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  • 从BIOS到bootloader

    从BIOS到bootloader

    x86 作为一个开放的营商环境,有两种模式,一种模式是实模式,只能寻址 1M,每个段最多 64K。

    BIOS 时期

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    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。
    平时买的内存条是可读可写的,这样才能保存计算结果。而 ROM 是只读的,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)。
    如果你自己安装过操作系统,刚启动的时候,按某个组合键,显示器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。

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    假如现在你有 1M 的内存地址空间。这个空间非常有限,你需要好好利用才行。

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    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。

    在内存空间映射显存的空间,在显示器上显示一些字符。

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    bootloader 时期

    操作系统在哪儿呢?一般都会在安装在硬盘上,在 BIOS 的界面上。你会看到一个启动盘的选项。启动盘有什么特点呢?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。

    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。

    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
    }
    

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    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)。

    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。

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    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,本来 kernel.img 是压缩过的,现在执行的时候,需要解压缩。

    从实模式切换到保护模式

    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,

    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() 会显示出让你选择的那个操作系统的列表。

    总结

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