GRUB 与系统引导

本文是发到内刊上的一篇文章，感谢帮忙找 typo 的肥猫～

计算机引导过程

固件

确切的说，固件（Firmware）也是一种软件，但是它比一般的软件（例如操作系统或者运行在操作系统上的应用软件）更接近硬件，一般是由硬件厂商在硬件出厂前直接固化到硬件内部的芯片上。有些固件是可以升级的，例如大部分计算机主板的固件，这里我们讨论的也主要是计算机主板的固件。

现在我们能看到的计算机主板固件主要上分为两种：BIOS（Legacy BIOS）和 UEFI，BIOS 历史悠久，数十年没有太大的变化，已经不太适应计算机的发展，因而催生了更加先进和适应时代需求的 UEFI。

BIOS 是 Basic Input Output System（基本输入输出系统）的缩写，如前文所说，它也是可执行的程序代码，计算机启动时会首先将 BIOS 载入到内存并执行，并由 BIOS 来完成硬件检测和初始化，然后启动磁盘上的操作系统。

UEFI 是 Unified Extensible Firmware Interface（统一可扩展固件接口）的缩写，它是 BIOS 的替代者，并且本着向下兼容的原则，大部分 UEFI 都包含 BIOS 的兼容模块（Compatibility Support Module/CSM），在其设置中也能找到相关的选项。

BIOS 与 MBR

一般来说，BIOS 需要配合 MBR 分区表来引导系统（GPT 分区表也可以通过 PMBR 兼容 BIOS 引导），对于使用 BIOS 的计算机，其系统引导过程如下：

BIOS 被加载执行，完成加电自检（Power On Self Test，POST），并检查和初始化需要的硬件设备
BIOS 根据预设的顺序查找引导设备（能从中读取数据，且首扇区以 0x55AA 结束）
BIOS 执行第一个找到的引导设备首扇区前 440 字节代码，即主引导记录（MBR）
MBR 通常是启动管理器（Boot Loader）的第一阶段代码，由它引导启动管理器的第二阶段
启动管理器完成操作系统的引导启动

MBR 是 Master Boot Record 的缩写，又叫做主引导扇区，是计算机开机后访问硬盘时所必须要读取的首个扇区。在深入讨论主引导扇区内部结构的时候，有时也将其开头的446字节内容特指为“主引导记录”（MBR），其后是4个16字节的“磁盘分区表”（DPT），以及2字节的结束标志（0x55AA）。因此，在使用“主引导记录”（MBR）这个术语的时候，需要根据具体情况判断其到底是指整个主引导扇区，还是主引导扇区的前446字节。

UEFI 与 GPT

UEFI 的出现就是为了代替 BIOS，GPT 分区表（GUID Partition Table）是同 UEFI 一起诞生的，它突破了 MBR 分区表4个主分区及最大 2.2T 容量的限制。

UEFI 与 BIOS 相比还有很多特性，例如：

支持文件系统，可以直接读取分区上的文件
可以存储启动管理器的路径并直接引导之
可以加载并运行 EFI 应用
提供 EFI Shell

主流的 UEFI 都支持 MBR 和 GPT 分区表，并且支持 FAT12/FAT16/FAT32、IS09660、UDF 等文件系统。

一般来说，UEFI 下系统的引导的过程如下：

UEFI 被加载执行，完成加电自检（Power-On Self Test，POST），并检查和初始化需要的硬件设备
UEFI 根据预设直接从引导设备上加载 UEFI 应用（有可能是启动管理器，如 GRUB）
启动管理器完成操作系统的引导启动

UEFI 的引导依赖于分区表上的一个特殊分区，叫 EFI 系统分区（EFI System Partition），UEFI 标准中规定 EFI 系统分区为 FAT32，同时支持 FAT12/FAT16 作为移动介质的文件系统。

UEFI 的多重引导

每个操作系统或厂商都可以维护自己的 EFI 系统分区中的文件，同时不影响其他系统，一般来说各个操作系统或厂商都会将文件置于 EFI 系统分区中的/EFI/<VENDOR NAME>/目录，例如/EFI/deepin或/EFI/Microsoft，这样各家的文件互不影响。UEFI 的多重启动只是简单的运行不同路径下的 UEFI 程序，避免了依赖链式启动机制（Chain Loading，通过一个启动引导程序加载另一个引导程序），这些程序的路径要添加到 UEFI 设置中才能在计算机开机时自动运行或进行选择。

安全启动

UEFI 提供了安全启动（Secure Boot）的功能，安全启动功能启用时，UEFI 会验证启动管理器的的合法性，一般来说验证是通过数字签名来实现的，但很多计算机出厂时只预装了微软的证书，有的 UEFI 固件也支持基于路径的认证，还有将启动管理器路径写死的。

大多数 UEFI 固件提供了关闭安全启动的选项，还有部分可以在 UEFI 设置界面手动添加受信任的路径。

常见启动引导器

BIOS 或 UEFI 加载并初始化硬件完成后，一般会启动某个启动管理器来接管硬件设备，引导操作系统启动的工作将由启动引导器来完成。

引导程序引导方式及程序视应用机型种类而不同。例如在普通的个人电脑上，引导程序通常分为两部分：第一阶段引导程序位于主引导记录（MBR），用以引导位于某个分区上的第二阶段引导程序，如 NTLDR、BOOTMGR 和 GNU GRUB 等。

NTLDR/BOOTMGR

NTLDR（NT Loader 的缩写）是微软的 Windows NT 系列操作系统（包括 Windows XP 和 Windows Server 2003）的引导程序。

NTLDR 可以从硬盘以及 CD-ROM、U盘等移动存储器运行并引 Windows NT 系统的启动。如果要用 NTLDR 启动其他操作系统，则需要将该操作系统所使用的启动扇区代码保存为一个文件，NTLDR 可以从这个文件加载其它引导程序。

NTLDR 主要由两个文件组成，这两个文件必须放在系统分区（大多数情况下都是C盘）：

NTLDR，这是引导程序本身
boot.ini，这是引导程序的配置文件
当 boot.ini 丢失时，NTLDR 会启动第一块硬盘第一个分区上的 \Windows 目录中的系统。

bootmgr (Windows Boot Manager) 是从 Windows Vista 开始引进的新一代开机管理程序，用以替换 NTLDR 。

当电脑运行完 POST (Power On Self Test) 后，传统型 BIOS 会根据引导扇区查找开机硬盘中标记"引导"分区下的 bootmgr 文件；若是 UEFI 则是bootmgr.efi文件，接着管理程序会读取开机配置数据库 BCD (Boot Configuration Database) 内的引导数据，接着根据其中的数据加载与默认或用户所选择的操作系统。

GNU GRUB 及其使用

GNU GRUB（简称 GRUB）是一个来自 GNU 项目的启动引导程序。GRUB 是多启动规范的实现，它允许用户可以在计算机内同时拥有多个操作系统，并在计算机启动时选择希望运行的操作系统。GRUB 可用于选择操作系统分区上的不同内核，也可用于向这些内核传递启动参数。

GRUB Legacy/GRUB2

新的GRUB2（GRUB 第二版）为 GRUB 的重写版本，它是 GRUB 的大革新。GRUB2 对 Linux 系统做了更多的优化，支持更多的功能，如动态的载入模块（而在之前的GRUB中，新增或刪除模块要重新编译 GRUB）等。GRUB2 的版本号为 0.98 或更高；旧的 GRUB 的版本号则为 0.97 或更低，也被称为“GRUB Legacy”或“GRUB1”等。GRUB2 的配置、命令等较 GRUB Legacy 有一定的不同，如未指明，本文所说 GRUB 均指 GRUB2。

GRUB Components

GRUB 的安装

GRUB 提供一个安装程序grub-install用以安装 GRUB 到磁盘，下面是grub-install的一些常用参数及选项：

--boot-directory=DIR
指定 boot 目录，用于存放 GRUB 的相关文件，包括其镜像、模块及字体等，同时 GRUB 也会从该目录读取配置文件，此参数缺省为/boot，则 GRUB 的相关文件都在/boot/grub下，配置文件路径为/boot/grub/grub.cfg。
--target=TARGET
指定要安装的 GRUB 类型（对应不同的 BIOS 启动模式），常用的可选参数有 i386-pc、x86_64-efi、i386-efi 等，对应的文件会被安装到 <boot directory>/grub/<target>/（<boot directory>为--boot-directory参数指定的 boot 目录，默认为/boot）下
--force
即使遇到报错仍然强制安装
UEFI 特有参数及选项：
- --efi-directory=DIR
  指定 EFI 系统分区的根目录，即 EFI 系统分区的挂载点
- --removable
  为移动设备安装，将 GRUB 安装到U盘时必须使用此选项
- --bootloader-id=ID
  指定启动项 ID

GRUB 安装实例

将 BIOS 模式的 GRUB 安装到 /dev/sda
```
sudo grub-install --target=i386-pc --boot-directory=/boot /dev/sda
```
上面的--boot-directory=/boot一般可以省略。
注意：要安装 i386-pc 模式的 GRUB 需要安装软件包 grub-pc-bin
```
sudo apt-get install grub-pc-bin
```
将 BIOS 模式的 GRUB 安装到U盘（/dev/sdb）
假设/dev/sdb只有一个分区，文件系统为 FAT32，如果U盘已经挂载，先卸载之：
```
sudo umount /dev/sdb1
```
安装 GRUB：
```
mkdir /tmp/sdb1
sudo mount /dev/sdb1 /tmp/sdb1
sudo grub-install --target=i386-pc --boot-directory=/tmp/sdb1/boot /dev/sdb
sudo umount /dev/sdb1
```
上面的--boot-directory=/tmp/sdb1/boot不可省略。
将 x64 EFI 模式的 GRUB 安装到计算机 UEFI（EFI 系统分区为/dev/sda1）
假设/dev/sda1已经被挂载到/boot/efi，如果没有先手动挂载之：
```
sudo mount /dev/sda1 /boot/efi
```
安装 GRUB：
```
sudo grub-install --target=x86_64-efi --boot-directory=/boot --efi-directory=/boot/efi
```
上面的--boot-directory=/boot --efi-directory=/boot/efi一般可以省略。
将 x64 EFI 模式的 GRUB 安装到U盘（/dev/sdb）
同样假设/dev/sdb只有一个分区，文件系统为 FAT32，如果U盘已经挂载，先卸载之：
```
sudo umount /dev/sdb1
```
安装 GRUB：
```
mkdir /tmp/sdb1
sudo mount /dev/sdb1 /tmp/sdb1
sudo grub-install --target=x86_64-efi --boot-directory=/tmp/sdb1/boot --efi-directory=/tmp/sdb1 --removable
sudo umount /dev/sdb1
```
上面的--boot-directory=/tmp/sdb1/boot --efi-directory=/tmp/sdb1 --removable不可省略。

GRUB 的配置文件

GRUB 配置文件的文件名和位置随系统的不同而不同；常见为/boot/grub/grub.cfg。

修改 GRUB 的配置文件后，不必把 GRUB 重新安装到 MBR 或者某个分区中。在 Linux 中，grub-install命令是用来把 GRUB 的步骤1安装到 MBR 或者分区中的。GRUB 的配置文件、步骤2以及其它文件必须安装到某个可用的分区中。如果这些文件或者分区不可用，步骤1将把用户留在命令行界面。

GRUB Shell 常用命令

在 GRUB 界面下按 C可进入 GRUB Shell 界面，它提供了一个简单的类 Bash 的命令行环境，下面介绍一些常用的命令：

ls：
不加参数使用时，列出当前的存储设备及识别出来的分区
可以接目录路径为参数，列出目录内的内容
cat：查看文件内容
echo：显示字符串或环境变量
set：设置环境变量，例如set root=hd0,gpt1
insmod：载入模块
loopback：映射回环设备
search：搜索分区
linux：载入 Linux 内核
initrd：载入初始化内存盘
boot：启动系统
chainloader：链式启动其他文件
source：载入 GRUB 配置文件

GRUB Shell 操作实例

手动启动硬盘上的 deepin 系统

假设硬盘分区表为 GPT，第一个分区为 FAT32 格式的 EFI 系统分区，第二个分区为 deepin 的根分区，使用安装了 GRUB 的U盘启动电脑，进入 GRUB Shell （在 GRUB 菜单界面按C），可按如下操作：

载入 GPT 分区表支持模块：insmod part_gpt
查看存储设备及分区：ls
假设计算机硬盘被识别成 hd1，设置 hd1,gpt2 为根分区：set root=hd1,gpt2
查看根分区内容：ls /
查看/boot目录内容：ls /boot
查看/boot/grub目录内容ls /boot/grub
载入 Linux 内核：linux /boot/vmlinuz-4.9.0-deepin2-amd64 root=/dev/sda2（示例，也可以用linux /vmlinuz root=/dev/sda2）
载入初始化内存盘：initrd /boot/initrd.img-4.9.0-deepin2-amd64（或initrd /initrd.img）
启动系统：boot

如果一切正常，系统会正常启动。此外，在上面第4步的时候，也可以用source /boot/grub/grub.cfg命令载入硬盘上的 GRUB 配置文件，然后按Esc返回 GRUB 菜单界面，会看到原本电脑上 GRUB 菜单，直接选择 deepin 系统启动即可。

在 LIVE 环境修复 GRUB 引导

进入 LIVE 环境

使用系统修复光盘或U盘启动计算机即可进入 Live 桌面环境。

进入 CHROOT 环境

在 Live 桌面环境中打开终端

确定硬盘上系统的各个挂载点的分区，以下表所示情况举例：

挂载点	分区	备注
`/boot/efi`	/dev/sda1	UEFI 下特有
`/`	/dev/sda2
`/home`	/dev/sda3	如未单独分区则忽略
`/var`	/dev/sda4	如未单独分区则忽略

挂载文件系统

mkdir /tmp/mnt #建立临时挂载目录
cd /tmp/mnt #进入目录
sudo mount /dev/sda2 ./ #挂载根分区
sudo mount /dev/sda1 boot/efi #仅在UEFI模式下挂载EFI分区
sudo mount /dev/sda3 home #如果仅修复引导此分区可不挂载
sudo mount /dev/sda4 var #如果/var单独分区，必须挂载
sudo mount --bind /sys sys
sudo mount --bind /proc proc
sudo mount --bind /dev dev
sudo mount --bind /dev/pts dev/pts

进入 chroot 环境

sudo chroot /tmp/mnt

修复 GRUB 引导

切记，修复本机 GRUB 引导需要在 chroot 环境下操作！

BIOS 下：

grub-install --boot-directory=/boot /dev/sda
update-grub

UEFI 模式下：

grub-install --boot-directory=/boot --efi-directory=/boot/efi
update-grub