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Placeholder. ; Typically, MBR does not have a BPB. start: ; Initialize segment registers mov ax, 0x07C0 ; Set data segments to where MBR is loaded mov ds, ax mov es, ax mov ss, ax mov sp, 0x7C00 ; Stack pointer just below MBR ; Display a message (optional, for debugging) mov si, msg_booting call print_string ; Locate the active partition ; Iterate through the partition table (at 0x7C00 0x1BE) ; Find a partition with the bootable flag (0x80) ; This is highly simplified. A real MBR would parse the partition table. ; For simplicity, lets assume the first partition is bootable. ; Real MBR code would read partition table entries: ; mov al, byte [0x7C00 0x1BE 0] ; Boot flag of partition 1 ; Assume partition 1 is active and its VBR starts at LBA 1 ; (This is a common setup, but not guaranteed) mov dl, 0x80 ; Drive number (0x80 for first hard disk) mov al, 1 ; Number of sectors to read (VBR is one sector) mov bx, 0x7E00 ; Load VBR to 0x7E00 (just after MBR) mov ch, 0 ; Cylinder 0 mov dh, 0 ; Head 0 mov cl, 2 ; Sector 2 (LBA 1, as LBA 0 is MBR) - assuming CHS addressing ; A more robust MBR would calculate CHS from LBA or use LBA addressing if supported (INT 13h, AH42h) ; Use BIOS INT 13h, AH02h (Read Sectors) mov ah, 0x02 ; BIOS Read Sector function int 0x13 ; Call BIOS disk service jc disk_error ; If carry flag is set, an error occurred ; Jump to the loaded VBR jmp 0x7E00:0x0000 ; Far jump to the VBR disk_error: mov si, msg_error call print_string hlt ; Halt the CPU print_string: lodsb ; Load byte from SI into AL or al, al ; Check if AL is null jz .done ; If null, end of string mov ah, 0x0E ; BIOS Teletype output mov bh, 0 ; Page number int 0x10 ; Call BIOS video service jmp print_string ; Loop for next character .done: ret msg_booting db Booting from MBR..., 0x0D, 0x0A, 0 msg_error db Disk Read Error!, 0x0D, 0x0A, 0 ; Partition Table and MBR Signature (placeholder) times 510 - ($ - $$) db 0 ; Fill remaining bytes with zeros dw 0xAA55 ; MBR Signature2.3 Volume Boot Record (VBR) / 启动扇区MBR的引导代码会查找分区表中的活动分区通常只有一个。一旦找到它会读取该分区的第一个扇区也就是卷引导记录 (VBR)或启动扇区。VBR通常也只有512字节由文件系统如FAT32、NTFS、ext4等在格式化分区时写入。VBR的内容包括跳转指令:通常是JMP指令跳转到VBR内的实际引导代码。BIOS参数块 (BPB):包含文件系统的重要元数据如每扇区字节数、每簇扇区数、文件系统类型等。引导代码:负责加载该分区上的操作系统引导加载器例如GRUB Stage 1.5/2。VBR签名:2字节0x55AA。MBR将VBR加载到内存的另一个位置例如0x7E00然后将控制权交给VBR。VBR的代码将利用BPB中的信息识别文件系统并从该文件系统加载下一阶段的引导加载器。VBR引导代码的逻辑 (伪代码):// VBR code (loaded at 0x7E00 by MBR) func VBR_Entry(): // 1. Initialize segment registers (similar to MBR) // 2. Read BIOS Parameter Block (BPB) // Get sector size, cluster size, FAT table location, root directory location etc. // 3. Locate the actual OS bootloader (e.g., GRUB Stage 2) files on the partition. // This involves understanding the file system (FAT, NTFS, ext2/3/4). // For example, in FAT, find the root directory, then find the bootloader file. // 4. Load the next stage bootloader into memory (e.g., at 0x100000 or higher) // Use BIOS INT 13h to read multiple sectors. // 5. Pass control to the next stage bootloader. // jump to the entry point of the loaded bootloader2.4 引导加载器链 (Bootloader Chain)由于512字节的限制MBR和VBR的代码非常精简它们的主要任务是“引路”。真正的复杂任务如识别文件系统、解析内核文件、切换CPU模式等由更高级的引导加载器完成。典型的Legacy BIOS引导链BIOS:加载MBR。MBR:加载活动分区的VBR。VBR:加载第一阶段引导加载器 (Stage 1 Bootloader)这通常是GRUB的boot.img它本身很小可能只知道如何加载GRUB的core.img。GRUBcore.img(Stage 1.5/2):这是一个更复杂的引导加载器通常驻留在MBR和第一个分区之间的“空隙”或文件系统的特定位置。它的任务是初始化一些必要的硬件设置GDT将CPU从实模式切换到保护模式。一旦进入保护模式它就能访问更多的内存并加载更复杂的模块如文件系统驱动ext2/3/4、FAT、NTFS等。解析GRUB配置文件 (grub.cfg)显示引导菜单。加载操作系统内核 (e.g.,vmlinuzfor Linux) 和initramfs(或initrd) 到内存中的指定位置。设置内核启动参数。最终跳转到内核的入口点。2.5 切换到保护模式这是引导加载器例如GRUB Stage 2中的关键一步。操作系统内核需要保护模式来运行。主要步骤开启A20地址线:历史遗留问题允许访问1MB以上的内存。构建全局描述符表 (GDT):GDT定义了保护模式下各种内存段代码段、数据段、堆栈段的基址、限长和访问权限。至少需要一个可读可执行的代码段和一个可读可写的通用数据段。加载GDT寄存器 (GDTR):使用LGDT指令将GDT的基址和限长加载到GDTR。设置CR0寄存器:将CR0寄存器的最低位PE位Protection Enable置1即可进入保护模式。长跳转:执行一个远跳转JMP GDT_CODE_SEGMENT_SELECTOR:OFFSET刷新CPU的段选择子使CPU真正进入保护模式并开始执行32位代码。保护模式切换代码示例 (NASM 汇编概念性):; GDT definition (conceptually) gdt_start: ; Null descriptor dd 0, 0 ; Code segment descriptor (Flat model, 4GB, R/W/X) dd 0x0000FFFF ; Limit 0-FFFF (actual 4GB with G bit) dd 0x00CF9A00 ; Base 0, Type RWX, DPL 0, P, AVL, L0, D/B1, G1 ; Data segment descriptor (Flat model, 4GB, R/W) dd 0x0000FFFF ; Limit 0-FFFF dd 0x00CF9200 ; Base 0, Type RW, DPL 0, P, AVL, L0, D/B1, G1 gdt_end: gdt_ptr: dw gdt_end - gdt_start - 1 ; GDT Limit dd gdt_start ; GDT Base Address ; ... (preceding code to load GDT into memory) ... enter_protected_mode: ; 1. Enable A20 Line (various methods, e.g., using keyboard controller) ; (Simplified here, a real bootloader has a specific sequence) ; out 0x64, al ; Send command ; in al, 0x60 ; Read response etc. ; 2. Load GDT lgdt [gdt_ptr] ; 3. Set PE bit in CR0 mov eax, cr0 or eax, 0x1 ; Set Protection Enable bit mov cr0, eax ; 4. Far jump to flush instruction pipeline and load new segment selectors ; CODE_SEG_SELECTOR is the index of our code segment in the GDT. ; Here, assuming CODE_SEG_SELECTOR is 0x08 (index 1, as 0x00 is null descriptor) jmp CODE_SEG_SELECTOR:protected_mode_entry protected_mode_entry: ; Now in 32-bit protected mode! ; Initialize segment registers for protected mode mov ax, DATA_SEG_SELECTOR ; DATA_SEG_SELECTOR is 0x10 (index 2) mov ds, ax mov es, ax mov fs, ax mov gs, ax mov ss, ax mov esp, 0x90000 ; Set up a stack in protected mode ; Now the 32-bit OS kernel can be loaded and executed.2.6 加载内核与跳转在保护模式下引导加载器如GRUB已经可以访问整个内存空间并能理解复杂的文件系统。它会解析内核文件:读取磁盘上的内核镜像文件例如Linux的vmlinuz。内核文件通常是ELFExecutable and Linkable Format格式引导加载器需要解析其头部找到内核代码、数据段的加载地址和入口点。加载initramfs:如果操作系统需要加载initramfs一个包含基本文件系统和驱动的RAM磁盘镜像它将在内核启动早期提供一个临时的根文件系统。内存布局:将内核和initramfs加载到预定的内存地址。例如Linux内核通常期望在0x1000001MB处开始。准备启动参数:将各种系统信息如内存映射、命令行参数、硬盘信息等以特定结构传递给内核。这通常通过在内存中的特定位置放置一个boot_params结构来完成。跳转到内核入口点:最后引导加载器执行一个JMP指令跳转到已加载内核的入口点。此时CPU完全由操作系统内核接管。三、 统一可扩展固件接口 (UEFI) 引导过程现代化与模块化UEFIUnified Extensible Firmware Interface是BIOS的现代替代品旨在解决BIOS的诸多限制如1MB内存限制、16位模式、CHS寻址、MBR分区表2TB限制等提供更灵活、更安全的引导体验。3.1 UEFI固件初始化UEFI的启动过程比BIOS更复杂和模块化。它通常分为几个阶段SEC (Security) Phase:固件启动的第一个阶段负责验证固件的完整性并初始化CPU和缓存。PEI (Pre-EFI Initialization) Phase:负责更底层的硬件初始化如发现和初始化RAM、CPU寄存器、芯片组等并提供PEI服务。DXE (Driver Execution Environment) Phase:这是UEFI最核心的阶段负责加载和执行各种EFI驱动初始化PCI、USB、SATA等设备并提供大部分运行时服务如文件系统访问、网络协议栈等。DXE阶段完成后系统进入Boot Services环境。BDS (Boot Device Selection) Phase:在DXE之后UEFI固件的Boot Manager开始工作。它会根据NVRAM非易失性RAM中存储的引导顺序查找可用的引导选项。3.2 GUID 分区表 (GPT) 与 EFI 系统分区 (ESP)UEFI通常搭配GUID 分区表 (GPT)使用而非MBR。GPT的优势分区数量无限制:理论上可达128个分区由分区表大小决定。支持大容量磁盘:支持2TB以上的磁盘最大可达9.4ZB。冗余备份:GPT头部和分区表在磁盘的开头和结尾都有备份提高了数据安全性。全局唯一标识符 (GUID):每个分区和每个分区类型都有一个唯一的GUID避免冲突。GPT结构概览:扇区内容0保护性MBR (Protective MBR)1GPT头部 (Primary GPT Header)2 ~ 33分区入口数组 (Partition Entry Array)34 ~ LBA Max-34用户数据分区LBA Max-33 ~ LBA Max-2分区入口数组备份LBA Max-1GPT头部备份EFI 系统分区 (ESP):UEFI引导的关键是EFI 系统分区 (ESP)。这是一个专门的分区通常格式化为FAT32文件系统。作用:存储UEFI引导加载器 (.efi文件)、操作系统内核如果内核本身是EFI应用程序、驱动程序、公用程序以及引导管理器配置。位置:通常是GPT磁盘上的第一个分区大小通常在100MB到500MB之间。内容:例如一个Linux系统在ESP中可能包含/EFI/Boot/bootx64.efi(默认的UEFI引导程序)/EFI/Linux/grubx64.efi(GRUB UEFI版本)/EFI/Linux/shimx64.efi(用于安全引导)/EFI/Linux/vmlinuz.efi(某些发行版直接将内核作为EFI应用)3.3 UEFI 引导管理器与EFI Boot ApplicationUEFI固件中的Boot Manager负责查找和启动EFI引导应用程序。引导条目 (Boot Entries):UEFI引导管理器维护一个存储在NVRAM中的引导条目列表每个条目指向ESP上的一个.efi文件。用户可以在UEFI设置界面中管理这些条目。启动流程:Boot Manager读取NVRAM中的引导顺序。根据顺序找到对应的EFI引导应用程序例如grubx64.efi或Windows Boot Manager.efi。加载该.efi文件到内存中。将控制权传递给该.efi应用程序。EFI Boot Application (PE格式):EFI引导应用程序本身是遵循PE (Portable Executable) 格式的可执行文件与Windows的可执行文件格式类似。它们通常用C语言编写并使用UEFI提供的API来执行各种操作。EFI应用程序的逻辑 (C语言伪代码):#include efi.h #include efilib.h // Global variables for UEFI System Table and Boot Services EFI_SYSTEM_TABLE *gST; EFI_BOOT_SERVICES *gBS; // Entry point for the EFI application EFI_STATUS efi_main (EFI_HANDLE ImageHandle, EFI_SYSTEM_TABLE *SystemTable) { gST SystemTable; gBS gST-BootServices; // Print a simple message to the console gST-ConOut-OutputString(gST-ConOut, LHello from UEFI Bootloader!rn); // 1. Locate desired OS kernel (e.g., vmlinuz) on the ESP or other partitions. // This involves using UEFI services to access filesystems. // Example: // EFI_FILE_PROTOCOL *root_dir; // gBS-HandleProtocol(ImageHandle, gEfiSimpleFileSystemProtocolGuid, (void**)fs); // fs-OpenVolume(fs, root_dir); // EFI_FILE_PROTOCOL *kernel_file; // root_dir-Open(root_dir, kernel_file, L\EFI\Linux\vmlinuz, EFI_FILE_MODE_READ, 0); // 2. Read the kernel image into memory. // gBS-AllocatePages(...) to get memory // kernel_file-Read(...) to load kernel bytes // 3. Parse kernel header (e.g., ELF format) to find entry point and load addresses. // Determine where to place the kernel code, data, and sections. // 4. Set up memory map and other boot parameters for the kernel. // UEFI provides services to get memory map: gBS-GetMemoryMap(...) // Pass this information to the kernel. // 5. Exit Boot Services. This is a critical step. // After this, the UEFI firmware is no longer available to the OS. // The OS must take over all hardware control. // EFI_MEMORY_DESCRIPTOR *mem_map NULL; // UINTN map_size, map_key, desc_size; // UINT32 desc_version; // gBS-GetMemoryMap(map_size, mem_map, map_key, desc_size, desc_version); // // Reallocate memory for mem_map if needed, then call GetMemoryMap again // gBS-ExitBootServices(ImageHandle, map_key); // 6. Transition CPU to Long Mode (64-bit) if not already. // UEFI applications themselves run in 64-bit mode on x86-64 systems. // So, the transition from Protected Mode to Long Mode might have already happened // by the UEFI firmware or a shim. // If the kernel expects a specific paging setup, the bootloader must establish it. // (Details below) // 7. Jump to the kernels entry point. // ((void (*)(void))kernel_entry_address)(boot_parameters); // If for some reason the kernel fails to boot, return control to UEFI. return EFI_SUCCESS; }3.4 切换到长模式 (Long Mode)在x86-64系统上UEFI固件本身通常已经在64位长模式下运行。这意味着EFI引导应用程序也运行在64位模式下。因此UEFI引导加载器不需要像Legacy BIOS引导加载器那样从实模式逐步切换。然而内核仍然需要一个符合其期望的内存分页和GDT设置。UEFI引导加载器或一个小的shim程序可能需要调整这些设置以满足内核的特定需求。长模式切换的关键步骤 (如果需要通常由UEFI或shim完成):GDT设置:虽然长模式主要依赖分页但GDT仍然用于特权级别控制。通常会设置一个扁平flatGDT所有段基址为0限长最大。启用PAE (Physical Address Extension):在CR4寄存器中设置PAE位。设置页表 (Page Tables):这是长模式寻址的核心。构建Page Map Level 4 (PML4) 表。构建Page Directory Pointer Table (PDPT) 表。构建Page Directory Table (PDT) 表。构建Page Table (PT) 表。这些表将线性地址映射到物理地址。加载CR3寄存器:将PML4表的物理地址加载到CR3寄存器。启用长模式:在IA32_EFER MSRModel Specific Register中设置LMELong Mode Enable位。在CR0寄存器中设置PGPaging Enable位。跳转:执行一个远跳转到64位代码刷新CPU缓存和流水线。3.5 加载内核与跳转与Legacy BIOS类似UEFI引导加载器在加载内核后也会将控制权传递给内核。不同之处在于传递的信息更丰富且通常通过EFI System Table和Configuration Tables来完成。内存映射:UEFI引导加载器会调用ExitBootServices()在此之前获取并向内核传递完整的内存映射告知内核哪些内存区域可用哪些被保留。引导参数:通过Configuration Tables或特定的数据结构传递给内核包括设备信息、文件系统句柄、ACPI表指针等。内核入口:最后UEFI引导加载器直接跳转到已加载内核的64位入口点将系统的完全控制权移交给内核。四、 UEFI与Legacy BIOS引导过程对比特性Legacy BIOSUEFI固件接口16位实模式中断调用 (INT 13h, INT 10h等)64位x86-64或32位IA-32保护模式API调用CPU模式启动时在16位实模式引导加载器切换到32位保护模式启动时通常已在32位或64位模式引导加载器无需从实模式切换分区表MBR (Master Boot Record)GPT (GUID Partition Table)磁盘容量最大2TB2TB以上理论上高达9.4ZB启动扇区MBR硬盘第一个扇区VBR分区第一个扇区EFI System Partition (ESP)上的.efi文件引导加载器16位汇编分多阶段加载如GRUB Legacy32/64位PE格式可执行文件如GRUB2 (EFI), rEFInd文件系统支持引导加载器需要自行实现文件系统驱动固件本身提供文件系统驱动如FAT32引导加载器可直接使用网络引导PXE (Preboot eXecution Environment)PXEHTTP Boot更灵活的网络协议栈安全特性无Secure Boot (安全启动)验证引导组件签名图形界面通常是文本模式固件本身可提供图形化启动菜单灵活性有限更高可加载驱动支持模块化五、 结语从计算机上电到操作系统内核完全掌控系统这是一个看似瞬间却经历了多级代码接力、CPU模式切换、内存寻址演进的复杂过程。Legacy BIOS以其简洁和历史沉淀构建了一个由MBR和VBR串联的引导链条最终通过多阶段引导加载器将CPU从16位实模式推向32位保护模式并加载内核。而UEFI作为现代化的替代品通过其模块化的架构、GPT分区表和EFI系统分区提供了一个更安全、更灵活、更强大的引导环境直接在更高位的CPU模式下加载和执行.efi应用程序最终将控制权无缝移交给64位操作系统内核。理解这些底层的机制不仅能帮助我们更好地调试和优化系统更能让我们对计算机科学的精妙设计心生敬畏。从最初的几百字节引导代码到千万行的操作系统内核每一步都凝聚着无数工程师的智慧与努力。