一、前言
本文档记录的内容既适用于x86也适用于x64，只是对于后者有一些环境要求。
之前开发使用的方法是：自己的引导代码+虚拟软盘。优点是搭建简单，所有代码都是自己编写，可控性强。最近想试试使用grub的引导功能，于是花了些时间琢磨。搜出来的相关资料有不少，但是要么是grub1的，要么太过零散，要么描述太过简略。总之，没有一篇文章详细的讲述整个配置过程。所以我就在搭建的过程中顺手整理了这么一篇完整的、完全从零开始的方法，其中每一步都有较丰富的说明。
另外，本文档介绍的方法适用于osx和linux，实际上整个过程中大部分必须使用到linux。也就是说如果要按照本文档来搭建开发环境，linuxer只需要使用自己的linux系统就行，而osxer还得备一套linux系统（比如虚拟机）。使用linux的主要原因是我选择了ext2作为文件系统，而osx上貌似只有读写ext2的fuse-ext2，没有用于创建ext2分区的fdisk等工具（如果同好有osx的ext2创建工具推荐，劳烦分享给我(ns.boxcounter[at]gmail.com)吧，不胜感激）。如果改用fat32就没有这个烦恼，整个过程都可以在osx下完成，因为osx的fdisk就可以创建fat32分区。
我使用的系统、软件情况：
- x86 ubuntu 12.04.2/x64 ubuntu 13.10、osx 10.8.4/osx 10.9
- nasm 2.10.09
- bochs 2.6.1
- grub2 2.0.0
如果同好使用的环境不一样，可能需要根据情况自行调整一些细节。
另外，本文提供的命令在显示时候可能会自动折行，所以复制到剪贴板中之后（在折行处）可能会有多余的空格，请同好自行删减。
二、创建虚拟磁盘，并分区
首先说明：
这里的目标磁盘的属性是：16 headers, 63 sectors per track, 512 bytes per sector。意味着每一个cylinder的大小是516096bytes（16 * 63 * 512）。
“#cylinders”表示柱面数，主要关系到磁盘大小。如果是10MB的磁盘，#cylinders=20。
需要在linux系统中进行，使用的工具是kpartx，系统默认没有自带，需要下载。
好了，开始了。
-
dd if=/dev/zero of=antos.img bs=516096 count=#cylinders
创建虚拟磁盘。也可以使用bochs附带的bximage工具来完成。 -
ps aux | grep loop
默认是搜索不到名为“[loopX]”进程的。如果有发现，那记住输出中的“[loopX]”进程。 -
kpartx -av ./antos.img
挂载虚拟磁盘，可能没有输出。 -
ps aux | grep loop
正常情况下，这里会发现一个名为“[loop0]”的进程。说明antos.img被挂载到了“/dev/loop0”设备上。如果前面搜索结果中已经有了“[loopX]”进程，那新增加的那个进程就是挂载的设备名。 -
fdisk -u -C#cylinders -S63 -H16 /dev/loop0
为磁盘分区。以#cylinders=20、单个分区为例：root@ubuntu:~# fdisk -u -C20 -S63 -H16 /dev/loop0 Device contains neither a valid DOS partition table, nor Sun, SGI or OSF disklabel Building a new DOS disklabel with disk identifier 0x136d49ee. Changes will remain in memory only, until you decide to write them. After that, of course, the previous content won't be recoverable. Warning: invalid flag 0x0000 of partition table 4 will be corrected by w(rite) Command (m for help): o <<<=== Create a new empty DOS partition table Building a new DOS disklabel with disk identifier 0x5bd665d5. Changes will remain in memory only, until you decide to write them. After that, of course, the previous content won't be recoverable. Warning: invalid flag 0x0000 of partition table 4 will be corrected by w(rite) Command (m for help): n <<<=== Create a new partition Partition type: p primary (0 primary, 0 extended, 4 free) e extended Select (default p): <<<=== 回车 Partition number (1-4, default 1): <<<=== 回车 First sector (2048-20159, default 2048): <<<=== 回车 Using default value 2048 Last sector, +sectors or +size{K,M,G} (2048-20159, default 20159): <<<=== 回车 Using default value 20159 Command (m for help): a <<<=== Toggle the bootable flag (Optional) Partition number (1-4): 1 <<<=== 分区1 Command (m for help): p <<<=== Print the partition table. Disk /dev/loop0: 10 MB, 10321920 bytes 16 heads, 63 sectors/track, 20 cylinders, total 20160 sectors Units = sectors of 1 * 512 = 512 bytes Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes Disk identifier: 0x5bd665d5 Device Boot Start End Blocks Id System /dev/loop0p1 * 2048 20159 9056 83 Linux <<<=== 如果使用附录2记录的方法，需要记录Start和Blocks的值，本例子中分别是2048和9056。 Command (m for help): w <<<=== Write partition table to our 'disk' and exit The partition table has been altered! Calling ioctl() to re-read partition table. WARNING: Re-reading the partition table failed with error 22: Invalid argument. The kernel still uses the old table. The new table will be used at the next reboot or after you run partprobe(8) or kpartx(8) Syncing disks. <<<=== Ignore any errors about rereading the partition table. Since it's not a physical device we really don't care. -
kpartx -dv ./antos.img
卸载磁盘，应该输出“loop deleted : /dev/loop0”。 -
kpartx -av ./antos.img
挂载分区磁盘，这次新创建的分区也会自动挂载。
正常会输出“add map loop0p1 (252:0): 0 18112 linear /dev/loop0 2048”，表示分区挂载到了“/dev/mapper/loop0p1”设备上。 -
mke2fs -b1024 /dev/mapper/loop0p1
格式化分区，"-b1024"表示使用1KB的block。 -
mkdir /tmp/antos
创建挂载目录。 -
mount -text2 /dev/mapper/loop0p1 /tmp/antos
挂载分区到目录。 -
ls /tmp/antos/
如果前面的步骤都成功，会看到名为“lost+found”的目录，说明磁盘和分区都正确的创建了。
三、安装grub2到虚拟磁盘
假设磁盘挂载到设备“/dev/loop0”上，分区挂载到“/tmp/antos”目录下。
grub-install --no-floppy --modules="biosdisk part_msdos ext2 configfile normal multiboot" --root-directory=/tmp/antos /dev/loop0
安装过程中可能会报警告，只要最后输出“Installation finished. No error reported.”就表示安装成功了。
如果使用的系统是x64架构的，需要使用新一些的系统，比如ubuntu 13.10。具体原因请参考附录一。
（在fedora等redhat系中使用的名称是“grub2-install”）
四、在bochs中使用虚拟磁盘
-
确认虚拟磁盘的属性。
先挂载虚拟磁盘，然后执行“disk -u -l /dev/loop0”，正常会有如下输出1 Disk /dev/loop0: 10 MB, 10321920 bytes 2 16 heads, 63 sectors/track, 20 cylinders, total 20160 sectors 3 Units = sectors of 1 * 512 = 512 bytes 4 Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes 5 I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes 6 Disk identifier: 0x6418cb2e 7 8 Device Boot Start End Blocks Id System 9 /dev/loop0p1 * 2048 20159 9056 83 Linux第2行说明了虚拟磁盘的属性。（前面使用fdisk为磁盘分区的时候也有输出同样的内容，如果记下来了，就可以不需要这一步）
-
创建bochs虚拟机配置文件
不带参数运行bochs，应该会有这样的输出：1. Restore factory default configuration 2. Read options from... 3. Edit options 4. Save options to... 5. Restore the Bochs state from... 6. Begin simulation 7. Quit now Please choose one: [2]选择4，然后输入配置文件名，比如“antos.bxrc”，提示保存成功后退出bochs。这样就有了一份默认配置的bochs虚拟机配置文件。
-
修改bochs虚拟机配置文件，以适应我们的需要
-
添加虚拟磁盘。
将这一行ata0-master: type=none改为
ata0-master: type=disk, path="./antos.img", cylinders=#cylinders,heads=#heads,spt=#sec-per-track对应之前获取到的磁盘属性，这一行应该是：
ata0-master: type=disk, path="./antos.img", cylinders=20,heads=16,spt=63 -
修改启动项为磁盘。
将这一行boot: floppy改为
boot: disk -
开启bochs的magic breakpoint。
将这一行magic_break: enabled=0改为
magic_break: enabled=1
-
到这里，就可以在bochs中运行了（命令是“bochs -f antos.bxrc”），并且看到grub2的命令提示符，如图：
五、编写最简单的系统内核
// kernel.asm源码
[section .kernel]
[bits 32]
load_base equ 0x100000
;
; multiboot header
;
align 8
multiboot_header:
MBH_magic equ 0xE85250D6
MBH_architecture equ 0 ; 32-bit protected mode
MBH_header_length equ multiboot_header_end - multiboot_header
MBH_checksum equ -(MBH_header_length + MBH_magic + MBH_architecture)
dd MBH_magic
dd MBH_architecture
dd MBH_header_length
dd MBH_checksum
; tags
info_request_tag:
dw 1
dw 0
dd info_request_tag_end - info_request_tag
dd 5
dd 6
info_request_tag_end:
align 8
address_tag:
dw 2
dw 0
dd address_tag_end - address_tag
dd load_base ; header_addr
dd load_base ; load_addr
dd 0 ; load_end_addr
dd 0 ; bss_end_addr
address_tag_end:
align 8
entry_address_tag:
dw 3
dw 0
dd entry_address_tag_end - entry_address_tag
dd load_base + kernel_entry
entry_address_tag_end:
align 8
; end tag
dw 0
dw 0
dd 8
multiboot_header_end:
kernel_entry:
xchg bx, bx ; magic breakpoint
jmp $编译
nasm kernel.asm -o kernel.bin
编译过程中可能会报警告，无视它。
将虚拟磁盘挂载到某个目录，然后将kernel.bin拷贝到分区的根目录，即和/boot目录同一层目录。
六、使用grub2启动自行编写的操作系统内核
假设分区挂载到“/tmp/antos”目录下，那么创建grub需要的配置文件“/tmp/antos/boot/grub/grub.cfg”，将以下几行文本贴进去：
set default=0
insmod ext2
set root=(hd0,1)
set timeout=10
menuentry "antos 0.0.1" {
insmod ext2
set root=(hd0,1)
multiboot2 (hd0,1)/kernel.bin
boot
}
其中(hd0,1)表示咱之前创建的虚拟磁盘的第一个分区，kernel.bin就是前面编译的系统内核文件。
现在可以启动咱的bochs虚拟机了，执行“bochs -f antos.bxrc”。
再输入c继续执行后，应该就能看到bochs从咱的虚拟磁盘引导，然后可以看见grub的选择界面，最后会中断到咱系统内核的“xchg bx, bx”指令，这是bochs内置的主动中断指令，即magic breakpoint机制。如下：
o 00449811185i[CPU0 ] [449811185] Stopped on MAGIC BREAKPOINT
(0) Magic breakpoint
Next at t=449811185
(0) [0x000000100053] 0010:0000000000100053 (unk. ctxt): jmp .-2 (0x00100053) ; ebfe
00449811185i[XGUI ] Mouse capture off
<bochs:2>
ok，整个配置过程就完毕了，整个过程都是在linux中完成的。使用fat32的osx同好可以使用类似的方法来完成。整个过程每一步的功能都写的很清楚了，看到这里理理思路应该就明白整个流程了。
七、osx中读写ext2文件系统的虚拟磁盘
最后说说osx相关的内容，因为我不想每次做开发的时候都需要开个linux虚拟机。以下是在osx下读写虚拟磁盘的方法，比如更新的kernel.bin等等。linuxer可以无视这一步。
-
安装osxfuse和fuse-ext2
fuse-ext2默认只能以只读方式挂载设备，所以需要进行以下修改使其默认以可读可写方式挂载设备：sudo vi /System/Library/Filesystems/fuse-ext2.fs/fuse-ext2.util搜索定位到Mount函数，为其名为“OPTIONS”的变量增加额外的“rw+”选项。
比如：原内容为：function Mount () { LogDebug "[Mount] Entering function Mount..." # Setting both defer_auth and defer_permissions. The option was renamed # starting with MacFUSE 1.0.0, and there seems to be no backward # compatibility on the options. OPTIONS="auto_xattr,defer_permissions" ... }改为：
function Mount () { LogDebug "[Mount] Entering function Mount..." # Setting both defer_auth and defer_permissions. The option was renamed # starting with MacFUSE 1.0.0, and there seems to be no backward # compatibility on the options. OPTIONS="auto_xattr,defer_permissions,rw+" ... } -
挂载磁盘到设备
hdiutil attach -nomount antos.img这是会输出如下信息：
/dev/disk1 FDisk_partition_scheme /dev/disk1s1 Linux说明虚拟磁盘已经挂载到/dev/disk1设备上了，分区已经挂载到/dev/disk1s1。（之所以加上-nomount参数，是因为hdiutil没法正确地挂载ext2分区到目录）
-
挂载分区到目录
/sbin/mount_fuse-ext2 /dev/disk1s1 ./mnt/dev/disk1s1是步骤3中得到的设备（分区)名。
到这里，就可以对分区内容进行修改了，比如更新kernel.bin等等。 -
从目录卸载分区
umount ./mnt -
卸载虚拟磁盘
hdiutil detach /dev/disk1（注意是磁盘设备，不是分区设备disk1s1）。
八、附录一：x64 ubuntu 12.04.2中执行grub-install遇到的问题
我在x64 ubuntu 12.04.2中执行“安装grub2到虚拟磁盘”操作时总是失败，如下：
root@x64:~# grub-install --no-floppy --modules="biosdisk part_msdos ext2 configfile normal multiboot" --root-directory=/tmp/antos /dev/loop0
Path `/tmp/antos/boot/grub' is not readable by GRUB on boot. Installation is impossible. Aborting.
加上–deubg选项后，发现grub-install输出了这么几行：
+ /usr/local/sbin/grub-probe -t fs /tmp/antos/boot/grub
+ return 1
+ gettext_printf Path `%s' is not readable by GRUB on boot. Installation is impossible. Aborting.\n /tmp/antos/boot/grub
手动执行grub-probe，输出如下：
root@ubuntu:~# /usr/local/sbin/grub-probe -t fs /tmp/antos/boot/grub/usr/local/sbin/grub-probe: error: disk `lvm/loop0p1' not found.
我查阅了很多资料，都没有明确的解决方案。经过了约莫20个小时的摸索，最终发现只需要使用新版本的系统自带的grub 2.0.0即可。（注：x64 ubuntu 12.04.2中的grub2是我源码编译的2.0.0版，也尝试过使用trunk源码编译或者使用系统自带的1.99，都会报错。）
九、附录二：创建虚拟磁盘分区的另外一种方法（losetup）
需要说明，这种方法较前面介绍的使用kpartx的方法要繁琐，所以并不推荐（特别是如果要使用多分区）。补充在这里的原因是我最开始搜索到的资料使用的就是losetup工具，摸索成功之后才发现kpartx。
另外，操作过程中有部分步骤和前面讲述的步骤一样，所以省略了那些步骤的说明。
- dd if=/dev/zero of=antos.img bs=516096 count=#cylinders
- losetup /dev/loop0 ./antos.img
这个时候执行“ps aux | grep loop”，会看到一个名为[loop0]的进程。（如果loop0被占用，可以换一个设备） - fdisk -u -C#cylinders -S63 -H16 /dev/loop0
- losetup /dev/loop0 ./antos.img
这个时候执行“ps aux | grep loop”，会看到一个名为[loop0]的进程。（如果loop0被占用，可以换一个设备） - losetup -d /dev/loop0
到这里，虚拟磁盘已经创建完毕了，从设备（“loop0”）上卸载虚拟磁盘，准备格式化。 - losetup -o1048576 /dev/loop0 ./antos.img
再次挂载，与前面挂载不同的是，这次使用了“-o1048576”参数，目的是跳过前1048576字节，来到分区的开始。前面提到要记住Start的值，即分区开始扇区号，这里就需要使用它了，1048576=2048*512。 - mke2fs -b1024 /dev/loop0 9056
对加载到“loop0”设备上的分区（注意是分区，不是整个磁盘了，前面咱跳到了分区开始处）进行格式化，使用的是ext2文件系统。
”-b1024“表示使用1KB的block，9056就是之前的Blocks的值，即整个分区的blocks数。 - mkdir /tmp/antos
- mount -text2 /dev/loop0 /tmp/antos
- umount /dev/loop0
- losetup -d /dev/loop0
卸载目录和设备。
十、主要参考资料
- The Multiboot Specification
- grub2源码
- Mac OS X下读写ext2/ext3文件系统
十一、版本记录
- v1.0 - 2013-09-02，初始发布。
- v1.1 - 2013-11-14，增加x64系统下的说明。