8.操作系统实战——环境配置，用文件模拟硬盘（生成文件，格式化，安装GRUB，转换虚拟硬盘格式）

Posted 2021-11-24 Strive for the best！

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了8.操作系统实战——环境配置，用文件模拟硬盘（生成文件，格式化，安装GRUB，转换虚拟硬盘格式）相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

该实战来源于极客时间《操作系统实战45讲》，作为学习笔记和踩坑指南

内核映像

GRUB 引导程序如果想一次性加载内核显然不现实，因为内核由多个文件组成，所以我们要尽可能把多个文件封装成一个文件。
这个被封装的文件我们称为内核映像文件：
其中包括：
二级引导器模块
内核模块
以及图片和字库文件

GRUB 头有 4KB 大小，GRUB 正是通过这一小段代码，来识别映像文件的。另外，根据映像文件头描述符和文件头描述符里的信息，这一小段代码还可以解析映像文件中的其它文件。
映像文件头描述符和文件描述符是两个 C 语言结构体，如下所示。


//映像文件头描述符
typedef struct s_mlosrddsc
{
    u64_t mdc_mgic; //映像文件标识
    u64_t mdc_sfsum;//未使用
    u64_t mdc_sfsoff;//未使用
    u64_t mdc_sfeoff;//未使用
    u64_t mdc_sfrlsz;//未使用
    u64_t mdc_ldrbk_s;//映像文件中二级引导器的开始偏移
    u64_t mdc_ldrbk_e;//映像文件中二级引导器的结束偏移
    u64_t mdc_ldrbk_rsz;//映像文件中二级引导器的实际大小
    u64_t mdc_ldrbk_sum;//映像文件中二级引导器的校验和
    u64_t mdc_fhdbk_s;//映像文件中文件头描述的开始偏移
    u64_t mdc_fhdbk_e;//映像文件中文件头描述的结束偏移
    u64_t mdc_fhdbk_rsz;//映像文件中文件头描述的实际大小
    u64_t mdc_fhdbk_sum;//映像文件中文件头描述的校验和
    u64_t mdc_filbk_s;//映像文件中文件数据的开始偏移
    u64_t mdc_filbk_e;//映像文件中文件数据的结束偏移
    u64_t mdc_filbk_rsz;//映像文件中文件数据的实际大小
    u64_t mdc_filbk_sum;//映像文件中文件数据的校验和
    u64_t mdc_ldrcodenr;//映像文件中二级引导器的文件头描述符的索引号
    u64_t mdc_fhdnr;//映像文件中文件头描述符有多少个
    u64_t mdc_filnr;//映像文件中文件头有多少个
    u64_t mdc_endgic;//映像文件结束标识
    u64_t mdc_rv;//映像文件版本
}mlosrddsc_t;

#define FHDSC_NMAX 192 //文件名长度
//文件头描述符
typedef struct s_fhdsc
{
    u64_t fhd_type;//文件类型
    u64_t fhd_subtype;//文件子类型
    u64_t fhd_stuts;//文件状态
    u64_t fhd_id;//文件id
    u64_t fhd_intsfsoff;//文件在映像文件位置开始偏移
    u64_t fhd_intsfend;//文件在映像文件的结束偏移
    u64_t fhd_frealsz;//文件实际大小
    u64_t fhd_fsum;//文件校验和
    char   fhd_name[FHDSC_NMAX];//文件名
}fhdsc_t;

有了映像文件格式，我们还要有个打包映像的工具，我给你提供了一个 Linux 命令行下的工具，你只要明白使用方法就可以，如下所示。


lmoskrlimg -m k -lhf GRUB头文件 -o 映像文件 -f 输入的文件列表
-m 表示模式 只能是k内核模式
-lhf 表示后面跟上GRUB头文件
-o 表示输出的映像文件名 
-f 表示输入文件列表
例如：lmoskrlimg -m k -lhf grubhead.bin -o kernel.img -f file1.bin file2.bin file3.bin file4.bin

虚拟机

强烈建议使用ubuntu20.04、18.04不要用16.04
约定使用甲骨文公司的VirtualBox虚拟机。经过测试，我发现 VirtualBox 虚拟机有很多优点，它的功能相对完善、性能强、BUG 少，而且比较稳定。


sudo apt-get install virtualbox

然后在专家模式新建一个虚拟电脑
注意类型和版本选择，以及不需要虚拟硬盘

手工生产硬盘

虚拟机中还没有硬盘，没有硬盘虚拟机就没地方加载数据，我们当然不是要买一块硬盘挂上去，而是要去手工生产一块硬盘。你马上就会发现，从零开始生产一块虚拟硬盘，这比从零开始写一个操作系统简单得多。
大多数虚拟机都是用文件来模拟硬盘的，即主机系统（HOST OS 即你使用的物理机系统）下特定格式的文件，虚拟机中操作系统的数据只是写入了这个文件中。

所以生产虚拟硬盘就变成了生成对应格式的文件，这就容易多了。我们要建立 100MB 的硬盘，这意味着要生成 100MB 的大文件。

下面我们用 Linux 下的 dd 命令（用指定大小的块拷贝一个文件，并在拷贝的同时进行指定的转换）生成 100MB 的纯二进制的文件（就是 1～100M 字节的文件里面填充为 0 ），如下所示。


dd bs=512 if=/dev/zero of=hd.img count=204800

;bs:表示块大小，这里是512字节
;if：表示输入文件，/dev/zero就是Linux下专门返回0数据的设备文件，读取它就返回0
;of：表示输出文件，即我们的硬盘文件。
;count：表示输出多少块

我们可以在home里面看见，多了一个100mb的文件

格式化虚拟硬盘

格式化就是在硬盘上建立文件系统。只有建立了文件系统，现有的成熟操作系统才能在其中存放数据。
虚拟硬盘毕竟是个文件，如何让 Linux 在一个文件上建立文件系统呢？这个问题我们要分成三步来解决。
1.把虚拟硬盘文件变成 Linux 下的回环设备，让 Linux 以为这是个设备。
其实在 Linux 下文件可以是设备，设备可以是文件。下面我们用 losetup 命令，将 hd.img 变成 Linux 的回环设备，代码如下。

sudo losetup /dev/loop0 hd.img

注意：
这一步可能出现：

 losetup -a 命令看下，是不是自己用到的 loop 已经被使用

上述说明5是空的，用5：

sudo losetup /dev/loop5 hd.img

2.格式化回环设备，建立 EXT4 文件系统
回环设备可以把文件虚拟成 Linux 块设备，用来模拟整个文件系统，让用户可以将其看作硬盘、光驱或软驱等设备，并且可用 mount 命令挂载当作目录来使用。
我们可以用 Linux 下的 mkfs.ext4 命令格式化这个 /dev/loop0 回环块设备，在里面建立 EXT4 文件系统。


sudo mkfs.ext4 -q /dev/loop5

此时在Linux系统左边可以明显发现多了一块设备：

3.将 hd.img 文件当作块设备，把它挂载到事先建立的 hdisk 目录下，并在其中建立一个 boot
我们用 Linux 下的 mount 命令，将 hd.img 文件当作块设备，把它挂载到事先建立的 hdisk 目录下，并在其中建立一个 boot，这也是后面安装 GRUB 需要的。如果能建立成功，就说明前面的工作都正确完成了。
mount 命令只能识别在纯二进制文件上建立的文件系统，如果使用虚拟机自己生成的硬盘文件，mount 就无法识别我们的文件系统了。

先创建一个hdisk目录，随便在哪儿创建都行

sudo mkdir hdisk

然后挂载硬盘文件，相当于给我们创建的二进制文件变成回环设备之后，建立文件系统，然后与这个二进制文件做一个映射


sudo mount -o loop ./hd.img ./hdisk/ ;挂载硬盘文件
sudo mkdir ./hdisk/boot/ ;建立boot目录

第一步会发现多了一个卷轴
第二步这个卷轴里多了一个boot目录，挂载成功。（你打开这个hdisk文件就自动跳转到这个卷轴）

安装GRUB

Linux 会把 GRUB 安装在我们的物理硬盘上，可是我们现在要把 GRUB 安装在我们的虚拟硬盘上，而且我们的操作系统还没有安装程序。所以，我们得利用一下手上 Linux（HOST OS），通过 GRUB 的安装程序，把 GRUB 安装到指定的设备上（虚拟硬盘）。

sudo grub-install --boot-directory=./hdisk/boot/ --force --allow-floppy /dev/loop5；
--boot-directory 指向先前我们在虚拟硬盘中建立的boot目录。；
--force --allow-floppy ：指向我们的虚拟硬盘设备文件/dev/loop0

如果遇到EFI的问题：
添加参数：

sudo grub-install --target=i386-pc --boot-directory=./hdisk/boot/ --force --allow-floppy /dev/loop5 ；

正常报两个警告：

但是还可能出现问题：

错误： /usr/lib/grub/i386-pc/modinfo.sh doesn't exist. Please specify --target or --directory.

这代表文件名和默认的不太一样

我们去到gurb这个文件夹里，发现没有i386这个文件：

执行以下操作：

sudo apt-get download grub-pc-bin
dpkg-deb -R grub-pc-bin_2.02~beta2-36ubuntu3.16_amd64.deb grub/
sudo mv grub/usr/lib/grub/i386-pc/ /usr/lib/grub/

就从网上下一个gurb的文件，然后解压产生一个i386

再次执行
通过 GRUB 的安装程序，把 GRUB 安装到指定的设备上：

sudo grub-install --target=i386-pc --boot-directory=./hdisk/boot/ --force --allow-floppy /dev/loop0

如果执行到这一步还有错，推荐使用ubuntu20.04可能较低版本的有问题。

建立一个 grub.cfg 文本文件(在gurb文件夹里）

sudo vi grub.cfg


menuentry 'xyOS' {
insmod part_msdos
insmod ext2
set root='hd0,msdos1' #我们的硬盘只有一个分区所以是'hd0,msdos1'
multiboot2 /boot/HelloOS.eki #加载boot目录下的HelloOS.eki文件
boot #引导启动
}
set timeout_style=menu
if [ "${timeout}" = 0 ]; then
  set timeout=5 #等待5秒钟自动启动
fi

转换虚拟硬盘格式

纯二进制格式只能被Linux系统识别，但不能被虚拟机识别。所以我们要让虚拟机识别这个虚拟硬盘。


VBoxManage convertfromraw ./hd.img --format VDI ./hd.vdi
;convertfromraw 指向原始格式文件
；--format VDI  表示转换成虚拟需要的VDI格式

安装虚拟硬盘

虚拟硬盘必需被安装到虚拟机菜可以运行，所以我们要让这个文件和虚拟机软件联系起来：
配置虚拟硬盘分两步：
第一步，配置硬盘控制器，我们使用 SATA 的硬盘，其控制器是 intelAHCI；
第二步，挂载虚拟硬盘文件。


#第一步 SATA的硬盘其控制器是intelAHCI
VBoxManage storagectl xyos --name "SATA" --add sata --controller IntelAhci --portcount 1
#第二步
VBoxManage closemedium disk ./hd.vdi #删除虚拟硬盘UUID并重新分配
#将虚拟硬盘挂到虚拟机的硬盘控制器
VBoxManage storageattach xyos --storagectl "SATA" --port 1 --device 0 --type hdd --medium ./hd.vdi