【GRUB】GRUB2代码初步解析

柔光的暖阳◎ 2024-02-19 21:05 17阅读 0赞

## 目录说明 ##

使用GRUB版本2.02，目录如下（非完全，还有文件没有包含）：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2ppYW5nd2VpMDUxMg_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

**asm-tests**：这里面是几个汇编代码文件，似乎没有什么用；

**build-aux**：包含了编译时可能用到的脚本；

**conf**：编译需要用的文件，make的时候会用到；

**docs**：主要时帮助文件，还有grub.cfg示例模板；

**grub-core**：GRUB的主体代码；

**include**：GRUB主体需要使用到的头文件；

**m4**：包含m4文件，configure的时候会使用到；

**po**：这个目录下主要由两种文件，一种时.po文件，另一种时.gmo文件。它们是用来支持多语言的，这里简单说明下。

.po文件就是一个文本文件，翻译就在这里做，下面是一个例子：

#: grub-core/hello/hello.c:36
    msgid "Hello World"
    msgstr "Hello World"

第一句指定了代码中的位置，第二句是代码中的原文，第三句就是不同语言下的翻译。

.gmo文件时将.po文件通过gettext工具生成的二进制，它们是实际使用的翻译。

**tests**：一些测试的脚本；

**themes**：GRUB界面的主题；

**unicode**：Unicode数据；

**util**：一些工具源的文件。

## 编译说明 ##

编译主要分为3个部分。

首先是configure，下面是一种配置：

./configure --target=x86_64 --with-platform=efi

因为GRUB可以给不同的平台使用，所以这里需要指定目标硬件平台。目前比较常用的有x86\_64位平台，通过--target来指定。x86\_64位平台使用UEFI BIOS，所以通常还会带--with-platform来指定将GRUB编译成适用于UEFI的应用。

第二步是make，这个不用多说。

第三步是生成GRUB文件：

./grub-mkimage -p . -d ./grub-core/ -O x86_64-efi -o bootx64.efi normal minicmd

这里需要说明，我们编译的是用于x86平台适用于UEFI BIOS启动的GRUB应用，所以使用上述命令来生成独立的GRUB，实际上也可以直接安装到本地的电脑，可以使用编译生成的grub-install工具。

由于本文主要介绍代码，所以只做简单的编译介绍。

## 入口 ##

当我们分析代码的时候，入口函数是非常重要的一部分，本节主要介绍GRUB的入口。

需要说明，**从本节以及之后的代码，都是针对x86平台用于UEFI的GRUB应用为基础进行介绍的**。

GRUB在通常情况下是不可见的，当不存在GRUB配置文件（默认是grub.cfg）时，才会进入GRUB界面，如下所示：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2ppYW5nd2VpMDUxMg_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

通过这个界面，我们可以比较容易地找到对应的代码，它位于如下的文件中：

grub-core/normal/main.c

可以看到上述的界面其实是通过一个命令进入的，这个命令是normal，在如下的代码中注册：

GRUB_MOD_INIT(normal)
    {
      unsigned i;
    
      grub_boot_time ("Preparing normal module");
    
      /* Previously many modules depended on gzio. Be nice to user and load it.  */
      grub_dl_load ("gzio");
      grub_errno = 0;
    
      grub_normal_auth_init ();
      grub_context_init ();
      grub_script_init ();
      grub_menu_init ();
    
      grub_xputs_saved = grub_xputs;
      grub_xputs = grub_xputs_normal;
    
      /* Normal mode shouldn't be unloaded.  */
      if (mod)
        grub_dl_ref (mod);
    
      cmd_clear =
        grub_register_command ("clear", grub_mini_cmd_clear,
    			   0, N_("Clear the screen."));
    
      grub_set_history (GRUB_DEFAULT_HISTORY_SIZE);
    
      grub_register_variable_hook ("pager", 0, grub_env_write_pager);
      grub_env_export ("pager");
    
      /* Register a command "normal" for the rescue mode.  */
      grub_register_command ("normal", grub_cmd_normal,
    			 0, N_("Enter normal mode."));
      grub_register_command ("normal_exit", grub_cmd_normal_exit,
    			 0, N_("Exit from normal mode."));

可以看到不仅注册了normal，还注册了normal\_exit，当你看到上面的界面之后，就可以通过normal\_exit来退出这个界面：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2ppYW5nd2VpMDUxMg_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

退出之后来到了rescue界面，这个会在以后讨论。

根据normal这个点，我们可以往前追溯，来找到真正的入口。由于normal是一条命令，那么一定有一个地方会调用这个命令，

具体的代码位于：

grub-core/kern/main.c

如下所示：

/* The main routine.  */
    void __attribute__ ((noreturn))
    grub_main (void)
    {
      /* First of all, initialize the machine.  */
      grub_machine_init ();
    
      grub_boot_time ("After machine init.");
    
      /* Hello.  */
      grub_setcolorstate (GRUB_TERM_COLOR_HIGHLIGHT);
      grub_printf ("Welcome to GRUB!\n\n");
      grub_setcolorstate (GRUB_TERM_COLOR_STANDARD);
    
      grub_load_config ();
    
      grub_boot_time ("Before loading embedded modules.");
    
      /* Load pre-loaded modules and free the space.  */
      grub_register_exported_symbols ();
    #ifdef GRUB_LINKER_HAVE_INIT
      grub_arch_dl_init_linker ();
    #endif  
      grub_load_modules ();
    
      grub_boot_time ("After loading embedded modules.");
    
      /* It is better to set the root device as soon as possible,
         for convenience.  */
      grub_set_prefix_and_root ();
      grub_env_export ("root");
      grub_env_export ("prefix");
    
      /* Reclaim space used for modules.  */
      reclaim_module_space ();
    
      grub_boot_time ("After reclaiming module space.");
    
      grub_register_core_commands ();
    
      grub_boot_time ("Before execution of embedded config.");
    
      if (load_config)
        grub_parser_execute (load_config);
    
      grub_boot_time ("After execution of embedded config. Attempt to go to normal mode");
    
      grub_load_normal_mode ();
      grub_rescue_run ();
    }

该函数的最后有grub\_load\_normal\_mode()，就是加载并执行normal命令。

还可以看到，在退出normal之后，就进入到了rescue模式，与前面的测试符合。

当然这还不是真正的入口，真正的入口在调用grub\_main()的地方：

start:
    _start:
    	movq	%rcx, EXT_C(grub_efi_image_handle)(%rip)
    	movq	%rdx, EXT_C(grub_efi_system_table)(%rip)
    
    	andq	$~0xf, %rsp
    	call	EXT_C(grub_main)
    	/* Doesn't return.  */

对于UEFI来说，它会传入一个EFI\_HANDLE和一个EFI\_SYSTEM\_TABLE作为参数，并赋值给这里的两个参数grub\_efi\_image\_handle和grub\_efi\_system\_table，供后续使用。

上述代码在startup.S文件中，这样的同名文件有很多个，不同的Configure会使用不同的文件，具体可以参考Makefile文件：

kernel_exec_SOURCES = kern/x86_64/efi/startup.S \
    	kern/i386/efi/tsc.c \
    	kern/i386/tsc_pmtimer.c \
    	kern/x86_64/efi/callwrap.S \
    	kern/i386/efi/init.c bus/pci.c \
    	kern/x86_64/dl.c disk/efi/efidisk.c \
    	kern/efi/efi.c kern/efi/init.c \
    	kern/efi/mm.c term/efi/console.c \
    	kern/acpi.c kern/efi/acpi.c \
    	kern/i386/tsc.c kern/i386/tsc_pit.c \
    	kern/compiler-rt.c kern/mm.c kern/time.c \
    	kern/generic/millisleep.c kern/command.c \
    	kern/corecmd.c kern/device.c kern/disk.c \
    	kern/dl.c kern/env.c kern/err.c \
    	kern/file.c kern/fs.c kern/list.c \
    	kern/main.c kern/misc.c kern/parser.c \
    	kern/partition.c kern/rescue_parser.c \
    	kern/rescue_reader.c kern/term.c

如此，我们就可以确定GRUB的入口。

## GRUB中的UEFI调用 ##

前面已经提到过多次，本文主要研究GRUB作为UEFI应用的使用，所以这里就开始说明GRUB下是如何调用到UEFI的内容的。

上一节已经提到，入口函数中会传递EFI\_HANDLE和EFI\_SYSTEM\_TABLE作并赋值给GRUB中的变量，这也是UEFI应用的标配，通过这两个变量就可以调用到UEFI接口，定义在grub-core/kern/efi/efi.c中：

/* The handle of GRUB itself. Filled in by the startup code.  */
    grub_efi_handle_t grub_efi_image_handle;
    
    /* The pointer to a system table. Filled in by the startup code.  */
    grub_efi_system_table_t *grub_efi_system_table;

在GRUB中对UEFI的常用接口进行了包装，比如获取Protocol等，它们定义在include/grub/efi/efi.h中：

#include <grub/types.h>
    #include <grub/dl.h>
    #include <grub/efi/api.h>
    
    /* Functions.  */
    void *EXPORT_FUNC(grub_efi_locate_protocol) (grub_efi_guid_t *protocol,
    					     void *registration);
    grub_efi_handle_t *
    EXPORT_FUNC(grub_efi_locate_handle) (grub_efi_locate_search_type_t search_type,
    				     grub_efi_guid_t *protocol,
    				     void *search_key,
    				     grub_efi_uintn_t *num_handles);
    void *EXPORT_FUNC(grub_efi_open_protocol) (grub_efi_handle_t handle,
    					   grub_efi_guid_t *protocol,
    					   grub_efi_uint32_t attributes);
    int EXPORT_FUNC(grub_efi_set_text_mode) (int on);
    void EXPORT_FUNC(grub_efi_stall) (grub_efi_uintn_t microseconds);
    void *
    EXPORT_FUNC(grub_efi_allocate_pages) (grub_efi_physical_address_t address,
    				      grub_efi_uintn_t pages);
    void EXPORT_FUNC(grub_efi_free_pages) (grub_efi_physical_address_t address,
    				       grub_efi_uintn_t pages);
    int
    EXPORT_FUNC(grub_efi_get_memory_map) (grub_efi_uintn_t *memory_map_size,
    				      grub_efi_memory_descriptor_t *memory_map,
    				      grub_efi_uintn_t *map_key,
    				      grub_efi_uintn_t *descriptor_size,
    				      grub_efi_uint32_t *descriptor_version);
    grub_efi_loaded_image_t *EXPORT_FUNC(grub_efi_get_loaded_image) (grub_efi_handle_t image_handle);
    void EXPORT_FUNC(grub_efi_print_device_path) (grub_efi_device_path_t *dp);
    char *EXPORT_FUNC(grub_efi_get_filename) (grub_efi_device_path_t *dp);
    grub_efi_device_path_t *
    EXPORT_FUNC(grub_efi_get_device_path) (grub_efi_handle_t handle);
    grub_efi_device_path_t *
    EXPORT_FUNC(grub_efi_find_last_device_path) (const grub_efi_device_path_t *dp);
    grub_efi_device_path_t *
    EXPORT_FUNC(grub_efi_duplicate_device_path) (const grub_efi_device_path_t *dp);
    grub_err_t EXPORT_FUNC (grub_efi_finish_boot_services) (grub_efi_uintn_t *outbuf_size, void *outbuf,
    							grub_efi_uintn_t *map_key,
    							grub_efi_uintn_t *efi_desc_size,
    							grub_efi_uint32_t *efi_desc_version);
    grub_err_t EXPORT_FUNC (grub_efi_set_virtual_address_map) (grub_efi_uintn_t memory_map_size,
    							   grub_efi_uintn_t descriptor_size,
    							   grub_efi_uint32_t descriptor_version,
    							   grub_efi_memory_descriptor_t *virtual_map);
    void *EXPORT_FUNC (grub_efi_get_variable) (const char *variable,
    					   const grub_efi_guid_t *guid,
    					   grub_size_t *datasize_out);
    grub_err_t
    EXPORT_FUNC (grub_efi_set_variable) (const char *var,
    				     const grub_efi_guid_t *guid,
    				     void *data,
    				     grub_size_t datasize);
    int
    EXPORT_FUNC (grub_efi_compare_device_paths) (const grub_efi_device_path_t *dp1,
    					     const grub_efi_device_path_t *dp2);
    
    extern void (*EXPORT_VAR(grub_efi_net_config)) (grub_efi_handle_t hnd, 
    						char **device,
    						char **path);
    
    #if defined(__arm__) || defined(__aarch64__)
    void *EXPORT_FUNC(grub_efi_get_firmware_fdt)(void);
    #endif

因此我们就可以在这里调用UEFI中实现的Protocol了。

在[【UEFI基础】Protocol介绍][UEFI_Protocol]中实现了一个EFI\_HELLO\_WORLD\_PROTOCOL，下面就以它为例，在GRUB下调用Protocol，相关的代码可以在[grub-2.02: GRUB2源代码，来自ftp://ftp.gnu.org/gnu/grub/，版本是grub-2.02.tar.gz。][grub-2.02_ GRUB2_ftp_ftp.gnu.org_gnu_grub_grub-2.02.tar.gz]找到。

具体步骤如下：

1. 首先在api.h中定义相关的Protocol和GUID：

#define EFI_HELLO_WORLD_PROTOCOL_GUID \
      { 0x038f1af5, 0x1c8d, 0x408f, \
          { 0xab, 0x25, 0x30, 0xae, 0xb5, 0x96, 0x5d, 0x6e } \
      }
    
    struct efi_hello_world
    {
      grub_efi_uint64_t revision;
      grub_efi_status_t (*hello) (struct efi_hello_world *this);
    };
    typedef struct efi_hello_world efi_hello_world_t;

2. 然后在hello.c中增加相关的代码，首先是头文件：

#include <grub/efi/efi.h>
    #include <grub/efi/api.h>

然后是对应函数的实现：

static void efi_hello (void)
    {
      grub_efi_uintn_t   num_handles;
      grub_efi_handle_t  *handles;
      grub_efi_handle_t  *handle;
      grub_efi_guid_t    guid = EFI_HELLO_WORLD_PROTOCOL_GUID;
    
      handles = grub_efi_locate_handle (GRUB_EFI_BY_PROTOCOL, &guid,
                0, &num_handles);
      if (!handles)
      {
        return;
      }
    
      for (handle = handles; num_handles--; handle++)
      {
        efi_hello_world_t *hello_p;
        hello_p = grub_efi_open_protocol (*handle, &guid,
                  GRUB_EFI_OPEN_PROTOCOL_GET_PROTOCOL);
        if (hello_p)
        {
          efi_call_1 (hello_p->hello, hello_p);
        }
      }
    
      return;
    }
    
    static grub_err_t
    grub_cmd_hello (grub_extcmd_context_t ctxt __attribute__ ((unused)),
    		int argc __attribute__ ((unused)),
    		char **args __attribute__ ((unused)))
    {
      grub_printf ("%s\n", _("Hello World"));
    
      efi_hello ();
    
      return 0;
    }

这样当我们在GRUB界面执行hello命令时，回去调用UEFI下的Protocol并执行，可以在串口看到相应的打印：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2ppYW5nd2VpMDUxMg_size_16_color_FFFFFF_t_70 3][]

可以看到GRUB界面里面打印了一次，而串口里面有两次，其中一次就是在UEFI Protocol中的打印。

需要注意在grub-mkimage的时候增加hello模块，否则不会有hello命令。

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2ppYW5nd2VpMDUxMg_size_16_color_FFFFFF_t_70]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/01/29/08943e70033a477689e1c460cb6625ce.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2ppYW5nd2VpMDUxMg_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/01/29/9c619207bf4a4c0aaa1d66e22dd283d3.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2ppYW5nd2VpMDUxMg_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/01/29/3bac85e41bc949158ab3c8cc7bf6db02.png
[UEFI_Protocol]: https://blog.csdn.net/jiangwei0512/article/details/86996846
[grub-2.02_ GRUB2_ftp_ftp.gnu.org_gnu_grub_grub-2.02.tar.gz]: https://gitee.com/jiangwei0512/grub-2.02
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2ppYW5nd2VpMDUxMg_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/01/29/eee4c62a5c184f5ea2cdd155abddca8b.png