Загрузчик операционной системы

Загрузчик операционной системы — системное программное обеспечение, обеспечивающее загрузку операционной системы непосредственно после включения компьютера (процедуры POST) и начальной загрузки.

Загрузчик операционной системы:

• обеспечивает необходимые средства для диалога с пользователем компьютера (например, загрузчик позволяет выбрать операционную систему для загрузки);
• приводит аппаратуру компьютера в состояние, необходимое для старта ядра операционной системы (например, на не-x86 архитектурах перед запуском ядра загрузчик должен правильно настроить виртуальную память);
• загружает ядро операционной системы (Ntoskrnl.exe в случае MS Windows) в ОЗУ. Загрузка ядра операционной системы не обязательно происходит с жесткого диска. Загрузчик может получать ядро по сети. Ядро может храниться в ПЗУ или загружаться через последовательные интерфейсы (это может пригодиться на ранней стадии отладки создаваемой компьютерной системы);
• формирует параметры, передаваемые ядру операционной системы (например, ядру Linux передаются параметры, указывающие способ подключения корневой файловой системы);
• передаёт управление ядру операционной системы.

На компьютерах архитектуры IBM PC запуск загрузчика осуществляется программным обеспечением BIOS, записанной в ПЗУ компьютера, после успешного окончания процедуры POST. Опишем процедуру, с помощью которой происходит загрузка с НЖМД IBM PC: BIOS производит чтение 512 байт первого сектора НЖМД (MBR) в ОЗУ по адресу 0x00007C00 (0x07C0:0x0000 в формате реального режима), затем прочитанному коду передаётся управление. Этот код читает и анализирует таблицу разделов жёсткого диска, а затем, в зависимости от вида загрузчика, либо передаёт управление загрузочному коду активного раздела жёсткого диска (см. Начальная загрузка компьютера), либо самостоятельно загружает ядро с диска (например, сетевого или съёмного) в оперативную память и передаёт ему управление. Первоначально загрузчик работает в режиме реальной адресации при отключенной адресной линии A20, что создает определенные трудности при написании загрузчиков.

Все, что вы хотели знать про загрузку Windows, загрузчики и восстановление загрузки ОС

В этой статье я не планирую подробно рассказывать обо всех типах загрузчиков, но хочу свести воедино всю необходимую информацию, которую нужно знать для создания загрузочных дисков, флэшек, а также для восстановления загрузчиков.

Принципы загрузки операционных систем

При включении компьютера управление процессором получает BIOS, и если он настроен на загрузку (boot) с винчестера, то он подгружает в оперативную память компьютера первый сектор диска (MBR) и передает управление ему. Если у вас несколько жестких дисков, то каждый из них содержит свою MBR. В этом случае можно или менять порядок загрузки дисков в BIOS, или же прописать все операционные системы с разных дисков в один PBR загрузчик, об этом ниже.

Сразу оговоримся, что если у BIOS у вас включен режим загрузки UEFI, то структура разделов диска у вас должна быть не MBR, а GPT. GPT имеет не только другую структуру разделов, но и другую структуру загрузочной области. Там в первый сектор записывается «заглушка» для BIOS (Protective MBR), которая служит для того, чтобы старый Legacy BIOS мог загрузиться с GPT диска в режиме совместимости, если ОС была установлена на GPT (часто в BIOS его называют CSM – Compatibility Support Module). Однако, вы никогда не сможете загрузить ОС с MBR диска, если в BIOS выставлена загрузка в режиме UEFI.

При загрузке операционной системы, сначала считывается первый сектор с устройства загрузки, представляющий собой главную загрузочную запись (Master Boot Record — MBR). Стандартно, в качестве MBR выступает первый сектор загрузочного диска. MBR содержит список разделов, признак активного раздела (раздела, с которого будет выполняться загрузка ОС), некоторые служебные данные, а также программный код для считывания в память загрузочного сектора активного раздела (Partition Boot Record — PBR) и передачи ему управления.

Размер сектора на жестком диске — 512 байт. В секторе MBR хранятся данные, которые должны заканчиваться специальной сигнатурой. Этим словом называется специальная, строго установленная, последовательность из 2 байт с шестнадцатеричными значениями 55h AAh, которая записывается в последние 2 байта сектора и соответственно имеет смещение от начала сектора 1FEh. Если хотя бы один из двух последних байтов отличается по значению, считается, что первый сектор не является MBR и не содержит осмысленной информации. Если компьютер при старте, прочитав первый сектор, не обнаружит правильной сигнатуры, он не будет передавать управление располагающемуся там коду, даже если он правильный, а выдаст сообщение о том, что главная загрузочная запись не найдена.

Общая структура MBR может быть представлена следующей таблицей:

Смещение Длина Описание

000h 446 Код загрузчика

1BEh 64 Таблица разделов

1CEh 16 Раздел 2

1DEh 16 Раздел 3

1EEh 16 Раздел 4

1FEh 2 Сигнатура (55h AAh)

Длина указана в байтах.

Как видно, MBR может содержать информацию максимум о 4 разделах. Каждый 16-байтовый блок, содержащий информацию о разделах, в своем начале содержит признак активности раздела — т.е. признак того, что операционную систему следует загружать именно из этого раздела — может иметь значения 80h (раздел активен) и 00h (раздел не активен). Количество активных разделов должно быть не более одного.

Шестнадцатеричный однобайтовый код далее указывает на тип (ID) раздела. Например, 07h – раздел типа NTFS, 0Bh – FAT32, 17h – скрытый NTFS раздел, 27h – системный скрытый NTFS раздел для восстановления системы.

Типы MBR

Выше мы увидели, что в сектор MBR записывается код загрузчика. Что же это? Дело в том, что в MBR может быть записан как «стандартный» загрузчик, так и альтернативные загрузчики.

Существуют следующие распространенные типы MBR:

• Windows NT версий 5.х и 6.x, занимает 1 сектор. Может загружать ОС только с первичного активного раздела.
• GRUB4DOS версий 5.х и 6.x – занимает 16 секторов. Представляет собой файл gbldr.mbr. также его можно установить в качестве PBR прямо в раздел.
• GRUB 2.0 – универсальный загрузочный менеджер, занимает 63 сектора. Состоит из файлов boot.img и core.img. Может работать с любыми файловыми системами и загружать ОС как с первичных, так и логических разделов.
• PLoP – занимает 62 сектора и имеет продвинутый интерфейс. Позволяет организовать загрузку с CD/Floppy/USB без поддержки и обращения к BIOS.
• UltraISO USB-HDD – занимает 1 сектор и позволяет выполнять загрузку с внешних USB HDD дисков.

Конечно, с учетом многообразия ОС, существует масса других MBR, но они не так популярны.

Операционные системы дружат только с определёнными типа загрузчиков, однако это не значит, что их нельзя модифицировать для поддержки других ОС. Так, в Windows MBR можно добавить информацию о Linux разделе, но этого недостаточно, чтобы Linux стал грузиться. Для этого также потребуется редактировать и PBR. Однако линуксовый LDLINUX.SYS требует наличия своего микрокода в MBR, чтобы обращаться к нему в процессе загрузки, то есть если у вас загрузочная запись Windows NT MBR, а загрузчик GRUB, то такая схема работать не будет. Виндовсовые загрузчики могут обойтись без наличия соответствующего микрокода в MBR, поэтому они могут грузиться и через GRUB MBR.

Главное, что вам нужно понять, что MBR содержит микрокод, инструкции для процессора, а не файлы. PBR же указывает на загрузчик, который является файлом.

Разнообразие PBR

Мы с вами выяснили, что MBR передает управление на активный раздел с PBR. PBR (Partition Boot Record), так же называют volume boot record (VBR) – это микрокод в начальном секторе раздела диска (часто это сектор 63), который содержит информацию, какой же загрузчик искать.

Существуют следующие загрузчики:

Тип MBR — NT 5.x/6.x, 1 сектор

• io.sys для MS-DOS, Windows 95/98/МЕ
• ntldr для Windows 2000/XP/2003
• bootmgr для Windows Vista/7/8/8.1/10

Тип MBR — Grub4DOS, 18 секторов

Тип MBR — LILO/GRUB и др. линуксовые (к-во секторов зависит от версии и количества файлов)

• ldlinux.sys – основной базовый модуль
• syslinux.sys — для загрузки с FAT, FAT32, NTFS
• isolinux.bin — для загрузки с iso9660
• pxelinux — для загрузки по PXE
• extlinux для загрузки с ext2/ext3/ext4 или btrfs

Как я сказал выше, загрузчик является не загрузочной областью, а бинарным файлом.

• Файлы Windows NTLDR или BOOTMGR должны лежать в корне активного системного раздела и работают они по-разному. Об этом ниже.
• Файл GRLDR используется Grub4DOS также должен лежать в корне партиции, с котрой выполняется загрузка
• Syslinux – универсальный загрузчик, содержащий много модулей и поддерживающий загрузку с файловых систем ext2/¾, FAT, NTFS, CD/DVD дисков, по сети через PXE. Позволяет организовать текстовое или графическое загрузочное меню.
  Чаще всего этот загрузчик используют для запуска Linux с файловых систем FAT/NTFS или же создания мультизагрузочных USB флэшек, позволяющих загружать как Linux-совместимые приложения под DOS, так и Windows PE.

Например, типичные пример создания мультизагрузочной флэшки – Multiboot USB 2k10, создаваемые уважаемыми conty9 & korsak7. Мультизагрузочный диск системного администратора с возможностью загрузки c CD/DVD, флешки, USB-HDD и обычного HDD и состоящий из нескольких Windows PE-сборок, а также DOS версий продуктов компании Acronis – например Acronis True Image (выполнены на Linux-ядре). Именно из-за этого смешанного зоопарка систем и приходится использовать загрузчик Syslinux (хотя можно и Grub4DOS).

В своем арсенале вам необходимо обязательно иметь утилиту BootICE. Уникальная в своём роде утилита для изменения или бэкапа/восстановления MBR (Master Boot Record) или PBR (Partition Boot Record). С BOOTICE, вы можете легко изменять тип MBR/PBR. Поддерживается загрузочные записи: Grub4DOS, SysLinux, PLoP, MS NT52/60… Например, с помощью этой утилиты, вы можете установить Grub4DOS вашим MBR или PBR, установить NTLDR или BOOTMGR к вашему PBR, установить SYSLINUX на PBR, и так далее.

Загрузчик операционной системы

Загрузчик операционной системы — системное программное обеспечение, обеспечивающее загрузку операционной системы непосредственно после включения компьютера.

Загрузчик операционной системы:

• обеспечивает необходимые средства для диалога с пользователем компьютера (например, загрузчик позволяет выбрать операционную систему для загрузки);
• приводит аппаратуру компьютера в состояние, необходимое для старта ядра операционной системы (например, на не-x86 архитектурах перед запуском ядра загрузчик должен правильно настроить виртуальную память);
• загружает ядро операционной системы в ОЗУ. Загрузка ядра операционной системы не обязательно происходит с жесткого диска. Загрузчик может получать ядро по сети. Ядро может храниться в ПЗУ или загружаться через последовательные интерфейсы (это может пригодиться на ранней стадии отладки создаваемой компьютерной системы);
• формирует параметры, передаваемые ядру операционной системы (например, ядру Linux передаются параметры, указывающие способ подключения корневой файловой системы);
• передаёт управление ядру операционной системы.

На компьютерах архитектуры IBM PC запуск загрузчика осуществляется программным обеспечением BIOS, записанной в ПЗУ компьютера, после успешного окончания процедуры POST. Опишем процедуру, с помощью которой происходит загрузка с НЖМД IBM PC: BIOS производит чтение 512 байт первого сектора НЖМД (MBR) в ОЗУ по адресу 0x00007C00 (0x07C0:0x0000 в формате реального режима), затем прочитанному коду передаётся управление. Этот код читает и анализирует таблицу разделов жёсткого диска, а затем, в зависимости от вида загрузчика, либо передаёт управление загрузочному коду активного раздела жёсткого диска, либо самостоятельно загружает ядро с диска в оперативную память и передаёт ему управление. Первоначально загрузчик работает в режиме реальной адресации при отключенной адресной линии A20, что создает определенные трудности при написании загрузчиков.

Определение диспетчера загрузки Windows (BOOTMGR)

Диспетчер загрузки Windows (BOOTMGR) – это небольшая часть программного обеспечения, называемая диспетчером загрузки, которая загружается из загрузочного кода тома диска, который является частью загрузочной записи тома.

BOOTMGR помогает запускать операционную систему Windows 10, Windows 8, Windows 7 или Windows Vista.

BOOTMGR, в конечном итоге, выполняет winload.exe, системный загрузчик, используемый для продолжения процесса загрузки Windows.

Где находится диспетчер загрузки Windows (BOOTMGR)

Данные конфигурации, необходимые для BOOTMGR, можно найти в хранилище данных конфигурации загрузки (BCD), похожей на реестр базе данных, которая заменила файл boot.ini, используемый в более старых версиях Windows, таких как Windows XP.

Сам файл BOOTMGR является одновременно доступным только для чтения и скрытым, и находится в корневой директории раздела, помеченного как Активный в Управлении дисками. На большинстве компьютеров Windows этот раздел помечен как Зарезервированный системой и не имеет буквы диска.

Если у вас нет системного раздела, вероятно, BOOTMGR находится на вашем основном диске, обычно это C:.

Можно ли отключить диспетчер загрузки Windows

Сначала Вам нужно понять, зачем отключать диспетчер загрузки Windows? Говоря по-другому, это может излишне замедлить процесс загрузки, поскольку вам придётся выбирать, какую операционную систему загружать. Если вам не нужно выбирать, с какой операционной системы загружаться, потому что вам всегда нравится запускать одну и ту же, тогда вы можете избежать этого, предварительно выбрав ту, которую вы всегда хотите запускать.

Однако, вы не можете удалить Диспетчер загрузки Windows. Что вы можете сделать, это сократить время ожидания на экране выбора операционной системы. Вы можете сделать это, предварительно выбрав операционную систему, а затем сократив время ожидания, по сути пропустив Windows Boot Manager.

Это достигается с помощью средства настройки системы (msconfig.exe). Вот как это сделать:

Будьте осторожны при использовании инструмента «Конфигурация системы» – вы можете внести ненужные изменения, которые могут привести к ещё большей путанице в будущем.

Откройте Администрирование, которое доступно по ссылке Система и безопасность в «Панели управления».

Если вы не видите ссылку «Система и безопасность» на первой странице панели управления, выберите «Администрирование».

Откройте Конфигурация системы.

Другой вариант открытия Конфигурации системы – использовать команду командного окна. Откройте диалоговое окно «Выполнить» ( Win + R ) или командную строку, а затем введите msconfig.exe и нажмите Enter .

Перейдите на вкладку Загрузка.

Выберите операционную систему, которую вы хотите всегда загружать. Помните, что вы всегда можете изменить это позже, если решите загрузить другую.

Установите время ожидания на минимально возможное время в секундах, которое, вероятно, равно 3.

Нажмите ОК или Применить , чтобы сохранить изменения.

Экран Конфигурации системы может сообщить вам, что, возможно, потребуется перезагрузить компьютер. Безопасно выбрать Выход без перезапуска – вы увидите эффект от этого изменения при следующем перезапуске.

Менеджер загрузки теперь должен быть отключен.

Дополнительная информация о BOOTMGR

Распространенная ошибка запуска в Windows – это ошибка BOOTMGR Is Missing.

BOOTMGR вместе с winload.exe заменяет функции, выполняемые NTLDR в более старых версиях Windows, таких как Windows XP. Также появляется новый загрузчик Windows, winresume.exe.

Если, по крайней мере, установлена одна операционная система Windows и выбран мультизагрузочный сценарий, загрузочный менеджер Windows загружается, считывает и применяет конкретные параметры, которые применяются к операционной системе, установленной для данного конкретного раздела.

Если выбран вариант Legacy, диспетчер загрузки Windows запускает NTLDR и продолжает процесс, как при загрузке любой версии Windows, использующей NTLDR, например Windows XP. Если существует более одной установки Windows, предшествующей Vista, предоставляется другое загрузочное меню (которое создается из содержимого файла boot.ini ), чтобы вы могли выбрать одну из этих операционных систем.

Хранилище данных конфигурации загрузки является более безопасным, чем параметры загрузки, которые были в предыдущих версиях Windows, поскольку оно позволяет пользователям в группе «Администраторы» заблокировать хранилище BCD и выдать определенные права другим пользователям, чтобы определить, какие из них могут управлять параметрами загрузки.