BIOS和Bootloader

特此说明: 刘超的趣谈linux操作系统是比较重要的参考资料，本文大部分内容和所有图片来源于这个专栏。

1 了解背景

1.1 目的

操作系统不是在板子上电就直接运行的，上电到系统启动的中间过程要搞明白，比如了解linux系统启动之前cpu做了哪些准备，内核如何被加载到内存上运行等等。

1.2 结论

BIOS时期: 板子上电，先读取ROM中的固件代码，做出一个基本输入输出系统
BootLoader时期: BIOS从启动盘（一般是硬盘第一个扇区）开始加载引导代码，进一步初始化硬件(实模式切换到保护模式; 启动分页管理内存)
BootLoader将一系列工作做完了，最重要的一步就是加载系统内核kernel到内存运行了。控制权移交给内核之后，BootLoader时期结束，然后开始内核的部分了。

2 BIOS阶段

BIOS是固化在ROM上的一段程序，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。

2.1 内存空间

系统工作在实模式，这时只有1M的内存地址空间。该模式下将内存地址 0xF0000 到 0xFFFFF 这 64K 映射给 ROM。剩下的内存空间分布
在这里插入图片描述

2.2 上电流程

主板上电，CPU先从ROM中加载BIOS程序，BIOS进行硬件相关的初始化工作(cpu将CS寄存器置为0xffff，ip寄存器置0x0000，所以第一条指令指向的地址是0xfff0(实模式下，cs<<4 + ip)。这里有一个jmp指令，跳转到rom中做初始化的代码)。主要有2件事情

检查硬件环境
是建立中断程序和中断向量表，同时把结果显示在显示器上

3 BootLoader阶段

光有BIOS还不够，还要从硬盘上搞到操作系统。引导操作系统这一阶段就是BootLoader。

3.1 引导管理器grub2

Linux一般通过grub来做系统引导程序。系统上提供了grub2工具，grub2用户配置文件/etc/default/grub，系统会根据用户配置自动生成/boot/grub/grub.cfg。常用命令

# 重新生成配置文件
grub-mkconfig -o /boot/grub/grub.cfg
 
# 将Grub 2安装到硬盘引导扇区
grub-install --root-directory=/ /dev/sda

3.2 引导流程

使用 grub2-install /dev/sda，可以将启动程序安装到/dev/sda。其中有boot.img、core.img

在这里插入图片描述

<1> boot.img

在BIOS平台下，boot.img是grub启动的第一个img文件，它被写入到MBR中或分区的boot sector中，因为boot sector的大小是512字节，所以该img文件的大小也是512字节。

boot.img唯一的作用是读取属于core.img的第一个扇区并跳转到它身上，将控制权交给该扇区的img。由于体积大小的限制，boot.img无法理解文件系统的结构，因此grub2-install将会把core.img的位置硬编码到boot.img中，这样就一定能找到core.img的位置。

参考文章: https://www.cnblogs.com/f-ck-need-u/p/7094693.html#blog122

<2> core.img

core.img根据diskboot.img、kernel.img和一系列的模块被grub2-mkimage程序动态创建。core.img中嵌入了足够多的功能模块以保证grub能访问/boot/grub，并且可以加载相关的模块实现相关的功能，例如加载启动菜单、加载目标操作系统的信息等，由于grub2大量使用了动态功能模块，使得core.img体积变得足够小。

core.img中包含了多个img文件的内容，包括diskboot.img kernel.img等。

参考文章: https://www.cnblogs.com/f-ck-need-u/p/7094693.html#blog122

引导流程

先加载boot.img到内存中运行，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。根据开机grub界面选项，进入启动系统内核的流程。