2021年（2）
分类： LINUX
2021-05-16 22:11:27
原文地址：GRUB启动分析之stage1.5 作者：Bean_lee
上一篇博文介绍了GRUB源码的stage1.S会汇编成一段446字节的sourcecode，stage1,grub会将这个stage1放入MBR中。我们通过分析，知道这段代码的唯一作用就是将第二个扇区（0柱面 0 磁道 2扇区）处的512字节加载到内存中去。
一个问题就来了这个512个字节是从何而来，这512个字节又意欲何为？江湖上风传已久的stage1.5是什么东东，stage2又是干什么的？ 本文将要解释这些内容。
加载到内存的第二个扇区的内容是由GRUB源码stage/start.S汇编而成，这个汇编文件汇编出来的二进制文件大小也是512B，一个扇区的大小。stage1阶段结束后，这段代码就被加载进了内存。那么这段代码是干啥的呢？
我先透个底，整个start.S代码的作用是从LBA 扇区号2（0柱面 0磁道 3扇区） 开始拷贝若干个扇区到内存。起始扇区号，扇区个数 内存目的地址都在start.S中定义了。下面我们看下代码：
lastlist:
/*
* This area is an empty space between the main body of code below which
* grows up (fixed after compilation, but between releases it may change
* in size easily), and the lists of sectors to read, which grows down
* from a fixed top location.
*/
.word 0
.word 0
. = _start + 0x200 - BOOTSEC_LISTSIZE
/* fill the first data listing with the default */
blocklist_default_start:
.long 2 /* this is the sector start parameter, in logical
sectors from the start of the disk, sector 0 */
blocklist_default_len:
/* this is the number of sectors to read */
#ifdef STAGE1_5
.word 0 /* the command "install" will fill this up */
#else
.word (STAGE2_SIZE + 511) >> 9
#endif
blocklist_default_seg:
#ifdef STAGE1_5
.word 0x220
#else
.word 0x820 /* this is the segment of the starting address
to load the data into */
#endif
firstlist: /* this label has to be after the list data!!! */
firstlast是扇区后第一个字节，start.S对应的二进制文件对应于第二个扇区，也即（512-1024）字节。那么firstlast就是第二个扇区后的第一位置，即磁盘的1024位置处，第二扇区的512字节处。
blocklist_default_seg占2个字节，blocklist_default_len占两个字节，blocklist_default_start占四个字节，那么我们可以算出（firstlist-8）的地址就是blocklist_default_start的地址。这个位置记录的是起始扇区。我们看到起始扇区是2,LBA模式扇区number 2对应的是（0柱面 0磁道 3扇区）。至于blocklist_default_len，注释用有提到，install的时候，填写这个数字。
下面我们看下我们磁盘的start.S对应的二进制文件，我们知道，start.S对应磁盘512～1024部分。
dd if=/dev/sda of=mbr_512_1024 bs=512 skip=1 count=1
现在我们看看这个start.S汇编出来的二进制文件是：
按照我们当前的分析。firstlist对应上图中的0x200位置，那么blocklist_default_seg就是最后2个字节0220h。从此处可以看出，对于我们的start.S中#ifdef STAGE1_5这个宏是打开的。另外我们可以从上图中的loading stage1.5可以看出。
#ifdef STAGE1_5
notification_string: .string "Loading stage1.5"
#else
notification_string: .string "Loading stage2"
#endif
从我们打印出来的2进制文件可以看出，起始LBA扇区号blocklist_default_start是2,blocklist_default_len是0x0e。
现在我们闲言少叙，继续分析代码：
movw $ABS(firstlist - BOOTSEC_LISTSIZE), %di
/* save the sector number of the second sector in %ebp */
movl (%di), %ebp
/* this is the loop for reading the secondary boot-loader in */
bootloop:
/* check the number of sectors to read */
cmpw $0, 4(%di)
/* if zero, go to the start function */
je bootit
就如刚才分析的，将blocklist_default_start对应的地址存到di寄存器中，同时将blocklist_default_start位置存储的值2存储到ebp寄存器。 blocklist_default_start+4 = blocklist_default_len的地址。那么cmpw这个指令比较的是需要copy的扇区个数，对于我们的例子是比较0x0e和0,既然不相等，那么不跳转，继续执行：
setup_sectors:
/* check if we use LBA or CHS */
cmpb $0, -1(%si)
/* jump to chs_mode if zero */
je chs_mode
lba_mode:
/* load logical sector start */
movl (%di), %ebx
/* the maximum is limited to 0x7f because of Phoenix EDD */
xorl %eax, %eax
movb $0x7f, %al
/* how many do we really want to read? */
cmpw %ax, 4(%di) /* compare against total number of sectors */
/* which is greater? */
jg 1f
/* if less than, set to total */
movw 4(%di), %ax
这段代码的含义是，先判断走那个分支，对于我们是LBA mode，然后比较需要copy的扇区个数是否高于0x7f，如果高于7fh个，要分批次copy。对于我们而言，不需要因为我们4（%di）处存放的值是0xe。我们将0xe存储到ax寄存器
1:
/ subtract from total /
subw %ax, 4(%di)
/* add into logical sector start */
addl %eax, (%di)
/* set up disk address packet */
/* the size and the reserved byte */
movw $0x0010, (%si)
/* the number of sectors */
movw %ax, 2(%si)
/* the absolute address (low 32 bits) */
movl %ebx, 8(%si)
/* the segment of buffer address */
movw $BUFFERSEG, 6(%si)
/* save %ax from destruction! */
pushw %ax
/* zero %eax */
xorl %eax, %eax
/* the offset of buffer address */
movw %ax, 4(%si)
/* the absolute address (high 32 bits) */
movl %eax, 12(%si)
这部分工作是做INT 13H（FUNCTION 0x42）的准备工作。我们在GRUB分析之stage1中做过一次分析了。我们再次分析下：
si[0] -----10h si[1] -----00h s[2 3] -----扇区个数0xe s·[6 7]-----拷贝到的内存位置 $BUFFERSEG=0x7000 s[08h..0Fh]----LBA起始扇区号 对于我们是0x2
继续分析，就是到了执行INT 13H
movb $0x42, %ah
int $0x13
jc read_error
movw $BUFFERSEG, %bx
jmp copy_buffer
这不细说了，就是拷贝扇区内容到$BUFFERSEG内存处。
最后到了copy_buffer,作用和上一篇一样。movsb指令将ds:si（0x7000：0x0000）处连续的 %bx字节内容传输到es:di指定的内存地址（0×2200:0×0000）。其中，rep指令的含义就是重复执行后一句指令，每执行一次。cx减1，直至cx为0。好了，从头慢慢来，首先将6（%di）上的0x220赋给%es，就是目的段地址了；然后取得ax的值，ax的值是本次读出的扇区数，左移5位并且把值赋给6（%si），这就是下一次循环执行这个程序时新的目的段地址了（对于我们只有0xege扇区自然是不需要了）。然后保存ds的值，接着再将ax左移4位，相当于一共左移了9位，也就是将ax的值乘以512，然后将这个值赋给cx寄存器，正是要传送的字节数。
由于我们的根文件系统是ext3文件系统，我们发现在/boot/grub/下除了stage1,还有e2fs_stage1_5这个文件，这个文件的作用是识别ext3文件系统的。我们知道GRUB开始没有OS，也没有文件系统的概念。那么GRUB是从何时开始有文件系统的功能的呢。这就是stage1.5干的事情，stage1.5过后，GRUB就能识别文件系统了，就能在磁盘上识别加载文件了。怎么做到的？start.S加载的磁盘上的那些扇区的内容，就是文件系统的代码。把这0xe也就是14个扇区的内容加载到内存后，就具备了操作启动设备上面文件的功能了。
但是文件系统千千万，我们不可能把所有文件系统的功能文件放在磁盘的扇区里面，那怎么办呢？grub 执行setup的时候，能够识别启动设备的文件系统，比如我们，是ext3文件系统，所以只需要将ext3部分的e2fs_stage1_5放入扇区。
如何证明？
事实上，e2fs_stage1_5的前512个字节的内容是start.S对应的二进制文件，后面的部分是操作文件系统部分。我们证明下：
准备活动：
root@manu:~/code/c/classical/grub/grub_test# dd if=mbr_1024_ of=mbr_1024_8096 bs=1 count=7072
记录了7072+0 的读入
记录了7072+0 的写出
7072字节(7.1 kB)已复制，0.0478542 秒，148 kB/秒
root@manu:~/code/c/classical/grub/grub_test# dd if=e2fs_stage1_5 of=e2fs_stage1_5_512_7584 bs=1 skip=512 count=7072
记录了7072+0 的读入
记录了7072+0 的写出
7072字节(7.1 kB)已复制，0.0239908 秒，295 kB/秒
看下e2fs_stage1_5前512字节：
在看下磁盘的第二个扇区，也就是start.S对应的二进制文件：
所有的部分都是相同的，只有最后一行的0x1fc位置不同，那一个位置我们已经讨论过了，blocklist_default_len，就是需要拷贝扇区的个数。e2fs_stage1_5里面是0,磁盘第二个扇区是0xe，就像代码中注释中提到的/ the command "install" will fill this up /，这个值是install的时候填充的。
在看下e2fs_stage1_5文件的512字节到最后的内容：
看下磁盘从第三个扇区开始，共7072字节的内容：
比较一下可以得知,除了头部的/boot/grub那些路径不同,其余部分都是相同的。
通过这两篇文章我们知道了一下我们获取的信息：
参考文献：