5.1.3　GRUB启动过程

我们知道，在PC启动时，BIOS会将MBR中的程序加载到内存的0x7c00处，并跳转到那里开始执行。对于GRUB来说，对应MBR中的映像是boot.img，在编译boot.img时，编译脚本确实也是指导链接器从0x7c00开始为其指令和数据分配地址的，如下面编译脚本片段中使用黑体标识的部分：

读者可能会注意到脚本中映像的后缀是"image"，而不是"img"，这是因为编译脚本最后会将ELF格式的boot.image转换为裸二进制格式，并命名为boot.img。其余映像也是如此处理。

当跳转到0x7c00后，GRUB开始执行，其启动过程大体如图5-5所示。

图　5-5　GRUB启动过程

（1）boot.img加载diskboot.img

boot.img使用BIOS中断号为0x13的基于扇区的磁盘读写服务加载diskboot.img。GRUB使用从0x70000开始处的一段内存作为BIOS读缓存，所以BIOS首先将diskboot.img读到内存0x70000处，然后boot.img再将其移动到内存0x8000处。根据下面脚本片段中黑色标识的部分可见，链接器确实是从0x8000为diskboot.img分配地址的：

boot.img将diskboot image加载完成后，跳转到diskboot中的第一条指令处继续执行。

（2）diskboot.img加载core.img

与boot.img类似，diskboot.img使用BIOS中断号为0x13的基于扇区的磁盘读写服务加载core.img。BIOS将lore.img读到缓存0x70000处，然后diskboot.img将其移动到0x8200处，最后跳转到0x8200处开始执行lzma_decompress.img。

（3）core.img自解压

在讨论GRUB创建映像时，我们看到，连接在core.img前端的lzma_decompress.img并没有被压缩，而这段没有被压缩的部分的作用就是负责解压core.img其余压缩的部分。我们来看看构建lzma_decompress.img的脚本片段：

core.img被diskboot.img加载到0x8200处，lzma_decompress.img作为core.img的开头，其地址应该从0x8200分配，根据上面的编译脚本，即可见这一点。

从脚本可见，lzma_decompress.img的开头是startup_raw.S，其正是解压core.img的地方，见下面的代码：

其中，_LzmaDecodeA就是进行解压的函数，其实现在文件lzma_decode.S中，所以startup_raw.S将这个文件包含进来。lzma_decompress.img将core.img解压到内存GRUB_MEMORY_MACHINE_DECOMPRESSION_ADDR处，定义如下：

因为低端内存捉襟见肘，所以GRUB使用从1MB开始的空间作为解压的缓冲区。

GRUB之所以能访问1MB以上的内存地址，是因为开启了CPU的保护模式。但是GRUB并没有启用分页，而是采用了段式寻址，而且还采用了特殊的平坦内存模型（flat model），即段基址为0。平坦内存模型的寻址比较简单，某种意义上就是短路了CPU的段机制，对于未开启分页的平坦内存模型，偏移地址就是最后的物理地址。GRUB中使用了平坦内存模型的GDT的设置如下：

core.img解压完成后，lzma_decompress.img将跳转到解压的core.img处继续执行。根据前面讨论的core.img的构成，core.img的压缩部分包括kernel.img和必要的模块，所以经过这次跳转后，GRUB跳转到了映像kernel.img的开头。

（4）kernel.img将自己复制回0x9000

因为Linux内核和initramfs可能被加载到内存从1MB开始的任何地方，所以GRUB要给它们指路。为此，GRUB虽然使用了1MB以上的区域作为解压使用的缓冲区，但是解压后要移动回1MB以下的区域。

我们看一下kernel.img的构建脚本：

根据kernel.img的编译脚本可见，kernel.img的开头是startup.S，移动kernel.img的代码就在这个文件中：

根据startup.S的代码可见：

1）startup.S调用x86的指令movsb移动映像。

2）寄存器esi中的值是移动的源地址。在解压core.img时，解压后的core.img的地址，即1MB，已经保存在寄存器esi中了。

3）寄存器edi的值是移动的目的地址。在代码中，寄存器edi的值被设置为符号_start的地址，这个符号地址是多少呢？注意编译脚本中传给链接器的参数kernel_exec_LDFLAGS，其请求链接器从0x9000开始为kernel.img分配地址，而_start恰位于kernel.img的开头，所以符号_start的地址是0x9000。因此，kernel.img就是将自身移动到0x9000处。

4）寄存器ecx的值是移动的字节数。从代码中计算ecx的值来看，startup.S只移动从_edata到_start的这段指令和数据，而_edata是链接器定义的代表kernel.img的数据段结束的位置，也就是说，startup.S只是将kernel.img移动到了0x9000处，并没有移动模块。在讨论core.img的构成时，我们已经谈到模块需要重定位，所以不能简单地进行移动。

5）在移动完kernel.img后，startup.S再次使用跳转指令jmp跳转到了移动后的位置继续执行，并转入了GRUB真正的核心部分，即C语言写的函数grub_main处。

函数grub_main调用函数grub_load_modules装配模块，然后调用grub_load_normal_mode加载normal模块，这个模块拉开了加载Linux内核和initramfs的大幕。