从零写OS内核 | 电脑开机后,BIOS/UEFI/GRUB 是怎么把控制权交给 OS 的

CPU 上电瞬间：
CS = 0xFFFF
IP = 0x0000
────────────────
物理地址 = 0xFFFF0（ROM BIOS 入口点）

POST 检查顺序：
① CPU 测试（寄存器、标志位）
② 内存检测（通过 SPD 读取 DIMM 大小）
③ 显卡初始化（显示 BIOS 启动画面）
④ 键盘/鼠标/USB 初始化
⑤ CMOS 配置读取（启动顺序、频率设置）

启动顺序（典型 CMOS 配置）：
1. NVMe SSD（UEFI 模式）
2. SATA HDD（UEFI 模式）
3. USB Drive（UEFI 或 Legacy）
4. 光驱（Legacy only）
5. 网络（PXE，Legacy）

# 用 hexdump 看 MBR 的结尾标志
hexdump -C /dev/sda -n 512 | tail -2
# 输出：000001fe  00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00  aa 55
#                                                      ^^^^
#                                                      可启动标志 0x55AA

0x00000 ────────────────── 0x9FFFF：常规内存（640KB）
0xA0000 ────────────────── 0xBFFFF：VGA显存（128KB）
0xC0000 ────────────────── 0xFFFFF：硬件映射区
  0xC0000 - 0xC3FFF：VGA BIOS ROM（显卡固件）
  0xE0000 - 0xEFFFF：系统 BIOS 扩展（部分机器）
  0xF0000 - 0xFFFFF：系统 BIOS ROM（512KB，包含启动代码）
0xFFFF0：BIOS 入口点（CPU 上电跳到这里）
0x7C00：MBR 被加载的地址（GRUB 第一阶段代码从这里开始）

┌────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ Protective MBR（兼容旧BIOS，指向GPT头）                      │
├────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ GPT Header（位置在 LBA 1，包含分区表位置、分区数量等）          │
├────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ 分区表（通常在 LBA 2-33，每个分区有唯一 GUID）                 │
├────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ 分区 1：EFI System Partition（ESP，FAT32，≥100MB）           │
│ 分区 2：Linux 分区                                           │
│ 分区 N：...                                                  │
└────────────────────────────────────────────────────────────┘

① 上电 → UEFI 固件初始化（比 BIOS 快，因为它有 C 语言级别的驱动栈）
② 读取 NVRAM 里的 BootOrder（启动顺序列表）
③ 按顺序尝试加载 \EFI\Boot\BootX64.efi（默认）或 NVRAM 里注册的条目
④ 验证签名（Secure Boot）或直接执行（非 Secure Boot）
⑤ 找到 .efi 文件后，跳到它的入口点——控制权交给 Bootloader

# 查看当前机器的 Secure Boot 状态（Linux）
cat /sys/firmware/efi/efivars/SecureBoot-* 2>/dev/null
# 输出：5 0 0 0 表示 Secure Boot 已启用（数据第三个字节为 1）
mokutil --sb-state  # 更友好的查看方式

Legacy BIOS 模式：
  MBR(512B) → Bootloader Stage 1 → Stage 2（GRUB） → Kernel

UEFI 模式（无 Secure Boot）：
  EFI System Partition → *.efi 文件 → Kernel（或 GRUB）

UEFI 模式（Secure Boot）：
  EFI System Partition → *.efi（签名验证） → Kernel（或 GRUB）

GRUB 加载链：
MBR(Stage 1, 446B) → 读文件系统 → Stage 1.5（理解分区格式）
                                       ↓
                                 Stage 2（grub.cfg、菜单）
                                       ↓
                              加载 Linux kernel + initramfs

; multiboot.S（见 demos/multiboot）
.section .multiboot
.align 4

.long 0x1BADB002          /* magic = GRUB 认识这个值 */
.long 0x00010003          /* flags = 需要内存信息和图形模式 */
.long -(0x1BADB002 + 0x00010003)  /* checksum = 必须为零 */

# /boot/grub/grub.cfg（简化）
menuentry 'Arch Linux' {
    load_video
    set root='hd0,gpt2'                    # 第二分区（Linux root）
    linux /boot/vmlinuz-linux root=/dev/sda2  # 加载内核镜像
    initrd /boot/initramfs-linux.img        # 加载临时文件系统
}

GRUB 加载 Linux 流程：
① 读取 vmlinuz（gzip 压缩的 ELF）
② 解压到 0x100000（1MB 处，这是 Linux 的惯例入口）
③ 读取 initramfs（cpio 格式的临时根文件系统）
④ 跳转到 0x100000，开始执行 Linux 的入口点

vmlinuz 结构（压缩内核）：
[compressed kernel image（gzip）] + [setup code + boot protocol header]

GRUB 跳到这里 → header.S 的 _start：
  ① 确认启动标志（0x01B0 处的 word）
  ② 设置 edx = boot_params 指针（内存布局信息）
  ③ 解压（如果需要）
  ④ 跳到 0x100000 + 偏移（真正的内核入口）

; wandos/boot/boot.asm（参考结构）
bits 16

section .text
global _start

_start:
    ; CPU 上电后第一条指令在这里（GRUB 加载点）
    cli                         ; 关闭中断（保护模式切换前）
    xor ax, ax
    mov ds, ax
    mov es, ax
    mov ss, ax
    mov sp, 0x7C00             ; 设置栈（向下生长）

    ; 开启 A20 地址线（访问 1MB 以上内存）
    in al, 0x92
    or al, 2
    out 0x92, al

    ; 进入保护模式（GDT 已在 GRUB 或 wandos 设置）
    lgdt [gdt_descriptor]
    mov eax, cr0
    or eax, 1                   ; CR0.PE = 1（保护模式开启）
    mov cr0, eax

    ; 远跳转到 32 位代码段
    jmp 0x08:protected_mode

bits 32
protected_mode:
    ; 现在是平坦模型（4GB 线性地址空间）
    mov ax, 0x10                ; 数据段选择子
    mov ds, ax
    mov es, ax
    mov fs, ax
    mov gs, ax
    mov ss, ax

    ; 跳到 C 入口点 kernel_main()
    extern kernel_main
    call kernel_main

    ; 停机
    jmp $

# 查看当前系统的 GRUB 配置
cat /boot/grub/grub.cfg | grep -A5 'menuentry'

# 或者更友好的方式（不编辑文件）
grep "^menuentry" /boot/grub/grub.cfg

# 当前内核的启动参数（GRUB 传给内核的）
cat /proc/cmdline
# 输出示例：
# BOOT_IMAGE=/boot/vmlinuz-linux root=/dev/sda2 mitigations=auto

# 读取当前磁盘的 MBR（仅前 512 字节）
dd if=/dev/sda bs=1 count=512 2>/dev/null | hexdump -C | tail -5

# 分区表（MBR 里 64 字节分区表，从 0x1BE 开始）
# 每条分区记录 16 字节，最多 4 条（主分区）
dd if=/dev/sda bs=1 count=512 2>/dev/null | hexdump -C | sed -n '1p;2p'

# 用 efibootmgr 查看 UEFI NVRAM 里的启动条目
sudo efibootmgr -v

# 输出示例：
# BootOrder: 0001, 0000
# Boot0001* Arch Linux   HD(1,GPT,...)/File(\EFI\arch\grub.efi)
# Boot0000* Windows Boot Manager   HD(2,GPT,...)/File(\EFI\Microsoft\Boot\bootmgfw.efi)

# 重启，在 GRUB 菜单按 'c' 进入命令行模式
grub> ls                        # 列出所有设备
grub> ls (hd0,gpt1)/            # 查看第一个 GPT 分区内容
grub> linux (hd0,gpt2)/boot/vmlinuz-linux root=/dev/sda2  # 手动加载内核
grub> boot                      # 手动启动

; multiboot.S — 最小 Multiboot 内核
.section .multiboot
.align 4
.long 0x1BADB002
.long 0x00010003
.long -(0x1BADB002 + 0x00010003)

.text
.global _start
.type _start, @function

_start:
    # GRUB 已经把 eax=0x2BADB002, ebx=boot_info 指针设置好
    movw $0x10, %ax
    movw %ax, %ds
    movw %ax, %es
    movw %ax, %fs
    movw %ax, %gs
    movw %ax, %ss
    movl $0x90000, %ebp
    movl %ebp, %esp
    cli
    call kernel_main
    jmp .

// main.c — 内核主函数
void kernel_main(unsigned long magic, void *boot_info) {
    if (magic != 0x2BADB002) while(1);
    // GRUB 成功加载了我们
}

as --32 multiboot.S -o multiboot.o
gcc -m32 -fno-pie -c main.c -o main.o
ld -m elf_i386 -Ttext 0x100000 -o kernel.elf multiboot.o main.o
grub-mkrescue -o kernel.iso kernel.elf
qemu-system-i386 -cdrom kernel.iso

# 从 Live USB 启动后
mount /dev/sda2 /mnt
grub-install --boot-directory=/mnt/boot /dev/sda

CPU 上电 → BIOS/UEFI 固件 → MBR/ESP → GRUB Stage 1/2
→ Multiboot Header 验证 → GRUB 加载内核到 0x100000
→ 内核入口点（startup_32/startup_64）→ kernel_main()