Для нормальной работы компьютера необходимо, чтобы основные модули операционной системы находились в оперативной памяти. Поэтому после включения компьютера организована автоматическая перезапись (загрузка) операционной системы с диска в оперативную память.
Программное обеспечение лучше всего работает, когда оно разделено на уровни, причем каждый уровень выполняет какую-то свою функцию и освобождает другие, более высокие, уровни от заботы о деталях в рамках своего уровня. Исходя из этой философии, операционная система MS-DOS построена по модульному принципу и состоит из следующих составных частей:
Загрузчик операционной системы;
Системные файлы IO.SYS и MSDOS.SYS ;
Драйверы устройств.
Командный процессор MS DOS (файл COMMAND.COM);
Внешние команды MS DOS .
Кроме того, MS-DOS, как и все другие операционные системы для IBM PC , использует встроенное программное обеспечение компьютера, именуемое Базовой Системой Ввода-Вывода (BIOS).
Рассмотрим указанные программные модули в том порядке, в каком они загружаются в оперативную память после включения ПК.
Базовая система ввода-вывода - это самый низкий уровень управления, своего рода интерфейс между аппаратными средствами компьютера и программами. BIOS управляет непосредственно аппаратурой компьютера и избавляет другие программы от знания деталей того, как это делается. Программы BIOS записываются в ПЗУ компьютера фирмой-производителем и осуществляют:
самотестирование компьютера при его включении (программа POST);
инициализацию, т.е. настойку компьютерного оборудования (определяется конфигурация компьютера, устанавливаются необходимые значения некоторых регистров);
выполнение обслуживающих функций и обработку аппаратных прерываний;
загрузку операционной системы, записанной на магнитном диске (программа BOOT).
Сразу после включения компьютера начинает работать программа POST, проверяя работоспособность оперативной памяти и других компонентов компьютера. Затем BIOS производит инициализацию и пытается считать с диска в дисководе А: программу-загрузчик операционной системы, чтобы передать ей управление и продолжить процесс загрузки DOS. При отсутствии необходимых файлов или самого гибкого диска поиск продолжается на жестких дисках С:, D:, Е: и т.д. Если загрузочный (или, иными словами, системный) диск не найден, сообщение об этом выдается на монитор.
Отметим, что после окончания загрузки служебные функции BIOS (например, вывод отдельных байтов на диск или экран дисплея, чтение символа с клавиатуры, чтение показаний часов реального времени и т.п.) вызываются с помощью прерываний. Прерывание - это аппаратный механизм, который заставляет процессор прервать выполнение текущей задачи и заняться обработкой внешнего события. Таким событием может быть сигнал от внешних устройств ввода-вывода, запрос какой-либо программы или случай ошибки (деление на ноль, слишком большое целое число и т.д.).
Загрузчик операционной системы - это очень короткая программа, находящаяся в первом секторе каждой дискеты и жесткого диска (винчестера) с операционной системой MS DOS. Функция этой программы заключается в считывании с загрузочного диска в оперативную память системных файлов DOS.
Системный файл IO.SYS - это расширение BIOS. Этот модуль настраивает операционную систему на конкретную конфигурацию вычислительного комплекса и позволяет подключать новые драйверы к нестандартным устройствам ввода-вывода,
Системный файл MSDOS.SYS - модуль обработки прерываний. В основном он обслуживает файловую систему и распоряжается распределением оперативной памяти.
После считывания загрузчиком системные файлы постоянно находятся в оперативной памяти компьютера, т.е являются резидентными программами.
При успешной загрузке системных файлов программный модуль IO.SYS устанавливает требуемую конфигурацию вычислительной системы. С этой целью он помещает в оперативную память компьютера драйверы внешних устройств.
Драйверы внешних устройств представляют собой отдельные программные файлы, обеспечивающие операции взаимодействия с внешними устройствами. Перечень подключаемых драйверов содержится в файле конфигурации CONFIG.SYS. .
Командный процессор завершает процесс загрузки операционной системы. После того, как управление компьютером передано командному процессору, последний автоматически начинает выполнение специального командного файла - AUTOEXEC.BAT (если такой файл присутствует в корневом каталоге загрузочного диска). В файле AUTOEXEC.BAT указывают команды и программы, выполняемые при каждом запуске компьютера. С помощью этого файла можно произвести настройку параметров операционной среды. Например, создать виртуальный диск, обеспечить смену режимов печати, загрузить вспомогательные программы и т.д.
Файлы с расширением.ВАТ играют при работе в системной среде особую роль. Они содержат совокупность команд операционной системы или имен исполняемых файлов. После запуска файла с расширением.ВАТ все записанные в нем команды выполняются автоматически одна за другой.
Если файл AUTOEXEC.BAT не найден в корневом каталоге диска, с которого загружается операционная система, то MS DOS запрашивает у пользователя текущую дату и время.
После выполнения файла AUTOEXEC.BAT процесс загрузки операционной системы заканчивается. Командный процессор выдает приглашение, показывающее, что MS-DOS готова к приему команд. Приглашение обычно имеет вид А:\> или, например,С:\>, если загрузка производилась с жесткого диска.
Вкратце процесс загрузки компьютера описан в статье "Включение ПК" раздела BIOS. Рассмотрим этот процесс более подробно.
Инициализация системы средствами BIOS
- 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.
- Проверка BIOS. Контрольная сумма системных программ, находящихся в ПЗУ, находится в одной из ячеек. После запуска контрольная сумма пересчитывается и сравнивается с эталонным значением.
- 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.
- Настройка базовых элементов. Инициализируются и тестируются базовые компоненты системной платы: блок прямого доступа к памяти, таймер, блок аппаратных прерываний.
- Тестирование ОЗУ. Определяется тип модулей памяти, их объем, организация; тестируются первые 64 Кб оперативной памяти.
- Организация рабочих структур ОЗУ. Выделяется область под БИОС, настраиваются прерывания.
- 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.
- 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 .
- PnP. Идентифицируются устройства, подключенные через системные разъемы. Устройствам выделяются ресурсы и прерывания.
- Включение видеосистемы. Запускается Video BIOS, который настраивает видеоконтроллер на режим VGA или EGA, которые поддерживают все видеоконтроллеры. После этого видеоконтроллер готов к работе.
- Выдача сообщения на экран монитора. На экране монитора появляется первое сообщение: фирма-производитель BIOS, тип и частота процессора, тип и объем ОЗУ.
- Тестирование ОЗУ. Производится выборочная проверка незадействованной оперативной памяти.
- Инициализация контроллера дисководов.
- Инициализация контроллера жестких дисков.
- 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).
- Поиск устройств с собственным BIOS. Если таковые устройства найдены, то управление передается BIOS-программам этих устройств и происходит их инициализация.
- 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.
login , регистрирующая пользователей в системе, запускается только тогда, когда сама система уже приведена в полную готовность и работает в обычном режиме. Происходит это далеко не сразу после включения компьютера: Linux - довольно сложная система, объекты которой попадают в оперативную - процесс ступенчатый: поведение компьютера на различных этапах загрузки определяется разными людьми - от разработчиков аппаратной составляющей до системного администратора. Предъявляемые к системе требования гибкости, возможности изменять ее настройку в зависимости от аппаратной составляющей, необходимость решать разные задачи с помощью одного и того же компьютера тоже делают процесс загрузки ступенчатым: сначала определяется профиль будущей системы, а затем этот профиль реализуется .Начальный этап вообще не зависит от того, какая операционная система установлена на компьютере, для некоторых этапов в каждой операционной системе предлагаются свои решения - по большей части, взаимозаменяемые. Эту стадию (начальную) назовем досистемной загрузкой . Начиная с определенного этапа, загрузка компьютера уже управляется самой Linux, используются утилиты, сценарии и т.п. Эту стадию (завершающую) назовем системной загрузкой .
Загрузчик в ПЗУ
Сразу после включения оперативная память компьютера классической архитектуры девственно чиста. Для того чтобы начать работать, процессору необходима хоть какая-то программа. Эта программа автоматически загружается в память из постоянного запоминающего устройства , ПЗУ (или ROM, read-only memory), в которое она вписана раз и навсегда в неизменном виде 1Современные компьютеры используют программируемые ПЗУ , содержимое которых можно изменять, однако такое изменение всегда считается ситуацией нештатной: например, запись новой версии содержимого ПЗУ , в которой исправлены ошибки (upgrade). . В специализированных компьютерах (например, в дешевых игровых приставках) все, что нужно пользователю, записывается именно на
Обычно в компьютерах общего назначения программа из ПЗУ пользователю ничем полезна не бывает: она невелика, да и делает всегда одно и то же. Слегка изменить поведение программы из ПЗУ можно, оперируя данными, записанными в энергонезависимую память (иногда ее называют CMOS, иногда - NVRAM ). Объем энергонезависимой памяти очень невелик, а данные из нее сохраняются после выключения компьютера за счет автономного электропитания (как правило, от батарейки вроде часовой).
Что должна уметь эта начальная программа? Распознавать основные устройства, на которых может быть записана другая - нужная пользователю - программа, уметь загружать эту программу в память и передавать ей выполнение, а также поддерживать интерфейс, позволяющий менять настройки в NVRAM . Собственно, это даже не одна программа, а множество подпрограмм , занимающихся взаимодействием с разнообразными устройствами ввода-вывода - как с теми, на которых могут храниться программы (жесткие и гибкие диски, магнитные ленты и даже сетевые карты), так и теми, посредством которых можно общаться с пользователем (последовательные порты передачи данных - если есть возможность подключить консольный терминал, системная клавиатура и видеокарта - для простых персональных рабочих станций). Этот набор подпрограмм в ПЗУ обычно называется BIOS (basic input-output system).
BIOS . Сокращение от "Basic Input-Output System", набор подпрограмм в ПЗУ , предназначенных для простейшего низкоуровневого доступа к внешним устройствам компьютера. В современных ОС используется только в процессе начальной загрузки.
Этот этап загрузки системы можно назвать нулевым , так как ни от какой системы он не зависит. Его задача - определить (возможно, с помощью пользователя), с какого устройства будет идти загрузка, загрузить оттуда специальную программу- загрузчик и запустить ее. Например, выяснить, что устройство для загрузки - жесткий диск, считать самый первый сектор этого диска и передать управление программе, которая находится в считанной области.
Загрузочный сектор и первичный загрузчик
Чаще всего размер первичного дискового загрузчика - программы, которой передается управление после нулевого этапа, - весьма невелик. Это связано с требованиями универсальности подобного рода программ. Считывать данные с диска можно секторами , размер которых различается для разных типов дисковых устройств (от половины килобайта до восьми или даже больше). Кроме того, если считать один, первый, сектор диска можно всегда одним и тем же способом, то команды чтения нескольких секторов на разных устройствах могут выглядеть по-разному. Поэтому-то первичный загрузчик занимает обычно не более одного сектора в самом начале диска, в его загрузочном секторе .
Если бы первичный загрузчик был побольше, он, наверное, и сам мог бы разобраться, где находится ядро операционной системы , и смог бы самостоятельно считать его, разместить в памяти, настроить и передать ему управление. Однако ядро операционной системы имеет довольно сложную структуру - а значит, и непростой способ загрузки; оно может быть довольно большим, и, что неприятнее всего, может располагаться неизвестно где на диске, подчиняясь законам файловой системы (например, состоять из нескольких частей, разбросанных по диску). Учесть все это первичный загрузчик не в силах. Его задача скромнее: определить, где на диске находится "большой" вторичный загрузчик , загрузить и запустить его. Вторичный загрузчик прост, и его можно положить в заранее определенное место диска, или, на худой конец, положить в заранее определенное место карту размещения , описывающую, где именно искать его части (размер вторичного загрузчика ограничен, поэтому построить такую карту возможно).
Карта размещения . Представление области с необходимыми данными (например, вторичным загрузчиком или ядром системы) в виде списка секторов диска, которые она занимает.
В случае IBM-совместимого компьютера размер загрузочного сектора составляет всего 512 байтов , из которых далеко не все приходятся на программную область. Загрузочный сектор IBM PC, называемый MBR ( master boot record ), содержит также таблицу разбиения диска , структура которой описана в лекции 11. Понятно, что программа такого размера не может похвастаться разнообразием функций. Стандартный для многих систем загрузочный сектор может только считать таблицу разбиения диска , определить так называемый загрузочный раздел ( active partition ) и загрузить программу, расположенную в начале этого раздела . Для каждого типа диска может быть своя программная часть MBR , что позволяет считывать данные из любого места диска, сообразуясь с его типом и геометрией. Однако считывать можно все же не более одного сектора: неизвестно, для чего используются установленной на этом разделе операционной системой второй и последующие сектора. Выходит, что стандартная программная часть MBR - это некий предзагрузчик , который считывает и запускает настоящий первичный загрузчик из первого сектора загрузочного раздела .
Существуют версии предзагрузчика , предоставляющие пользователю возможность самостоятельно выбрать , с какого из разделов выполнять загрузку 2Например, BOOTACTV из пакета pfdisk или стандартный для FreeBSD предзагрузчик boot0 , которые, в силу их досистемности , можно применять где угодно. . Это позволяет для каждой из установленных операционных систем хранить собственный первичный загрузчик в начале раздела и свободно выбирать среди них. В стандартной схеме загрузки Linux используется иной подход: простой первичный загрузчик записывается прямо в MBR , а функция выбора передается вторичному загрузчику .
Первичный загрузчик . Первая стадия загрузки компьютера: программа, размер и возможности которой зависят от аппаратных требований и функций BIOS . Основная задача - загрузить вторичный загрузчик .
Загрузчик ядра
В задачу операционной системы . Как правило, ядро системы записывается в файл с определенным именем. Но как вторичному загрузчику прочитать файл с ядром , если в Linux эта операция и есть функция ядра ? Эта задача может быть решена тремя способами.
Во-первых, ядро может и не быть файлом на диске. Если загрузка происходит по сети, достаточно попросить у сервера "файл с таким-то именем", и в ответ придет цельная последовательность данных, содержащая запрошенное ядро . Все файловые операции выполнит сервер, на котором система уже загружена и работает. В других случаях ядро "загоняют" в специально выделенный под это раздел, где оно лежит уже не в виде файла, а таким же непрерывным куском, размер и местоположение которого известны. Однако в Linux так поступать не принято, так как места для специального раздела на диске, скажем, IBM-совместимого компьютера может и не найтись.
Во-вторых, можно воспользоваться описанной выше картой размещения : представить ядро в виде набора секторов на диске, записать этот набор в заранее определенное место, а загрузчик заставить собирать ядро из кусков по карте . Использование карты размещения имеет два существенных недостатка: ее создание возможно только под управлением уже загруженной системы, а изменение ядра должно обязательно сопровождаться изменением карты . Если по какой-то причине система не загружается ни в одной из заранее спланированных конфигураций, единственная возможность поправить дело - загрузиться с внешнего носителя (например, с лазерного диска). А система может не загружаться именно потому, что администратор забыл после изменения ядра пересобрать карту : в карте указан список секторов, соответствовавших старому файлу с ядром , и после удаления старого файла в этих секторах может содержаться какой угодно "мусор".
В-третьих, можно научить вторичный загрузчик распознавать структуру файловых систем и находить там файлы по имени. Это заметно увеличит его размер и потребует "удвоения функций" - ведь точно такое же, даже более мощное, распознавание будет и в самом
В данной статье я поэтапно опишу процесс загрузки операционных систем Windows XP, Vista и Seven. Хотя этот вопрос рассматривается в сети достаточно часто, не затронуть его я не могу. Подобная информация бывает очень полезна при диагностировании неисправности и восстановления работоспособности “умершей” ОСи.
Сегодня мы рассмотрим:
- Старт BIOS;
- Загрузку Windows XP;
- Загрузку Windows Vista/7.
Загрузка BIOS
BIOS - это набор микропрограмм, записанных в ПЗУ компьютера и служащих для инициализации устройств на материнской плате, их проверки и настройки, загрузки операционной системы.
При включении компьютера BIOS проверяет “железо” и если есть проблемы, то информирует нас звуковыми сигналами (набор длинных и коротких гудков). Вот таблица звуковых сигналов BIOS:
Сигналы AMI
| Сигнал | Возможная неисправность |
|---|---|
| Отсутствует | Неисправен блок питания |
| 2к | Ошибка четности ОЗУ |
| 3к | Ошибка в первых 64 кБ ОЗУ |
| 4к | Неисправность системного таймера |
| 5к | Неисправен CPU |
| 6к | Неисправен контроллер клавиатуры |
| 7к | Неисправна системная плата |
| 8к | Неисправна память видеокарты |
| 9к | Ошибка контрольной суммы BIOS |
| 10к | Невозможна запись в CMOS |
| 11к | Неисправен кэш на системной плате |
| 1д+2к | Неисправна видеокарта |
| 1д+3к | Неисправна видеокарта |
| 1д+8к | Не подключен монитор |
Сигналы AWARD
Если загрузка прервалась на этом этапе, то по сигналу находим вышедшую из строя деталь и заменяем. В случаях с оперативной памятью и видеокартами иногда помогает их извлечение и очистка контактов от пыли.
После проверки BIOS считывает настройки из CMOS и в соответствии с мини стартует загрузчик с указанного носителя (CD, HDD, Flash карта). Если загрузка производится с жёсткого диска, то система считывает первые 512 байт Master Boot Record (MBR) и передаёт ему управление.
Если MBR не найден, то загрузка останавливается. Восстановить MBR можно с помощью консоли восстановления Windows (Recovery Console) командой fixmbr.
Процесс загрузки Windows XP
Загрузкой Windows управляет NTLDR, который состоит из двух частей - первый StartUp переводит процессор в защищённый режим и стартует загрузчик ОС. Загрузчик содержит в себе основные функции для работы с дисками отформатированными в FAT*, NTFS и CDFS системы. Загрузчик считывает содержимое boot.ini и, в соответствии с его содержимым (количество ОС, диски на котором установленны и т.п.), продолжает загрузку. Если Windows была переведена в состояние гибернации, то NTLDR загружает в память компьютера файл hiberfil.sys и передаёт управление в ядро Windows. Если вы завершили работу компьютера простым выключением/перезагрузкой, то NTLDR загружает DOS’овский файл NTDETECT.COM, который строит список аппаратного обеспечения и загружает саму операционную систему Windows.
Если файл NTLDR удалён/перемещён/повреждён, то система не загрузится и выведет сообщение “NTLDR is missing. Press CTRL+ALT+DEL to restart“. Решить эту проблему можно в консоли восстановления Windows (Recovery Console) командой fixboot или скопировав NTLDR с рабочей системы в корень диска.
Перед загрузкой ядра, NTLDR выводит на экран опции запуска (Если была нажата клавиша F8, или работа системы была завершена аварийно). После выбора параметров запуска, стартует ядро системы - ntoskrnl.exe (мы видим анимацию из белых прямоугольников на чёрном экране). Далее загружается тип абстрактного уровня аппаратного обеспечения - HALL.DLL. Это нужно, чтобы ядро могло абстрагироваться от железа, оба файла находятся в директории System32. Далее загружается библиотека расширения ядра отладчика аппаратного обеспечения kdcom.dll и bootvid.dll, который загружает логотип Windows и индикатор статуса загрузки).
Одним из самых ответственных моментов является загрузка системного реестра config\system, очень часто система не может прочитать файл system и загрузка становится невозможна или начинается .
Процесс загрузки Windows Vista/7
Процесс загрузки Windows Vista и Windows 7 (Seven) начинает отличатся от процесса загрузки предыдущих версий ОС уже после чтения MBR. Установщик Windows создаёт небольшой загрузочный раздел, в котором и находяться всё, что нужно для запуска ОС. MBR передаёт загрузку PBR (Partition Boot Record), а затем стартует BOOTMGR (Windows Boot Manager). BOOTMGR пришёл на смену NTLDR и руководит загрузкой операционной системы. BOOTMGR читает параметры загрузки из Boot Configuration Database (BCD, Базы данных загрузочной конфигурации, пришла на смену boot.ini) и загружает Winload.exe (OS loader boot application, загрузчик ОС). Winload.exe загружает ядро операционной системы, далее процесс загрузки похож на старт Windows XP.
Для редактирования Boot Configuration Database (BCD) можно использовать утилиту Bcdedit.exe запустив её из Windows Recovery Environment (WinRE). Там же можно задействовать утилиту Bootrec.exe для исправления ошибок.
Многие пользователи считают, что компьютер загружает при помощи операционной системы, но на самом деле это верно только отчасти. В этом материале вы узнаете, как же на самом деле происходит загрузка ПК, и познакомитесь с такими важными понятиями, как BIOS, CMOS, UEFI и другими.
Вступление
Для многих людей работа с компьютером начинается после загрузки операционной системы. И это не удивительно, так как подавляющее большинство времени, современные ПК действительно используются при помощи удобной графической оболочки Windows или любой другой ОС. В этой, дружелюбной для нас среде, мы не только запускаем программы, приложения или игры, но и осуществляем настройки, а так же конфигурирование параметров системы под собственные нужды.
Но, не смотря на всю свою мультифункциональность, операционная система может не все, а в некоторых ключевых моментах, и вовсе попросту бессильна. В частности, это касается начальной загрузки компьютера, которая происходит полностью ее без участия. Более того, от успеха этой процедуры во многом зависит запуск самой ОС, который может и не произойти в случае возникновения проблем.
Для кого-то это может быть новостью, но в действительности Windows не отвечает за загрузку компьютера «от и до», она лишь продолжает ее на определенном этапе и заканчивает. Ключевым же игроком здесь выступает совершенно другая микропрограмма - BIOS, о назначении и основных функциях которой мы поговорим в этом материале.
Что такое BIOS и зачем она нужна
Ключевыми компонентами любого компьютерного устройства является связка процессора и оперативной памяти, и это неспроста. Процессор по праву называют сердцем и мозгом любого ПК, так как на него возложены все главные математические операции. При этом все команды и данные для вычислений, ЦПУ может брать только из оперативной памяти. Туда же он отправляет и результаты своей работы. С любыми другими хранилищами информации, например, с жесткими дисками, процессор напрямую не взаимодействует.
Вот здесь и кроется основная проблема. Для того, что бы процессор смог начать выполнять команды операционной системы, они должны находиться в ОЗУ. Но во время включения ПК оперативная память пуста, так как является энергозависимой и не может хранить информацию, когда компьютер выключен. При этом сами по себе, без участия системы, компьютерные устройства поместить нужные данные в память не могут. И здесь мы сталкиваемся с парадоксальной ситуацией. Получается, что для того чтобы загрузить ОС в память, операционная система уже должна быть в оперативной памяти.
Для разрешения данной ситуации, еще на заре эры персональных компьютеров, инженеры IBM предложили использовать специальную небольшую программу, получившую название BIOS, иногда называемую начальным загрузчиком.
Слово BIOS (БАйОС) является аббревиатурой от четырех английских слов Basic Input/Output System, что в переводе на русский означает: «Базовая система ввода/вывода». Такое название получил набор микропрограмм, отвечающих за работу базовых функций видеоадаптеров, дисплеев, дисковых накопителей, дисководов, клавиатур, мышей и других основных устройств ввода/вывода информации.
Основными функциями BIOS являются начальный запуск ПК, тестирование и первичная настройка оборудования, распределение ресурсов между устройствами и активация процедуры загрузки операционной системы.
Где хранится BIOS и что такое CMOS
С учетом того, что BIOS отвечает за самый начальный этап загрузки компьютера вне зависимости от его конфигурации, то эта программа должна быть доступна для базовых устройств сразу же после нажатия на кнопку включения ПК. Именно поэтому она хранится не на жестком диске, как большинство обычных приложений, а записывается в специальную микросхему флэш-памяти, расположенную на системной плате. Таким образом, доступ к BIOS и запуск компьютера возможен даже в том случае, если к ПК вообще не подключены никакие носители информации.
В самых первых компьютерах для хранения BIOS использовались микросхемы постоянной памяти (ПЗУ или ROM), запись на которые самого кода программы единожды осуществлялась на заводе. Несколько позже стали использовать микросхемы EPROM и EEROM, в которых имелась возможность в случае необходимости осуществлять перезапись BIOS, но только с помощью специального оборудования.
В современных же персональных компьютерах BIOS хранится в микросхемах, созданных на основе флэш-памяти, перезаписывать которые можно с помощью специальных программ прямо на ПК в домашних условиях. Такая процедура обычно называется перепрошивкой и требуется для обновления микропрограммы до новых версий или ее замены в случае повреждения.
Многие микросхемы BIOS не распаивается на материнской плате, как все остальные компоненты, а устанавливаются в специальный небольшой разъем, что позволяет заменить ее в любой момент. Правда, данная возможность вряд ли вам может пригодиться, так как случаи, требующие замены микросхемы BIOS очень редки и практически не встречаются среди домашних пользователей.
Флэш-память для хранения BIOS может иметь различную емкость. В прежние времена этот объем был совсем небольшим и составлял не более 512 Кбайт. Современные же версии программы стали несколько больше и имеют объем в несколько мегабайт. Но в любом случае на фоне современных приложений и мультимедийных файлов это просто мизер.
В некоторых продвинутых системных платах, производители могут установить не одну, а сразу две микросхемы BIOS - основную и резервную. В этом случае, если что-то произойдет с основным чипом, то компьютер будет загружаться с резервного.
Помимо флэш-памяти, в которой хранится сама BIOS, на системной плате существует и еще один вид памяти, который предусмотрен для хранения настроек конфигурации этой программы. Изготавливается он с применением комплементарного метало-оксидного полупроводника или CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Именно этой аббревиатурой и называют специализированную память, в которой содержаться данные о запуске компьютера, используемые BIOS.
CMOS-память питается от батарейки, установленной на материнской плате. Благодаря этому, при отключении компьютера от розетки все настройки BIOS сохраняются. На старых компьютерах функции CMOS-памяти были возложены на отдельную микросхему. В современных же ПК она является частью чипсета.
Процедура POST и первоначальная загрузка ПК
Теперь давайте посмотрим, как же выглядит начальный процесс загрузки компьютера, и какую роль в нем играет BIOS.
После нажатия кнопки включения компьютера, первым запускается блок питания, начиная подавать напряжение на материнскую плату. Если оно в норме, то чипсет дает команду на сброс внутренней памяти центрального процессора и его запуск. После этого процессор начинает последовательно считывать и выполнять команды, записанные в системной памяти, роль которой выполняет как раз микросхема BIOS.
В самом начале процессор получает команду на проведение самотестирования компонентов компьютера (POST - Power-On Self-Test). Процедура POST включает в себя несколько этапов, прохождение большинства которых вы можете наблюдать на экране ПК сразу после его включения. Последовательность происходящего перед началом загрузки операционной системы такова:
1. Сначала происходит определение основных системных устройств.
3. Третий шаг - настройка набора системной логики, или проще говоря, чипсета.
4. Затем происходит поиск и определение видеокарты. Если в компьютере установлен внешний (самостоятельный) видеоадаптер, то он будет иметь собственную BIOS, которую основная системная BIOS будет искать в определенном диапазоне адресов памяти. Если внешний графический адаптер будет найден, то первое, что вы увидите на экране, будет изображение с названием видеокарты, сформированное ее BIOS.
5. После нахождения графического адаптера, начинается проверка целостности параметров BIOS и состояния батарейки. В этот момент на экране монитора одна за другой начинают появляться те самые таинственные белые надписи, вызывающие трепет у неопытных пользователей из-за непонимания происходящего. Но на самом деле ничего сверхъестественного в этот момент не происходит, в чем вы сами сейчас убедитесь. Первая, самая верхняя надпись, как правило, содержит логотип разработчиков BIOS и информацию об ее установленной версии.
6. Затем запускается тестирование центрального процессора, по окончании которого на дисплей выводятся данные об установленном чипе: название производителя, модели и его тактовая частота.
7. Следом начинается тестирование оперативной памяти. Если все проходит удачно, то на экран выводится общий установленный объем ОЗУ с надписью ОК.
8. По окончанию проверки основных компонентов ПК, начинается поиск клавиатуры и тестирование других портов ввода/вывода. В некоторых случаях, на этом этапе загрузка компьютера может остановиться, если системе не удастся обнаружить подключенную клавиатуру. При этом на экран сразу же будет выведено об этом предупреждение.
9. Далее начинается определение подключенных к компьютеру накопителей, включая оптические приводы, жесткие диски и флэш-диски. Сведения о найденных устройствах выводятся на экран. В том случае, если на системной плате установлено несколько контроллеров от разных производителей, то процедура их инициализации может быть отображена на разных экранах.
Экран определения контроллера Serial ATA, имеющего собственный BIOS, с выводом всех подключенных к нему устройств.
10. На завершающем этапе осуществляется распределение ресурсов между найденными внутренними устройствами ПК. В старых компьютерах, после этого осуществляется вывод на дисплей итоговой таблицы со всем обнаруженным оборудованием. В современных машинах таблица на дисплей уже не выводится.
11. Наконец, если процедура POST прошла успешно, BIOS начинает поиск в подключенных накопителях Главной Загрузочной Области (MBR), где содержатся данные о запуске операционной системы и загрузочном устройстве, которому необходимо передать дальнейшее управление.
В зависимости от установленной на компьютер версии BIOS, прохождение процедуры POST может проходить с небольшими изменениями от вышеописанного порядка, но в целом, все основные этапы, которые мы указали, будут выполняться при загрузке каждого ПК.
Программа настройки BIOS
BIOS является конфигурируемой системой и имеет собственную программу настройки некоторых параметров оборудования ПК, называемую BIOS Setup Utility или CMOS Setup Utility . Вызывается она нажатием специальной клавиши во время проведения процедуры самотестирования POST. В настольных компьютерах чаще всего для этой цели используется клавиша Del, а в ноутбуках F2.
Графический интерфейс утилиты конфигурирования оборудования очень аскетичен и практически не изменился с 80-ых годов. Все настройки здесь осуществляются только с помощью клавиатуры - работа мыши не предусмотрена.
CMOS/BIOS Setup имеет массу настроек, но к наиболее востребованным, которые могут понадобиться рядовому пользователю, можно отнести: установку системного времени и даты, выбор порядка загрузочных устройств, включение/отключение встроенного в материнскую плату дополнительного оборудования (звуковых, видео или сетевых адаптеров), управление системой охлаждения и мониторинг температуры процессора, а так же изменение частоты системной шины (разгон).
У различных моделей системных плат, количество настраиваемых параметров BIOS может сильно разниться. Наиболее широкий спектр настроек обычно имеют дорогие системные платы для настольных ПК, ориентированные на энтузиастов, любителей компьютерных игр и разгона. Самый же скудный арсенал, как правило, у бюджетных плат, рассчитанных на установку в офисные компьютеры. Так же не блещут разнообразием настроек BIOS подавляющее большинство мобильных устройств. Более подробно о различных настройках BIOSи их влиянии на работу компьютера мы поговорим в отдельном материале.
Разработка BIOS и обновление
Как правило, практически для каждой модели системной платы разрабатывается собственная версия BIOS, в которой учитываются ее индивидуальные технические особенности: тип используемого чипсета и виды распаянного периферийного оборудования.
Разработку BIOS можно разделить на два этапа. Сначала создается базовая версия микропрограммы, в которой реализовываются все функции, вне зависимости от модели чипсета. На сегодняшний день, разработкой подобных версий занимаются в основном компании American Megatrends (AMIBIOS) и Phoenix Technologies, поглотившую в 1998 году тогдашнего крупного игрока на этом рынке - Award Software (AwardBIOS, Award Modular BIOS, Award WorkstationBIOS).
На втором этапе, к разработке BIOS подключаются производители материнских плат. В этот момент базовая версия модифицируется и совершенствуется для каждой конкретной модели платы, с учетом ее особенностей. При этом после выхода системной платы на рынок, работа над ее версией BIOS не останавливается. Разработчики регулярно выпускают обновления, в которых могут быть исправлены найденные ошибки, добавлена поддержка нового оборудования и расширены функциональные возможности программы. В некоторых случаях обновление BIOS позволяет вдохнуть вторую жизнь в, казалось бы, уже устаревшую материнскую плату, например, добавляя поддержку нового поколения процессоров.
Что такое UEFI BIOS
Базовые принципы работы системной BIOS для настольных компьютеров были сформированы в далеких 80-ых годах прошлого века. За прошедшие десятилетия компьютерная индустрия бурно развивалась и за это время постоянно случались ситуации, когда новые модели устройств оказывались несовместимыми с определенными версиями BIOS. Что бы разрешать эти проблемы, разработчикам постоянно приходилось модифицировать код базовой системы ввода/вывода, но в итоге целый ряд программных ограничений так и остался неизменным со времен первых домашних ПК. Такая ситуация привела к тому, что BIOS в своем классическом варианте окончательно перестал удовлетворять требованиям современного компьютерного железа, мешая его распространению в массовом секторе персоналок. Стало понятно, что необходимо что-то менять.
В 2011 году, с запуском в производство материнских плат для процессоров Intel поколения Sandy Bridge, устанавливающихся в разъем LGA1155, началось массовое внедрение нового программного интерфейса для начальной загрузки компьютера - UEFI.
На самом деле первая версия данной альтернативы обычной BIOS была разработана и успешно использована компанией Intel в серверных системах еще в конце 90-ых годов. Тогда, новый интерфейс для начальной загрузки ПК назывался EFI (Extensible Firmware Interface), но уже в 2005 году его новая спецификация получила название UEFI (Unified Extensible Firmware Interface). На сегодняшний день эти две аббревиатуры считаются синонимами.
Как видите, производители системных плат не особо спешили переходить к новому стандарту, до последнего пытаясь совершенствовать традиционные вариации BIOS. Но очевидная отсталость этой системы, включая ее 16-битный интерфейс, не возможность использовать более 1 Мб адресного пространства памяти, отсутствие поддержки накопителей объемом более 2 Тб и другие постоянные неразрешимые проблемы совместимости с новым оборудованием все же стали серьезным аргументом для перехода на новое программное решение.
Какие же изменения принес с собой новый загрузочный интерфейс, предложенный Intel и в чем его отличия от BIOS? Как и в случае с BIOS, основной задачей UEFI является корректное определение оборудования сразу после включения ПК и передача управления компьютером операционной системе. Но при этом, перемены в UEFI настолько глубоки, что сравнивать ее с BIOS было бы просто некорректно.
BIOS - это практически неизменяемый программный код, вшитый в специальную микросхему и взаимодействующий напрямую с компьютерным оборудованием с помощью собственных программных средств. Процедура загрузки компьютера с помощью BIOS проста: сразу после включения компьютера производится проверка оборудования и загрузка простых универсальных драйверов для основных аппаратных компонентов. После этого BIOS находит загрузчик операционной системы и его активирует. Далее происходит загрузка ОС.
Систему UEFI можно назвать прослойкой между аппаратными компонентами компьютера, с их собственными микропрограммами-прошивками, и операционной системой, что позволяет ей так же выполнять функции BIOS. Но в отличие от BIOS, UEFI представляет собой модульный программируемый интерфейс, включающий тестовые, рабочие и загрузочные сервисы, драйверы устройств, протоколы коммуникаций, функциональные расширения и собственную графическую оболочку, что делает его похожим на сильно облегченную операционную систему. При этом пользовательский интерфейс в UEFI современен, поддерживает управление мышью и может быть локализован на несколько языков, включая русский.
Важным преимуществом EFI является ее кроссплатформенность и независимость от процессорной архитекторы. Спецификации этой системы позволяют работать ей практически с любой комбинацией чипов, будь то архитектура х86 (Intel, AMD) или ARM. Более того UEFI имеет прямой доступ ко всему аппаратному обеспечению компьютера и платформенно независимые драйверы, что дает возможность без запуска ОС организовать, например, выход в интернет или резервное копирование дисков.
В отличие от BIOS, код UEFI и вся ее служебная информация может храниться не только в специальной микросхеме, но и на разделах как внутренних, так и внешних жестких дисков, а так же сетевых хранилищах. В свою очередь, тот факт, что загрузочные данные могут размещаться на вместительных накопителях, позволяет за счет модульной архитектуры наделять EFI богатыми функциональными возможностями. Например, это могут быть развитые средства диагностики, или полезные утилиты, которые можно будет использовать как на этапе начальной загрузки ПК, так и после запуска ОС.
Еще одной ключевой особенностью UEFI является возможность работы с жесткими дисками огромных объемов, размеченных по стандарту GPT (Guid Partition Table). Последний не поддерживается ни одной модификацией BIOS, так как имеет 64-битные адреса секторов.
Загрузка ПК на базе UEFI, как и в случае с BIOS, начинается с инициализации устройств. Но при этом, данная процедура происходит гораздо быстрее, так как UEFIможет определять сразу несколько компонентов одновременно в параллельном режиме (BIOSинициализирует все устройства по очереди). Затем, происходит загрузка самой системы UEFI, под управлением которой выполняется какой-либо набор необходимых действий (загрузка драйверов, инициализация загрузочного накопителя, запуск загрузочных служб и т.д.), и только после этого осуществляется запуск операционной системы.
Может показаться, что такая многоступенчатая процедура должна увеличить общее время загрузки ПК, но на самом деле все происходит наоборот. С UEFI система запускается гораздо быстрее, благодаря встроенным драйверам и собственному загрузчику. В итоге, перед стартом, ОС получает исчерпывающую информацию об аппаратной начинке компьютера, что позволяет запускаться ей в течение нескольких секунд.
Несмотря на всю прогрессивность UEFI, все же существует ряд ограничений, сдерживающих активное развитие и распространение этого загрузчика. Дело в том, что для реализации всех возможностей нового загрузочного интерфейса требуется полноценная его поддержка со стороны операционных систем. На сегодняшний день в полной мере использовать возможности UEFI позволяет только Windows 8. Ограниченную поддержку нового интерфейса имеют 64-разрядные версии Windows 7, Vista и Linux на ядре 3.2 и выше. Так же возможности UEFI используются в загрузочном менеджере BootCamp компанией Apple в собственных системах Mac OS X.
Ну а как же происходит загрузка компьютера с UEFI, если на нем используются неподдерживаемая операционная система (WindowsXP, 32-битная Windows 7) или файловая разметка (MBR)? Для таких случаев в новый загрузочный интерфейс встроен модуль поддержки совместимости (Compatibility Support Module), по сути, представляющий из себя традиционную BIOS. Именно поэтому, можно видеть, как многие современные компьютеры, оснащенные системными платами с UEFI, загружается традиционным способом в режиме эмуляции BIOS. Чаше всего это происходит потому, что их владельцы продолжают использовать разделы HDD с традиционной MBR и не хотят переходить к разметке GPT.
Заключение
Совершенно очевидно, что, в отличие от традиционной BIOS, интерфейс UEFI способен на много большее, чем просто процесс загрузки. Возможность запуска рабочих сервисов и приложений, как на начальном этапе загрузки ПК, так и после запуска операционной системы открывает широкий спектр новых возможностей, как для разработчиков, так и конечных пользователей.
Но при этом говорить о полном отказе в ближайшее время от базовой системы ввода/вывода пока преждевременно. В первую очередь нужно вспомнить, что до сих пор большинство компьютеров находятся под управлением WindowsXP и 32-битной Windows 7, которые не поддерживаются UEFI. Да и жесткие диски, размеченные по стандарту GPT в большинстве своем можно встретить разве что в новых моделях ноутбуков на базе Windows 8.
Так что до тех пор, пока большинство пользователей в силу своих привычек или еще каких-либо причин, будут привязаны к старым версиям ОС и традиционным способам разметки винчестеров, BIOS так и будет оставаться основной системой для начальной загрузки компьютера.
