Этапы загрузки операционных систем

Давным-давно, когда я был маленьким работал в институтской лаборатории на большом компьютере СМ-3 (что-то вроде знаменитой PDP-11), bootstrapping (загрузка) ЭВМ выглядела так. В фотосчитыватель заправлялась коротенькая бумажная перфолента с пробитой на ней программой начальной загрузки, запускался процесс считывания, а дальше … как повезет.

Дело в том, что бумажная ленточка постепенно изнашивалась, начинала плохо читаться, и ЭВМ могла с первого раза «не завестись». В этом случае процесс нужно было повторять, порой несколько раз, до победного конца. Когда ленточка окончательно выходила из строя и машина никак не хотела «оживать», приходилось временно вводить программу начальной загрузки вручную при помощи расположенных на передней панели переключателей. Тут, главное, было не торопиться и не делать ошибок.

В современных компьютерах процесс загрузки большей частью автоматизирован, однако это не означает, что он не заслуживает того, чтобы с ним познакомиться.

Основные определения и этапы загрузки операционной системы

Включение компьютера, POST, BootMonitor

Начальный этап загрузки операционной системы после включения компьютера начинается в BIOS (Basic Input/Output System — базовая система ввода-вывода). В настройках BIOS мы указываем загрузочное устройство, или ряд загрузочных устройств в порядке их приоритета. Возможны различные варианты загрузки и их комбинации: с жесткого диска, CD/DVD – диска, USB-flash и другие.

Сразу после прохождения POST (Power-On Self-Test — самотестирование после включения) BIOS компьютера начнет поочередно перебирать указанные загрузочные устройства до тех пор, пока на одном из них не найдет подходящую специальную запись, в которой содержится информация о дальнейших действиях.

Загрузчик 1-го уровня. Master Boot Record

Master Boot Record — главная загрузочная запись, расположена в первых физических секторах загрузочных устройств хранения. Она содержит таблицу разделов (Partition Table) и исполняемый код.

Главной задачей программы, записанной в MBR, является поиск активного системного раздела диска и передача управления его загрузочному сектору. Таким образом, эту стадию можно назвать подготовительной, в силу того, что непосредственно загрузки самой ОС еще не происходит.

Системным принято называть раздел диска (устройства хранения) на котором расположены файлы операционной системы, отвечающие за процесс загрузки ОС (сама операционная система может размещаться в другом разделе). В принципе, системных разделов может быть несколько, поэтому один из них отмечается как активный. Именно его ищет программа, загруженная с MBR.

Загрузчик 2-го уровня. Partition Boot Sector

Следующим этапом загрузки компьютера является передача управления исполняемому коду, записанному в PBS (Partition Boot Sector — загрузочный сектор активного раздела). PBS расположен в первом секторе (секторах) соответствующего раздела диска. В коде PBS прописано имя файла загрузчика операционной системы, которому и передается управление на этом этапе.

Начальный этап загрузки операционной системы. Менеджер загрузки ОС

Первоначально в Linux загрузчиком являлся LILO (Linux Loader). В силу имевшихся в нем недостатков, главным из которых была неспособность понимать используемые в Linux файловые системы, позднее начал использоваться загрузчик GRUB (GRand Unified Bootloader) в котором недостатки LILO были исправлены.

Если речь идет о версиях Windows до Vista, например, Windows XP, то будет загружен Ntldr. Он, в свою очередь, считывает информацию из текстового файла Boot.ini, в котором записана информация об установленных операционных системах.

Загрузка ядра операционной системы

Завершающим этапом загрузки операционной системы является загрузка ядра ОС и передача ему управления.

Несколько лет назад в моей практике был такой забавный случай.

Меня попросили помочь одному человеку купить и привести в порядок компьютер для дома. Товарищ этот на тот момент времени только-только вышел на пенсию, а до этого работал в должности начальника и компьютер видел, по большей части, издалека, на столе у своей секретарши. После выхода на пенсию у него появилось время и желание компьютер освоить. Ну что, по-моему, замечательно. Компьютер мы ему подобрали недорогой, но добротный и с хорошим, по тем временам, монитором. Я поставил и настроил кое-какие программы, показал как ими пользоваться. Господин обзавелся книжкой из серии «Что-то там для чайников» и мы расстались абсолютно довольные друг другом.

Примерно через неделю мой подопечный позвонил мне по телефону и чуть не плача сообщил, что все пропало и компьютер больше не работает. Благо, запираться он не стал и честно рассказал, как было дело. А дело было так. Товарищ полез исследовать содержимое своего компьютера и нашел в корне диска С:\ несколько подозрительных и «ненужных», на его взгляд, файлов. Он решил освободить место и файлики эти попросту удалил. Думаю, что все уже догадались, что это были boot.ini, ntldr, ntdetect и др. Поправить ситуацию сложности не представляло, разве что пришлось ехать к нему еще раз.

К слову сказать, для того, чтобы получить проблемы с загрузкой Windows XP, можно было и ничего не стирать, а слегка «подправить», например, boot.ini.

Видимо Microsoft как то узнала об этом случае и в следующей версии своей ОС решила припрятать файлы загрузчика получше.

Особенности загрузки операционных систем Windows Vista / 7 / 8

В Windows Vista или Windows 7 / 8 диспетчер загрузки называется Bootmgr. Он читает список установленных операционных систем не из простого текстового файла, коим является boot.ini, а из системного хранилища BCD (Boot Configuration Data), доступ к которому осуществляется посредством специальной утилиты bcdedit.exe .

Но это еще не все. Откроем “Управление компьютером” –> “Управление дисками” >

Процесс стандартной инсталляции операционной системы Windows Vista / 7 / 8 создает в начале диска дополнительный раздел «Зарезервировано системой». Ему не присваивается буква диска, благодаря чему, если не сделать дополнительных шагов, и сам раздел и его содержимое будут скрыты от пользователя. Этот основной раздел имеет статус «Системный» и «Активный» и, следовательно, удалить его тоже нельзя.

В Windows 7 размер такого раздела составляет 100 МБ, из которых занято около 30 МБ, в Windows 8 – уже 350 МБ, причем занято из них 105 МБ. Такая разница объясняется тем, что в Windows 8 на этот раздел перенесена папка “Recovery”.

Посмотрим содержимое раздела «Зарезервировано системой». Для этого назначим ему букву диска, например, «W» в “Управление дисками”. Дополнительно откроем «Панель управления» –> «Параметры папок» и на вкладке «Вид» снимем галку с «Скрывать защищенные системные файлы» и поставим отметку на «Показывать скрытые файлы, папки и диски».

Если в системе установлен файловый менеджер FAR Manager, то для просмотра можно воспользоваться им и не заниматься настройкой видимости скрытых файлов.

Так выглядит содержимое раздела «Зарезервировано системой» в Windows 8 >

Как и ожидалось, в корне раздела мы видим загрузчик Bootmgr.

А так выглядит часть содержимого папки «Boot» >

В папке мы находим базу хранилища данных конфигурации загрузки BCD и сопутствующие ей папки с языковыми файлами и файлами шрифтов.

Для полноты картины осталось сказать о том, какой раздел называется загрузочным. Ответ уже показан на картинке с томами Windows 7. Очевидно, что это раздел, на котором находятся все основные файлы операционной системы.

Ну что же, запомнить названия разделов диска очень легко по принципу «всё наоборот» — на системном нет системы (операционной), но расположен загрузчик третьего уровня, на загрузочном как раз отсутствует загрузчик, но находится сама система . Естественно, эта «запоминалка» работает только тогда, когда есть несколько разделов. Если раздел один, то он может быть сразу системным, активным и загрузочным.

Главной задачей загрузчика 3-го уровня, в роли которого выступает, в зависимости от типа ОС, Bootmgr, Ntldr или GRUB, является чтение с загрузочного диска и загрузка ядра операционной системы. Кроме того, в случае множественной загрузки, когда на компьютере установлено несколько операционных систем, загрузчик 3-го уровня позволяет выбирать нужную при каждом запуске компьютера.

Классической ошибкой, которой Microsoft посвятила отдельную статью, является установка Windows XP после Windows Vista / 7 /8. Установщик Windows XP помечает свой раздел как активный, после чего, во время загрузки, MBR передает управление PBS этого раздела а он, в свою очередь, — Ntldr. Загрузчик Windows XP ничего не знает о более поздних версиях операционных систем Windows и их загрузка становится невозможной. Лечится достаточно легко, но неискушенного пользователя такая ситуация может поставить в тупик.

Добавить к этому практически нечего и можно переходить непосредственно к редактированию загрузочного меню. Начнем с загрузочного меню Windows.

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.