8.作業系統實戰——環境配置，用檔案模擬硬碟（生成檔案，格式化，安裝GRUB，轉換虛擬硬碟格式）

該實戰來源于極客時間《作業系統實戰45講》，作為學習筆記和踩坑指南

內核映像

GRUB 引導程式如果想一次性加載內核顯然不現實，因為內核由多個檔案組成，所以我們要盡可能把多個檔案封裝成一個檔案，
這個被封裝的檔案我們稱為內核映像檔案：
其中包括：
二級引導器模塊
內核模塊
以及圖片和字庫檔案

GRUB 頭有 4KB 大小，GRUB 正是通過這一小段代碼，來識別映像檔案的，另外，根據映像檔案頭描述符和檔案頭描述符里的資訊，這一小段代碼還可以決議映像檔案中的其它檔案，
映像檔案頭描述符和檔案描述符是兩個 C 語言結構體，如下所示，

//映像檔案頭描述符
typedef struct s_mlosrddsc
{
    u64_t mdc_mgic; //映像檔案標識
    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;//映像檔案中二級引導器的開始偏移
    u64_t mdc_ldrbk_e;//映像檔案中二級引導器的結束偏移
    u64_t mdc_ldrbk_rsz;//映像檔案中二級引導器的實際大小
    u64_t mdc_ldrbk_sum;//映像檔案中二級引導器的校驗和
    u64_t mdc_fhdbk_s;//映像檔案中檔案頭描述的開始偏移
    u64_t mdc_fhdbk_e;//映像檔案中檔案頭描述的結束偏移
    u64_t mdc_fhdbk_rsz;//映像檔案中檔案頭描述的實際大小
    u64_t mdc_fhdbk_sum;//映像檔案中檔案頭描述的校驗和
    u64_t mdc_filbk_s;//映像檔案中檔案資料的開始偏移
    u64_t mdc_filbk_e;//映像檔案中檔案資料的結束偏移
    u64_t mdc_filbk_rsz;//映像檔案中檔案資料的實際大小
    u64_t mdc_filbk_sum;//映像檔案中檔案資料的校驗和
    u64_t mdc_ldrcodenr;//映像檔案中二級引導器的檔案頭描述符的索引號
    u64_t mdc_fhdnr;//映像檔案中檔案頭描述符有多少個
    u64_t mdc_filnr;//映像檔案中檔案頭有多少個
    u64_t mdc_endgic;//映像檔案結束標識
    u64_t mdc_rv;//映像檔案版本
}mlosrddsc_t;

#define FHDSC_NMAX 192 //檔案名長度
//檔案頭描述符
typedef struct s_fhdsc
{
    u64_t fhd_type;//檔案型別
    u64_t fhd_subtype;//檔案子型別
    u64_t fhd_stuts;//檔案狀態
    u64_t fhd_id;//檔案id
    u64_t fhd_intsfsoff;//檔案在映像檔案位置開始偏移
    u64_t fhd_intsfend;//檔案在映像檔案的結束偏移
    u64_t fhd_frealsz;//檔案實際大小
    u64_t fhd_fsum;//檔案校驗和
    char   fhd_name[FHDSC_NMAX];//檔案名
}fhdsc_t;

有了映像檔案格式，我們還要有個打包映像的工具，我給你提供了一個 Linux 命令列下的工具，你只要明白使用方法就可以，如下所示，

lmoskrlimg -m k -lhf GRUB頭檔案 -o 映像檔案 -f 輸入的檔案串列
-m 表示模式 只能是k內核模式
-lhf 表示后面跟上GRUB頭檔案
-o 表示輸出的映像檔案名 
-f 表示輸入檔案串列
例如：lmoskrlimg -m k -lhf grubhead.bin -o kernel.img -f file1.bin file2.bin file3.bin file4.bin 

虛擬機

強烈建議使用ubuntu20.04、18.04不要用16.04
約定使用甲骨文公司的VirtualBox虛擬機，經過測驗，我發現 VirtualBox 虛擬機有很多優點，它的功能相對完善、性能強、BUG 少，而且比較穩定，

sudo apt-get install virtualbox

然后在專家模式新建一個虛擬電腦
注意型別和版本選擇，以及不需要虛擬硬碟

手工生產硬碟

虛擬機中還沒有硬碟，沒有硬碟虛擬機就沒地方加載資料，我們當然不是要買一塊硬碟掛上去，而是要去手工生產一塊硬碟，你馬上就會發現，從零開始生產一塊虛擬硬碟，這比從零開始寫一個作業系統簡單得多，
大多數虛擬機都是用檔案來模擬硬碟的，即主機系統（HOST OS 即你使用的物理機系統 ）下特定格式的檔案，虛擬機中作業系統的資料只是寫入了這個檔案中，

所以生產虛擬硬碟就變成了生成對應格式的檔案，這就容易多了，我們要建立 100MB 的硬碟，這意味著要生成 100MB 的大檔案，

下面我們用 Linux 下的 dd 命令（用指定大小的塊拷貝一個檔案，并在拷貝的同時進行指定的轉換）生成 100MB 的純二進制的檔案（就是 1～100M 位元組的檔案里面填充為 0 ），如下所示，

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

;bs:表示塊大小，這里是512位元組
;if：表示輸入檔案，/dev/zero就是Linux下專門回傳0資料的設備檔案，讀取它就回傳0
;of：表示輸出檔案，即我們的硬碟檔案，
;count：表示輸出多少塊

我們可以在home里面看見，多了一個100mb的檔案

格式化虛擬硬碟

格式化就是在硬碟上建立檔案系統，只有建立了檔案系統，現有的成熟作業系統才能在其中存放資料，
虛擬硬碟畢竟是個檔案，如何讓 Linux 在一個檔案上建立檔案系統呢？這個問題我們要分成三步來解決，
1.把虛擬硬碟檔案變成 Linux 下的回環設備，讓 Linux 以為這是個設備，
其實在 Linux 下檔案可以是設備，設備可以是檔案，下面我們用 losetup 命令，將 hd.img 變成 Linux 的回環設備，代碼如下，

sudo losetup /dev/loop0 hd.img

注意：
這一步可能出現：

 losetup -a 命令看下，是不是自己用到的 loop 已經被使用

上述說明5是空的，用5：

sudo losetup /dev/loop5 hd.img

2.格式化回環設備，建立 EXT4 檔案系統
回環設備可以把檔案虛擬成 Linux 塊設備，用來模擬整個檔案系統，讓用戶可以將其看作硬碟、光驅或軟驅等設備，并且可用 mount 命令掛載當作目錄來使用，
我們可以用 Linux 下的 mkfs.ext4 命令格式化這個 /dev/loop0 回環塊設備，在里面建立 EXT4 檔案系統，

sudo mkfs.ext4 -q /dev/loop5  

此時在Linux系統左邊可以明顯發現多了一塊設備：

3.將 hd.img 檔案當作塊設備，把它掛載到事先建立的 hdisk 目錄下，并在其中建立一個 boot
我們用 Linux 下的 mount 命令，將 hd.img 檔案當作塊設備，把它掛載到事先建立的 hdisk 目錄下，并在其中建立一個 boot，這也是后面安裝 GRUB 需要的，如果能建立成功，就說明前面的作業都正確完成了，
mount 命令只能識別在純二進制檔案上建立的檔案系統，如果使用虛擬機自己生成的硬碟檔案，mount 就無法識別我們的檔案系統了，

先創建一個hdisk目錄，隨便在哪兒創建都行

sudo mkdir hdisk

然后掛載硬碟檔案，相當于給我們創建的二進制檔案變成回環設備之后，建立檔案系統，然后與這個二進制檔案做一個映射

sudo mount -o loop ./hd.img ./hdisk/ ;掛載硬碟檔案
sudo mkdir ./hdisk/boot/ ;建立boot目錄

第一步會發現多了一個卷軸
第二步這個卷軸里多了一個boot目錄，掛載成功，（你打開這個hdisk檔案就自動跳轉到這個卷軸）

安裝GRUB

Linux 會把 GRUB 安裝在我們的物理硬碟上，可是我們現在要把 GRUB 安裝在我們的虛擬硬碟上，而且我們的作業系統還沒有安裝程式，所以，我們得利用一下手上 Linux（HOST OS），通過 GRUB 的安裝程式，把 GRUB 安裝到指定的設備上（虛擬硬碟），

sudo grub-install --boot-directory=./hdisk/boot/ --force --allow-floppy /dev/loop5；
--boot-directory 指向先前我們在虛擬硬碟中建立的boot目錄，；
--force --allow-floppy ：指向我們的虛擬硬碟設備檔案/dev/loop0

如果遇到EFI的問題：
添加引數：

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

正常報兩個警告：

但是還可能出現問題：

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

這代表檔案名和默認的不太一樣

我們去到gurb這個檔案夾里，發現沒有i386這個檔案：

執行以下操作：

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/

就從網上下一個gurb的檔案，然后解壓產生一個i386

再次執行
通過 GRUB 的安裝程式，把 GRUB 安裝到指定的設備上：

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

如果執行到這一步還有錯，推薦使用ubuntu20.04可能較低版本的有問題，

建立一個 grub.cfg 文本檔案(在gurb檔案夾里）

sudo vi grub.cfg

menuentry 'xyOS' {
insmod part_msdos
insmod ext2
set root='hd0,msdos1' #我們的硬碟只有一個磁區所以是'hd0,msdos1'
multiboot2 /boot/HelloOS.eki #加載boot目錄下的HelloOS.eki檔案
boot #引導啟動
}
set timeout_style=menu
if [ "${timeout}" = 0 ]; then
  set timeout=5 #等待5秒鐘自動啟動
fi

轉換虛擬硬碟格式

純二進制格式只能被Linux系統識別，但不能被虛擬機識別，所以我們要讓虛擬機識別這個虛擬硬碟，

VBoxManage convertfromraw ./hd.img --format VDI ./hd.vdi
;convertfromraw 指向原始格式檔案
；--format VDI  表示轉換成虛擬需要的VDI格式

安裝虛擬硬碟

虛擬硬碟必需被安裝到虛擬機菜可以運行，所以我們要讓這個檔案和虛擬機軟體聯系起來：
配置虛擬硬碟分兩步：
第一步，配置硬碟控制器，我們使用 SATA 的硬碟，其控制器是 intelAHCI；
第二步，掛載虛擬硬碟檔案，

#第一步 SATA的硬碟其控制器是intelAHCI
VBoxManage storagectl xyos --name "SATA" --add sata --controller IntelAhci --portcount 1
#第二步
VBoxManage closemedium disk ./hd.vdi #洗掉虛擬硬碟UUID并重新分配
#將虛擬硬碟掛到虛擬機的硬碟控制器
VBoxManage storageattach xyos --storagectl "SATA" --port 1 --device 0 --type hdd --medium ./hd.vdi

這三個指令輸入之后沒有任何反應，沒有報錯就是最好的反應，，，

VBoxManage startvm xyos

回車運行：就能選擇我們的 HelloOS，GRUB 就會加載我們的 HelloOS，但是會出現如下錯誤，

上面的錯誤顯示，GRUB 沒有找到 HelloOS.eki 檔案，這是因為我們從來沒有向虛擬硬碟中放入 HelloOS.eki 檔案，所以才會失敗，
但這是我們最成功的失敗，因為我們配置好了虛擬機，手動建造了硬碟，并在其上安裝了 GRUB，到這里我們運行測驗環境已經準備好了，

總結

1. 了解了內核映像格式
2. 方便我們測驗作業系統
3. 手動建立虛擬硬碟，對其格式化，安裝GURB引導器，

具體步驟：
分為兩步：第一步：生成檔案安裝gurb：

1. 生成一個純二進制檔案
2. 將其格式化為回環設備（這樣Linux認為其是個設備而不是檔案）在該回環設備中建立EXT4檔案系統
3. 掛載硬碟檔案，建立boot目錄，并在其中安裝GRUB，寫入一個cfg檔案（設定硬碟磁區和boot應該加載的檔案，引導其啟動）

第二步，處理虛擬硬碟：

1. 將虛擬硬碟轉換成虛擬機能識別的格式
2. 配置虛擬硬碟：控制器設定以及掛載虛擬硬碟的檔案