深入指揮作業系統啟動 詳解GRUB開機管理程式

GRUB分為舊版的GRUB及新版的GRUB 2.x版本，GRUB 2.x整個改寫，實際上是全新的版本，並沒有使用到GRUB舊版的程式碼。GRUB新版目前是各主流Linux發行版所使用的開機管理程式，例如Solaris作業系統在第10版後也開始在x86系統上使用GRUB新版當開機管理程式。GRUB新版支援的硬體平台包括IA-32、x86-64、PowerPC以及SPARC，因此本篇文章主要介紹的也是新版的GRUB 2.x系列。

GRUB非常輕巧且具高度可移植性，支援多種可執行格式（Executable Formats）。另外，GRUB也支援多個作業系統（Multi-boot）的啟動，常見的作業系統如DOS、Windows、Linux、BSD或是Solaris都可支援。對於不支援多作業系統（Multi-boot）啟動的作業系統如Windows和OS/2之類的系統，GRUB則是透過鏈式啟動（Chain Loading）的方式來支援。所謂鏈式啟動，簡單講就是透過GRUB開機管理程式去啟動另一個作業系統自己的開機管理程式，例如GRUB就是透過啟動Windows系統開機管理程式（NTLDR）的方式支援Windows開機。

GRUB支援常見的UNIX檔案系統（File System），也支援Windows系統中使用的FAT和NTFS檔案系統。GRUB藉由支援這些檔案系統，讓使用者無須載入作業系統，便可以在GRUB開機時檢視GRUB所支援檔案系統裡檔案的內容。圖1是由GRUB官方文件中取得的支援檔案系統列表，從中可以發現幾乎各式系統上常見的檔案系統都支援了，因此基本上GRUB已經具備一個微型作業系統的雛型。

▲圖1 GRUB支援的檔案系統。

GRUB啟動載入到開機選單的過程

當電腦開機時，先是由BIOS主控，經過硬體初始化後，BIOS會尋找第一個設定啟動的磁碟機，之後由磁碟機內的主要啟動磁區（Master Boot Record）中載入GRUB的相關檔案，開始進入GRUB開機管理程式。主要啟動磁區位於磁碟機的第一個磁區（Sector），在傳統以512位元組（Bytes）為一個磁區大小來計算的硬碟機，主要啟動磁區大小就是512位元組。

現在新的磁碟機因為容量愈來愈大，儲存資料單位也愈來愈大，因此磁區大小也改為4,096位元組，因此主要啟動磁區在這些新磁碟中大小就會變成4,096位元組。不過，為因應與舊版主要啟動磁區大小的相容，這些磁碟機韌體會提供暫時轉換成舊有512位元組大小，稱為512e（emulation）的模擬機制。

GRUB的啟動載入過程分成三個階段，以下也分三部分來加以說明：

階段1（Stage 1）

GRUB在安裝時，會將boot.img寫入到主要啟動磁區內，因此BIOS在載入主要磁碟區程式碼時，主要就是載入boot.img檔案的程式內容，而boot.img取得主控權後的主要動作，就是緊接著載入第1.5階段所需的core.img檔案。

階段1.5（Stage 1.5）

此一階段主控權會由boot.img交給core.img，而core.img的位置則依磁碟分割表（Partition Table）的型態而定，若是傳統的分割表型態，又稱主要啟動磁碟區（Master Boot Record，MBR）式的分割區方式，那是因為在第一個啟動磁區（編號0磁區）之後到編號62磁區這段62個磁區大小都是空白沒有使用的，這段磁區的保留也是為了跟舊有系統相容，第一個分割區則是由編號63磁區開始。

因此core.img會由主要啟動磁區的下一個磁區開始，即編號1磁區（編號0磁區為開始第一個磁區）開始擺放，整個core.img會被放置在這段62個都是空白沒有使用的磁區裡面。而如果是新的GPT分割表（GUID Partition Table）型態，core.img則會被放在一個特別切出來的BIOS啟動分割區（BIOS Boot Partition）中，這個BIOS啟動分割區依GRUB建議大概1MB大小就夠了，同時這個BIOS Boot Partition不需要是第一個分割區，但是此分割區一定要在磁碟起始算起2TB之內，GRUB會將core.img嵌入在這個分割區內。

boot.img載入core.img後，便將主控權交給core.img，而core.img會載入設定及所需的相關模組，特別是檔案系統模組，讓GRUB可以在之後提供使用者檢視各個磁碟檔案系統的功能。

階段2（Stage 2）

core.img在載入設定與模組後，便會從設定中找出「/boot/grub」在磁碟中的位置，並讀取在「/boot/grub」內有關作業系統載入與開機的相關資訊，然後使用者看到的便是在螢幕中的文字模式開機選項選單。此時，GRUB便處在等待使用者選擇選項開機或執行相關指令的狀態中。