tags: Linux OS GRUB 硬盘分区

背景

2016年双十一入手了一块500G的 SSD（Solid State Drive，固态硬盘），打算安装到自己的笔记本上。笔记本的 HDD（Hard Disk Drive，机械硬盘）已经跑了 Ubuntu16.10 + Win10 双系统。光驱位的硬盘支架也装好了，一直虚位以待。工作忙一直拖到了2017年。

公司的 PC 机器也是 Ubuntu16.10，并且安装的软件比较齐全，所以计划将 PC 的 Ubuntu16.10 迁移到 SSD 上，然后在笔记本上运行。

开工准备

• Ubuntu16.10，PC 上安装，各项迁移步骤运行的环境并作为要迁移到 SSD 的系统。
• Gparted Partition Editor，图形化的分区工具。
• 外接硬盘盒，通过 USB 线将 SSD 连接到 PC 上。

基础知识

该章节是计算机启动和系统加载的一些概念，有助于加深对迁移原理的理解，注重实践的话可以直接跳过。

总结不一定准确，仅作为个人理解。干货可以看这篇文章：uefi-boot-how-does-that-actually-work-then

BIOS vs UEFI

BIOS（Basic Input/Output System）和 UEFI（Unified Extensible Firmware Interface ）是不同的计算机启动固件（Fireware），需要硬件（通常为主板）支持，相互代替的，其中 UEFI 是比较新的方式。

• BIOS
  经典的启动固件，会调用磁盘的 MBR，然后由 MBR 中的 loader 继续加载操作系统。

• UEFI
  UEFI 用来代替 BIOS，并克服 BIOS 的缺点，大多数的 UEFI 固件会提供兼容 BIOS 的启动方式。

• 区别
  可以看这篇文章：[UEFI是什么？与BIOS的区别在哪里?][UEFI是什么？与BIOS的区别在哪里]

MBR vs GPT

MBR 与 GPT 用于存储硬盘的分区信息，是不同的硬盘分区表类型。

• MBR
  MBR 表示 MBR 分区表，MBR 分区表在硬盘开头处存放了特殊的启动分区，称为 MBR（Master Boot Record，主启动记录），包含 Boot Loader 和硬盘逻辑分区。MBR 支持最大约2T的硬盘，最多能划分4个主分区，更多分区需要使用拓展分区实现。
  （MBR在行文中可以表示 MBR 分区表和主启动记录两个意思，注意甄别。）

• GPT
  GPT 表示 GUID（Globally Unique Identifier） 分区表，是 UEFI 规范的一部分，用于替换 MBR 的分区方式。GPT 没有分区数和分区大小限制。

• 区别
  可以看这篇文章：[What’s the Difference Between GPT and MBR When Partitioning a Drive][What’s the Difference Between GPT and MBR When Partitioning a Drive]

File System

File System（文件系统）是存储媒介中文件存储的组织方式。
不同的文件系统类型有不同的速度，灵活性，安全性和占用空间。不同操作系统只支持特定的文件系统类型。
常见的文件系统类型有 FAT16，FAT32，NTFS，EXT3，EXT4，HFS 等。

磁盘发展史

Wikipedia 上有许多关于磁盘的资料，在磁盘分区上，我猜测的发展脉络是这样的：

1. 磁盘跟内存一样直接物理寻址去访问数据；
2. 为了方便，建立数据 Index，有了 File System；
3. 需要多个分区，搞出了 Partition Tabel。

小结

• BIOS/UEFI 跟 MBR/GPT 是不同层级的，BIOS/UEFI 是 Fireware，MBR/GPT 是分区表。
• 推荐的使用方式： BIOS + MBR 或 UEFI + GPT：

If you want to do a ‘BIOS compatibility’ type installation, you probably want to install to an MBR formatted disk.
If you want to do a UEFI native installation, you probably want to install to a GPT formatted disk.

• 理论上来说是可以组合使用的：

Of course, to make life complicated, many firmwares can boot BIOS-style from a GPT formatted disk.
UEFI firmwares are in fact technically required to be able to boot UEFI-style from an MBR formatted disk.

• Windows 通常会要求 UEFI 的启动方式使用 GPT，不然不给继续安装。

SSD 分区

硬盘状态

使用外接硬盘盒，将 SSD 连接到 PC 机上，先查看硬盘状态：

$ sudo fdisk -l
Disk /dev/sda: 465.8 GiB, 500107862016 bytes, 976773168 sectors
Units: sectors of 1 * 512 = 512 bytes
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 4096 bytes
I/O size (minimum/optimal): 4096 bytes / 4096 bytes
Disklabel type: dos
Disk identifier: 0xb2708ce0

Device     Boot     Start       End   Sectors   Size Id Type
/dev/sda1  *         2048    411647    409600   200M  7 HPFS/NTFS/exFAT
/dev/sda2          411648 210126847 209715200   100G  7 HPFS/NTFS/exFAT
/dev/sda3       210128894 913704959 703576066 335.5G  f W95 Ext'd (LBA)
/dev/sda5       210128896 703989759 493860864 235.5G 83 Linux
/dev/sda6       703991808 704966655    974848   476M 83 Linux
/dev/sda7       704968704 764067839  59099136  28.2G 83 Linux
/dev/sda8       764069888 771973119   7903232   3.8G 82 Linux swap / Solaris

Partition 3 does not start on physical sector boundary.

Disk /dev/sdb: 489.1 GiB, 525112713216 bytes, 1025610768 sectors
Units: sectors of 1 * 512 = 512 bytes
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 33553920 bytes

其中/dev/sda为 PC 上的硬盘，装有 Ubuntu16.10 + Win7；/dev/sdb为 SSD，当前 SSD 为空盘。

分区策略

• 笔记本是 2011 年的机器，主板启动引导好像不支持 UEFI，是用 BIOS。
• 考虑 SSD 的拓展性，分区表选择 GPL，选用的引导方式为 BIOS + GPT。
• 此时安装 GRUB 引导对分区划分有要求，具体参考接下文的《GRUB 引导》章节。

• 先上分区结果：

  
  partition-result.png

（注：前文出现的/dev/sdb1，/dev/sdf1和后面可能出现的/dev/sd#1都为同一个分区，因为多次插拔了 SSD ，所以标识一直按字母序递增）

• 不建立/swap分区了，因为 Ubuntu17.04也要移除 swap 分区。
• /dev/sdf1分区，建立 GRUB 引导所需分区，大小为 1M，分区文件类型为unformatted，分区 flag 为bios_grub。
• /dev/sdf2分区，Linux /boot分区，大小 1G。
• /dev/sdf3分区，Linux /分区，大小 50G。
• /dev/sdf4分区，Linux /home分区，大小 300G。

分区操作

分区操作在 Gparted 软件中完成，命令行fdisk和parted也可以操作，但是我不熟悉。

• 建立分区表
  SSD 是一个空磁盘，此时并没有分区表，所以要先建立分区表。分区表的格式选用 GPT：

1. 打开 Gparted，点击 Device --> Created Partition Table。
2. 选择partition tabel type为gpt，然后点击Apply。
   create-gpt.png

• 建立 GRUB 所需分区

1. 分区大小为1M，分区类型为unformatted。
   

   bios-grub-partition.png

2. 在新建的分区上点击右键，选择managerFlags，然后选中bios_grub选项。
   

   set-bios-grub-flag.png

• 建立 Linux 系统分区
  根据上文<<分区策略>>章节，依次建立其他分区，分区的文件格式选择ext4。
  分区结果：

$ sudo fdisk -l /dev/sdh
Device         Start       End   Sectors  Size Type
/dev/sdh1       2048      4095      2048    1M BIOS boot
/dev/sdh2       4096   2101247   2097152    1G Linux filesystem
/dev/sdh3    2101248 106958847 104857600   50G Linux filesystem
/dev/sdh4  106958848 736104447 629145600  300G Linux filesystem

GRUB 引导

GRUB 是什么

GRUB（Grand Unified Boot loader）是硬盘中的软件，引导器（loader）的一种。目前主流版本是 GRUB2，可以看 [GRUB2 中文介绍][GRUB2 中文介绍]。

GRUB 用于从多操作系统的计算机中选择一个系统来启动，或从系统分区中选择特殊的内核配置。

provides a user the choice to boot one of multiple operating systems installed on a computer or select a specific kernel configuration available on a particular operating system's partitions. -- GRUB

示例：

如图：第一个选项和最后一个选项是选择不同的操作系统；第一个选项和第二个选项是选择不同的内核配置。

GRUB 位置

其启动代码（boot.img）直接安装在 MBR 中，然后执行 GRUB 内核镜像（core.img），最后从/boot/grub中读取配置和其他功能代码。
BIOS 引导方式中，MBR 分区表和 GPT 分区表的 GRUB 引导文件所放分区不同：

如图，GRUB 的执行顺序为 boot.img --> core.img --> /boot/grub/。

• 在 MBR 分区表中，boot.img 和 core.img 都在 MBR 中。MBR 虽然只占用一个扇区(512Byte)，但是其所在的磁道是空闲的，不会用于分区，可以放下 core.img。

Some MBR code loads additional code for a boot manager from the first track of the disk, which it assumes to be "free" space that is not allocated to any disk partition, and executes it. -- MBR

• 在 GPT 分区表中，MBR 为 protected MBR（为兼容 MBR，在硬盘起始位置保留的空间），后面并没有空间放core.img，需要建一个专门的分区来放，称为BIOS boot partition，该分区的文件类型为unformatted，flag 为BOIS_grub，该 flag 用于标识core.img所要安装到的分区。若果使用 UEFI 引导，GRUB 读取的是 ESP 分区中的数据，不需要 flag 为 BIOS_grub的分区。

建立 GRUB 引导

使用 grup-install 的教程来安装 GRUB 到 SSD 盘。

• 挂载 /boot
  挂载 SSD 的/boot为 PC Ubuntu 的/mnt，因为我们需要将 GRUB 配置文件放入 SSD 的/boot/grub中。

$ sudo mount /dev/sdb2 /mnt

• 安装 GRUB
  执行以下命令：

$ sudo grub-install --target=i386-pc --root-directory=/mnt --recheck --debug /dev/sdb

如果看到以下输出，应该就是成功了：

...
Installation finished. No error reported.

此时/mnt目录下，应该有一个./boot/grub的文件夹：

/mnt/boot/grub ⌚ 20:54:33
$ ls
fonts  grubenv  i386-pc  locale

• 修复/grub位置
  查看下 PC Ubuntu 的/boot,/grub是直接放置在/boot下的:

/boot/grub ⌚ 13:30:33
$ ls
fonts  gfxblacklist.txt  grub.cfg  grubenv  i386-pc  locale  unicode.pf2

而grub-install /dev/sdb安装的 GRUB 是/mnt/boot/grub，其中/mnt是 SSD /dev/sdb2分区，从 SSD 启动 Ubuntu 的话，/dev/sdb2会挂载为/boot，此时 GRUB 的位置是/boot/boot/grub。而当grub-install /dev/dsa安装 GRUB 到 PC Ubuntu 启动磁盘时，生成的/grub是在/boot/grub。grub-install的处理逻辑应该是先判断/boot路径是否存在，没有就新建。
所以，要将/mnt/boot/grub移动到/mnt/grub：

$ sudo mv /mnt/boot/grub /mnt/grub

GRUB 引导修复类型

启动电脑后，当 GRUB 无法按照boot.img --> core.img --> /boot/grub/顺序执行时，会看到命令行界面，等待用户输入命令。此时可以通过输入 GRUB 内置的命令来修复 GRUB 引导。

boot.img是写在 MBR 中的，如果不能执行，直接跟 GRUB 引导方式说再见了，所以执行boot.img一般没问题。boot.img不能识别任何文件系统，core.img的位置是硬编码进boot.img的，所以执行boot.img一般没问题。因此，常见的引导问题集中在/boot/grub/，主要有两种，对应有两种引导修复模式：

• GRUB Rescue 模式
  GRUB Rescue 模式是 GRUB 无法找到/boot分区，也就无法找到/boot/grub/。修复方法可以参考：grub rescue 模式下修复。

• GRUB Normal 模式
  GRUB Normal 模式是 GRUB 无法找到 GRUB 菜单grub.cfg，无法选择合适的内核或系统来启动。修复方法可以参考：Boot GNU/Linux from GRUB。

数据复制

该步骤是把 PC 硬盘中几个 Linux 分区的数据拷贝到 SSD 上对应的分区。
（注意：PC Ubuntu 和 SSD Ubuntu 都有/、/boot、/home分区，阅读下文时注意辨别，我有时并没有写得很清晰。）

操作方式

操作的套路是先将 SSD 的分区使用mount命令挂载为 PC 的/mnt，使用cp命令复制数据，再用umount命令移出这个分区；对下一个分区做同样操作。

• 挂载和移出操作

// 挂载
$ sudo mount /dev/sdb2 /mnt
// 移出
$ sudo umount /mnt

• 复制操作
  使用cp指令要加-r，-f，-a参数，-r表示递归复制，-f表示强制覆盖，-a表示保留原文件的属性（mode，ownership，tiemstamps等）

$ sudo cp -rf -a source destination

复制/boot分区

SSD Ubuntu 的/boot从 PC Ubuntu 上看为/dev/sdb2，将/dev/sdb2挂载为 PC Ubuntu 的/mnt。安装 GRUB 之后，/mnt已经有/grub这个文件夹和默认的lost+found文件夹。
使用cp将 PC 的/boot中其他文件复制到/mnt。结果类似：

/mnt/ ⌚ 13:56:06
$ ls | sort
abi-4.8.0-36-generic
config-4.8.0-36-generic
grub
initrd.img-4.8.0-36-generic
lost+found
memtest86+.bin
memtest86+.elf
memtest86+_multiboot.bin
System.map-4.8.0-36-generic
vmlinuz-4.8.0-36-generic

复制/分区

SSD Ubuntu 的/分区（根目录）比较特殊：一些子目录挂载了其他分区，并存在“伪目录”，不同子目录有特定的用途。

所以复制/分区是有选择性的，不区分子目录进行复制，可能会提示“权限问题”、“无法访问”等错误。

• 不需要复制的目录

• /boot,/home，/mnt挂载了其他分区

• /media /cdrom 挂载可移除的媒体（cdrom 等）

• /swap交换分区（不需要交换分区了）

• 需要复制的目录
  主要参考: Linux操作系统备份之二

• /bin 系统可执行文件

• /etc 系统核心配置文件

• /opt 用户程序文件

• /root root用户主目录

• /sbin 系统可执行文件

• /usr 程序安装目录

• /var 系统运行目录

• 需要手动创建的目录
  在/mnt中需要给 SSD 的/创建几个空目录。

• /dev 主要存放与设备（包括外设）有关的文件

• /proc 正在运行的内核信息映射

• /sys 硬件设备的驱动程序信息

这几个目录是 Linux 内核启动后由内核来挂载并存放信息的，不能从运行中的 PC Ubuntu 复制过去，但是需要建立空目录，不然内核启动后会报类似错误：

mount: mount point /dev does not exist

创建命令：

$ sudo mkdir dev proc sys

• 操作策略
• 每个目录单独执行复制命令，出错了好处理。

复制/home分区

挂载 SSD Ubuntu/home到 PC Ubuntu /mnt，然后全盘复制：

$ sudo mount /dev/sdb4 /mnt
$ sudo cp -rf -a /home/* /mnt

挂载/home和/boot分区

SSD Ubuntu 的/home和/boot需要挂载到/，挂载方法为：修改/ect/fstab。

• 挂载/dev/sda3为 PC Ubuntu /mnt
• 使用blkid查看 SSD 各分区的 UUID

$ sudo blkid
...
/dev/sdb3 UUID="a5eb2b0c-2104-4afe-aa78-93396d3e0986" TYPE="ext4" PARTUUID="b2708ce0-07"
...

• 修改 SSD Ubuntu 的fstab文件

$ sudo vim /mnt/etc/fatab

fstab文件大概是这样子的：

# /etc/fstab: static file system information.
#
# Use 'blkid' to print the universally unique identifier for a
# device; this may be used with UUID= as a more robust way to name devices
# that works even if disks are added and removed. See fstab(5).
#
# <file system> <mount point>   <type>  <options>       <dump>  <pass>
# / was on /dev/sda3 during installation
UUID=a5eb2b0c-2104-4afe-aa78-93396d3e0986 /               ext4    errors=remount-ro 0       1
#
# /boot was on /dev/sda2 during installation
UUID=8cba10c6-dff2-4300-a630-ab0e7a4782af /boot           ext4    defaults        0       2
#
# /home was on /dev/sda4 during installation
UUID=298ba5ad-d306-4b4a-aaa8-54312590dec6 /home           ext4    defaults        0       2

GRUB 引导修复

将 SSD 通过 USB 插入到笔记本，开机，选择从 USB 启动。此时应该会是看到类似下图的画面。

说明已经进入到 GRUB 引导程序中，但是没有 GRUB 启动选项，无法继续引导了。距离成功仅剩一步：修复 GRUB 引导。

指定内核启动

• 指定/boot分区和/grub位置（好像不需要这步，GRUB Rescue 才需要）

// grub> root=hd0,gpt2
// grub> prefix=(hd0,gpt2)/grub
grub> set root=hd0,gpt2
grub> set prefix=(hd0,gpt2)/grub

• 设置启动的 Linux 内核

grub> linux /vmlinuz-4.8.0-36-generic ro root=/dev/sda2

• 设置虚拟内存

grub> initrd /initrd.img-4.8.0-36-generic

• 启动 SSD Ubuntu

grub> boot

到这一步应该可以启动 SSD 的 Ubuntu，但是下次重新开机，又需要手动指定内核才能启动，通过在 SSD Ubuntu 中重建 GRUB 引导可以解决该问题。

重建 GRUB 引导

从 SSD 开启 Ubuntu 成功后，执行以下命令：

$ sudo update-grub
$ sudo grub-install /dev/dsa

以上命令更新了 GRUB 可引导的系统/内核列表：/boot/grub/grub.cf，并重新安装了 GRUB。可以参考：Grub2/Installing。

笔记本下次开机，就能看到类似画面：

完成

将 SSD 放入笔记本内置硬盘位，将旧的 HDD 放到光驱位置，开机，完成！（撒花）！

结语

总共花了三天时间搞定这个事情，整理出文章花了N天，查看了很多资料，对计算机开机引导，硬盘分区和 GRUB 算是比较了解了。
现在笔记本有了 SSD + HDD，下一步可能会实践双硬盘的数据备份。
最后放上 HDD 凌乱的分区图，纪念这几年装机折腾的日子。折腾中总有收获。

Refenrences

• UEFI是什么？与BIOS的区别在哪里

http://www.ihacksoft.com/uefi.html
[UEFI是什么？与BIOS的区别在哪里]:http://www.ihacksoft.com/uefi.html

• Linux：系统启动引导过程

http://zhaodedong.leanote.com/post/Linux%EF%BC%9A%E7%B3%BB%E7%BB%9F%E5%90%AF%E5%8A%A8%E5%BC%95%E5%AF%BC%E8%BF%87%E7%A8%8B

• What’s the Difference Between GPT and MBR When Partitioning a Drive

http://www.howtogeek.com/193669/whats-the-difference-between-gpt-and-mbr-when-partitioning-a-drive/
[What’s the Difference Between GPT and MBR When Partitioning a Drive]:http://www.howtogeek.com/193669/whats-the-difference-between-gpt-and-mbr-when-partitioning-a-drive/

• 6 Stages of Linux Boot Process (Startup Sequence)

http://www.thegeekstuff.com/2011/02/Linux-boot-process/

• GRUB2 中文介绍

https://my.oschina.net/guol/blog/37373
[GRUB2 中文介绍]:https://my.oschina.net/guol/blog/37373

END