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ISO启动原理及启动盘制作

发表于

计算机加电后，首先会执行刷在ROM/NVRAM中的系统固件代码。系统固件(BIOS/UEFI)完成自身的一系列工作(如硬件自检(POST: Power-On Self-Test)后，需要引导操作系统启动。固件可以从NVRAM中读取启动设备列表，按设备顺序尝试进行引导。

BIOS

对于磁盘介质来说，BIOS会尝试读取启动设备的第一个扇区(512字节)。如果这个扇区的最后两个字节是0x55和0xAA, 则表明该设备可以用于引导，否则继续尝试列表中的下个设备。这个扇区叫做主引导记录(MBR: Master Boot Record)。这512字节分为三部分:

  • 可执行代码, 446字节
  • 分区表，每个表项16字节，共64字节
  • Magic number: 0x55和0xAA。

分区表项结构如下:

BI Starting CHS PT Ending CHS Starting Sector Partition Size
  • BI: Boot Indicator, 1字节，如果是80，标记该分区是否含有操作系统启动代码
  • Starting CHS: 3字节，指示分区起始位置，用柱片(Cylinder), 磁头(Head), 扇区(Sector)表示
  • Partition Type Descriptor: 1字节，文件系统类型，如，0x0B表示FAT32，0x07表示NTFS
  • Ending CHS: 3字节，指示分区结尾位置
  • Starting Sectro: 4字节，以逻辑区块地址(LBA: Logical Block Address)表示的起始扇区
  • Partition Size: 4字节，表示分区大小

MBR的代码空间只有446字节，主要完成从分区表中查找可引导分区，并加载分区中的扇区并执行(可以直接加载内核，也可以链式加载分阶段的bootloader)，完成操作系统的加载。

UEFI

UEFI: United Extensible Fireware Interface的启动流程, 不依赖BIOS模式下固定的启动扇区(boot sector)，而是由实现在固件中的boot manager来寻找相应的启动项。一个设备要想支持从UEFI启动，需要具备ESP: EFI system partition，用来存储UEFI固件需要读取和加载的文件。它支持MBR: Mater Boot Record, GPT: GUID Partition Table和光盘上的El Torito卷。而在ESP上，UEFI支持的文件系统为: FAT。计算机启动时，boot manager从ESP中根据计算机架构在FAT格式文件系统中寻找目录/EFI/BOOT/下的相应的启动文件(不区分大小写)并执行它，文件名如下:

架构 文件
x86(32位) bootia32.efi
x64(64位) bootx64.efi
ARM(32位) bootarm.efi
ARM(64位) bootaa64.efi

简单来说，UEFI固件本身中已经实现文件系统功能，它从支持的文件系统中直接加载相应的启动文件。

EL Torito

对于从CD/DVD等光学介质来说，和磁盘的启动分区结构有所不同。El Torito是ISO 9660文件系统的一个扩展规范，用于支持从CD/DVD等光盘介质引导计算机。BIOS固件会根据El Torito规格，从光盘中的引导扇区寻找引导机器码。UEFI支持ISO 9660文件系统及扩展EL Torito, 会从中寻找ESP: EFI System Partition及文件系统。

了解了相应原理后，下面来从头制作一个支持从BIOS和UEFI两种固件来启动Linux内核的ISO。

因为CentOS的ISO分别使用isolinux和grub两种bootloader，我们也使用它们来进行实验。

isolinux的官网:

GRUB的官网:

实验

首先，创建工作目录demoiso:

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mkdir -p demoiso

BIOS的启动，我们使用isolinux。isolinux实现了对ISO9660和EL Torito规范的支持。

从官网下载syslinux并解压:

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wget https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/utils/boot/syslinux/syslinux-6.03.tar.gz

将以下文件copy到isolinux:

  • syslinux-6.03/bios/core/isolinux.bin
  • syslinux-6.03/bios/com32/elflink/ldlinux/ldlinux.c32
  • syslinux-6.03/bios/com32/libutil/libutil.c32
  • syslinux-6.03/bios/com32/lib/libcom32.c32
  • syslinux-6.03/bios/com32/menu/vesamenu.c32

我们可以自己编译内核和制作initrd，为了简单，我直接使用Slackware官方编译好的64位内核和initrd。

在isolinux目录下载内核和initrd:

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wget --no-check-certificate -O vmlinuz https://mirrors.kernel.org/slackware/slackware64-current/kernels/huge.s/bzImage
wget --no-check-certificate -O initrd.img https://mirrors.kernel.org/slackware/slackware64-current/isolinux/initrd.img

在isolinux下创建isolinux.cfg，内容如下:

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default vesamenu.c32
timeout 600

MENU clear
MENU title DEMO ISO
MENU vshift 2
MENU rows 10
MENU margin 8
MENU helpmsgrow 19
MENU tabmsgrow 15
MENU autoboot Booting default in #s

LABEL DEMO
  menu label ^Slackware linux
  KERNEL vmlinuz
  INITRD initrd.img

文件准备完毕，开始制作ISO。在demoiso目录下执行:

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xorriso -as mkisofs -o ../demoiso.iso -b isolinux/isolinux.bin -c isolinux/boot.cat -no-emul-boot -boot-load-size 4 -boot-info-table ./

我们可以使用dumpet命令来查看ISO文件的启动信息:

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[root@dev01v ~]# dumpet -i ../demoiso-bios.iso
Validation Entry:
	Header Indicator: 0x01 (Validation Entry)
	PlatformId: 0x00 (80x86)
	ID: ""
	Checksum: 0x55aa
	Key bytes: 0x55aa
Boot Catalog Default Entry:
	Entry is bootable
	Boot Media emulation type: no emulation
	Media load segment: 0x0 (0000:7c00)
	System type: 0 (0x00)
	Load Sectors: 4 (0x0004)
	Load LBA: 34 (0x00000022)

可以看到存在一条启动记录。

在BIOS固件虚拟机上启动界面如图:

启动后成功进入Slackware Linux，如图:

接下来，处理UEFI支持。在demoiso目录下创建目录EFI/BOOT:

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mkdir -p EFI/BOOT/

在EFI/BOOT目录下创建文件grub.cfg，内容如下:

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set default="0"

set timeout=60

set root=(cd0)

menuentry 'Slackware Linux' {
    echo 'Loading Slackware kernel ...'
    linuxefi /isolinux/vmlinuz
    initrdefi /isolinux/initrd.img
}

menuentry 'Reboot' {
    echo 'System rebooting ...'
    reboot
}

menuentry 'Halt' {
    echo 'Halting system ...'
    halt
}

在demoiso目录下执行命令，生成BOOTX64.EFI文件:

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grub2-mkstandalone -o EFI/BOOT/BOOTX64.EFI -O x86_64-efi "boot/grub/grub.cfg=EFI/BOOT/grub.cfg"

在demoiso目录下创建目录images:

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mkdir images

查看EFI目录大小:

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[root@dev03v demoiso]# du -sh EFI/
8.4M	EFI/

我们制作一个能包含下这个大小的UEFI能够识别的ESP分区镜像, 并将文件BOOTX64.efi复制到镜像中相应位置:

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dd if=/dev/zero of=images/efiboot.img bs=1M count=12
mkfs.vfat images/efiboot.img
mmd -i images/efiboot.img EFI EFI/BOOT
mcopy -i images/efiboot.img EFI/BOOT/BOOTX64.EFI  ::EFI/BOOT/

接下来生成BIOS和UEFI都支持的ISO文件:

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xorriso -as mkisofs -o ../demoiso-both.iso -b isolinux/isolinux.bin -c isolinux/boot.cat -no-emul-boot -boot-load-size 4 -boot-info-table -eltorito-alt-boot -e images/efiboot.img -no-emul-boot ./

使用dumpet查看生成的ISO文件:

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[root@dev03v demoiso]# dumpet -i ../demoiso-both.iso
Validation Entry:
	Header Indicator: 0x01 (Validation Entry)
	PlatformId: 0x00 (80x86)
	ID: ""
	Checksum: 0x55aa
	Key bytes: 0x55aa
Boot Catalog Default Entry:
	Entry is bootable
	Boot Media emulation type: no emulation
	Media load segment: 0x0 (0000:7c00)
	System type: 0 (0x00)
	Load Sectors: 4 (0x0004)
	Load LBA: 6178 (0x00001822)
Section Header Entry:
	Header Indicator: 0x91 (Final Section Header Entry)
	PlatformId: 0xef (EFI)
	Section Entries: 1
	ID: ""
Boot Catalog Section Entry:
	Entry is bootable
	Boot Media emulation type: no emulation
	Media load address: 0 (0x0000)
	System type: 0 (0x00)
	Load Sectors: 24576 (0x6000)
	Load LBA: 34 (0x00000022)

可以看到有两个启动条目了。

使用UEFI固件的虚拟机启动后，界面如下:

内核启动后可以从sysfs中读取到UEFI相关信息:

实际上，因为ESP分区是从efiboot.img来生成的，EFI目录可以忽略掉，为了令生成的ISO文件更小，可以排除EFI目录:

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xorriso -as mkisofs -o ../demoiso-both.iso -x EFI/ -b isolinux/isolinux.bin -c isolinux/boot.cat -no-emul-boot -boot-load-size 4 -boot-info-table -eltorito-alt-boot -e images/efiboot.img -no-emul-boot ./

参考