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GRUB启动分析之stage1.5  

2016-10-17 11:03:04|  分类: LINUX |  标签: |举报 |字号 订阅

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前言

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。

start.S源码分析

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。

总结

通过这两篇文章我们知道了一下我们获取的信息:

  1. MBR code 部分和/boot/grub/stage1部分一样,这部分二进制文件是有grub源代码中的/stage1/stage1.S汇编出的。所谓的stage1,作用只有一个,就是将磁盘第二个扇区的内容加载的到内存
  2. 第二个扇区的内容和/boot/grub/e2fs_stage1_5文件的前512字节一样,这部分内容是有grub 源码/stage2/start.S汇编出的,而这个start.S的作用就是加载磁盘的第三个扇区到第N个扇区到内存,N取几,取决与文件系统的支撑代码的大小。
  3. 文件系统支撑代码到内存之后,我们在也不需要直接调用INT 13加载扇区内容,我们有了文件系统,我们可以直接操作文件了。那么/boot/grub/stage2这样的比较大的文件可以直接操作了。
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