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inux操作系統的啟動過程是計算機啟動過程中的一個重要環節。在現代計算機中，UEFI（Unified Extensible Firmware Interface）和GRUB（GRand Unified Bootloader）是兩個關鍵的組件，它們共同協作以確保系統能夠順利啟動。下面，我們將詳細探討這兩個組件的配置過程，以及它們如何在Linux啟動中發揮作用。

UEFI：統一的啟動環境

UEFI是一種現代的固件接口，它取代了傳統的BIOS（Basic Input/Output System）。UEFI提供了一種更加靈活和安全的方式來啟動操作系統。它支持從GPT（GUID分區表）分區啟動，這使得它能夠支持更大的硬盤和更多的啟動選項。

UEFI的優勢

安全性：UEFI提供了安全啟動功能，可以防止未授權的操作系統或引導程序加載。
靈活性：UEFI允許用戶通過圖形界面選擇啟動設備或操作系統。
速度：UEFI啟動過程通常比傳統BIOS更快。

配置UEFI

配置UEFI通常涉及到以下幾個步驟：

啟用UEFI模式：在計算機啟動時進入BIOS設置，并選擇啟用UEFI模式。
配置啟動順序：在UEFI設置中，可以指定啟動設備的順序，例如首先從SSD啟動，如果SSD中沒有可啟動的操作系統，則嘗試從HDD啟動。

GRUB：Linux的引導程序

GRUB是一個廣泛使用的開源引導程序，它支持多操作系統啟動，并允許用戶在啟動時選擇不同的內核或配置選項。

GRUB的工作原理

菜單配置：GRUB在啟動時顯示一個菜單，列出所有可啟動的操作系統和內核選項。
自動選擇：如果沒有選擇特定的啟動項，GRUB將自動選擇默認項進行啟動。

配置GRUB

配置GRUB涉及到編輯/etc/default/grub和/boot/grub/grub.cfg文件。以下是一些常見的配置示例：

# /etc/default/grub 文件配置示例
GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT="quiet splash"
GRUB_CMDLINE_LINUX="root=/dev/sda1"
GRUB_TIMEOUT=10

# 更新 GRUB 配置
sudo update-grub

這段配置設置了Linux啟動時的默認命令行參數，設置了root分區，并定義了GRUB菜單的顯示時間。

特殊啟動配置

在某些情況下，可能需要進行特殊的啟動配置，例如：

恢復模式：在系統出現問題時，可以通過GRUB菜單選擇進入恢復模式。
特定內核參數：如果需要為特定的硬件配置內核參數，可以在GRUB配置文件中設置。

示例

BIOS是Basic Input/Output System的簡稱，中文基本輸入輸出系統。它早期由廠商燒錄在ROM（只讀存儲器，一般只能以只讀方式讀取，在計算機斷電后也不會丟失數據。在計算機整機裝入前寫入。）存儲芯片上的軟件程序。隨著技術的發展，現代的一般放在閃存中，允許BIOS的動態升級。

BIOS為操作系統提供了最基礎的原始服務，操作系統來引導的時候基本會使用BIOS所提供的服務，在操作系統完全初始化后，操作系統一般就不再使用BIOS所提供的服務了。它的歷史在網上很多，可以找一些資料看看。在這里我們主要介紹BIOS的軟件功能。

在早期的計算機中，計算機加電后執行BIOS所提供的程序，BIOS一般主要分為三個部分：

加電自檢：用于檢測計算器是否存在錯誤
初始化：用于創建中斷向量，設置寄存器，對一些外部設備進行初始化和檢測等
引導操作系統：用于引導操作系統，在早期有些操作系統將引導程序內嵌到操作系統，BIOS負責將MBR加載到內存執行操作系統的引導，現代一般都有一個單獨的引導程序用于引導操作系統，比如GRUB

BIOS提供了豐富的軟件服務用于和硬件交互，比如打印數據，讀取硬盤數據等等，它提供的這些服務主要為所操作系統服務，它位操作系統隔離硬件提供的一個統一的接口。具體的服務可以參考維基百科（en.wikipedia.org/wiki/BIOS_interrupt_call）

BIOS早期通過CHS進行加載數據到內存，到現在通常都是通過LBA進行硬盤尋址。BIOS通過加載第一個扇區叫做MBR的分區表加載到內存中用于接下來的引導工作。在Linux中這個工作就交給了GRUB等引導程序。

BIOS和MBR

BIOS引導操作系統時，BIOS會將磁盤中的數據加載到內存中，那么它如何知道要加載什么數據呢？答案是在BIOS中加載啟動設備的第一個扇區。

通常一個磁盤通常會將其分成幾個部分，在計算機中這個過程叫做分區，有很多分區的規范，而BIOS使用了一個叫做 MBR分區表 的格式。MRB分區表存放在磁盤的第一個扇區，這個扇區一般的大小為512字節。在BIOS的系統中，這512字節非常重要，它決定我們的系統能否啟動成功。

MBR

MBR全稱Master boot record，是BIOS中引入的概念，它是磁盤的第一個扇區，這個扇區大小為512字節。這個扇區是承接操作系統和BIOS的關鍵橋梁。BIOS完成所有的初始工作后，將加載磁盤的第一個分區到 0x7c00 的內存位置后，就將CPU的控制交給了 0x7c00 位置的代碼了。

MBR中保存了重要的信息，它主要包含了用于引導操作系統的引導代碼和分區信息。我們首先來看看MBR的結構

這個圖來自維基百科，我們重點關注第一張圖，因為第二張圖通常用于GPT。在第一張圖中我們知道開始的446個字節通過為引導程序所使用的，在Linux中，就是GRUB引導程序使用。緊接著的64個字節表示分區信息，每個分區信息占16個字節，最后的兩個字節是 0xAA55 結尾。 0xAA55 作為簽名作為這個值結束的第一個扇區表示這是一個MBR分區表。MBR分區表有很多變種，可以參考維基百科的介紹。

每個分區有16個字節，這個4個分區是主分區，這也為為什么一個硬盤最多為什么能夠分為4個主分區的原因，為了能夠突破最多使用4個分區的限制，可以將主分區設置為擴展分區，在擴展分區進行分區劃分為多個邏輯分區，需要注意的擴展分區無法直接使用，只能夠將邏輯分區作為最終數據訪問的分區使用。我們可以將擴展分區看做一個獨立的硬盤，可以將這個擴展分區繼續進行分區，分成多個邏輯分區。邏輯分區的分區表則在每一個擴展分區的第一個扇區中。分區項極其復雜，下面我們將根據一個例子來分析MBR分區。

首先我們需要獲取硬盤的第一個扇區的數據

$ sudo dd if=/dev/nvme0n1 bs=512 count=1 skip=0 > lba.0
$ hexdump -C lba.0
00000000  eb 63 90 10 8e d0 bc 00  b0 b8 00 00 8e d8 8e c0  |.c..............|
00000010  fb be 00 7c bf 00 06 b9  00 02 f3 a4 ea 21 06 00  |...|.........!..|
00000020  00 be be 07 38 04 75 0b  83 c6 10 81 fe fe 07 75  |....8.u........u|
00000030  f3 eb 16 b4 02 b0 01 bb  00 7c b2 80 8a 74 01 8b  |.........|...t..|
00000040  4c 02 cd 13 ea 00 7c 00  00 eb fe 00 00 00 00 00  |L.....|.........|
00000050  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 80 01 00 00 00  |................|
00000060  00 00 00 00 ff fa 90 90  f6 c2 80 74 05 f6 c2 70  |...........t...p|
00000070  74 02 b2 80 ea 79 7c 00  00 31 c0 8e d8 8e d0 bc  |t....y|..1......|
00000080  00 20 fb a0 64 7c 3c ff  74 02 88 c2 52 bb 17 04  |. ..d|<.t...R...|
00000090  f6 07 03 74 06 be 88 7d  e8 17 01 be 05 7c b4 41  |...t...}.....|.A|
000000a0  bb aa 55 cd 13 5a 52 72  3d 81 fb 55 aa 75 37 83  |..U..ZRr=..U.u7.|
000000b0  e1 01 74 32 31 c0 89 44  04 40 88 44 ff 89 44 02  |..t21..D.@.D..D.|
000000c0  c7 04 10 00 66 8b 1e 5c  7c 66 89 5c 08 66 8b 1e  |....f..\|f.\.f..|
000000d0  60 7c 66 89 5c 0c c7 44  06 00 70 b4 42 cd 13 72  |`|f.\..D..p.B..r|
000000e0  05 bb 00 70 eb 76 b4 08  cd 13 73 0d 5a 84 d2 0f  |...p.v....s.Z...|
000000f0  83 d0 00 be 93 7d e9 82  00 66 0f b6 c6 88 64 ff  |.....}...f....d.|
00000100  40 66 89 44 04 0f b6 d1  c1 e2 02 88 e8 88 f4 40  |@f.D...........@|
00000110  89 44 08 0f b6 c2 c0 e8  02 66 89 04 66 a1 60 7c  |.D.......f..f.`||
00000120  66 09 c0 75 4e 66 a1 5c  7c 66 31 d2 66 f7 34 88  |f..uNf.\|f1.f.4.|
00000130  d1 31 d2 66 f7 74 04 3b  44 08 7d 37 fe c1 88 c5  |.1.f.t.;D.}7....|
00000140  30 c0 c1 e8 02 08 c1 88  d0 5a 88 c6 bb 00 70 8e  |0........Z....p.|
00000150  c3 31 db b8 01 02 cd 13  72 1e 8c c3 60 1e b9 00  |.1......r...`...|
00000160  01 8e db 31 f6 bf 00 80  8e c6 fc f3 a5 1f 61 ff  |...1..........a.|
00000170  26 5a 7c be 8e 7d eb 03  be 9d 7d e8 34 00 be a2  |&Z|..}....}.4...|
00000180  7d e8 2e 00 cd 18 eb fe  47 52 55 42 20 00 47 65  |}.......GRUB .Ge|
00000190  6f 6d 00 48 61 72 64 20  44 69 73 6b 00 52 65 61  |om.Hard Disk.Rea|
000001a0  64 00 20 45 72 72 6f 72  0d 0a 00 bb 01 00 b4 0e  |d. Error........|
000001b0  cd 10 ac 3c 00 75 f4 c3  fe 7e 7d 14 00 00 80 04  |...<.u...~}.....|
000001c0  01 04 0b fe c2 ff 00 08  00 00 00 00 10 00 00 fe  |................|
000001d0  c2 ff 05 fe c2 ff fe 0f  10 00 02 e8 6f 25 00 00  |............o%..|
000001e0  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
000001f0  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 55 aa  |..............U.|
00000200

這里我們使用gpt工具解析MBR

$ pip install gpt

安裝好后，可以通過這個命令查看MBR詳細的信息

$ cat lba.0 | print_mbr
<<< MBR >>>
BootCode: 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
UniqueMBRDiskSignature:                                         0xfe7e7d14
Unknown:                                                            0x0000
PartitionRecord: 0x800401040bfec2ff000800000000100000fec2ff05fec2fffe0f100002e86f250000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
Signature:                                                          0xAA55
<<< MBR Partition #0 >>>
#0.BootIndicator:                                                     0x80
#0.Is Bootable? (syn):                                                 Yes
#0.StartingCHS:                                                    4, 4, 1
#0.OSType:                                                             0xB
#0.OSType (syn):                                                         ?
#0.EndingCHS:                                                255, 254, 194
#0.StartingLBA:                                                       2048
#0.SizeInLBA:                                                      1048576
<<< MBR Partition #1 >>>
#1.BootIndicator:                                                      0x0
#1.Is Bootable? (syn):                                                  No
#1.StartingCHS:                                              255, 254, 194
#1.OSType:                                                             0x5
#1.OSType (syn):                                                         ?
#1.EndingCHS:                                                255, 254, 194
#1.StartingLBA:                                                    1052670
#1.SizeInLBA:                                                    628090882
<<< MBR Partition #2 >>>
#2.BootIndicator:                                                      0x0
#2.Is Bootable? (syn):                                                  No
#2.StartingCHS:                                                    0, 0, 0
#2.OSType:                                                             0x0
#2.OSType (syn):                                                     Empty
#2.EndingCHS:                                                      0, 0, 0
#2.StartingLBA:                                                          0
#2.SizeInLBA:                                                            0
<<< MBR Partition #3 >>>
#3.BootIndicator:                                                      0x0
#3.Is Bootable? (syn):                                                  No
#3.StartingCHS:                                                    0, 0, 0
#3.OSType:                                                             0x0
#3.OSType (syn):                                                     Empty
#3.EndingCHS:                                                      0, 0, 0
#3.StartingLBA:                                                          0
#3.SizeInLBA:                                                            0

這里重點關注分區表的信息，從分區表中我們知道使用了兩個主分區信息。由于第一個分區設置了引導標志說明其是引導分區。同時我們使用fdisk查看一下分區信息

$ sudo fdisk -l /dev/sda
Disk /dev/sda: 300 GiB, 322122547200 bytes, 629145600 sectors
Disk model: VBOX HARDDISK
Units: sectors of 1 * 512=512 bytes
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes
Disklabel type: dos
Disk identifier: 0x147d7efe

Device     Boot   Start       End   Sectors   Size Id Type
/dev/sda1  *       2048   1050623   1048576   512M  b W95 FAT32
/dev/sda2       1052670 629143551 628090882 299.5G  5 Extended
/dev/sda5       1052672 629143551 628090880 299.5G 83 Linux

但在這里卻看到3個分區信息，這是為什么？之前我們也說過，磁盤一般分區分為主分區，擴展分區和邏輯分區。所以在這里我們重點看第二個主分區信息

<<< MBR Partition #1 >>>
#1.BootIndicator:                                                      0x0
#1.Is Bootable? (syn):                                                  No
#1.StartingCHS:                                              255, 254, 194
#1.OSType:                                                             0x5
#1.OSType (syn):                                                         ?
#1.EndingCHS:                                                255, 254, 194
#1.StartingLBA:                                                    1052670
#1.SizeInLBA:                                                    628090882

在這里我們看到OSType的值位5，通過查詢維基百科關于分區類型的信息（en.wikipedia.org/wiki/Partition_type），知道值為5說明這個分區為擴展分區。通過這個信息，可以知道這個擴展分區從 1052670 開始，那么將這個扇區的數據截取出來

$ sudo dd if=/dev/sda bs=512 count=1 skip=1052670 > lba.1052670

按照相同的方式將其顯示為二進制數據

00000000  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
*
000001b0  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 fe  |................|
000001c0  c2 ff 83 fe c2 ff 02 00  00 00 00 e8 6f 25 00 00  |............o%..|
000001d0  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
*
000001f0  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 55 aa  |..............U.|
00000200

這個數據布置讓我們知道這個扇區也是一個MBR分區的信息，前446個字節為空，后面跟著的是分區信息，這個分區表示邏輯分區。然后我們使用gpt工具查看一下詳細信息。

$ cat lba.1052670| print_mbr
<<< MBR >>>
BootCode: 0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
UniqueMBRDiskSignature:                                         0x00000000
Unknown:                                                            0x0000
PartitionRecord: 0x00fec2ff83fec2ff0200000000e86f25000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
Signature:                                                          0xAA55
<<< MBR Partition #0 >>>
#0.BootIndicator:                                                      0x0
#0.Is Bootable? (syn):                                                  No
#0.StartingCHS:                                              255, 254, 194
#0.OSType:                                                            0x83
#0.OSType (syn):                                                         ?
#0.EndingCHS:                                                255, 254, 194
#0.StartingLBA:                                                          2
#0.SizeInLBA:                                                    628090880
<<< MBR Partition #1 >>>
#1.BootIndicator:                                                      0x0
#1.Is Bootable? (syn):                                                  No
#1.StartingCHS:                                                    0, 0, 0
#1.OSType:                                                             0x0
#1.OSType (syn):                                                     Empty
#1.EndingCHS:                                                      0, 0, 0
#1.StartingLBA:                                                          0
#1.SizeInLBA:                                                            0
<<< MBR Partition #2 >>>
#2.BootIndicator:                                                      0x0
#2.Is Bootable? (syn):                                                  No
#2.StartingCHS:                                                    0, 0, 0
#2.OSType:                                                             0x0
#2.OSType (syn):                                                     Empty
#2.EndingCHS:                                                      0, 0, 0
#2.StartingLBA:                                                          0
#2.SizeInLBA:                                                            0
<<< MBR Partition #3 >>>
#3.BootIndicator:                                                      0x0
#3.Is Bootable? (syn):                                                  No
#3.StartingCHS:                                                    0, 0, 0
#3.OSType:                                                             0x0
#3.OSType (syn):                                                     Empty
#3.EndingCHS:                                                      0, 0, 0
#3.StartingLBA:                                                          0
#3.SizeInLBA:                                                            0

從信息中我們知道這個擴展分區只有一個邏輯分區，從扇區2開始，但需要注意的這個2有一個偏移量，也就是擴展分區的起始地址，也就是1052670，所以這個邏輯分區真正的扇區從1052670 + 2開始。和fdisk顯示的是一致的。而且類型為0x83，說明他是一個Linux分區類型。

至此，我們學習了MBR分區格式，并且舉一個例子來分析MBR分區格式。那么前446個字節是什么，MBR分區的446個字節是GRUB的引導代碼，用于承接后續的GRUB的流程。這段代碼我們會在后續GRUB的分析中慢慢展開，在這里我們只要知道MBR分區的構造即可，MBR由446個字節的引導代碼和64字節的分區表，以及2個字節的0xAA55標志組成，總共512字節。

接著，BIOS所提供的服務一般都是通過調用中斷服務程序來實現，它提供了極其豐富的功能，我們下面將使用一個簡單的例子來說明如何調用BIOS所提供的服務。

一個BIOS例子

這個例子展現了如何在 Qemu 模擬器上打印出一個 Hello World。我們使用了BIOS所提供的打印功能 **

    .code16
start:
    mov $msg,  %si          /*將si寄存器指向打印的數據*/
    mov $0x0e, %ah          /*將ah寄存器設置為0x0e*/
loop:
    lodsb                   /*將si的數據賦值給al，并且將si指向下一個字符*/
    or %al, %al             /*判斷字符串是否結束，這里以空作為字符串的結束字符*/
    jz halt                 /*如果字符串結束，那么跳轉到halt*/
    int $0x10               /*調用bios 0x10功能*/
    jmp loop                /*跳轉到loop，繼續執行*/
halt:
    hlt                     /*掛起處理器*/
msg:
    .asciz "hello world"    /*將要被打印的數據*/
.org 510
.word 0xaa55

在沒有開始編譯前，看看這段代碼，注釋中詳細的說明了這段代碼調用了BIOS的0x10功能，通過維基百科BIOS中斷調用(en.wikipedia.org/wiki/BIOS_interrupt_call)，可以知道0x0Eh功能用于向顯示器打印字符。通過將0x0Eh賦值給ah寄存器，al寄存器中負責真正顯示的字符。

同時，這里還提供了一個Makefile，用于生成MBR格式的文件鏡像

.POSIX:

MAIN :=main.img

.PHONY: clean run

$(MAIN): main.S
	as -o main.o '$<'
	ld --oformat binary -o '$@' -Ttext 0x7C00 main.o

clean:
	rm -f '$(MAIN)'

使用as將源文件編譯為二進制文件，然后使用ld進行鏈接，并將代碼的地址以0x7C00編譯，

$ make

運行

$ qemu-system-x86_64 main.img

運行的結果如下

BIOS的缺點

但由于BIOS是幾十年前的產物，有一些無法滿足現代操作系統的需求。

BIOS運行在16位的實模式下，最大尋址空間為1M
BIOS無法使用更加先進的處理器技術
BIOS使用的MBR分區無法支持更大的磁盤空間，MBR分區支持最大的磁盤空間為2T
BIOS的代碼由匯編編寫，降低了工作效率
由于MBR是第一個扇區，所以BIOS無法智能的選擇操作系統，這樣就無法安裝雙系統，比如同時安裝windows和linux，但在linux中有一個方案就是linux安裝的時候會使用grub引導，使用grub來引導windows和linux，讓這兩個系統共存。所以我們可以安裝好后windows，后安裝linux，linux會自動監測到windows，從而將其加到grub的啟動菜單中。這里涉及到grub的內容，后邊會有介紹關于grub的。

為了解決這些問題，從而引入了更加先進的UEFI固件，UEFI固件規范中也規定了新的分區格式即GPT分區格式。

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