Yanyg - SAN Software Engineer

深入理解 GNU GRUB - 02 boot.S MBR结构与boot.S代码结构

目录

1 MBR结构

历史悠久的MBR结构自从IBM兼容PC出现以来一直就没变过(但是为支持2TiB以上硬盘而出现的GUID/EFI结构将更改MBR结构)。MBR结构分为三部分,分别是引导指令、分区表 DPT (Disk Partition Table)、幻数Magic (Magic=0x55AA)。其中引导指令占用446字节(0~0x1BD),DPT占用64字节(0x1BE~0x1FD),Magic占用2字节。

Magic值总是等于0x55AA,用来标记MBR的有效性。大多数BIOS检测Magic值判断是否为可引导设备,但是也有些BIOS使用另外的字段检测。在所有的小端设备上(例如80x86机器),在写入时需要设置为0xAA55。

DPT是硬盘分区表(Disk Partition Table)的缩写。MBR支持4个基本分区项,每个分区项占用16字节。可以将其中一个基本分区项标记为扩展分区(逻辑分区),扩展分区的第一个扇区称为EBR (Extended Boot Record) ,和MBR有类似的结构,但是只能利用两个基本分区项,其中一个用来划分分区,另一个指向新的EBR,这样就可以实现更多的分区。每个分区项的布局完全一致,如下:

偏移量        字节数        描述
0x00        1        分区状态,
0x80为可引导分区
0x00为不可引导分区
其他值无效
0x01        3        该分区第一个扇区CHS地址,格式见稍后描述
0x04        1        分区文件系统格式,比如NTFS/FAT32/Linux等
0x05        3        该分区最后一个扇区CHS地址,格式见稍后描述
0x08        4        该分区第一个扇区的绝对LBA地址
                          表示从磁盘开始到该分区的扇区数
0x0C        4        该分区的扇区数量

3字节的CHS地址结构如下:
偏移量            描述
0x00            磁头
0x01            低6位表示扇区,高2位表示柱面的9~10位
0x04            柱面的低8位

对于CHS结构还有疑问者,查阅2.1.4的CHS模式读可加强理解。因为CHS寻址有7.88GiB 限制,现在的硬盘一般都是用LBA寻址,因此分区表中有用的字段是状态字段(0x00)、分区格式(0x03)、扇区偏移量(0x08~0x0B)和扇区数量(0x0C~0x0x0F)。我在虚拟机上测试过,清零硬盘分区的起始CHS地址和结束CHS地址不会导致错误。 446字节的引导指令负责加载另外的磁盘数据,进而引导整个系统。而这也正是boot.S所完成的功能。1.3节的内容大概介绍了加载磁盘数据的过程,而后文的boot.S代码结构分析和详细注释展示具体的实现过程。

2 boot.S代码结构

boot.S生成512字节的机器码,其中0x0~0x1BD (0~445) 共446字节是磁盘(硬盘/软盘)均可能用到的指令;0x1BE~0x1FD (446~510) 共64字节指令是软盘读取需要的指令,完成软盘驱动器复位、读取;0x1F~0x1FF (511~512) 是标识字段为0x 55AA(小端上需要表述为0xAA55)。

GRUB安装程序判断存储媒介是硬盘或软盘。如果是硬盘,写入0x0~0x1BD和0x1FE~0x1FF两个字段。如果是软盘则写入整个MBR(512字节)。下面先简单介绍代码对指令位置的安排,其中0x7C**是指MBR加载到内存后对应指令所在的内存地址。

boot.S首先是一个跳转指令和一个空指令,占用3字节空间(0x7C00~0x7C03)。

之后保留一字节空间(0x7C04),后续代码保存BIOS调用探测到的读模式(LBA/CHS)到这里。执行到GRUB的第二步时还会使用这里保存的读模式标记。

之后是BIOS参数块BPB (BIOS parameter block)所在空间,共保留0x56(0x7C04~0x7C59)字节,当前只用到开始的16字节。BPB首字节(0x7C04)用来保存BIOS调用探测到的读模式(LBA/CHS),执行到GRUB的第二步时还会使用这里保存的读模式标记。

接下来的16字节(0x7C05~0x7C14)用作BIOS LBA读调用的DAP(参见2.1.2),这16个字节是和CHS参数块是复用的,如果是CHS,则用作保存BIOS调用获取的驱动器CHS参数,后来的CHS读扇区用它判定扇区是否越界。

之后是2字节的跳转指令(0x7C5A~0x7C5B),加载完毕后跳向此处执行,因为jmp不支持立即数,因此保存在这里,值为0x8000。

之后是8字节的GRUB内核起始扇区LBA地址(0x7C5C~0x7C63),注意顺序,首先是低4字节,然后是高4字节。默认值为低4字节0x01,高4字节0x00,即磁盘的第二个绝对扇区。

之后是一字节的驱动器(0x7C64),默认设置为0xFF,安装时候改写成正确的引导驱动器,如果代码中探测到依然是0xFF,则会赋默认驱动器0x80(第一块硬盘编号)。

之后关闭中断,检测磁盘驱动器,设置寄存器,设置堆栈,打开中断,使用BIOS例程判断读取模式,读取磁盘数据,保存读取模式(保存到mode即0x7C04位置),最后设置正确的寄存器,然后跳转到第二步执行。

0x1BE~0x1FD是只针对软盘读取的指令。这些指令不会安装到硬盘MBR(硬盘上这里是DPT区域,写入 DPT会破坏分区)。0x1FE~0x1FF保存标识数0xAA55(0x1FE值为0x55,0x1FF值为0xAA,注意0xAA55 是针对小端序处理器的)。下面是编译(未安装)的grub-1.98/boot.S的二进制码:

0X7C00 EB 63 90 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
0X7C10 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
0X7C20 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
0X7C30 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
0X7C40 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
0X7C50 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 80 01 00 00 00
0X7C60 00 00 00 00 FF FA EB 07 F6 C2 80 75 02 B2 80 EA
0X7C70 74 7C 00 00 31 C0 8E D8 8E D0 BC 00 20 FB A0 64
0X7C80 7C 3C FF 74 02 88 C2 52 BE 88 7D E8 24 01 BE 05
0X7C90 7C F6 C2 80 74 48 B4 41 BB AA 55 CD 13 5A 52 72
0X7CA0 3D 81 FB 55 AA 75 37 83 E1 01 74 32 31 C0 89 44
0X7CB0 04 40 88 44 FF 89 44 02 C7 04 10 00 66 8B 1E 5C
0X7CC0 7C 66 89 5C 08 66 8B 1E 60 7C 66 89 5C 0C C7 44
0X7CD0 06 00 70 B4 42 CD 13 72 05 BB 00 70 EB 73 B4 08
0X7CE0 CD 13 73 0A F6 C2 80 0F 84 D8 00 E9 82 00 66 0F
0X7CF0 B6 C6 88 64 FF 40 66 89 44 04 0F B6 D1 C1 E2 02
0X7D00 88 E8 88 F4 40 89 44 08 0F B6 C2 C0 E8 02 66 89
0X7D10 04 66 A1 60 7C 66 09 C0 75 4E 66 A1 5C 7C 66 31
0X7D20 D2 66 F7 34 88 D1 31 D2 66 F7 74 04 3B 44 08 7D
0X7D30 37 FE C1 88 C5 30 C0 C1 E8 02 08 C1 88 D0 5A 88
0X7D40 C6 BB 00 70 8E C3 31 DB B8 01 02 CD 13 72 29 8C
0X7D50 C3 60 1E B9 00 01 8E DB 31 F6 BF 00 80 8E C6 FC
0X7D60 F3 A5 1F 61 FF 26 5A 7C BE 8E 7D E8 44 00 EB 0E
0X7D70 BE 93 7D E8 3C 00 EB 06 BE 9D 7D E8 34 00 BE A2
0X7D80 7D E8 2E 00 CD 18 EB FE 47 52 55 42 20 00 47 65
0X7D90 6F 6D 00 48 61 72 64 20 44 69 73 6B 00 52 65 61
0X7DA0 64 00 20 45 72 72 6F 72 0D 0A 00 BB 01 00 B4 0E
0X7DB0 CD 10 AC 3C 00 75 F4 C3 00 00 00 00 00 00 24 12
0X7DC0 0F 09 00 BE BD 7D 31 C0 CD 13 46 8A 0C 80 F9 00
0X7DD0 75 0F BE DA 7D E8 DA FF EB A4 46 6C 6F 70 70 79
0X7DE0 00 BB 00 70 B8 01 02 B5 00 B6 00 CD 13 72 D7 B6
0X7DF0 01 B5 4F E9 F8 FE 00 00 00 00 00 00 00 00 55 AA

下面是安装以后的MBR内内容:

0X7C00 EB 63 90 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
0X7C10 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
0X7C20 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
0X7C30 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
0X7C40 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
0X7C50 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 80 01 00 00 00
0X7C60 00 00 00 00 FF FA EB 07 F6 C2 80 75 02 B2 80 EA
0X7C70 74 7C 00 00 31 C0 8E D8 8E D0 BC 00 20 FB A0 64
0X7C80 7C 3C FF 74 02 88 C2 52 BE 88 7D E8 24 01 BE 05
0X7C90 7C F6 C2 80 74 48 B4 41 BB AA 55 CD 13 5A 52 72
0X7CA0 3D 81 FB 55 AA 75 37 83 E1 01 74 32 31 C0 89 44
0X7CB0 04 40 88 44 FF 89 44 02 C7 04 10 00 66 8B 1E 5C
0X7CC0 7C 66 89 5C 08 66 8B 1E 60 7C 66 89 5C 0C C7 44
0X7CD0 06 00 70 B4 42 CD 13 72 05 BB 00 70 EB 73 B4 08
0X7CE0 CD 13 73 0A F6 C2 80 0F 84 D8 00 E9 82 00 66 0F
0X7CF0 B6 C6 88 64 FF 40 66 89 44 04 0F B6 D1 C1 E2 02
0X7D00 88 E8 88 F4 40 89 44 08 0F B6 C2 C0 E8 02 66 89
0X7D10 04 66 A1 60 7C 66 09 C0 75 4E 66 A1 5C 7C 66 31
0X7D20 D2 66 F7 34 88 D1 31 D2 66 F7 74 04 3B 44 08 7D
0X7D30 37 FE C1 88 C5 30 C0 C1 E8 02 08 C1 88 D0 5A 88
0X7D40 C6 BB 00 70 8E C3 31 DB B8 01 02 CD 13 72 29 8C
0X7D50 C3 60 1E B9 00 01 8E DB 31 F6 BF 00 80 8E C6 FC
0X7D60 F3 A5 1F 61 FF 26 5A 7C BE 8E 7D E8 44 00 EB 0E
0X7D70 BE 93 7D E8 3C 00 EB 06 BE 9D 7D E8 34 00 BE A2
0X7D80 7D E8 2E 00 CD 18 EB FE 47 52 55 42 20 00 47 65
0X7D90 6F 6D 00 48 61 72 64 20 44 69 73 6B 00 52 65 61
0X7DA0 64 00 20 45 72 72 6F 72 0D 0A 00 BB 01 00 B4 0E
0X7DB0 CD 10 AC 3C 00 75 F4 C3 55 6D 01 00 00 00 80 20
0X7DC0 21 00 83 B2 02 30 00 08 00 00 00 E8 0B 00 00 D2
0X7DD0 21 30 05 FE FF FF FE F7 0B 00 02 00 F4 01 00 00
0X7DE0 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
0X7DF0 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 55 AA

对照可以看出,DPT部分是有差异的,这是因为boot.S编译后的指令码中这部分是软盘复位和读指令,而硬盘MBR中保存DPT。正如同前文所述,我尝试把DPT中CHS地址相关的部分给置 0后,测试GRUB仍然正常工作(偏移量是)。

另外一个差异是0x7DB8~0x7DBE空间的6个字节,boot.S注释说是为了兼容Windows NT,因为 Windows NT在这里插入了一个幻数,我尝试把这6个字节(偏移量0x1B8~0x1BD)置0,经测试 GRUB是可以正常工作的。

8字节的GRUB内核安装扇区也一样,是因为我的虚拟机的GRUB内核确实安装在第二个扇区,如果是和Windows共存的双系统安装,这8字节可能会有所差异(需要指向实际的安装扇区)。 MBR中Windows NT幻数和DPT中CHS地址部分清的指令如下:

~# dd if=/dev/zero of=/dev/sda seek=440 count=6 bs=1
~# dd if=/dev/zero of=/dev/sda seek=447 count=3 bs=1
~# dd if=/dev/zero of=/dev/sda seek=463 count=3 bs=1
~# dd if=/dev/zero of=/dev/sda seek=451 count=3 bs=1
~# dd if=/dev/zero of=/dev/sda seek=467 count=3 bs=1

上述指令清零Windows NT兼容幻数,以及硬盘第一基本分区、第二基本分区的起始和结束CHS 地址。如果你使用多系统(Windows/Linux/Etc.)请谨慎运行。