Введение
В общих чертах – загрузка Linux разбита на несколько шагов:
- BIOS
- MBR
- GRUB 2 (bootloader)
- Linux Kernel
В этой части:
- BIOS
- MBR
- Описание MBR
- Содержимое MBR
- Disk signature
- VBR
BIOS
После нажатия кнопки питания на ПК или ноубуке – материнская плата подаёт сигнал блоку питания ПК. Блок питания подаёт напряжение на аппаратные ресурсы компьютера и возвращает материнской плате power-good сигнал, после чего та пытается запустить CPU. Тот, в свою очередь – сбрасывает все текущие значения с регистров и заполняет их значениями по умолчанию, а затем обращается к памяти BIOS-а для получения первой инструкции для выполнения.
BIOS возвращает CPU указание на запуск POST, который выполняет проверку всех подключенных аппаратных средств машины, после чего начинается непосредственно процесс запуска самой операционной системы.
Для её загрузки – BIOS проверяет свои настройки в поисках списка устройств, с которых можно загрузиться.
После того, как устройство для загрузки определено (из настроек, или после нажатия F12 и указания диска вручную) – BIOS пытается считать первый сектор (512 байт), т.е. непосредственно MBR, который находится по адресу «цилиндр 0, головка 0, сектор 1», и помещает его в область памяти по физическому адресу 0x7C00. Далее BIOS проверяет последние два байта сектора, которые должны заканчиваться на 0x55 и 0xaa, которые указывают на то, что раздел является загрузочным, и если это так – то передаёт управление загрузчику.
MBR
Описание MBR
Master Boot Record располагается в первых 512 байтах первого сектора загрузочного диска. Кроме таблицы разделов – он содержит в себе загрузчик и так называемое “магическое число” (или “сигнатура” диска, см. ниже).
Непосредственно загрузчик занимает бОльшую часть MBR – 440 байт, который так же называется основным (primary) загрузчиком. Этот загрузчик считывает таблицу разделов в MBR (следующие 64 байта после кода загрузчика) и ищет активный (bootable) раздел, после чего либо загружает ядро ОС, либо запускает вторичный (secondary) загрузчик с VBR (Volume Boot Record) сектора этого раздела, который, в свою очередь – начинает процесс загрузки самого ядра системы.
Последние два байта (0x55 и 0xaa) MBR содержат т.н. “магическое число” – 0xAA55, которые указывают BIOS-у на то, что данный раздел является загрузочным. Если это число не найдено или имеет неверное значение – вы получите сообщение о том, что BIOS не может найти bootable device.
Содержимое MBR
Для того, что бы прочитать содержимое MBR – можно создать его дамп.
Например, на ноутбуке имеется два диска:
# lsblk -dn sda 8:0 0 596,2G 0 disk sr0 11:0 1 1024M 0 rom
sr0 тут – это привод компакт-дисков, а sda – жесткий диск.
Создаём дамп первых 512 байт диска sda:
# dd if=/dev/sda of=/tmp/mbr.bin bs=512 count=1 1+0 records in 1+0 records out 512 bytes (512 B) copied, 0,0002367 s, 2,2 MB/s
Прочитать его можно с помощью file:
# file -k /tmp/mbr.bin /tmp/mbr.bin: x86 boot sector; partition 1: ID=0x83, starthead 32, startsector 2048, 4194304 sectors; partition 2: ID=0x82, starthead 53, startsector 4196352, 33554432 sectors; partition 3: ID=0x83, starthead 223, startsector 37750784, 1048576000 sectors; partition 4: ID=0x7, active, starthead 254, startsector 1086326784, 163934208 sectors DOS executable (COM), boot code
Обратите внимание на partition 4 у него есть отметка “active” – это загрузочный диск sda4 в результатах fdisk (там Windows):
# fdisk -l /dev/sda Disk /dev/sda: 640.1 GB, 640135028736 bytes 255 heads, 63 sectors/track, 77825 cylinders, total 1250263728 sectors Units = sectors of 1 * 512 = 512 bytes Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes Disk identifier: 0x6fa60981 Device Boot Start End Blocks Id System /dev/sda1 2048 4196351 2097152 83 Linux /dev/sda2 4196352 37750783 16777216 82 Linux swap / Solaris /dev/sda3 37750784 1086326783 524288000 83 Linux /dev/sda4 * 1086326784 1250260991 81967104 7 HPFS/NTFS/exFAT
Дамп MBR можно так же просмотреть с помощью hexdump:
# hexdump -C /tmp/mbr.bin 00000000 eb 63 90 d0 bc 00 7c 8e c0 8e d8 be 00 7c bf 00 |.c....|......|..| 00000010 06 b9 00 02 fc f3 a4 50 68 1c 06 cb fb b9 04 00 |.......Ph.......| ... 000001d0 71 05 82 df 72 2d 00 08 40 00 00 00 00 02 00 df |q...r-..@.......| 000001e0 73 2d 83 b6 12 24 00 08 40 02 00 00 80 3e 80 fe |s-...$..@....>..| 000001f0 ff ff 07 fe ff ff 00 08 c0 40 00 70 c5 09 55 aa |[email protected].| 00000200
(хорошее описание hexdump есть вот тут>>>)
Схема MBR:
Более наглядный вариант:
Т.е., дамп MBR вэтом примере представляет собой:
# hexdump /tmp/mbr.bin -C -n 440 00000000 eb 63 90 d0 bc 00 7c 8e c0 8e d8 be 00 7c bf 00 |.c....|......|..| 00000010 06 b9 00 02 fc f3 a4 50 68 1c 06 cb fb b9 04 00 |.......Ph.......| .... 000001a0 64 00 20 45 72 72 6f 72 0d 0a 00 bb 01 00 b4 0e |d. Error........| 000001b0 cd 10 ac 3c 00 75 f4 c3 |...<.u..| 000001b8
Тут показаны первые 440 байт – код загрузчика.
Далее следует подпись диска (Disk Identifier), 4 байта (-s, offset, смещение – читать начиная с 440 байта, -n, length – сколько байт прочитать):
# hexdump /tmp/mbr.bin -C -s 440 -n 4 000001b8 81 09 a6 6f |...o| 000001bc
Таблица разделов (4 по 16 байт == 64 байта):
# hexdump /tmp/mbr.bin -C -s 446 -n 64 000001be 00 20 21 00 83 35 70 05 00 08 00 00 00 00 40 00 |. !..5p.......@.| 000001ce 00 35 71 05 82 df 72 2d 00 08 40 00 00 00 00 02 |.5q...r-..@.....| 000001de 00 df 73 2d 83 b6 12 24 00 08 40 02 00 00 80 3e |..s-...$..@....>| 000001ee 80 fe ff ff 07 fe ff ff 00 08 c0 40 00 70 c5 09 |[email protected]..| 000001fe
И подпись о том, что диск загрузочный (“магическое число”) – два последних байта:
# hexdump /tmp/mbr.bin -C -s 510 000001fe 55 aa |U.| 00000200
Disk signature
Disk signature (так же Disk Identifier, Disk ID) представляет собой 32-х битное (4 байта) число и относится к жесткому диску, а не его разделам (в отличии от UUID/GUID). Disk Identifier/Disk Signature генерируется во время создания MBR и таблицы разметки диска.
Получить его можно с помощью того же fdisk:
# fdisk -lu /dev/sda | grep ident Disk identifier: 0x6fa60981
А найти в дампе MBR – так:
# hexdump /tmp/mbr.bin -s 440 -n 4 00001b8 0981 6fa6
Возвращаясь к загрузке.
BIOS пытается считать первый сектор (512 байт), т.е. непосредственно MBR, который находится по адресу «цилиндр 0, головка 0, сектор 1», и помещает его в область памяти по физическому адресу 0x7C00.
Как мы увидели – BIOS помещает в память начальный загрузчик, который находится в первых 440 байтах, и запускает его выполнение.
Как правило (для Linux) – используется GRUB2, но имеются и другие системы, см. в Wiki (интересно, что в английской версии нет такой удобной таблицы).
VBR
GRUB и Linux не используют VBR (Volume Boot Record), однако – она требуется для некоторых систем, например – Windows.
Для этого – Windows добавляет VBR в первый сектор своего загрузочного раздела (отедльный 100MB раздел у Windows 7). Далее загрузчик GRUB, при выборе загрузки Windows, выполняет код из VBR, который содержит в себе инструкции по запску Windows. Подробнее – можно почитать тут>>>.
Продолжение (GRUB и iniramfs) пока в черновиках.
Ссылки по теме (всё подряд):
Kernel booting process. Part 1.
6 Stages of Linux Boot Process
The System Boot Process Explained
The boot process in closer look
Analysing the Master Boot Record (MBR) with a hex editor (Hex Workshop)
An example of Master Boot Record
GRUB 2 bootloader – Full tutorial
about extracting grub2 files from mbr
