计算机启动知识系列 - BIOS/MBR（mbr bois设置）
cac55 2024-09-27 07:07 41 浏览 0 评论
BIOS是Basic Input/Output System的简称，中文基本输入输出系统。它早期由厂商烧录在ROM（只读存储器，一般只能以只读方式读取，在计算机断电后也不会丢失数据。在计算机整机装入前写入。）存储芯片上的软件程序。随着技术的发展，现代的一般放在闪存中，允许BIOS的动态升级。
BIOS为操作系统提供了最基础的原始服务，操作系统来引导的时候基本会使用BIOS所提供的服务，在操作系统完全初始化后，操作系统一般就不再使用BIOS所提供的服务了。它的历史在网上很多，可以找一些资料看看。在这里我们主要介绍BIOS的软件功能。
在早期的计算机中，计算机加电后执行BIOS所提供的程序，BIOS一般主要分为三个部分：
- 加电自检：用于检测计算器是否存在错误
- 初始化：用于创建中断向量，设置寄存器，对一些外部设备进行初始化和检测等
- 引导操作系统：用于引导操作系统，在早期有些操作系统将引导程序内嵌到操作系统，BIOS负责将MBR加载到内存执行操作系统的引导，现代一般都有一个单独的引导程序用于引导操作系统，比如GRUB
BIOS提供了丰富的软件服务用于和硬件交互，比如打印数据，读取硬盘数据等等，它提供的这些服务主要为所操作系统服务，它位操作系统隔离硬件提供的一个统一的接口。具体的服务可以参考维基百科（en.wikipedia.org/wiki/BIOS_interrupt_call）
BIOS早期通过CHS进行加载数据到内存，到现在通常都是通过LBA进行硬盘寻址。BIOS通过加载第一个扇区叫做MBR的分区表加载到内存中用于接下来的引导工作。在Linux中这个工作就交给了GRUB等引导程序。
BIOS和MBR
BIOS引导操作系统时，BIOS会将磁盘中的数据加载到内存中，那么它如何知道要加载什么数据呢？答案是在BIOS中加载启动设备的第一个扇区。
通常一个磁盘通常会将其分成几个部分，在计算机中这个过程叫做分区，有很多分区的规范，而BIOS使用了一个叫做 MBR分区表 的格式。MRB分区表存放在磁盘的第一个扇区，这个扇区一般的大小为512字节。在BIOS的系统中，这512字节非常重要，它决定我们的系统能否启动成功。
MBR
MBR全称Master boot record，是BIOS中引入的概念，它是磁盘的第一个扇区，这个扇区大小为512字节。这个扇区是承接操作系统和BIOS的关键桥梁。BIOS完成所有的初始工作后，将加载磁盘的第一个分区到 0x7c00 的内存位置后，就将CPU的控制交给了 0x7c00 位置的代码了。
MBR中保存了重要的信息，它主要包含了用于引导操作系统的引导代码和分区信息。我们首先来看看MBR的结构
这个图来自维基百科，我们重点关注第一张图，因为第二张图通常用于GPT。在第一张图中我们知道开始的446个字节通过为引导程序所使用的，在Linux中，就是GRUB引导程序使用。紧接着的64个字节表示分区信息，每个分区信息占16个字节，最后的两个字节是 0xAA55 结尾。 0xAA55 作为签名作为这个值结束的第一个扇区表示这是一个MBR分区表。MBR分区表有很多变种，可以参考维基百科的介绍。
每个分区有16个字节，这个4个分区是主分区，这也为为什么一个硬盘最多为什么能够分为4个主分区的原因，为了能够突破最多使用4个分区的限制，可以将主分区设置为扩展分区，在扩展分区进行分区划分为多个逻辑分区，需要注意的扩展分区无法直接使用，只能够将逻辑分区作为最终数据访问的分区使用。我们可以将扩展分区看做一个独立的硬盘，可以将这个扩展分区继续进行分区，分成多个逻辑分区。逻辑分区的分区表则在每一个扩展分区的第一个扇区中。分区项极其复杂，下面我们将根据一个例子来分析MBR分区。
首先我们需要获取硬盘的第一个扇区的数据
$ sudo dd if=/dev/nvme0n1 bs=512 count=1 skip=0 > lba.0
$ hexdump -C lba.0
00000000 eb 63 90 10 8e d0 bc 00 b0 b8 00 00 8e d8 8e c0 |.c..............|
00000010 fb be 00 7c bf 00 06 b9 00 02 f3 a4 ea 21 06 00 |...|.........!..|
00000020 00 be be 07 38 04 75 0b 83 c6 10 81 fe fe 07 75 |....8.u........u|
00000030 f3 eb 16 b4 02 b0 01 bb 00 7c b2 80 8a 74 01 8b |.........|...t..|
00000040 4c 02 cd 13 ea 00 7c 00 00 eb fe 00 00 00 00 00 |L.....|.........|
00000050 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 80 01 00 00 00 |................|
00000060 00 00 00 00 ff fa 90 90 f6 c2 80 74 05 f6 c2 70 |...........t...p|
00000070 74 02 b2 80 ea 79 7c 00 00 31 c0 8e d8 8e d0 bc |t....y|..1......|
00000080 00 20 fb a0 64 7c 3c ff 74 02 88 c2 52 bb 17 04 |. ..d|<.t...R...|
00000090 f6 07 03 74 06 be 88 7d e8 17 01 be 05 7c b4 41 |...t...}.....|.A|
000000a0 bb aa 55 cd 13 5a 52 72 3d 81 fb 55 aa 75 37 83 |..U..ZRr=..U.u7.|
000000b0 e1 01 74 32 31 c0 89 44 04 40 88 44 ff 89 44 02 |..t21..D.@.D..D.|
000000c0 c7 04 10 00 66 8b 1e 5c 7c 66 89 5c 08 66 8b 1e |....f..\|f.\.f..|
000000d0 60 7c 66 89 5c 0c c7 44 06 00 70 b4 42 cd 13 72 |`|f.\..D..p.B..r|
000000e0 05 bb 00 70 eb 76 b4 08 cd 13 73 0d 5a 84 d2 0f |...p.v....s.Z...|
000000f0 83 d0 00 be 93 7d e9 82 00 66 0f b6 c6 88 64 ff |.....}...f....d.|
00000100 40 66 89 44 04 0f b6 d1 c1 e2 02 88 e8 88 f4 40 |@f.D...........@|
00000110 89 44 08 0f b6 c2 c0 e8 02 66 89 04 66 a1 60 7c |.D.......f..f.`||
00000120 66 09 c0 75 4e 66 a1 5c 7c 66 31 d2 66 f7 34 88 |f..uNf.\|f1.f.4.|
00000130 d1 31 d2 66 f7 74 04 3b 44 08 7d 37 fe c1 88 c5 |.1.f.t.;D.}7....|
00000140 30 c0 c1 e8 02 08 c1 88 d0 5a 88 c6 bb 00 70 8e |0........Z....p.|
00000150 c3 31 db b8 01 02 cd 13 72 1e 8c c3 60 1e b9 00 |.1......r...`...|
00000160 01 8e db 31 f6 bf 00 80 8e c6 fc f3 a5 1f 61 ff |...1..........a.|
00000170 26 5a 7c be 8e 7d eb 03 be 9d 7d e8 34 00 be a2 |&Z|..}....}.4...|
00000180 7d e8 2e 00 cd 18 eb fe 47 52 55 42 20 00 47 65 |}.......GRUB .Ge|
00000190 6f 6d 00 48 61 72 64 20 44 69 73 6b 00 52 65 61 |om.Hard Disk.Rea|
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 fe 7e 7d 14 00 00 80 04 |...<.u...~}.....|
000001c0 01 04 0b fe c2 ff 00 08 00 00 00 00 10 00 00 fe |................|
000001d0 c2 ff 05 fe c2 ff fe 0f 10 00 02 e8 6f 25 00 00 |............o%..|
000001e0 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 |................|
000001f0 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 55 aa |..............U.|
00000200这里我们使用gpt工具解析MBR
$ pip install gpt安装好后，可以通过这个命令查看MBR详细的信息
$ cat lba.0 | print_mbr
<<< MBR >>>
BootCode: 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
UniqueMBRDiskSignature: 0xfe7e7d14
Unknown: 0x0000
PartitionRecord: 0x800401040bfec2ff000800000000100000fec2ff05fec2fffe0f100002e86f250000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
Signature: 0xAA55
<<< MBR Partition #0 >>>
#0.BootIndicator: 0x80
#0.Is Bootable? (syn): Yes
#0.StartingCHS: 4, 4, 1
#0.OSType: 0xB
#0.OSType (syn): ?
#0.EndingCHS: 255, 254, 194
#0.StartingLBA: 2048
#0.SizeInLBA: 1048576
<<< MBR Partition #1 >>>
#1.BootIndicator: 0x0
#1.Is Bootable? (syn): No
#1.StartingCHS: 255, 254, 194
#1.OSType: 0x5
#1.OSType (syn): ?
#1.EndingCHS: 255, 254, 194
#1.StartingLBA: 1052670
#1.SizeInLBA: 628090882
<<< MBR Partition #2 >>>
#2.BootIndicator: 0x0
#2.Is Bootable? (syn): No
#2.StartingCHS: 0, 0, 0
#2.OSType: 0x0
#2.OSType (syn): Empty
#2.EndingCHS: 0, 0, 0
#2.StartingLBA: 0
#2.SizeInLBA: 0
<<< MBR Partition #3 >>>
#3.BootIndicator: 0x0
#3.Is Bootable? (syn): No
#3.StartingCHS: 0, 0, 0
#3.OSType: 0x0
#3.OSType (syn): Empty
#3.EndingCHS: 0, 0, 0
#3.StartingLBA: 0
#3.SizeInLBA: 0这里重点关注分区表的信息，从分区表中我们知道使用了两个主分区信息。由于第一个分区设置了引导标志说明其是引导分区。同时我们使用fdisk查看一下分区信息
$ sudo fdisk -l /dev/sda
Disk /dev/sda: 300 GiB, 322122547200 bytes, 629145600 sectors
Disk model: VBOX HARDDISK
Units: sectors of 1 * 512 = 512 bytes
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes
Disklabel type: dos
Disk identifier: 0x147d7efe
Device Boot Start End Sectors Size Id Type
/dev/sda1 * 2048 1050623 1048576 512M b W95 FAT32
/dev/sda2 1052670 629143551 628090882 299.5G 5 Extended
/dev/sda5 1052672 629143551 628090880 299.5G 83 Linux但在这里却看到3个分区信息，这是为什么？之前我们也说过，磁盘一般分区分为主分区，扩展分区和逻辑分区。所以在这里我们重点看第二个主分区信息
<<< MBR Partition #1 >>>
#1.BootIndicator: 0x0
#1.Is Bootable? (syn): No
#1.StartingCHS: 255, 254, 194
#1.OSType: 0x5
#1.OSType (syn): ?
#1.EndingCHS: 255, 254, 194
#1.StartingLBA: 1052670
#1.SizeInLBA: 628090882在这里我们看到OSType的值位5，通过查询维基百科关于分区类型的信息（en.wikipedia.org/wiki/Partition_type），知道值为5说明这个分区为扩展分区。通过这个信息，可以知道这个扩展分区从 1052670 开始，那么将这个扇区的数据截取出来
$ sudo dd if=/dev/sda bs=512 count=1 skip=1052670 > lba.1052670按照相同的方式将其显示为二进制数据
00000000 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 |................|
*
000001b0 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 fe |................|
000001c0 c2 ff 83 fe c2 ff 02 00 00 00 00 e8 6f 25 00 00 |............o%..|
000001d0 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 |................|
*
000001f0 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 55 aa |..............U.|
00000200这个数据布置让我们知道这个扇区也是一个MBR分区的信息，前446个字节为空，后面跟着的是分区信息，这个分区表示逻辑分区。然后我们使用gpt工具查看一下详细信息。
$ cat lba.1052670| print_mbr
<<< MBR >>>
BootCode: 0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
UniqueMBRDiskSignature: 0x00000000
Unknown: 0x0000
PartitionRecord: 0x00fec2ff83fec2ff0200000000e86f25000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
Signature: 0xAA55
<<< MBR Partition #0 >>>
#0.BootIndicator: 0x0
#0.Is Bootable? (syn): No
#0.StartingCHS: 255, 254, 194
#0.OSType: 0x83
#0.OSType (syn): ?
#0.EndingCHS: 255, 254, 194
#0.StartingLBA: 2
#0.SizeInLBA: 628090880
<<< MBR Partition #1 >>>
#1.BootIndicator: 0x0
#1.Is Bootable? (syn): No
#1.StartingCHS: 0, 0, 0
#1.OSType: 0x0
#1.OSType (syn): Empty
#1.EndingCHS: 0, 0, 0
#1.StartingLBA: 0
#1.SizeInLBA: 0
<<< MBR Partition #2 >>>
#2.BootIndicator: 0x0
#2.Is Bootable? (syn): No
#2.StartingCHS: 0, 0, 0
#2.OSType: 0x0
#2.OSType (syn): Empty
#2.EndingCHS: 0, 0, 0
#2.StartingLBA: 0
#2.SizeInLBA: 0
<<< MBR Partition #3 >>>
#3.BootIndicator: 0x0
#3.Is Bootable? (syn): No
#3.StartingCHS: 0, 0, 0
#3.OSType: 0x0
#3.OSType (syn): Empty
#3.EndingCHS: 0, 0, 0
#3.StartingLBA: 0
#3.SizeInLBA: 0从信息中我们知道这个扩展分区只有一个逻辑分区，从扇区2开始，但需要注意的这个2有一个偏移量，也就是扩展分区的起始地址，也就是1052670，所以这个逻辑分区真正的扇区从1052670 + 2开始。和fdisk显示的是一致的。而且类型为0x83，说明他是一个Linux分区类型。
至此，我们学习了MBR分区格式，并且举一个例子来分析MBR分区格式。那么前446个字节是什么，MBR分区的446个字节是GRUB的引导代码，用于承接后续的GRUB的流程。这段代码我们会在后续GRUB的分析中慢慢展开，在这里我们只要知道MBR分区的构造即可，MBR由446个字节的引导代码和64字节的分区表，以及2个字节的0xAA55标志组成，总共512字节。
接着，BIOS所提供的服务一般都是通过调用中断服务程序来实现，它提供了极其丰富的功能，我们下面将使用一个简单的例子来说明如何调用BIOS所提供的服务。
一个BIOS例子
这个例子展现了如何在 Qemu 模拟器上打印出一个 Hello World。我们使用了BIOS所提供的打印功能 **
.code16
start:
mov $msg, %si /*将si寄存器指向打印的数据*/
mov $0x0e, %ah /*将ah寄存器设置为0x0e*/
loop:
lodsb /*将si的数据赋值给al，并且将si指向下一个字符*/
or %al, %al /*判断字符串是否结束，这里以空作为字符串的结束字符*/
jz halt /*如果字符串结束，那么跳转到halt*/
int $0x10 /*调用bios 0x10功能*/
jmp loop /*跳转到loop，继续执行*/
halt:
hlt /*挂起处理器*/
msg:
.asciz "hello world" /*将要被打印的数据*/
.org 510
.word 0xaa55在没有开始编译前，看看这段代码，注释中详细的说明了这段代码调用了BIOS的0x10功能，通过维基百科BIOS中断调用(en.wikipedia.org/wiki/BIOS_interrupt_call)，可以知道0x0Eh功能用于向显示器打印字符。通过将0x0Eh赋值给ah寄存器，al寄存器中负责真正显示的字符。
同时，这里还提供了一个Makefile，用于生成MBR格式的文件镜像
.POSIX:
MAIN := main.img
.PHONY: clean run
$(MAIN): main.S
as -o main.o 'lt;'
ld --oformat binary -o '$@' -Ttext 0x7C00 main.o
clean:
rm -f '$(MAIN)'使用as将源文件编译为二进制文件，然后使用ld进行链接，并将代码的地址以0x7C00编译，
$ make运行
$ qemu-system-x86_64 main.img运行的结果如下
BIOS的缺点
但由于BIOS是几十年前的产物，有一些无法满足现代操作系统的需求。
- BIOS运行在16位的实模式下，最大寻址空间为1M
- BIOS无法使用更加先进的处理器技术
- BIOS使用的MBR分区无法支持更大的磁盘空间，MBR分区支持最大的磁盘空间为2T
- BIOS的代码由汇编编写，降低了工作效率
- 由于MBR是第一个扇区，所以BIOS无法智能的选择操作系统，这样就无法安装双系统，比如同时安装windows和linux，但在linux中有一个方案就是linux安装的时候会使用grub引导，使用grub来引导windows和linux，让这两个系统共存。所以我们可以安装好后windows，后安装linux，linux会自动监测到windows，从而将其加到grub的启动菜单中。这里涉及到grub的内容，后边会有介绍关于grub的。
为了解决这些问题，从而引入了更加先进的UEFI固件，UEFI固件规范中也规定了新的分区格式即GPT分区格式。
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有没有人像小编一样看到这样的图纸就犯晕啊？像这样的图纸对于电气人士来说应该不陌生吧，可是对于一些刚入行的，或者在电气行业却不是技术岗位的人来说，那与天书没什么区别。今天小编狠狠心，为大家搜集了一些关于...
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- 常用电子元器件电路符号及实物外形图，你值得拥有
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作为一名电工初学者，认识并了解常用的电子元器件是一项必备的基本技能，这包括电子元器件的电路符号、实物、用途等。本文电工学习网小编和大家分享一些电子元器件的电路符号及实物外形图，希望对大家的学习有所帮助...
- 电工常用的符号及单位
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常用的符号及单位①欧姆定律I=U/R(适用于电阻电路，如白炽灯)②电能计算W=P·t（W为我们常说的电度，P为功率多少瓦或千瓦，t为时间小时计量）例如一个220V,60W的白炽灯，在220V电压工...
- 电路图常用的字母符号及释义(详细版!)
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你是不是在查看电路图时常遇到一些看不懂的字母或字符，不明白它们表示什么含义？今天小编整理了一些电路图常用的字母符号及其释义，供大家查阅，赶快收藏吧！在之前的文章，小编大致整理了绘制电路图常涉及的电路符...
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最全电工电路的字母符号大全！电工必备知识技能！建议收藏备用！每天学习一点点就会有收获！学海无涯！...
- 电路符号大全，赶快收藏
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认识电路符号是绘制电路图的前提。绘制电路图需要涉及的电路符号罗列出来有很多，大致可以分为五个类别：基本电路符号、传输路径符号、开关和继电器符号、集成电路组件以及限定符号。基本电路符号绘制基础电路图可能...
- 电气电路的图形符号，不怕看不懂电路图啦
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一、电压、电流、电池的图形符号//二、信号灯、信号器件、按钮、旋钮开关和测量仪表的图形符号//三、负载开关的图形符号//四、熔断器的图形符号//五、继电器、接触器、接触器触点和操作器件的图形符号//六...
- 图解普通电阻器电路符号的含义，初学者必看
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电子元器件的电路符号中含有许多有用的、对电路分析有益的识图信息，掌握了电子元器件电路符号的识图，电路分析就会简单一些。电阻器电路符号图1-1所示是普通电阻器电路符号图解示意图。在电路分析中，为了表述方...
- 电路图符号大全(电容、电阻、二极管、三极官、集成电路)
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基础知识薄弱，不懂工作原理，不会看图、识图，这里更多电路图（原理图）符号大全、电路图形符号（指用一种书画图形代表一种电子元件）(比如:电容、电阻、二极管、三极官、集成电路等等)的符号为初学...
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