Как происходит загрузка операционной системы

Вкратце процесс загрузки компьютера описан в статье «Включение ПК» раздела BIOS. Рассмотрим этот процесс более подробно.

Инициализация системы средствами BIOS

1. Нажатие кнопки включения питания. При включении кнопки Power на элементы материнской платы поступают питающие напряжения; по сигналу Power Good запускается тактовый генератор; на процессор подается сигнал сброса, который устанавливает его в исходное состояние. Начинают работать программы системного BIOS.
2. Проверка BIOS. Контрольная сумма системных программ, находящихся в ПЗУ, находится в одной из ячеек. После запуска контрольная сумма пересчитывается и сравнивается с эталонным значением.
3. Идентификация процессора. Материнская плата предусматривает возможность установки различных моделей процессора. БИОС подает запрос на идентификацию процессора и по полученному ответу определяет тип процессора, частоту, напряжения и проч.
4. Настройка базовых элементов. Инициализируются и тестируются базовые компоненты системной платы: блок прямого доступа к памяти, таймер, блок аппаратных прерываний.
5. Тестирование ОЗУ. Определяется тип модулей памяти, их объем, организация; тестируются первые 64 Кб оперативной памяти.
6. Организация рабочих структур ОЗУ. Выделяется область под БИОС, настраиваются прерывания.
7. Проверка CMOS-памяти и батарейки. При неисправной батарейке CMOS все данные настройки БИОС, находящиеся в памяти теряются. Загрузка последней конфигурации становится невозможной, о чем сообщается на экране монитора. Есть возможность осуществить загрузку стандартных заводских значений БИОС.
8. Инициализация устройств материнской платы. Производится поиск и настройка загрузочных устройств (жесткий диск, привод CD, FDD), средств управления процессом загрузки (клавиатура, мышь), устройств ввода-вывода (COM, LPT). Устройствам выделяются соответствующие линии прерывания.
9. PnP. Идентифицируются устройства, подключенные через системные разъемы. Устройствам выделяются ресурсы и прерывания.
10. Включение видеосистемы. Запускается Video BIOS, который настраивает видеоконтроллер на режим VGA или EGA, которые поддерживают все видеоконтроллеры. После этого видеоконтроллер готов к работе.
11. Выдача сообщения на экран монитора. На экране монитора появляется первое сообщение: фирма-производитель BIOS, тип и частота процессора, тип и объем ОЗУ.
12. Тестирование ОЗУ. Производится выборочная проверка незадействованной оперативной памяти.
13. Инициализация контроллера дисководов.
14. Инициализация контроллера жестких дисков.
15. Инициализация клавиатуры. Включается контроллер клавиатуры, производится тест матрицы контактов, устанавливаются временные параметры опроса клавиш и режим NumLock. Клавиатура готова к работе. На экран выводится сообщение о возможности использования программы BIOS Setup (обычно для этого используется клавиша Del).
16. Поиск устройств с собственным BIOS. Если таковые устройства найдены, то управление передается BIOS-программам этих устройств и происходит их инициализация.
17. Передача управления загрузчику ОС. По программному прерыванию Int 19h на дисковых накопителях ищется загрузчик ОС (Boot Record). Он должен находиться на одном из устройств (HDD, CD, FDD, SCSI). Местоположение загрузчика везде одинаково. После того, как загрузчик ОС найден, управление передается ему.

Загрузка операционной системы

Ядро операционной системы (ОС) загружается в ОЗУ, после чего в памяти системы размещается основная часть ОС.

БИОС производит «грубую» настройку компьютерной системы. Его основная задача — «вдохнуть» жизнь в компьютерное железо, независимо от его конкретной модификации. Новые модели процессоров, материнских плат, чипсетов и прочих устройств выходят чуть ли не ежеквартально. Невозможно в БИОС сразу заложить идентификацию всего этого разнообразия. Да это и не нужно. Основная задача БИОС сделать начальную инициализацию оборудования и запустить работу операционной системы, которая сама производит «тонкую» настройку компьютерных составляющих.

На заре развития персоналок конфигурирование системы требовало от пользователей соответствующей квалификации. Наверняка, пользователи со стажем еще помнят такие файлы, как config.exe и autoexec.bat, которые надо было правильно настроить, чтобы «телега» нормально поехала.

Что поделать, — это была обратная сторона медали открытой архитектуры IBM. За удобство получения компьютера нужной конфигурации надо было платить знаниями по его правильной настройке. Такие неудобства отпугивали неподготовленных пользователей, поэтому, фирмы-производители ПК не могли долго мириться с подобным положением вещей. Производители компьютерной техники и разработчики программного обеспечения постарались максимально снять с потребителя необходимость конфигурирования своего компьютера. Впервые новая процедура настройки системы была применена в ОС Windows — операционная система сама «опрашивала» подключенные устройства и правильно настраивала их:

• определялся перечень устройств, требующих программной настройки;
• подыскивались соответствующие программы для правильной работы таких устройств;
• выполнялась процедура программной инициализации устройств и настройка их на рабочие режимы.

Задача, в общем-то, довольно сложная. Для облегчения ее выполнения производители чипсетов и разработчики ПО согласовали и установили определенные правила механизма начальной загрузки. Теперь компоненты компьютерной системы, требующие инициализации и настройки комплектовались соответствующим программным обеспечением (инициализирующими программами, драйверами, INF-файлами):

• Инициализирующие программы заносят управляющие коды по конкретным адресам (разовая процедура);
• Драйверы — это программы, управляющие работой контроллера соответствующего устройства;
• INF-файл — командный файл, помогающий ОС организовать процедуру настройки конкретного компьютерного блока.

Начальная загрузка Windows ведется под управлением командного файла, который содержит перечень программ и драйверов выполняемых в процессе загрузки ОС. Это, так называемая, «заготовка» командного файла, которая должна в процессе первоначальной установки Windows на компьютер, переделана в рабочую версию, соответственно установленному оборудованию на данном компьютере.

Windows имеет определенный набор универсальных драйверов (который постоянно пополняется с выходом новой версии ОС), позволяющих выполнить настройку всех компонентов системы. Справедливости ради следует сказать, что универсальные драйвера Windows далеко не всегда способны произвести оптимальную настройку того или иного устройства, что снижает производительность и стабильность работы всей компьютерной системы. Поэтому, все устройства поставляются со «своим» установочным ПО (как правило, на CD). При первоначальной установке нового устройства Windows может попросить вас установить в дисковод диск с соответствующими драйверами для правильной настройки нового устройства. Рекомендуется также следить за выходом новой версии драйверов (в которых исправлены ошибки, сделана оптимизация работы и проч.) для чипсета своей материнской платы и регулярно обновлять их.

В начало страницы

В начало страницы

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.