Linux grub引导启动过程分析

机器加电启动后,BIOS开始检测系统参数,如内存的大小,日期和时间,磁盘
设备以及这些磁盘设备用来引导的顺序,通常情况下，BIOS都是被配置成首先检查
软驱或者光驱（或两者都检查），然后再尝试从硬盘引导。如果在这些可移动的设
备中，没有找到可引导的介质，那么BIOS通常是转向第一块硬盘最初的几个扇区，
寻找用于装载操作系统的指令。装载操作系统的这个程序就是boot loader.

linux里面的boot loader通常是lilo或者grub,从Red Hat Linux 7.2起，GRUB(
GRand Unified Bootloader)取代LILO成为了默认的启动装载程序。那么启动的时候
grub是如何被载入的呢?
grub有几个重要的文件,stage1,stage2,有的时候需要stage1.5.这些文件一般都
在/boot/grub文件夹下面.grub被载入通常包括以下几个步骤:
1. 装载基本的引导装载程序(stage1),stage1很小,网上说是512字节,但是在我的系统上
   用 du   -b   /boot/grub/stage1 显示的是1024个字节,不知道是不是grub版本不同的
   缘故还是我理解有误.stage1通常位于主引导扇区里面,对于硬盘就是MBR了,stage1的
   主要功能就是装载第二引导程序(stage2).这主要是归结于在主引导扇区中没有足够的
   空间用于其他东西了,我用的是grub 0.93,stage2文件的大小是 107520 bit.
2. 装载第二引导装载程序(stage2),这第二引导装载程序实际上是引出更高级的功能,　
   以允许用户装载入一个特定的操作系统。在GRUB中，这步是让用户显示一个菜单或
   是输入命令。由于stage2很大,所以它一般位于文件系统之中(通常是boot所在的根
   分区).

上面还提到了stage1.5这个文件,它的作用是什么呢   你到/boot/grub目录下看看,
fat_stage_1.5   e2fs_stage_1.5 xfs_stage_1.5等等,很容易猜想stage1.5和文件系统
有关系.有时候基本引导装载程序(stage1)不能识别stage2所在的文件系统分区,那么这
时候就需要stage1.5来连接stage1和stage2了.因此对于不同的文件系统就会有不同的
stage1.5.但是对于grub 0.93好像stage1.5并不是很重要,因为我试过了,在没有stage1.5
的情况下, 我把stage1安装在软盘的引导扇区内,然后把stage2放在格式化成ext2或者
fat格式的软盘内,启动的时候照常引导,并不需要e2fs_stage_1.5或者fat_stage_1.5.
下面是我的试验:
#mkfs.ext2   /dev/fd0
#mount -t ext2   /dev/fd0   /mnt/floppy
#cd   /mnt/floppy
#mkdir boot
#cd   boot
#mkdir grub   (以上三步可用mkdir -p   boot/grub命令完成)
#cd grub
#cp   /boot/grub/{stage1,stage2,grub.conf}   ./
#cd; umount /mnt/floppy
以上几步把软盘格式化成ext2格式,然后把stage1,stage2,grub.conf这几个启动的
时候必须的文件拷贝到软盘的指定目录下.下面安装grub到软盘上.
#grub   (进入grub环境)
grub> install (fd0)/boot/grub/stage1 (fd0)   (fd0)/boot/grub/stage2
p (fd0)/boot/grub/grub.conf
以上这条命令也可以用下面的两句代替
grub>root (fd0) #grub的根目录所在的分区
grub>setup (fd0) #这一步就相当于上面的install命令
我在这里解释一下
install (fd0)/boot/grub/stage1 (fd0)   (fd0)/boot/grub/stage2 p
(fd0)/boot/grub/grub.conf 这条命令.
install
告诉GRUB将(fd0)/boot/grub/grub/stage1
安装到软驱的引导扇区(fd0).
(fd0)/boot/grub/stage2
告诉grub stage2这个文件所在的位置.
p 参数后面跟着(fd0)/boot/grub/grub.conf 告诉grub的配置文件所在的位置.
好了,让BIOS从软驱启动,试一下,没有e2fs_stage_1.5文件照样能够进入系统.
其实这就是一个小小的启动盘啊.(了解了grub的运行原理,就简单多了^_^)

   3. 现在我们已经到grub的开机选单这一步了,接下来grub所需要做的就是装载在一个特
定分区上的操作系统，如linux内核。一旦GRUB从它的命令行或者配置文件中，接到开始
操作系统的正确指令，它就寻找必要的引导文件，然后把机器的控制权移交给操作系统.
    由于篇幅有限,避免冗长,grub的命令我就不多说了,网上很有多的资料,一个典型
完整的引导linux的命令如下:
    title 51base
          root(hd0,0)
          kernel /bzImage   ro   root=/dev/ram0
          initrd /initrd.img
    这里有必要注意一下几个问题:
    (1)grub的磁盘以及分区的命名方式和linux有所区别,第一个磁盘是从0开始,第一
个分区也是从0开始.譬如第一个硬盘的第5分区在linux下面是/dev/hda5 ,而在grub里面
是(hd0,4).再如/dev/fd0在grub里面是(fd0,0).(最后一句如有错误望提醒)
    (2)不管是IDE硬盘hda,hdb还是SCSI硬盘sda,sdb在grub里面都是以hd方式命名.
譬如虚拟机里面的/dev/sda2在grub里面是(hd0,1),再如/dev/hdb7在grub里面以(hd1,6)
命名.
    (3)要搞清楚上面两个root的关系,root (hd0,0)中的root是grub命令,它用来指定
boot所在的分区作为grub的根目录.而root=/dev/ram0是kernel的参数,它告诉操作系统
内核加载完毕之后,真实的文件系统所在的设备.要注意grub的根目录和文件系统的根
目录的区别.
    再回到上面的几行命令.
    kernel命令用来指定内核所在的位置,"/"代表(hd0,0),也就是grub的根目录
    initrd命令用来指定初始化ram的img文件所在位置.

grub载入内核bzImage并展开到指定位置(应该是0x100000这个地方),同时载入
initrd.img到内存(不知道是什么地方).
ps:
grub的任务至此就结束了,下面grub将机器的控制权转交给操作系统(linux).
操作系统接到控制权之后,开始start_kernel,接着内核将initrd.img展开到/dev/ram0
为临时根文件系统,执行里面的linuxrc文件.
P.这里有必要说一下initrd的作用特别是它里面的核心文件linuxrc的作用.
initrd是inital ram disk的宿写.
当存在initrd的时候,机器启动的过程大概是以下几个步骤(当initrd这一行用
noinitrd 命令代替后,就不存在initrd了)
1)boot loader(grub)加载内核和initrd.img
2)内核将压缩的initrd.img解压成正常的ram disk并且释放initrd所占的内存空间
3)initrd作为根目录以读写方式被挂载
4)initrd里面的文件linuxrc被执行
5)linuxrc挂载新的文件系统
6)linuxrc使用pivot_root系统调用指定新的根目录并将现有的根目录place到指定
位置.
7)在新的文件系统下正式init
8)initrd被卸载.
为了便于理解,我将red hat linnux9 里面的initrd-2.4.20-8.img拿出来分析一下.
这其实是一个压缩了的文件,是以gz结尾的.
[root@localhost root]#cp   /boot/initrd-2.4.20-8.img   /mnt/initrd-2.4.20-8.gz
[root@localhost root]#gunzip /mnt/initrd-2.4.20-8.gz
[root@localhost root]#mount -o loop /mnt/initrd-2.4.20-8   /mnt/ram
//********************************* added by me *********************************//
有可能出现错误:you must specify the filesystem type.这时输入命令：
[root@localhost root]#file /mnt/initrd-2.4.20-8
initrd-2.4.20-8:ASCii cpio archive
靠!这也能挂载吗?直接使用下列命令:
[root@localhost root]#cp initrd-2.4.20-8 /mnt/ram/
[root@localhost root]#cd   /mnt/ram
[root@localhost root]#cpio -ivdm < initrd-2.4.20-8
//********************************* end of added *********************************//
[root@localhost ram]#ls
bin dev etc lib linuxrc loopfs   proc sbin sysroot
[root@localhost ram]#ls bin
insmod modprobe nash
[root@localhost ram]#ls lib
Buslogic.o   ext3.o   jbd.o   scsi_mod.o sd_mod.o
[root@localhost ram]ls   dev
console   null   ram   systty   tty1   tty2   tty3   tty4
sbin目录是指向bin目录的一个连接,其他目录是空的.
[root@localhost ram]cat   linuxrc
#!/bin/nash
1.echo "Loading scsi_mod.o module"
2.insmod /lib/scsi_mod.o
3.echo "Loading sd_mod.o module"
4.insmod /lib/sd_mod.o
5.echo "Loading BusLogic.o module"
6.insmod /lib/BusLogic.o
7.echo "Loading jbd.o module"
8.insmod /lib/jbd.o
9.echo "Loading ext3.o module"
10.insmod /lib/ext3.o
11.echo Mounting /proc filesystem
12.mount -t proc /proc /proc
13.echo Creating block devices
14.mkdevices /dev
15.echo Creating root device
16.mkrootdev /dev/root
17.echo 0x0100 > /proc/sys/kernel/real-root-dev
18.echo Mounting root filesystem
19.mount -o defaults --ro -t ext3 /dev/root /sysroot
20.pivot_root /sysroot /sysroot/initrd
21.umount /initrd/proc
上面的编号是我为了下面好说明加上去的.
首先我们必须注意的是这里使用的shell是nash而不是bash,nash是专门为linuxrc可执行
脚本设计的,因此你有必要看一看nash的man文档.
1-10行是加载一些必要的模快.11-12行加载proc内核文件系统,13-14行利用nash内建的
命令mkdevices创建块设备,mkdevices是根据/proc/partitions文件创建里面列出的所有
块设备.15-16行利用nash内建的命令mkrootdev,mkrootdev使它后面的参数/dev/root成
为一个块节点从而使得根分区设备被挂载,其中根分区设备由grub.conf里面的kernel命
令后面所带的参数root=决定,如果root=参数没有被指定,/proc/sys/kernel/real-root-
dev文件将提供根分区设备号.17行将数字256写入到后面的文件里面去.18-19行挂载根文
件系统到/sysroot目录下,/dev/root里面的内容就是root=参数所指定的设备里面的内容
20行调用pivot_root改变根目录所在地并place旧的根目录到指定的位置.21行卸载旧的
根目录里面的proc内核文件系统.
从这里面我们总结一下linuxrc的作用:   (参考/usr/src/linux-2.4/Documenta
tion/initrd.txt文档)
2)/linuxrc文件决定在挂载真正的文件系统之前所需完成的事情(譬如加载必要的网
络驱动或者加载ext3文件系统).
3)/linuxrc加载必要的模块.
4)/linuxrc挂载根文件系统
5)/linuxrc调用pivot_root来改变根目录
关于initrd的用途可以查考上面提到的文档,想知道linux系统是如何安装的吗 那里
面由答案.
既然linuxrc的主要目的是加载模快用的,那如果我们的内核没有动态的模块而所需
的功能都是静态编译进内核的,那么是不是可以不用linuxrc文件呢
答案是可以不用,在普通的linux操作系统里面可以加入noinitrd选项以告知boot
loader 不使用initrd.如果我们做网关,因为ram是我们的文件系统的载体,所以initrd
一行当然不能去掉,但是我们可以不用linuxrc文件,sysroot文件夹和initrd文件夹.
不信的话,试试看吧.
好了,initrd(linuxrc)已经介绍完了.
linuxrc执行完毕之后,系统就会以真正的根目录正式init.
系统在/bin/或者/sbin目录下找到init程式,然后根据它的配置文件/etc/fstab进行
初始化,最后调用mingetty程式启动login完成引导.
    ps:init这一部分网上有很多的详细资料所以我在这里并没有展开来说.