3. Bootloader 核心：GRUB2 的 stage1、stage1.5、stage2 加载过程

GRUB2（GRand Unified Bootloader version 2）是现代 Linux 发行版中最主流的引导加载程序。它将引导过程拆分为多个阶段（stage），以克服 x86 平台实模式下的 512 字节 MBR 限制，并支持复杂的文件系统解析与菜单交互。理解 stage1、stage1.5 和 stage2 的加载链条，是分析启动故障与内核加载的前提。

3.1 三阶段架构总览

GRUB2 的核心引导流程分为三个逻辑阶段，每个阶段承担不同的职责，并逐步提升执行环境的能力：

3.2 stage1：MBR 中的“种子”代码

stage1 是 GRUB2 在磁盘上占据的第一个 512 字节扇区（MBR）。它由 boot.img 生成，被写入 MBR 的引导代码区（偏移 0x000~0x1BD）。

stage1 的核心任务：

• 定位 stage1.5 或 stage2： 使用内嵌的 LBA 地址或 CHS 地址，读取后续扇区。
• 加载并跳转： 将 stage1.5 的第一个扇区加载到内存 0x8000 处，然后跳转执行。
• 传递磁盘信息： 将当前引导磁盘的驱动器号（DL 寄存器）传递给下一阶段。

stage1 的局限性：

• 无法理解文件系统结构，只能按扇区地址读取。
• 代码空间极度紧张（446 字节），无法包含复杂逻辑。
• 依赖 BIOS 中断（int 13h）进行磁盘 I/O，性能较低。

3.3 stage1.5：文件系统识别桥接层

stage1.5 由 core.img 的前部分构成，通常存储在 MBR 与第一个分区之间的“嵌入区域”（MBR gap，LBA 1~62，共 31 KB）。它解决了 stage1 无法识别文件系统的根本问题。

stage1.5 的核心能力：

• 文件系统驱动： 包含 ext2/3/4、FAT、NTFS、XFS 等常见文件系统的读取模块。
• 路径解析： 能够根据 /boot/grub/ 路径找到 stage2 的核心映像文件。
• 加载 stage2： 将 stage2 的完整代码从文件系统读入内存（通常加载到 0x2000 或更高地址）。

stage1.5 的构建方式：

GRUB2 在安装时（grub-install）会根据目标磁盘的文件系统类型，动态生成包含对应文件系统驱动的 core.img。例如：

# 查看 core.img 包含的模块
grub2-mkimage -v -o /tmp/core.img ext2 fat part_msdos biosdisk
# 输出会列出每个模块的加载地址和大小

3.4 stage2：完整的引导管理器

stage2 是 GRUB2 的主体，对应 /boot/grub/ 目录下的 grub.cfg 配置文件以及 *.mod 模块文件。它运行在实模式，但具备切换到保护模式的能力。

stage2 的执行流程：

1. 初始化控制台： 初始化显示输出（VGA 文本模式或帧缓冲模式）和键盘输入。
2. 加载配置文件： 读取 /boot/grub/grub.cfg，解析菜单项、内核参数、模块加载指令。
3. 显示菜单： 呈现操作系统选择列表，等待用户选择或超时自动启动。
4. 加载内核与 initrd： 根据菜单项配置，将内核映像（vmlinuz）和 initramfs 加载到内存指定位置。
5. 切换保护模式并跳转： 设置 A20 地址线、进入保护模式，调用内核的 32 位入口点（startup_32）。

stage2 的内存布局示例：

3.5 三阶段加载的故障排查要点

当系统无法完成引导时，通过观察 GRUB2 的提示信息可以快速定位故障阶段：

• 无任何输出，直接黑屏： 可能 stage1 损坏或 BIOS 未找到引导设备。使用 Live CD 修复 MBR：grub2-install /dev/sda。
• 输出 GRUB 后卡住： stage1 已执行，但无法加载 stage1.5。检查 MBR gap 是否被覆盖，或文件系统驱动不匹配。
• 进入 rescue shell（grub rescue>）： stage1.5 已加载但无法找到 stage2 或 grub.cfg。使用 ls 命令探测可用分区，手动指定内核路径：set root=(hd0,msdos1)、linux /boot/vmlinuz-xxx root=/dev/sda1。
• 菜单显示但选择后重启： stage2 已加载但内核映像损坏或启动参数错误。在菜单按 e 编辑启动项，检查 linux 和 initrd 路径是否正确。

3.6 从 stage2 到内核的交接协议

stage2 在跳转内核前，必须遵循 Multiboot 规范（或 Multiboot2）将控制权交给内核。关键交接内容包括：

内核在 startup_32 入口处首先检查 EAX 中的魔数，如果匹配则使用 EBX 指向的引导信息结构体来初始化内存管理、解析内核参数、解压内核映像。如果魔数不匹配，内核将无法正确识别引导环境，导致 panic。