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2015年(116)

2014年(569)

分类: LINUX

2015-03-12 14:57:14

原文地址:http://blog.csdn.net/huangyic1986/article/details/6323452

总 体上我们可以把GRUB看成一个微型的操作系统,他有Shell,支持Script,有文 件系统……我们可以把Stage1和Stage1.5看成一个引导程序,而Stage2则是一个操作 系统,只不过这个操作系统是专门用来引导其他操作系统的操作系统,为此, Stage2支持像kernel, initrd,chainloader等等为此目的而设置的内部“命令”。

3.1  GRUB引导操作系统的两种方式

3.1.1 直接引导方式

GRUB同时支持 Linux, FreeBSD, NetBSD 和OpenBSD。如果想要启动其他的操作系 统,你必须使用链式启动方式来启动他们[6]。

通常,GRUB直接引导操作系统的步骤如下:

(1) 通过''root''指令来设置GRUB的主设备指向操作系统映像文件所存储的地方。

(2) 通过''kernel''命令来载入该操作系统的核心映像。

(3) 如果需要模块,通过''module''命令来加载模块。

(4) 运行命令''boot''。

Linux, FreeBSD, NetBSD 和 OpenBSD使用相同的方式启动。你可以通过''kernel'' 命令来装载核心映像,然后运行''boot''命令。如果核心需要一些参数的话,只要在 ''kernal''命令以后追加就可以了。

3.1.2 链式引导方式

如果你要启动一个不被GRUB直接支持的操作系统(例如: Windows 95),可以通过 链式引导启动一个操作系统。通常来说,那个引导程序和所要启动的操作系统是安 装在一个分区中的。

主要步骤如下:

(1) 通过''rootnoverify''命令设置GRUB的主设备指向一个扇区。

grub> rootnoverify (hd0,0)

(2) 通过''makeactive''命令来设置在扇区上的''active’标志位。

grub> makeactive

(3) 通过''chainloader''命令来加载引导程序。

grub> chainloader +1

''+1''表明GRUB需要从起始分区读一个扇区。

(4) 运行命令''boot''。

3.2  GRUB引导操作系统的简要流程分析

3.2.1 从计算机启动到GRUB启动操作系统

(1) BIOS执行INT 0x19,加载MBR至0x7c00并跳转执行。如果你安装GRUB到MBR, GRUB的安装程序会把Stage1(512B)拷贝到MBR。视 stage2的大小,安装程序会在 Stage1中嵌入Stage1_5或者Stage2的磁盘位置信息。

(2) Stage1开始执行,它在进行直接加载Stage1_5或者Stage2并跳转执行。不论是 哪种情况,这一步的结果都是Stage2开始运行了。

(3) Stage2这个小型的操作系统终于开始正式运行了!它会把系统切入保护模式, 设置好C运行环境(主要是BSS)。他会先找Config文件(就是我们的 Menulist),如果没有的话就执行一个Shell,等待我们输入命令。然后Grub的工 作就是输入命令-解析命令-执行命令的循环,当然 Stage2本身是为加载其他操作 系统而存在的,所以如果情况允许,在他执行Boot命令以后就会把控制权转交出去。

3.2.2  GRUB的主要启动模块

GRUB 包含如下几个启动模块:两个必须的场景文件,一个叫"Stage 1.5"的可选的 场景文件以及2个网络启动的映像文件。首先对他们有一个大致的了解。

Stage1

这是一个基本必须的用来启动GRUB的映像文件。通常,这个文件是被装载到MBR或 者启动扇区所在的分区。由于PC的启动扇区的大小为512字节,所以这个映像文件 编译以后也必须为512字节。

Stage1的全部的工作是从本地磁盘把Stage 2或者Stage 1.5装载进来。由于对 stage1大小的限制,它通过分程序表的形式来编码Stage 2或者Stage 1.5的位置, 所以在stage1是不能识别任何文件系统的。

Stage2

这是GRUB的核心映像。它几乎做了除启动它本身以外的所有事情。通常,它被存放 为某一种文件系统下,但并非是必须的。

e2fs_stage1_5

fat_stage1_5

ffs_stage1_5

jfs_stage1_5

minix_stage1_5

reiserfs_stage1_5

vstafs_stage1_5

xfs_stage1_5

这些文件被称为stage 1.5,它存在的目的是做为stage1与stage2之间的桥梁,也 就是说,stage1载入stage1.5,然后stage1.5载入 stage2。

stage1与stage1.5之间的区别是,前者是不识别任何文件系统的但后者识别文件系 统(例如 ''e2fs_stage1_5'' 识别 ext2fs)。所以你可以安全的移动stage2的位 置,即使是在GRUB安装完以后。

nbgrub

这是一个网络启动的映像文件,被类似于以太网启动装载器所使用。它很类似于 stage2,但它还要建立网络,然后通过网络来载入配置文件[7]。

pxegrub

这是另一个网络启动的映像文件。

除了格式以外,它和''nbgrub''是一致的。

4 STAGE1模块分析

Stage1模块是整个引导程序的引导模块,是从开机过渡到GRUB的第一个模块。 Stage1的代码文件,是源码目录下 Stage1/Stage1.S,汇编后便成了一个512字节 的Img,被写在硬盘的0面0道第1扇区,作为硬盘的主引导扇区。

4.1 Stage1.h文件分析

在此文件中主要是定义了一些在Stage1.S文件中使用到的一些常量。

关于这些常量的分析如下:

/* 定义了grub的版本号,在stage1中可以识别他们.*/

#define COMPAT_VERSION_MAJOR 3

#define COMPAT_VERSION_MINOR 2

#define COMPAT_VERSION ((COMPAT_VERSION_MINOR << 8)

| COMPAT_VERSION_MAJOR)

/* MBR最后两个字节的标志*/

#define STAGE1_SIGNATURE 0xaa55

/* BPB (BIOS 参数块BIOS Parameter Block)的结束标记的偏移,他含有对驱动器 的低级参数的说明. */

#define STAGE1_BPBEND 0x3e

/* 主版本号的标记的偏移*/

#define STAGE1_VER_MAJ_OFFS 0x3e

/* Stage1启动驱动器的标记的偏移*/

#define STAGE1_BOOT_DRIVE 0x40

/* 强迫使用LBA方式的标记的偏移*/

#define STAGE1_FORCE_LBA 0x41

/* Stage2地址标记的偏移*/

#define STAGE1_STAGE2_ADDRESS 0x42

/* STAGE2扇区的标记的偏移*/

#define STAGE1_STAGE2_SECTOR 0x44

/* STAGE2_段的标记的偏移*/

#define STAGE1_STAGE2_SEGMENT 0x48

/* 使用Windows NT的魔术头标识的偏移*/

#define STAGE1_WINDOWS_NT_MAGIC 0x1b8

/* 分区表起始地址的标记的偏移*/

#define STAGE1_PARTSTART 0x1be

/* 分区表结束地址的标记的偏移*/

#define STAGE1_PARTEND 0x1fe

/* Stage1堆栈段的起始地址*/

#define STAGE1_STACKSEG 0x2000

/* 磁盘缓冲段。磁盘缓冲必须是32K长而且不能跨越64K的边界。*/

#define STAGE1_BUFFERSEG 0x7000

/* 驱动器参数的地址*/

#define STAGE1_DRP_ADDR 0x7f00

/* 驱动器参数的大小*/

#define STAGE1_DRP_SIZE 0x42

/*在BOIS中软盘的驱动器号标志*/

#define STAGE1_BIOS_HD_FLAG 0x80

4.2 Stage1.s文件分析

首先在这个文件的开始部分定义了一些宏。

#define ABS(x) (x-_start+0x7c00)

这个宏计算了直接地址。由于MBR是被加载到0x7c00的位置,所以通过计算可以直 接得到x参数的直接地址。这样就可以不依赖于Linker程序。

#define MSG(x) movw $ABS(x), %si;

这个宏用于处理对字符串的载入和响应。

然 后程序从_start程序入口开始执行,此入口在内存中的位置为CS:IP 0:0x7c00。 随后对一系列的变量进行了初始化。设置了起始的扇区、磁道和柱面,并设置了他 们的起始位置。同时还设置了stage1的版本号。通过设置boot_drive变量,来设置 从那个盘来载入stage2。如果此变量设置成0xff则从默认的启动驱动器中来载入 stage2。然后指定了 stage2的起始地址是0x8000,起始段是0x800,起始的扇区号 是1。也就是说stage2起始位置是被存放在0柱面,0磁道,第2扇区上的 [8]。

程序从real_start入口开始真正执行。首先设 置了数据段以及堆栈段的偏移为0, 然后设置stage1的堆栈的起始地址为 STAGE1_STACKSEG即0x2000。随后打开中断。 然后检查是否设置了启动的磁盘。即boot_drive变量是否为0xff,如果非 0xff则 保存设置的磁盘号到dl寄存器中,并压入堆栈保存。同时在屏幕上显示GRUB字样。 然后检查此启动磁盘是否是软盘,如果是软盘则直接跳转到 CHS模式不用检测是否 支持LBA模式。然后检测所启动的磁盘是否支持LBA模式。接着程序分成两块,一块 是LBA模式,一块是CHS模式。

LBA 英文全名为Logical Block Addressing,中文名称为逻辑区块寻址[9]。LBA所 指的是一种磁盘设备的寻址技术,它是利用逻辑映对的方式来指定磁盘驱动器的扇 区,目前个人计算机所使用的传输接口中,增强型 IDE (Enhanced IDE) 和 SCSI 均使用逻辑区块寻址方式。传统的硬盘寻址技术是采取实体寻址(physical mapping、physical addressing)的方式,以磁盘上的实际结构,直接作为资料区 块地址的结构。但由于初期在设计实体寻址方式时,硬盘容量只有5、10、20 MB等 等小容量机种,所以设计出来的最大的寻址能力,只能到1024个磁柱 (cylinder)、16个磁头(head)、63个扇区(sector)。以每个扇区(sector) 512字节(bytes)计算,实体寻址的方式最多只能使用512×63×1024×16= 528482304字节(528MB)的硬盘空间。但是由于磁性储存技术不断的提升,硬盘容 量大幅增加的情况之下,这样的限制让使用者必须将硬盘画分为多个区块,使用上 非常的不方便。

因此硬件厂商研究出了LBA逻辑寻址方式,也就 是计算机系统并没有将资料存放地 点的相关记录,应对到硬盘上资料实际存放的位置。而是由IDE控制电路和 BIOS负 责转换寻址(mapping)资料的记录位置表。经过转换后的记录方式,是将第1个磁 柱上的第1条磁道的第1个扇区编号为0,第二个扇区编号为 1,以此类推……,假设1 条磁道有2000个扇区,那么第2000个扇区的编号就是1999。第2条磁道上的第1个扇 区就是2000,如此一直线性排列下去。以逻辑区块的方式来寻址的硬盘,最多可达 16383磁柱,最大磁头数为16个,每轨扇区有63区,扇区大小为512字节,所支持之 硬盘空间为512× 63×16383×16=8455200768字节(8.4GB)[10]。

在ATA的接口规格中,定义了使用28位来寻址,因此计算出来, 它可以支持到224× 512=137GB的容量。不过不幸的,BIOS并无法配合,它使用 24位来寻址(也就是 LBA模式)。所以根本之道,就是改变BIOS对中断13h的支持,因此后来的BIOS就设 计了加强版的中断13h。一口气使用了 64位来对硬盘做寻址,因此可以支持到264× 512=9.4TB,相当于3万亿倍的8.4GB[11]。

如果是LBA模式下读取,首先对 先前定义的磁盘的一些参数进行了定义,为以后调 用INT 13做准备。使用INT13的0x42功能,把磁盘内容读到内存中。设置ah为0x42 为功能号,设置dl寄存器来设置磁盘号,si为记录磁盘一系列信息的地址偏移量, 磁盘信息中包括了要读入的柱面号、磁道号以及扇区号。程序然后调用BOIS INT 13中断将启动磁盘上的第二扇区上的内容读到内存中的STAGE1_BUFFERSEG处,在 Stage1.h中定义STAGE1_BUFFERSEG为 0x7000。即将第二扇区上的内容读到内存中 的0x7000处。读入成功的话跳转到COPY_BUFFER处,如果读取失败则尝试使用CHS模 式读入。

与LBA模式不同的是,调用 BIOS INT 0x13中断中的0x2号功能,设置ah寄存器为 0x2,al为扇区数,cl的位6,位7和ch组合为磁道号,cl的0-5位为扇区号,dh为 磁头号, dl为驱动器号(其中0x80为硬盘,0x0为软驱)。es:bx为数据缓冲区的 地址。但所起的功能与前面提到的LBA模式是类似的,也是将第二扇区中的内容读 到内存中的0x7000处,作为缓存。然后跳转到COPY_BUFFER处。

最后调用COPY_BUFFER将刚刚读入的扇区转移到stage2_address。即转移到0x8000处。

4.3 Stage1模块功能综述

由 于对Stage1文件容量的限制,所以Stgae1所做的工作相对来说比较有限。它首先 被BOIS装载到内存中的0x7c00处,然后通过调用BOIS INT13中断,把第启动驱动器 中第二扇区上的内容读到内存中的0x7000处,然后通过调用COPY_BUFFER将其转移 到了内存中0x8000的位置上。这个被读入的第二扇区上的内容,就是下面将要分析 的Start.s功能模块。

5  START模块分析

从 上一章节的分析中我们看到,Stage1的是完成了一个MBR所需要完成的任务,但 GRUB并没有直接就通过Stage1直接载入GRUB的内核,而是通过Stage1载入了另一个 模块到0x8000处。根据对源代码的分析,发现被载入的这个模块就是下面需要分析 的第二个模块,即Start.S模块。

5.1 Start.s 模块功能分析

在程序的开始部分,仍然是对程序定义了一些宏。

#ifdef STAGE1_5

# define ABS(x) (x-_start+0x2000)

#else

# define ABS(x) (x-_start+0x8000)

#endif

可 以发现,如果定义了STAGE1_5则程序的起始地址是0x2000,而如果没有定义 STAGE1_5程序起始的地址正好是0x8000。所以我判断,在Stage1后载入内存的程序 部分就是Start.s所编译以后的512字节的映象文件。关于STAGE1_5的部分暂时先不 进行分析,这里暂且跳过。

宏 “#define MSG(x) movw $ABS(x), %si;”的作用是在屏幕上显示字符串。

接 着就是程序的入口_start。由于是紧接着Stage1被载入内存中的,所以它的起始 地址就是0x8000,并且它仍然将使用Stage1模块留下来的寄存器以及变量等信息。 如果设置STAGE1_5变量则在屏幕上显示“Loading stage1.5”,如果没有设置这个变 量则显示“Loading stage2”。然后读入需要读入的扇区的数目。接着进入一个 bootloop的循环,如果需要读入的扇区不为0,则继续循环,直到当需要读入的扇 区数目为0时,循环结束。在这个循环中,使用与Stage1中的方法相同,判断了驱 动器磁盘所支持的读写模式,根据不同的磁盘所支持的不同模式,跳转到相应的部 分去读取磁盘上的扇区到内存中去。如果磁盘支持的是LBA模式则跳转到lba_mode 部分读取相应的扇区,如果磁盘不支持LBA模式,则跳转到 chs_mode部分,通过 CHS模式来读入把磁盘中的扇区读入到内存中。首先是把读到的扇区读到内存中的 0x7000处缓存起来,然后通过调用 copy_buffer子程序,把缓存中的内容复制到目 标地址,即0x8200开始的地方。与Stage1中的一样,在Start.s中也有一个记录地 址的数据结构,不同的是在Stage1中只有一项,而Start.S记录的是一个地址的链 表,称为Blocklist,该链表的结点都记录了一个连续 sectors的集合。

lastlist:

.word 0

.word 0

. = _start + 0x200 - BOOTSEC_LISTSIZE

/*加0x200是由于Start.s编译完以后也是一个512字节的映象文件。*/

/* 初始化了第一个数据列表*/

blocklist_default_start:

.long 2 /* 记录了从第3个扇区开始*/

blocklist_default_len:

/* 这个参数记录了需要读取多少个扇区 */

#ifdef STAGE1_5

.word 0 /* 如果设置了STAGE1_5标志,则不读入*/

#else

.word (STAGE2_SIZE + 511) >> 9 /*读入Stage2所占的所有扇区*/

#endif

blocklist_default_seg:

#ifdef STAGE1_5

.word 0x220 /*如果设置STAGE1_5则从0x220开始读入*/

#else

.word 0x820 /*如果没有设置STAGE1_5则从0x820开始读入*/

#endif

firstlist:

当把所有需要读入的扇区都读入以后,程序进入bootit子程序块。然后程序进行跳 转,如果设置了STAGE1_5标志,则跳转到0x2200执行,如果没有设置STAGE1_5标 志,则跳转到0x8200处继续执行。

5.2 Start 模块功能综述

通 过对Start.s文件的分析,我们可以看到。Start模块主要是做了一件事情,就是 把Stage2或者Stage1_5模块从磁盘装载到内存中。如果是直接装载Stage2的话,是 装载在内存的0x8200处,如果装载Stage1_5的话,是装载在内存的0x2200处。

6  GRUB Kernel模块分析

由 于我分析的是GRUB2的源代码,从GRUB2开始,从Start模块载入的是Grub的整个 kernel。从官方的说明可以看到,与Grub相比,最大的差异在于GRUB2将Stage1.5 以及Stage2的功能归并为GRUB2的kernel,并提高了压缩性能;编译生成的 kernel──core.img只有24KB左右,即使对于最普遍的CHS读写模式所支持的0面0道 的64个扇区(折合32K左右)而言,空间是足够放置GRUB2的kernel的,Grub的每个 Stage1.5都至少在11K左右,而stage2则为110K左右。

6.1 Asm.s 文件分析

在分析了Start模块以 后,发现如果没有设置Stage1_5参数,那么系统已经把Grub kernel从磁盘完全装载到了起始地址为0x8200开始的内存中。于是我便在源代码中 寻找起始地址从0x8200开始执行的代码。发现Asm.s文件就是这样一个符合条件的 模块。

首先在这个文件的开始,仍然定义了这样一个宏:

#ifdef STAGE1_5

# define ABS(x) ((x) - EXT_C(main) + 0x2200)

#else

# define ABS(x) ((x) - EXT_C(main) + 0x8200)

#endif

从 这个宏中可以看出,从Start模块以后从磁盘转载的应该就是这个文件编译以后 的模块。程序的入口是EXT_C(main)。如果没有定义 STAGE1_5那么程序的起始地址 正是0x8200完全符合前面所做的分析。同时由于设置了.code16,整个程序开始仍 然时工作在实模式下的。

接着分析ENTRY(main)这个函数。首先为了保证main这个函数如果是Stage2的话 被装载在0x8200,如果是Stage1.5的话被装载在0x2200。然后程序执行了一个长跳 转。ljmp $0, $ABS(codestart)。

在 执行codestart代码之前,它对一些变量进行了初始化。设置了如版本号、 install_partition、saved_entryno、 stage2_id、force_lba和config_file等。 如果是Stgae1.5则config_file为 “/boot/grub/stage2”,如果是Stage2则为 “boot/grub/menu.lst”。

然后进入codestart代码,首先关中断,对断寄存器进行了一些初始化,然后设置 了堆栈的起始地址为STACKOFF即(0x2000 - 0x10)。

接 着程序调用了real_to_prot这样一个子功能模块。从实模式转换把程序转换到保 护模式下。分析ENTRY(real_to_prot)子功能,主要的转换步骤如下:首先程序仍 然在实模式下,关中断。接着载入了GDT表。然后通过.code32转到保护模式下,跳 转到protcseg子功能下,重新装载所有的段寄存器。同时把返回的地址放到 STACKOFF中,然后获得保护模式下的堆栈地址,把STACKOFF压入堆栈中,进行保 护。然后返回。

然后程序继续,清空了bss段,调用了init_bios_info函数,这个函数体是整个C语 言代码的入口,是Cmain函数前的初始化代码。

在asm.s文件中,主要是一些汇编代码的函数块,没有C语言的代码,于是我在 share.h中找到了init_bios_info的函数定义,从而在 common.c中找到了 init_bios_info的代码。

同时在这个文件中还定义了非常多的汇编代码写的函数,这些函数将来会被C文件 调用。这里先对这些文件进行一下说明,如表6.1所示。

表6.1 asm.s文件中的汇编函数列表

函数名称 函数作用

stop() 调用prot_to_real子函数,从保护模式转换成实模式

hard_stop() 通过反复调用自身,形成一个死循环,起到一个暂停的作用

grub_reboot() 重新启动系统

grub_halt(int no_apm) 暂停系统,利用时钟计时,如果设置NO_APM将不使用时钟计时

track_int13(int drive) 追踪INT13来操作I/O的地址空间

set_int15_handler(void) 建立INT15的句柄

unset_int15_handler(void) 重新恢复INT15的句柄

set_int13_handler(map) 复制一块数据到驱动器并且建立INT13的句柄

chain_stage1(segment,offset,part_table_addr) 启动另一个stage1的载入程序

chain_stage2(segment, offset, second_sector) 启动另一个stage2的载入程序

real_to_prot () 实模式转换成保护模式

prot_to_rea l() 保护模式转换成实模式

int biosdisk_int13_extensions (int ah, int drive, void *dap) 调用IBM/MS 扩展INT13的功能。

int biosdisk_standard (int ah, int drive, int coff,int hoff, int soff,int nsec, int segment) 调用标准的INT13功能

int check_int13_extensions (int drive) 检查磁盘是否支持LBA模式

get_diskinfo_int13_extensions (int drive, void *drp) 从参数*drp返回磁盘 驱动的具体结构

int get_diskinfo_standard (int drive, unsigned long *cylinders,unsigned long *heads, unsigned long *sectors) 返回指定磁盘的柱面,磁头以及扇区信息

int get_diskinfo_floppy (int drive, unsigned long *cylinders,unsigned long *heads, unsigned long *sectors) 返回软盘的磁盘的柱面,磁头以及扇区信息

get_code_end() 返回代码末端的地址

get_memsize(i) 返回内存大小,如果I为0返回常规内存,I为1返回扩展内存

get_eisamemsize() 返回EISA的内存分布

get_rom_config_table() 获得Rom配置表的线性地址

int get_vbe_controller_info (struct vbe_controller *controller_ptr) 获得 VBE控制器的信息

int get_vbe_mode_info (int mode_number, struct vbe_mode *mode_ptr) 获得 VBE模式信息

int set_vbe_mode (int mode_number) 设置VBE模式

linux_boot() 做一些危险的设置,然后跳转到Linxu安装的入口代码

multi_boot(int start, int mb_info) 这个函数启动一个核心使用多重启动的标 准方法

void console_putchar (int c) 通过这个函数在终端上显示字符

int console_getkey (void) 调用INT16从键盘上读取字符

int console_checkkey (void) 检查是否某个键被一直按下去

int console_getxy (void) 调用INT10获得光标的位置

void console_gotoxy(int x, int y) 调用INT10设置光标的位置

void console_cls (void) 调用INT10 清空屏幕

int console_setcursor (int on) 调用INT10设置光标的类型

getrtsecs() 如果第二个值能被读取,则返回这个值

currticks() 用Ticks为单位返回当前时间,一秒约为18-20个Ticks

6.2 Common.c 文件分析

在common.c文件中我找到了函齣nit_bios_info的实现的代码。分析发现,整个 init_bios_info文件主要是对 multiboot_info这个结构进行初始化以及填充。

整个结构体分析如下:

struct multiboot_info

{

/* 多重启动信息的版本号*/

unsigned long flags;

/* 可以使用的内存 */

unsigned long mem_lower;

unsigned long mem_upper;

/* 主分区 */

unsigned long boot_device;

/*核心的命令行*/

unsigned long cmdline;

/*启动模块的列表*/

unsigned long mods_count;

unsigned long mods_addr;

union

{

struct

{

/* (a.out) 核心标识表的信息 */

unsigned long tabsize;

unsigned long strsize;

unsigned long addr;

unsigned long pad;

}

a;

struct

{

/* (ELF) 核心标识表的信息*/

unsigned long num;

unsigned long size;

unsigned long addr;

unsigned long shndx;

}

e;

}

syms;

unsigned long mmap_length;

unsigned long mmap_addr;

/* 驱动器信息缓存 */

unsigned long drives_length;

unsigned long drives_addr;

/* ROM 配置表 */

unsigned long config_table;

/* 启动装载器的名称 */

unsigned long boot_loader_name;

/* APM 表 */

unsigned long apm_table;

/* 视频 */

unsigned long vbe_control_info;

unsigned long vbe_mode_info;

unsigned short vbe_mode;

unsigned short vbe_interface_seg;

unsigned short vbe_interface_off;

unsigned short vbe_interface_len;

};

通过调用asm.s中的底层功能模块,对这个结构进行初始化以后,直接调用cmain函数。

6.3 Stage2.c 文件分析

通 过查找,在Stage2.c中找到了cmain函数,这个应该就是Stage2这个小型操作系 统的入口了。然后程序就进入一个死循环,整个Stage2 就在这个死循环中运行。 接着调用reset()函数对stage2的内部变量进行初始化。通过open_preset_menu() 函数尝试打开已经设置好的菜单。如果用户没有设置好菜单,那么将返回0,如果 已经设置好了菜单则不返回0。如果没有成功打开菜单,那么将通过grub_open()函 数尝试打开config_file。Grub使用内部的文件格式来打开这样一个配置文件,如 果仍然打开失败,则跳出整个循环。如果打开成功,则根据打开的情况,即 is_preset变量的值的情况来判断是从预设菜单读入还是从配置文件读入命令。然 后通过把is_preset传入 get_line_from_config()函数,将命令读入cmline中。然 后通过find_command()函数查找有没有这条命令。

在Grub中,保存命令的格式是保存在一个builtin的结构体中的。这个结构体在 shared.h头文件中进行了定义。

struct builtin

{

/* 命令名称,重要,是搜索命令时的依据 */

char *name;

/* 命令函数,重要,是搜索匹配后调用的函数 */

int (*func) (char *, int);

/* 功能标识 */

int flags;

/* 简短帮助信息 */

char *short_doc;

/* 完整帮助信息 */

char *long_doc;

};

整个命令的表的定义如下

extern struct builtin *builtin_table[];

find_command ()函数在cmdline.c中定义,它对整个builtin表进行遍历,然后比较 名称。如果在表中发现了这个命令,则返回指向当前builtin结构的指针。如果没 有发现这个命令则返回0同时返回一个errnum。如果成功的找到了一条指令,然后 通过调用在cmdline.c中的skip_to ()函数,获得当前builtin指针所指向结构的命 令的参数。然后通过(builtin->func) (arg, BUILTIN_MENU)直接调用此命令。最 后一直循环,直到没有命令可以取为止。

如果由于前面没有成功的打开预先配置的文件而跳出循 环,则通过在cmdline.c文 件中定义的enter_cmdline()函数调用来启动命令行。在 enter_cmdline()函数 中,进入另一个循环等待接受命令。当通过get_cmdline()函数接收到命令以后, 仍然通过 find_command()函数调用来遍历builtin表,如果没有在表中找到输入的 指令则返回一个errnum= ERR_UNRECONGNIZED。如果成功找到了这条指令,同样首 先调用在cmdline.c中的skip_to ()函数,获得当前builtin指针所指向结构的命令 的参数。然后(builtin->func) (arg, BUILTIN_MENU)直接调用此命令。

如果成功的打开了菜单则跳转到run_menu()函数,这里是grub中整个menu用户界面 的主循环。首先有一个计时器grub_timout进行计时,如果grub_timeout<0或者没 有设置,那么就强行显示菜单。如果菜单没有显示,则在屏幕上显示“Press `ESC'' to enter the menu...”,并进入一个死循环中,当用户按下ESC按键,则马上显示 菜单。如果超时,那么就直接进入第一个,也就时默认的那个启动项目。如果显示 菜单,则显示所有可以选择的入口。

不论是否显示菜单,最后程序 都将跳转到boot_entry。首先程序先清空了屏幕,然 后把光标定于第一行的位置。然后再次进入一个循环。然后如果没有设置入口则通 过调用get_entry()函数来获取一个默认的入口。然后调用在cmdline中的 run_script()函数解释这个入口。 Run_script()函数对这个入口以后的指令脚 本,进行了解析。解析的方式仍然是利用find_command()函数调用。

6.4 GRUB部分指令说明

Grub中所有的预先设置的指令都是在builtins.c文件中实现的。比如启动一个 FreeBSD操作系统,可以输入以下的指令:

grub> root (hd0,a)

grub> kernel /boot/loader

grub> boot

6.4.1  Root指令

调 用root指令的函数是在builtins.c中的root_func (char *arg, int flags)函 数。第一个参数指定了哪个磁盘驱动器,如hd0是指第一块硬盘。第二个参数是分 区号。然后在root_func()中它有调用了 real_root_func (char *arg, int attempt_mount)这个函数,并把参数arg传入real_root_func中并把attempt_mount 设置为1。如果传入的arg是空的,那么就直接使用默认的驱动器。然后调用 set_device()函数,从字符串中提取出驱动器号和分区号。测试如果所填写的驱动 器号以及分区号读写没有问题,那么就在变量saved_partition和saved_drive中保 存读取的这两个数据。然后返回。

这个函数主要的作用是为GRUB指定一个根分区。

6.4.2  Kernel指令

调 用kernel指令的函数是在builtins.c文件中kernel_func (char *arg, int flags)函数。在这个函数中,首先进入一个循环,对传进来的参数进行解析。如果 “--type=TYPE”参数被设置了,根据传入的参数设置 suggested_type变量赋予不用 的操作系统的值。当没有别的参数被设置以后,则跳出循环。然后从参数中获得内 核的文件路径,赋值给 mb_cmdline变量,然后通过load_image()函数载入核心, 并且返回核心的类型。如果返回的核心类型是grub不支持得类型,即 kernel_type == KERNEL_TYPE_NONE返回1,成功则返回0。

这个函数主要的作用是,载入操作系统的核心。

6.4.3  Boot指令

调 用boot指令的函数是在builtins.c文件中的boot_func (char *arg, int flags) 函数。如果被载入的核心类型不是未知的,那么调用unset_int15_handler()函 数,清除int15 handler。接着根据grub支持的不同的操作系统调用相应的启动程 序。当启动的内核为BSD时调用bsd_boot ()函数,当启动的内核为LINUX时调用的 函数时linux_boot()函数,当启动方式是链式启动方式时,调用chain_stage1()函 数,当启动方式是多重启动时,调用multi_boot()函数。

这个函数主要的作用是,根据不同的核心类型调用相应的启动函数。

6.5 GRUB Kernel分析总结

通 过分析,这个核心模块主要的工作是完成了GRUB这个微型操作系统的从磁盘到内 存的装载和运行。在asm.s这个文件中提供了从汇编代码到C代码转换的接口,也是 从这里开始正式载入了GRUB这个微型操作系统,可以说是GRUB运行的一个入口。同 时,在asm.s文件中,对底层的方法用汇编语言进行了封装,方便在以后的C代码中 调用。然后经过对BIOS进行一些初始化以后,正式进入了GRUB的主程序,即在 stage2中的cmain入口。从此这个微型的操作系统开始正式运行。然后值得注意的 是buildin这个数据结构,这个结构就是GRUB所有支持命令的数据结构。结构包括 了一个用来识别的名字和一个用来调用的方法。GRUB通过接收外部输入的指令的方 式,来间接的启动和装载其他的操作系统。

7 总结

7.1 GRUB源代码分析总结

通过对整个源代码的分析,大致上整个GRUB启动到引导其他操作系统分为如下几个 步骤。

第一步 开机后,通过BIOS装载Stage1模块

第二步 通过Stage1模块装载Start模块

第三步 通过Start模块将整个GRUB的内核载入内存

第四步 通过GRUB的一个Shell的机制,作为一个小型的操作系统,来通过指令的方 式装载不同的其他操作系统。


总体分析下来,首先感觉到GRUB整个代码在编码方面是非常严谨的,特别是整个程 序的构架体现出了它灵活容易扩展的特性。主要体现在,它有别于普通的操作系统 引导程序,在BIOS启动时就直接去装载特定操作系统的模块或者内核,而是通过 BIOS的功能首先装载了一个属于自己的引导程序,也可以理解为 GRUB这个操作系 统的引导程序。也就是说在引导任何用户的操作系统之前GRUB首先引导的是它的本 身。这样为将来的扩展性打下了非常好的基础。

由 于GRUB采用了类似SHELL的方式来解释并运行用户设计好的脚本或者接受用户输 入的指令,并且为用户提供了非常好的底层的方法接口,所以用户可以非常灵活的 组合指令来引导不同的操作系统,同时并不要求用户对底层的物理结构有非常高的 了解,只要能使用提供的指令就可以来操作配置多重启动的多个操作系统。并且, GRUB提供了非常好的人机交互界面,可以通过预先设置的指令,或者菜单来显示让 用户选择操作系统,相对来说就比较易用。

同时GRUB也提 供了非常好的扩展性,这个也是由于GRUB特殊的结构保证的。首先 GRUB是一个开源的项目,它的源代码是向所有的用户和开发着公开的,这样无论是 用户的需求发生了变化,还是硬件的标准得到了提升,都能很快的在GRUB中得到实 现。其次,GRUB的指令是非常容易添加的,用户只要了解了 GRUB指令的格式,就 能非常容易的在GRUB原始指令的基础上添加属于自己的指令,这样的设计相当程度 上提高了程序的模块化,耦合度比较低。


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