GRUB如何突破真實模式的限制
BIOS與MBR引導機制
BIOS會在啟動時，檢查邏輯0扇區（即硬碟的第一個扇區）的結尾是否存在標誌 0x55, 0xaa，以此判斷該扇區是否可引導。按照傳統的MBR（Master Boot Record）引導流程，邏輯0扇區包含一個特殊的載入程式。這個程式的任務是檢查位於邏輯0扇區偏移 0x1BE 處的分割槽表。分割槽表最多可以記錄四個分割槽，這也是為什麼 MBR 分割槽的硬碟只能有四個主分割槽的原因。
在分割槽表中，每個分割槽可以有一個“可引導”標記。MBR載入程式會根據某種規則選取一個被標記為“可引導”的分割槽，將該分割槽的第一個扇區（稱為VBR，Volume Boot Record）載入到記憶體中（一般載入到地址 0x7C00 以保證相容性）。隨後，程式跳轉到VBR，由VBR負責載入並啟動該分割槽中的作業系統。
MBR和VBR的侷限性
然而，MBR和VBR的大小都僅有一個扇區，也就是512位元組，這對稍微複雜的載入程式來說已經不夠用。此外，在16位真實模式下，CPU的定址範圍最大隻有1MB（實際可用空間還小於1MB，需考慮BIOS和其他資料佔用）。因此，對於體積超過1MB或需要載入到1MB以上地址的核心檔案，MBR和VBR的能力不足。
16位的定址限制
切換到保護模式雖然可以突破1MB定址範圍的限制，但由於僅真實模式支援呼叫BIOS功能，在保護模式下無法直接呼叫BIOS來實現硬碟驅動和檔案系統管理。這就需要自行實現這些功能，極大地增加了載入程式的複雜度。為了避免在引導內再實現一邊磁碟驅動和檔案系統，我選擇了使用GRUB。
GRUB的解決方案
在GRUB中，將被稱為stage1.5階段的GRUB核心載入器（從磁碟啟動是diskboot，從光碟是cdboot等等）存放在存放磁碟中的某個空閒空間（預設是MBR後的一個扇區），一個定製的MBR載入程式（如 boot.S，編譯後生成 boot.img）負責載入這一階段的程式到記憶體中。
這時候就又出現一個問題，怎麼存放GRUB核心呢？GRUB提供了兩種方式：
- 使用磁碟未分配空間
GRUB將包含核心功能的core.img寫入硬碟上未被分割槽表劃分的空閒空間。 - 基於檔案系統引導
core.img被當作一個普通檔案儲存在檔案系統中，由MBR程式載入到記憶體中。
GRUB如何找到core.img
如果採用基於檔案系統的方式，問題在於MBR程式如何知道 core.img 的具體位置。GRUB 的core.img 是透過grub-mkimage命令生成的，它由多個部分組成，包括：
- diskboot：負責從磁碟載入
core.img的第一部分，大小為一個扇區。 - decompresser：用於解壓
grub-core，以支援壓縮後的儲存形式。 - core：核心程式模組，可以根據需要載入各種功能擴充套件（grub模組）。
當執行 grub-install 時，工具會自動將 diskboot 的位置寫入 boot.img 中。diskboot 的末尾包含一個 blocklist，用於記錄 grub-core 的各個部分在磁碟上的位置。這樣，diskboot 可以順利載入完整的 grub-core。
GRUB的引導過程
綜上，GRUB 2 的啟動流程如下：
- MBR引導
BIOS 載入 MBR（即boot.img），執行其中的載入程式。 - 載入diskboot
MBR 程式根據記錄的位置載入diskboot。 - 載入並解壓grub-core
diskboot根據blocklist讀取並載入grub-core，必要時解壓。 - 啟動作業系統核心
grub-core最終載入目標作業系統的核心檔案，並完成引導。
感想
稍微深入瞭解過GRUB後，感覺像是迷你核心一樣，功能這麼豐富。