inux1.0内核代码学习(七) 之GRUB的编译、安装，制作GRUB启动盘，通过GRUB从硬盘启动内核、加载文件系统

先描述一个问题，制作好可以grub引导的硬盘，在虚拟机中启动时出现下面的错误：

解决方法是修改myinitrd4M.img中的文件系统，/etc/inittab文件的内容如下：

将tty2::askfirst:-/bin/sh修改为console::askfirst:-/bin/sh，解释原因如下：

1）文件系统中/etc/inittab文件的作用：我们知道在Linux的内核被载入之后，机器就把控制权转交给内核，linux的内核启动之后，做了一些工作，然后找到根文件系统里面的init程序，并执行它，BusyBox会查/etc/inittab文件是否存在，如果此文件不存在，BusyBox会使用缺省的inittab配置，它主要为系统重引导，系统挂起以及init重启动设置缺省的动作，此外它还会为四个虚拟控制台（tty1到tty4）设置启动shell的动作。

run-level的英文解释:

# Default runlevel. The runlevels used by RHS are:

#   0 - halt (Do NOT set initdefault to this)

#   1 - Single user mode

#   2 - Multiuser, without NFS (The same as 3, if you do not have networking)

#   3 - Full multiuser mode

#   4 - unused

#   5 - X11

#   6 - reboot (Do NOT set initdefault to this)

将上面翻译过来就是：

# 0 - 停机（千万不能把initdefault 设置为0 ）

# 1 - 单用户模式  

# 2 - 多用户，没有 NFS  (没有网络)

# 3 - 完全多用户模式(标准的运行级，实际上就是text模式)  

# 4 - 没有用到  

# 5 - X11 （xwindow)  

# 6 - 重新启动

 2） inittab文件中每一行的格式如下所示：（busybox的根目录下的example文件夹下有详尽的inittab文件范例）     

                  id:runlevel:action:process

 id: 是标识名，可以任意起名，4个字符以内，要注意的是标识名不能重复，它是唯一的。

runlevels: 表示这一行适用于运行那些级别(如上所示的6个级别)；另外sysinit、boot、bootwait这三个进程会忽略这个设置值。此项可以多选，比如要运行1，2，3个级别，就写成123

action: 表示进入对应的runlevels时，init应该运行process字段的命令的方式，常用的字段值及解释在附录内。

    respawn： 表示init应该监视这个进程，即使其结束后也应该被重新启动。

    wait：    init应该运行这个进程一次，并等待其结束后再进行下一步操作。

    once：    init需要运行这个进程一次。

    boot：    随系统启动运行，所以runlevel值对其无效。

    bootwait：随系统启动运行，并且init应该等待其结束。

    off：     没有任何意义。

    initdefault：系统启动后的默认运行级别；由于进入相应的运行级别会**对应级别的进程，所以对其指定process字段没有任何意义。如果inittab文件内不存在这一条记录，系统启动时在控制台上询问进入的运行级。

    sysinit：    系统启动时准备运行的命令。比如说，这个命令将清除/tmp.可以查看/etc/rc.d/rc.sysinit脚本了解其运行了那些操作。

    powerwait：  允许init在电源被切断时，关闭系统。当然前提是有U P S和监视U P S并通知init电源已被切断的软件。RH linux默认没有列出该选项。

    powerfail：  同powerwait，但init不会等待正在运行的进程结束。RH linux默认没有列出该选项。

    powerokwait：当电源监视软件报告“电源恢复”时，init要执行的操作。

    powerfailnow：检测到ups电源即将耗尽时，init要执行的操作，和powerwait/powerfail不同的哟。

    ctrlaltdel：允许init在用户于控制台键盘上按下C t r l + A l t + D e l组合键时，重新启动系统。注意，如果该系统放在一个公共场所，系统管理员可将C t r l + A l t + D e l组合键配置为别的行为，比如忽略等。我是设置成打印一句骂人的话了^o^. 

    kbrequest：监视到特定的键盘组合键被按下时采取的动作，现在还不完善。

    ondemand：  A process marked with an ondemand runlevel will be executed whenever the specified ondemand runlevel is called.  However， no runlevel change will occur （ondemand runlevels are ‘a’， ‘b’，and ‘c’）

process: 就是执行的程序

完整启动画面：

GRUB启动盘的制作方法

一、准备好一个简单的根目录和应用程序

1、准备一个应用程序，例如一个helloworld输出循环，使用静态链接的方法编译成一个可执行文件，命名为init

2、建立目标根目录映像

 

 
3、准备dev目录

 myinitrd4M.img中的内容如下：

 二、利用busybox在myinitrd4M.img中建立根文件系统

 

 
 
 可以看到多了bin、sbin目录和linuxrc文件说明busybox安装成功。将之前编译的helloword程序init修改为hello(在一开始也可以静态编译为hello，编译为init主要是为了测试)，如下：

三、制作带grub启动的磁盘映像

1、下载grub-0.97.tar.gz，解压缩，编译

2、建立软盘映像

 3、添加grub启动功能

 4、测试是否能从软盘进入grub界面

制作grub的磁盘启动盘，并在虚拟机中从磁盘启动，可以看到能够进入grub界面：

 5、准备磁盘映像

在虚拟机中添加一个容量为1G的虚拟硬盘，使用fdisk将其分成一个活动分区，将活动分区格式化为ext2fs。

   

 这里将磁盘的文件系统label设置为/，方便grub引导。将/dev/sdb1 mount到rootfs，将bzImage，myinitrd4M.img拷贝到rootfs中，如下：

 6、增加grub功能

准备相关目录，并拷贝一下必要的文件

 在rootfs/boot/grub中编辑menu.lst文件，具有如下内容：

7、利用grub启动软盘，在硬盘映像上添加grub启动功能

虚拟机配置如下：

 进入grub界面后运行如下命令：

 然后从硬盘启动：

可以看到能够从硬盘启动linux系统了，下面在文件系统中添加etc目录及相关文件，进入busybox中，在examples目录下bootfloppy中拷贝一个etc目录到rootfs中，并如本文最开始那样修改inittab文件：

因为前面在配置grub启动的时候mount的文件系统是myinitrd4M.img，所有还需要将etc目录拷贝到myinitrd4M.img中：

   可以看到正常启动了，但这个时候使用的是简单的虚拟ramdisk文件系统。

四、grub直接从硬盘引导，不通过ramdisk

从上面制作grub启动盘的过程跟redhat9发行版的启动过程相同，grub在引导的时候是先mount到一个虚拟的文件系统上，即上面制作的myinitrd4M.img简单文件系统，然后再执行这个简单文件系统中的linuxrc文件，linuxrc文件最后mount到真正的硬盘上的文件系统上并释放之前mount的虚拟文件系统。

下面配置grub，在启动的时候不用去mount虚拟ramdisk文件系统，而是直接mount硬盘上的文件系统。

1、参照上面第二步中在/dev/sdb1中安装busybox，并拷贝相关的文件和创建相关的目录

 2、修改etc/inittab文件如下所示

 可以看到已经将原来的::respawn:-/bin/sh修改为ttyS0::respawn:-/bin/sh，如果不这样修改在启动的时候会出现下面界面中的错误：-/bin/sh:can't access tty; job control turned off

 3、修改menu.lst文件如下

 noinitrd表示启动的时候不用先mount ramdisk，根文件直接指定为/dev/sda1。

4、在/dev/sdb1上安装grub

 

 好了，下面是直接从硬盘通过grub引导内核，并且直接mount硬盘上的文件系统

 五、linux grub引导过程详解

        机器加电启动后,BIOS开始检测系统参数,如内存的大小,日期和时间,磁盘设备以及这些磁盘设备用来引导的顺序,通常情况下，BIOS都是被配置成首先检查软驱或者光驱（或两者都检查），然后再尝试从硬盘引导。如果在这些可移动的设备中，没有找到可引导的介质，那么BIOS通常是转向第一块硬盘最初的几个扇区，寻找用于装载操作系统的指令。装载操作系统的这个程序就是boot loader.Linux里面的boot loader通常是lilo或者grub,从Red Hat Linux 7.2起，GRUB(GRand Unified Bootloader)取代LILO成为了默认的启动装载程序。那么启动的时候grub是如何被载入的呢？

        grub有几个重要的文件,stage1,stage2,有的时候需要stage1.5.这些文件一般都在/boot/grub文件夹下面.grub被载入通常包括以下几个步骤:

    1. 装载基本的引导装载程序(stage1),stage1很小,是512字节.stage1通常位于主引导扇区里面,对于硬盘就是MBR,stage1的主要功能就是装载第二引导程序(stage2).这主要是归结于在主引导扇区中没有足够的空间用于其他东西了,我用的是grub 0.93,stage2文件的大小是 107520字节.

 2. 装载第二引导装载程序(stage2),这第二引导装载程序实际上是引出更高级的功能, 以允许用户装载入一个特定的操作系统。在GRUB中，这步是让用户显示一个菜单或是输入命令。由于stage2很大,所以它一般位于文件系统之中(通常是boot所在的根分区).

        上面还提到了stage1.5这个文件,它的作用是什么呢 你到/boot/grub目录下看看, fat_stage_1.5 ，e2fs_stage_1.5， xfs_stage_1.5等等,很容易猜想stage1.5和文件系统有关系.有时候基本引导装载程序(stage1)不能识别stage2所在的文件系统分区,那么这时候就需要stage1.5来连接stage1和stage2了.因此对于不同的文件系统就会有不同的stage1.5.但是对于grub 0.93好像stage1.5并不是很重要,因为我试过了,在没有stage1.5的情况下, 我把stage1安装在软盘的引导扇区内,然后把stage2放在格式化成ext2或者fat格式的软盘内,启动的时候照常引导,并不需要e2fs_stage_1.5或者fat_stage_1.5.下面是我的试验:

     #mkfs.ext2 /dev/fd0

     #mount -t ext2 /dev/fd0 /mnt/floppy

     #cd /mnt/floppy

     #mkdir boot

     #cd boot

     #mkdir grub (以上三步可用mkdir -p boot/grub命令完成)

     #cd grub

     #cp /boot/grub/{stage1,stage2,grub.conf} ./

     #cd; umount /mnt/floppy

     以上几步把软盘格式化成ext2格式,然后把stage1,stage2,grub.conf这几个启动的时候必须的文件拷贝到软盘的指定目录下.下面安装grub到软盘上.

     #grub (进入grub环境)

     grub> install (fd0)/boot/grub/stage1 (fd0) (fd0)/boot/grub/stage2

    p (fd0)/boot/grub/grub.conf

     以上这条命令也可以用下面的两句代替

     grub>root (fd0) #grub的根目录所在的分区

     grub>setup (fd0) #这一步就相当于上面的install命令

     我在这里解释一下

     install (fd0)/boot/grub/stage1 (fd0) (fd0)/boot/grub/stage2 p  (fd0)/boot/grub/grub.conf 这条命令.

    install 告诉GRUB将(fd0)/boot/grub/grub/stage1安装到软驱的引导扇区(fd0). (fd0)/boot/grub/stage2告诉grub stage2这个文件所在的位置.p 参数后面跟着(fd0)/boot/grub/grub.conf 告诉grub的配置文件所在的位置. 好了,让BIOS从软驱启动,试一下,没有e2fs_stage_1.5文件照样能够进入系统. 其实这就是一个小小的启动盘啊.(了解了grub的运行原理,就简单多了)

  3. 现在我们已经到grub的开机选单这一步了,接下来grub所需要做的就是装载在一个特定分区上的操作系统，如linux内核。一旦GRUB从它的命令行或者配置文件中，接到开始操作系统的正确指令，它就寻找必要的引导文件，然后把机器的控制权移交给操作系统. 由于篇幅有限,避免冗长,grub的命令我就不多说了,网上很有多的资料,一个典型完整的引导linux的命令如下:

     title 51base

     root(hd0,0)

     kernel /bzImage ro root=/dev/ram0

     initrd /initrd.img

     这里有必要注意以下几个问题:

     (1)grub的磁盘以及分区的命名方式和linux有所区别,第一个磁盘是从0开始,第一个分区也是从0开始.譬如第一个硬盘的第5分区在linux下面是/dev/hda5 ,而在grub里面是(hd0,4).再如/dev/fd0在grub里面是(fd0,0).

     (2)不管是IDE硬盘hda,hdb还是SCSI硬盘sda,sdb在grub里面都是以hd方式命名. 譬如虚拟机里面的/dev/sda2在grub里面是(hd0,1),再如/dev/hdb7在grub里面以(hd1,6)命名.

     (3)要搞清楚上面两个root的关系,root (hd0,0)中的root是grub命令,它用来指定boot所在的分区作为grub的根目录.而root=/dev/ram0是kernel的参数,它告诉操作系统内核加载完毕之后,真实的文件系统所在的设备.要注意grub的根目录和文件系统的根目录的区别.再回到上面的几行命令.kernel命令用来指定内核所在的位置,"/"代表(hd0,0),也就是grub的根目录。    initrd命令用来指定初始化ram的img文件所在位置.  grub载入内核bzImage并展开到指定位置(应该是0x100000这个地方),同时载入initrd.img到内存(不知道是什么地方).

    ps: grub的任务至此就结束了,下面grub将机器的控制权转交给操作系统(linux). 操作系统接到控制权之后,开始start_kernel,接着内核将initrd.img展开到/dev/ram0为临时根文件系统,执行里面的linuxrc文件.

     P.这里有必要说一下initrd的作用特别是它里面的核心文件linuxrc的作用.initrd是inital ram disk的宿写. 当存在initrd的时候,机器启动的过程大概是以下几个步骤(当initrd这一行用noinitrd 命令代替后,就不存在initrd了)

     1)boot loader(grub)加载内核和initrd.img

     2)内核将压缩的initrd.img解压成正常的ram disk并且释放initrd所占的内存空间

     3)initrd作为根目录以读写方式被挂载

     4)initrd里面的文件linuxrc被执行

     5)linuxrc挂载新的文件系统

     6)linuxrc使用pivot_root系统调用指定新的根目录并将现有的根目录place到指定位置.

     7)在新的文件系统下正式init

     8)initrd被卸载.

      为了便于理解,我将red hat linnux9 里面的initrd-2.4.20-8.img拿出来分析一下.这其实是一个压缩了的文件,是以gz结尾的.

    [[email protected] root]#cp /boot/initrd-2.4.20-8.img /mnt/initrd-2.4.20-8.gz

    [[email protected] root]#gunzip /mnt/initrd-2.4.20-8.gz

    [[email protected] root]#mount -o loop /mnt/initrd-2.4.20-8 /mnt/ram

    [[email protected] root]#cd /mnt/ram

    [[email protected] ram]#ls

    bin dev etc lib linuxrc loopfs proc sbin sysroot

    [[email protected] ram]#ls bin

    insmod modprobe nash

    [[email protected] ram]#ls lib

    Buslogic.o ext3.o jbd.o scsi_mod.o sd_mod.o

    [[email protected] ram]ls dev

    console null ram systty tty1 tty2 tty3 tty4

    sbin目录是指向bin目录的一个连接,其他目录是空的.

    [[email protected] ram]cat linuxrc

    #!/bin/nash

    1.echo "Loading scsi_mod.o module"

    2.insmod /lib/scsi_mod.o

    3.echo "Loading sd_mod.o module"

    4.insmod /lib/sd_mod.o

    5.echo "Loading BusLogic.o module"

    6.insmod /lib/BusLogic.o

    7.echo "Loading jbd.o module"

    8.insmod /lib/jbd.o

    9.echo "Loading ext3.o module"

    10.insmod /lib/ext3.o

    11.echo Mounting /proc filesystem

    12.mount -t proc /proc /proc

    13.echo Creating block devices

    14.mkdevices /dev

    15.echo Creating root device

    16.mkrootdev /dev/root

    17.echo 0x0100 > /proc/sys/kernel/real-root-dev

    18.echo Mounting root filesystem

    19.mount -o defaults --ro -t ext3 /dev/root /sysroot

    20.pivot_root /sysroot /sysroot/initrd

    21.umount /initrd/proc

    上面的编号是我为了下面好说明加上去的.

    首先我们必须注意的是这里使用的shell是nash而不是bash,nash是专门为linuxrc可执行脚本设计的,因此你有必要看一看nash的man文档.1-10行是加载一些必要的模快.11-12行加载proc内核文件系统,13-14行利用nash内建的命令mkdevices创建块设备,mkdevices是根据/proc/partitions文件创建里面列出的所有块设备.15-16行利用nash内建的命令mkrootdev,mkrootdev使它后面的参数/dev/root成为一个块节点，从而使得根分区设备被挂载,其中根分区设备由grub.conf里面的kernel命令后面所带的参数root=决定,如果root=参数没有被指定,/proc/sys/kernel/real-root-dev文件将提供根分区设备号.17行将数字256写入到后面的文件里面去.18-19行挂载根文件系统到/sysroot目录下,/dev/root里面的内容就是root=参数所指定的设备里面的内容。20行调用pivot_root改变根目录所在地并place旧的根目录到指定的位置.21行卸载旧的根目录里面的proc内核文件系统.

    从这里面我们总结一下linuxrc的作用: (参考/usr/src/linux-2.4/Documenta    tion/initrd.txt文档)

     2)/linuxrc文件决定在挂载真正的文件系统之前所需完成的事情(譬如加载必要的网络驱动或者加载ext3文件系统).

     3)/linuxrc加载必要的模块.

     4)/linuxrc挂载根文件系统

     5)/linuxrc调用pivot_root来改变根目录

     关于initrd的用途可以查考上面提到的文档,想知道linux系统是如何安装的吗 那里面有答案.

     既然linuxrc的主要目的是加载模快用的,那如果我们的内核没有动态的模块而所需的功能都是静态编译进内核的,那么是不是可以不用linuxrc文件呢？答案是可以不用,在普通的linux操作系统里面可以加入noinitrd选项以告知boot  loader 不使用initrd.如果我们做网关,因为ram是我们的文件系统的载体,所以initrd一行当然不能去掉,但是我们可以不用linuxrc文件,sysroot文件夹和initrd文件夹. 不信的话,试试看吧. 好了,initrd(linuxrc)已经介绍完了.   linuxrc执行完毕之后,系统就会以真正的根目录正式init.   系统在/bin/或者/sbin目录下找到init程式,然后根据它的配置文件/etc/fstab进行初始化,最后调用mingetty程式启动login完成引导.

     ps:init这一部分网上有很多的详细资料所以我在这里并没有展开来说.