT_SEARCH)；将开始时候读取buffer的内容放到0x100000+保护模式代码之后，即将bootsect和setup代码开头部分放到0x100000+保护模式代码之后 grub_read (linux_data_tmp_addr + MULTIBOOT_SEARCH, data_len + SECTOR_SIZE - MULTIBOOT_SEARCH)；将实模式代码读全了 char *src = skip_to (0, arg); char *dest = linux_data_tmp_addr + LINUX_CL_OFFSET；将内核参数拷贝到0x100000+保护模式代码尺寸+0x9000后 while (dest < linux_data_tmp_addr + LINUX_CL_END_OFFSET && *src) *(dest++) = *(src++)；最多拷贝0xff个字节，到0x90FF，所以bootsect+setup到内核参数结束总共为0x9100字节 grub_seek (data_len + SECTOR_SIZE)；重新将文件指针定位到保护模式代码 grub_read ((char *) LINUX_BZIMAGE_ADDR, text_len)；将保护模式代码拷贝到0x100000 到这里，我们就可以了解到grub将内核载入后的内容地址分布图了： 0x100000开始，是内核保护模式以后代码 0x100000+保护模式代码尺寸开始，是内核bootsec和实模式setup部分代码，在这里bootsect为512字节，setup为0x1400字节 0x100000+保护模式代码尺寸+0x9000开始，是内核参数命令，一共0xff个字节 八。boot_func - 启动内核 boot_func是grub启动内核时的操作，其对内核内容的数据又做了一些修改。 big_linux_boot 位于asm.S文件中，主要操作如下： 1。调整内核bootsect和setup实模式数据位置 将linux_data_tmp_addr(地址0x100000)处实模式代码移到linux_data_real_addr(地址0x90000)，移动尺寸大小为LINUX_SETUP_MOVE_SIZE=0x9100，这样把参数也移过去了。 在load_image里已经指出linux_data_real_addr最大为LINUX_OLD_REAL_MODE_ADDR=0x90000 ，这样内核的实际内容地址分布又成了： 0x90000开始，是内核bootsect和实模式setup的执行代码 0x90000+0x9000开始，是内核参数，共0xff个字节 0x100000开始，是内核保护模式代码 2。填写要跳转到的段地址 movl EXT_C(linux_data_real_addr), %ebx ；%ebx为0x90000 shrl $4, %ebx movl %ebx, %eax addl $0x20, %eax ；%eax为0x9020 movl %eax, linux_setup_seg；这样下面要跳转的linux_setup_seg地址是就是linux_data_real_addr+ 0x200的段地址，平移4位即段地址0x9020:0000，同时跳过了bootsect的0x200字节，直接执行到setup实模式代码 3。返回实模式 call EXT_C(prot_to_real) ；在EXT_C(main) 中已经介绍，在stage2中进入保护模式，这里又回到实模式，因为内核启始部分还是实模式代码 4。设置内核栈，跳转到内核setup实模式
linux_setup_seg：
可以看到linux_setup_seg是上面的0x9020段地址，这样跳转到的就是0x9020:0000即0x90200。 九。setup_func - 安装grub 安装grub时最关键的是修改了stage1和stage2里的一些内容，具体操作在install_func中。修改的内容主要有： 1。修改stage1中一些参数 *((unsigned char *) (stage1_buffer + STAGE1_BOOT_DRIVE)) = new_drive；设置启动设备 *((unsigned char *) (stage1_buffer + STAGE1_FORCE_LBA)) = is_force_lba；设置是否强制LBA *((unsigned long *) (stage1_buffer + STAGE1_STAGE2_SECTOR)) = stage2_first_sector；设置stage1_5或stage2启始扇区号 *((unsigned short *) (stage1_buffer + STAGE1_STAGE2_ADDRESS)) = installaddr；设置stage1_5或stage2的载入地址，前者0x2000，后者为0x8000 *((unsigned short *) (stage1_buffer + STAGE1_STAGE2_SEGMENT)) = installaddr >> 4；载入的段地址 2。修改stage2中一些参数 *((unsigned char *) (stage2_second_buffer + STAGE2_FORCE_LBA)) = is_force_lba；设置是否强制LBA 十。grub在内存中的映射表 0 to 4K-1
0x07BE to 0x07FF
down from 8K-1
0x2000 to ?
0x2000 to 0x7FFF
0x7C00 to 0x7DFF
0x7F00 to 0x7F42
0x8000 to ?
The end of Stage 2 to 416K-1
down from 416K-1
416K to 448K-1
448K to 479.5K-1
479.5K to 480K-1
480K to 512K-1
The last 1K of lower memory 磁盘交换代码和数据一。获得可运行的Linux内核 当我们从www.kernel.org获得Linux源码并正确编译后，在源码根目录下会生成文件vmlinux，同时在arch/i386/boot/目录下会生成bzImage文件。下面我们看看vmlinux和bzImage分别是如何得到的。没有特殊说明，本系列中Linux的参考对象都为版本2.6.22。 1。vmlinux的获得 vmlinux是Linux源码编译后未压缩的内核，我们查看源码根目录下的.vmlinux.cmd文件，可以看到： cmd_vmlinux := ld -m elf_i386 -m elf_i386 -o vmlinux -T arch/i386/kernel/vmlinux.lds arch/i386/kernel/head.o arch/i386/kernel/init_task.o init/built-in.o --start-group usr/built-in.o arch/i386/kernel/built-in.o arch/i386/mm/built-in.o arch/i386/mach-default/built-in.o arch/i386/crypto/built-in.o kernel/built-in.o mm/built-in.o fs/built-in.o ipc/built-in.o security/built-in.o crypto/built-in.o block/built-in.o lib/lib.a arch/i386/lib/lib.a lib/built-in.o arch/i386/lib/built-in.o drivers/built-in.o sound/built-in.o arch/i386/pci/built-in.o net/built-in.o --end-group .tmp_kallsyms2.o 这说明vmlinux是由arch/i386/kernel/head.o和arch/i386/kernel /init_task.o以及各个相关子目录下的built-in.o链接而成的。注意按照链接顺序我们可以发现arch/i386/kernel /head.S的目标文件似乎比较靠前。 2。bzImage的获得 bzImage是内核的压缩版本，一般可以是vmlinux大小的三分之一左右。 首先查看生成bzImage的链接文件arch/i386/boot/.bzImage.cmd cmd_arch/i386/boot/bzImage := arch/i386/boot/tools/build -b arch/i386/boot/bootsect arch/i386/boot/setup arch/i386/boot/vmlinux.bin CURRENT > arch/i386/boot/bzImage 接下去根据线索我们查看生成vmlinux.bin的链接文件arch/i386/boot/.vmlinux.bin.cmd cmd_arch/i386/boot/vmlinux.bin := objcopy -O binary -R .note -R .comment -S arch/i386/boot/compressed/vmlinux arch/i386/boot/vmlinux.bin 然后查看生成vmlinux的链接文件arch/i386/boot/compressed/.vmlinux.cmd cmd_arch/i386/boot/compressed/vmlinux := ld -m elf_i386 -m elf_i386 -T arch/i386/boot/compressed/vmlinux.lds arch/i386/boot/compressed/head.o arch/i386/boot/compressed/misc.o arch/i386/boot/compressed/piggy.o -o arch/i386/boot/compressed/vmlinux 接下去查看生成piggy.o的链接文件arch/i386/boot/compressed/.piggy.o.cmd cmd_arch/i386/boot/compressed/piggy.o := ld -m elf_i386 -m elf_i386 -r --format binary --oformat elf32-i386 -T arch/i386/boot/compressed/vmlinux.scr arch/i386/boot/compressed/vmlinux.bin.gz -o arch/i386/boot/compressed/piggy.o 然后接下去查看生成vmlinux.bin.gz的链接文件arch/i386/boot/compressed/.vmlinux.bin.gz.cmd cmd_arch/i386/boot/compressed/vmlinux.bin.gz := gzip -f -9 < arch/i386/boot/compressed/vmlinux.bin > arch/i386/boot/compressed/vmlinux.bin.gz 最后我们查看生成vmlinux.bin的链接文件arch/i386/boot/compressed/.vmlinux.bin.cmd，注意这里的vmlinux就是根目录下的vmlinux。 cmd_arch/i386/boot/compressed/vmlinux.bin := objcopy -O binary -R .note -R .comment -S vmlinux arch/i386/boot/compressed/vmlinux.bin 下面我们将生成bzImage的过程总结一下： a。由vmlinux文件strip掉符号表得到arch/i386/boot/compressed/vmlinux.bin b。将vmlinux.bin压缩成vmlinux.bin.gz c。将vmlinux.scr和vmlinux.bin.gz链接成piggy.o d。将head.o、misc.o和piggy.o链接成当前目录下的vmlinux e。将vmlinux文件strip掉符号表得到arch/i386/boot/vmlinux.bin f。将bootsect、setup和vmlinux.bin拼接成bzImage 二。内核装载时的内存空间映射 下面是文件Documentation/i386/boot.txt中提供的bzImage在内存中的映射图，和本实例略有出入，下面我们会指出，但基本描述了bzImage在内存中的分布情况。
下图是传统的Image或zImage内存映射图
结合上一章在bootloader中boot_func所讲的实际情况，内核在内存中的地址映射应该是这样的： 0x100000以上：内核保护模式代码 0x99000-0x99100：内核参数命令 0x90000-0x99000：内核bootsect和setup实模式代码，bootsect大小512字节，setup0x1400字节 0x9000开始：内核栈地址 三。内核启始相关文件分析 从以上bzImage的生成过程，我们可以发现，arch/i386/boot/bootsect和arch /i386/boot/setup应该是做初始工作的，接下来应该是arch/i386/boot/compressed/head.o，然后可能就是 vmlinux是由arch/i386/kernel/head.o。那么我们就按照顺序从arch/i386/boot/bootsect.S开始分析。 下面图片是bzImage的前0x240个字节内容。
四。arch/i386/boot/bootsect.S bootsect.S生成的文件bootsect大小只有512字节，也就是上图中的0x0000到0x01ff的内容，是不是有点眼熟，其实里面另有玄机。下面我们来看bootsect.S的内容。 _start：
start2：
msg_loop：
die：
从这里可以看出，此处内核的bootsect其实没有任何意义，实际上在2.6版本的linux中，必须要有另外的bootloader才能启动内核，例如grub。在前面我们分析grub的boot_func中的big_linux_boot里，描述了实际上 grub的stage2将内核的bootsect和setup实模式代码载入到地址0x90000后，是skip了头0x200个字节的，直接跳转到地址 0x90200处执行的。 五。arch/i386/boot/setup.S setup.S是真正内核的开始，上面图片从0x200开始就是setup的内容。 从0x0202开始的4个字节是特征值"HdrS"。 0x206开始的内容0x0206是版本号，其实是Linux内核头协议号。 0x20c开始的内容是SYSSEG，即系统载入的段地址0x1000。 接下来是kernel_version内容的偏移量，在这里是0x11b8，实际上就是setup的启始地址 0x200+0x11b8=0x13b8，在这里因为太长没有给出图片，可以告诉大家实际内容是"2.6.22 ( root@FG4DEV ) #6 SMP Thu Aug 2 16:57:24 CST 2007"。 0x211内容为1，指出此内核为big-kernel。 0x212开始的内容是0x8000，代表setup_move_size的大小，后面将会遇到。 0x214的内容代表了内核将要加载到的地址，在这里是0x100000。 从0x240到0xeff是E820和EDD的保留空间。 下面我们介绍主要流程。 start：
trampoline：
start_of_setup：
1。检查特征值
good_sig1：
good_sig：
2。检查是否载入的是big-kernel
3。检查cpu情况 loader_ok：
1：
cpu_ok： 4。获取内存大小，在这里共使用了3种不同方式检测内存：通过e820h方式获取内存地图，通过e801h方式获得32位内存尺寸，最后通过88h获得0-64m 。有关e820h可以访问www.acpi.info获得ACPI 2.0规范的详细内容 下面的e820h方式
meme820：
jmpe820：
good820：
again820：
bail820： 下面是e801h方式 meme801：
e801usecxdx：
这里是88h方式，最古老的方式，难道最后内容放在地址0x02中？ mem88：
5。设置键盘敲击速率到最大
6。检查显示设备参数并设置模式，具体看arch/i386/boot/video.S，这里不做介绍了
7。获取hd0数据
8。获取hd1数据
9。检查是否有hd1
no_disk1：
is_disk1： 10。检查微通道总线MCA，IBM提出的早期总线，目前一般系统都不带MCA总线了
sysdesc_ok：
no_mca： 11。检测PS/2点设备
no_psmouse： 12。准备进入保护模式
rmodeswtch_normal：
rmodeswtch_end： 13。将系统移到正确的位置，如果是big-kernel我们就不移动了
do_move0：
do_move：
end_move： 14。载入段地址，确认bootloader是否支持启动协议版本2.02，决定是否需要移动代码到0x90000 ，关于启动协议可以参考Documentation/i386/boot.txt ，本实例中是不需要移动的
move_self_1：
move_self_here：
end_move_self： 15。打开A20 ，A20地址线是一个历史遗留问题，早期为了使用1M以上内存而使用的开关，目前一般硬件缺省就是打开的 a20_try_loop： a20_none：
a20_bios：
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