tags: Linux OS GRUB 硬盤分區
背景
2016年雙十一入手了一塊500G的 SSD（Solid State Drive，固態硬盤），打算安裝到自己的筆記本上。筆記本的 HDD（Hard Disk Drive，機械硬盤）已經跑了 Ubuntu16.10 + Win10 雙系統。光驅位的硬盤支架也裝好了，一直虛位以待。工作忙一直拖到了2017年。
公司的 PC 機器也是 Ubuntu16.10，并且安裝的軟件比較齊全，所以計劃將 PC 的 Ubuntu16.10 遷移到 SSD 上，然后在筆記本上運行。
開工準備
- Ubuntu16.10，PC 上安裝，各項遷移步驟運行的環境并作為要遷移到 SSD 的系統。
- Gparted Partition Editor，圖形化的分區工具。
- 外接硬盤盒，通過 USB 線將 SSD 連接到 PC 上。
基礎知識
該章節是計算機啟動和系統加載的一些概念，有助于加深對遷移原理的理解，注重實踐的話可以直接跳過。
總結不一定準確，僅作為個人理解。干貨可以看這篇文章：uefi-boot-how-does-that-actually-work-then
BIOS vs UEFI
BIOS（Basic Input/Output System）和 UEFI（Unified Extensible Firmware Interface ）是不同的計算機啟動固件（Fireware），需要硬件（通常為主板）支持，相互代替的，其中 UEFI 是比較新的方式。
BIOS
經典的啟動固件，會調用磁盤的 MBR，然后由 MBR 中的 loader 繼續加載操作系統。UEFI
UEFI 用來代替 BIOS，并克服 BIOS 的缺點，大多數的 UEFI 固件會提供兼容 BIOS 的啟動方式。區別
可以看這篇文章：[UEFI是什么？與BIOS的區別在哪里?][UEFI是什么？與BIOS的區別在哪里]
MBR vs GPT
MBR 與 GPT 用于存儲硬盤的分區信息，是不同的硬盤分區表類型。
MBR
MBR 表示 MBR 分區表，MBR 分區表在硬盤開頭處存放了特殊的啟動分區，稱為 MBR（Master Boot Record，主啟動記錄），包含 Boot Loader 和硬盤邏輯分區。MBR 支持最大約2T的硬盤，最多能劃分4個主分區，更多分區需要使用拓展分區實現。
（MBR在行文中可以表示MBR 分區表和主啟動記錄兩個意思，注意甄別。）GPT
GPT 表示 GUID（Globally Unique Identifier） 分區表，是 UEFI 規范的一部分，用于替換 MBR 的分區方式。GPT 沒有分區數和分區大小限制。區別
可以看這篇文章：[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（文件系統）是存儲媒介中文件存儲的組織方式。
不同的文件系統類型有不同的速度，靈活性，安全性和占用空間。不同操作系統只支持特定的文件系統類型。
常見的文件系統類型有 FAT16，FAT32，NTFS，EXT3，EXT4，HFS 等。
磁盤發展史
Wikipedia 上有許多關于磁盤的資料，在磁盤分區上，我猜測的發展脈絡是這樣的：
- 磁盤跟內存一樣直接物理尋址去訪問數據；
- 為了方便，建立數據 Index，有了 File System；
- 需要多個分區，搞出了 Partition Tabel。
小結
- BIOS/UEFI 跟 MBR/GPT 是不同層級的，BIOS/UEFI 是 Fireware，MBR/GPT 是分區表。
- 推薦的使用方式： 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.
- 理論上來說是可以組合使用的：
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 通常會要求 UEFI 的啟動方式使用 GPT，不然不給繼續安裝。
SSD 分區
硬盤狀態
使用外接硬盤盒，將 SSD 連接到 PC 機上，先查看硬盤狀態：
$ 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為 PC 上的硬盤，裝有 Ubuntu16.10 + Win7；/dev/sdb為 SSD，當前 SSD 為空盤。
分區策略
- 筆記本是 2011 年的機器，主板啟動引導好像不支持 UEFI，是用 BIOS。
- 考慮 SSD 的拓展性，分區表選擇 GPL，選用的引導方式為 BIOS + GPT。
- 此時安裝 GRUB 引導對分區劃分有要求，具體參考接下文的《GRUB 引導》章節。
-
先上分區結果：
partition-result.png
（注：前文出現的/dev/sdb1，/dev/sdf1和后面可能出現的/dev/sd#1都為同一個分區，因為多次插拔了 SSD ，所以標識一直按字母序遞增）
- 不建立
/swap分區了，因為 Ubuntu17.04也要移除 swap 分區。 -
/dev/sdf1分區，建立 GRUB 引導所需分區，大小為 1M，分區文件類型為unformatted，分區 flag 為bios_grub。 -
/dev/sdf2分區，Linux/boot分區，大小 1G。 -
/dev/sdf3分區，Linux/分區，大小 50G。 -
/dev/sdf4分區，Linux/home分區，大小 300G。
分區操作
分區操作在 Gparted 軟件中完成，命令行fdisk和parted也可以操作，但是我不熟悉。
- 建立分區表
SSD 是一個空磁盤，此時并沒有分區表，所以要先建立分區表。分區表的格式選用 GPT：
- 打開 Gparted，點擊
Device-->Created Partition Table。 - 選擇
partition tabel type為gpt，然后點擊Apply。
create-gpt.png
- 建立 GRUB 所需分區
-
分區大小為1M，分區類型為
unformatted。
bios-grub-partition.png -
在新建的分區上點擊右鍵，選擇
managerFlags，然后選中bios_grub選項。
set-bios-grub-flag.png
- 建立 Linux 系統分區
根據上文<<分區策略>>章節，依次建立其他分區，分區的文件格式選擇ext4。
分區結果：
$ 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 引導
GRUB 是什么
GRUB（Grand Unified Boot loader）是硬盤中的軟件，引導器（loader）的一種。目前主流版本是 GRUB2，可以看 [GRUB2 中文介紹][GRUB2 中文介紹]。
GRUB 用于從多操作系統的計算機中選擇一個系統來啟動，或從系統分區中選擇特殊的內核配置。
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：
如圖：第一個選項和最后一個選項是選擇不同的操作系統；第一個選項和第二個選項是選擇不同的內核配置。
GRUB 位置
其啟動代碼（boot.img）直接安裝在 MBR 中，然后執行 GRUB 內核鏡像（core.img），最后從/boot/grub中讀取配置和其他功能代碼。
BIOS 引導方式中，MBR 分區表和 GPT 分區表的 GRUB 引導文件所放分區不同：
如圖，GRUB 的執行順序為 boot.img --> core.img --> /boot/grub/。
- 在 MBR 分區表中，
boot.img和core.img都在 MBR 中。MBR 雖然只占用一個扇區(512Byte)，但是其所在的磁道是空閑的，不會用于分區，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 分區表中，MBR 為 protected MBR（為兼容 MBR，在硬盤起始位置保留的空間），后面并沒有空間放
core.img，需要建一個專門的分區來放，稱為BIOS boot partition，該分區的文件類型為unformatted，flag 為BOIS_grub，該 flag 用于標識core.img所要安裝到的分區。若果使用 UEFI 引導，GRUB 讀取的是 ESP 分區中的數據，不需要 flag 為BIOS_grub的分區。
建立 GRUB 引導
使用 grup-install 的教程來安裝 GRUB 到 SSD 盤。
- 掛載
/boot
掛載 SSD 的/boot為 PC Ubuntu 的/mnt，因為我們需要將 GRUB 配置文件放入 SSD 的/boot/grub中。
$ sudo mount /dev/sdb2 /mnt
- 安裝 GRUB
執行以下命令：
$ sudo grub-install --target=i386-pc --root-directory=/mnt --recheck --debug /dev/sdb
如果看到以下輸出，應該就是成功了：
...
Installation finished. No error reported.
此時/mnt目錄下，應該有一個./boot/grub的文件夾：
/mnt/boot/grub ? 20:54:33
$ ls
fonts grubenv i386-pc locale
- 修復
/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安裝的 GRUB 是/mnt/boot/grub，其中/mnt是 SSD /dev/sdb2分區，從 SSD 啟動 Ubuntu 的話，/dev/sdb2會掛載為/boot，此時 GRUB 的位置是/boot/boot/grub。而當grub-install /dev/dsa安裝 GRUB 到 PC Ubuntu 啟動磁盤時，生成的/grub是在/boot/grub。grub-install的處理邏輯應該是先判斷/boot路徑是否存在，沒有就新建。
所以，要將/mnt/boot/grub移動到/mnt/grub：
$ sudo mv /mnt/boot/grub /mnt/grub
GRUB 引導修復類型
啟動電腦后，當 GRUB 無法按照boot.img --> core.img --> /boot/grub/順序執行時，會看到命令行界面，等待用戶輸入命令。此時可以通過輸入 GRUB 內置的命令來修復 GRUB 引導。
boot.img是寫在 MBR 中的，如果不能執行，直接跟 GRUB 引導方式說再見了，所以執行boot.img一般沒問題。boot.img不能識別任何文件系統，core.img的位置是硬編碼進boot.img的，所以執行boot.img一般沒問題。因此，常見的引導問題集中在/boot/grub/，主要有兩種，對應有兩種引導修復模式：
GRUB Rescue 模式
GRUB Rescue 模式是 GRUB 無法找到/boot分區，也就無法找到/boot/grub/。修復方法可以參考：grub rescue 模式下修復。GRUB Normal 模式
GRUB Normal 模式是 GRUB 無法找到 GRUB 菜單grub.cfg，無法選擇合適的內核或系統來啟動。修復方法可以參考：Boot GNU/Linux from GRUB。
數據復制
該步驟是把 PC 硬盤中幾個 Linux 分區的數據拷貝到 SSD 上對應的分區。
（注意：PC Ubuntu 和 SSD Ubuntu 都有/、/boot、/home分區，閱讀下文時注意辨別，我有時并沒有寫得很清晰。）
操作方式
操作的套路是先將 SSD 的分區使用mount命令掛載為 PC 的/mnt，使用cp命令復制數據，再用umount命令移出這個分區；對下一個分區做同樣操作。
- 掛載和移出操作
// 掛載
$ sudo mount /dev/sdb2 /mnt
// 移出
$ sudo umount /mnt
- 復制操作
使用cp指令要加-r，-f，-a參數，-r表示遞歸復制，-f表示強制覆蓋，-a表示保留原文件的屬性（mode，ownership，tiemstamps等）
$ sudo cp -rf -a source destination
復制/boot分區
SSD Ubuntu 的/boot從 PC Ubuntu 上看為/dev/sdb2，將/dev/sdb2掛載為 PC Ubuntu 的/mnt。安裝 GRUB 之后，/mnt已經有/grub這個文件夾和默認的lost+found文件夾。
使用cp將 PC 的/boot中其他文件復制到/mnt。結果類似：
/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
復制/分區
SSD Ubuntu 的/分區（根目錄）比較特殊：一些子目錄掛載了其他分區，并存在“偽目錄”，不同子目錄有特定的用途。
所以復制/分區是有選擇性的，不區分子目錄進行復制，可能會提示“權限問題”、“無法訪問”等錯誤。
不需要復制的目錄
/boot,/home，/mnt掛載了其他分區/media/cdrom掛載可移除的媒體（cdrom 等）/swap交換分區（不需要交換分區了）需要復制的目錄
主要參考: Linux操作系統備份之二/bin系統可執行文件/etc系統核心配置文件/opt用戶程序文件/rootroot用戶主目錄/sbin系統可執行文件/usr程序安裝目錄/var系統運行目錄需要手動創建的目錄
在/mnt中需要給 SSD 的/創建幾個空目錄。/dev主要存放與設備（包括外設）有關的文件/proc正在運行的內核信息映射/sys硬件設備的驅動程序信息
這幾個目錄是 Linux 內核啟動后由內核來掛載并存放信息的，不能從運行中的 PC Ubuntu 復制過去，但是需要建立空目錄，不然內核啟動后會報類似錯誤：
mount: mount point /dev does not exist
創建命令：
$ sudo mkdir dev proc sys
- 操作策略
- 每個目錄單獨執行復制命令，出錯了好處理。
復制/home分區
掛載 SSD Ubuntu/home到 PC Ubuntu /mnt，然后全盤復制：
$ sudo mount /dev/sdb4 /mnt
$ sudo cp -rf -a /home/* /mnt
掛載/home和/boot分區
SSD Ubuntu 的/home和/boot需要掛載到/，掛載方法為：修改/ect/fstab。
- 掛載
/dev/sda3為 PC Ubuntu/mnt - 使用
blkid查看 SSD 各分區的 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文件大概是這樣子的：
# /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 引導修復
將 SSD 通過 USB 插入到筆記本，開機，選擇從 USB 啟動。此時應該會是看到類似下圖的畫面。
說明已經進入到 GRUB 引導程序中，但是沒有 GRUB 啟動選項，無法繼續引導了。距離成功僅剩一步：修復 GRUB 引導。
指定內核啟動
- 指定
/boot分區和/grub位置（好像不需要這步，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
- 設置啟動的 Linux 內核
grub> linux /vmlinuz-4.8.0-36-generic ro root=/dev/sda2
- 設置虛擬內存
grub> initrd /initrd.img-4.8.0-36-generic
- 啟動 SSD Ubuntu
grub> boot
到這一步應該可以啟動 SSD 的 Ubuntu，但是下次重新開機，又需要手動指定內核才能啟動，通過在 SSD Ubuntu 中重建 GRUB 引導可以解決該問題。
重建 GRUB 引導
從 SSD 開啟 Ubuntu 成功后，執行以下命令：
$ sudo update-grub
$ sudo grub-install /dev/dsa
以上命令更新了 GRUB 可引導的系統/內核列表：/boot/grub/grub.cf，并重新安裝了 GRUB。可以參考：Grub2/Installing。
筆記本下次開機，就能看到類似畫面：
完成
將 SSD 放入筆記本內置硬盤位，將舊的 HDD 放到光驅位置，開機，完成！（撒花）！
結語
總共花了三天時間搞定這個事情，整理出文章花了N天，查看了很多資料，對計算機開機引導，硬盤分區和 GRUB 算是比較了解了。
現在筆記本有了 SSD + HDD，下一步可能會實踐雙硬盤的數據備份。
最后放上 HDD 凌亂的分區圖，紀念這幾年裝機折騰的日子。折騰中總有收獲。
Refenrences
- UEFI是什么？與BIOS的區別在哪里
http://www.ihacksoft.com/uefi.html
[UEFI是什么？與BIOS的區別在哪里]:http://www.ihacksoft.com/uefi.html
- Linux：系統啟動引導過程
- 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)
- GRUB2 中文介紹
https://my.oschina.net/guol/blog/37373
[GRUB2 中文介紹]:https://my.oschina.net/guol/blog/37373
