3.11. Загрузка самой ос

При загрузке самой ОС возникает специфическая проблема: в пустой м шине, скорее всего, нет программы, которая могла бы это сделать. В системах, в которых программа находится в ПЗУ (или другой энергонезависимой памяти) этой проблемы не существует: при включении питания программа в памяти уже есть и сразу начинает исполняться. При включении питания или аппаратном сбросе процессор исполняет команду, находящуюся по определенному адресу, например, OxFFFFFFFA. Если там находите ПЗУ, а в нем записана программа, она и начинает исполняться. При разработке программ для встраиваемых приложений часто используются внутрисхемные имитаторы ПЗУ, доступные целевой системе как ПЗУ, а системе разработчика — как ОЗУ или специальное внешнее устройство. Компьютеры общего назначения также не могут обойтись без ПЗУ. Программа, записанная в нем, называется загрузочным монитором. Стартовая точка этой программы должна находиться как раз по тому адресу, по которому процессор передает управление в момент включения питания. Эта программа производит первичную инициализацию процессора, тестирование памяти и обязательного периферийного оборудования, и, наконец, начинает загрузку системы. В компьютерах, совместимых с IBM PC, загрузочный монитор известен как BIOS.

На многих системах в ПЗУ бывает прошито нечто большее, чем первичный грузчик. Это может быть целая контрольно-диагностическая система, называемая консольным монитором. Такая система есть на всех машинах линии PDI 11/VAX и на VME-системах, рассчитанных на OS-9 или VxWorks. Такой монитор позволяет вам просматривать содержимое памяти по заданному адресу, записывать туда данные, запускать какую-то область памяти как программ и многое другое. Он же позволяет выбирать устройство, с которого производиться дальнейшая загрузка. В PDP-11/VAX на таком мониторе можно даже писать программы, почти с таким же успехом, как на ассемблере. Нужно только уметь считать в уме в восьмеричной системе счисления. На машинах фирмы Sun в качестве консольного монитора используется ин­терпретатор языка Forth. На ранних моделях IBM PC в ПЗУ был прошит интерпретатор BASIC. Именно поэтому клоны IBM PC имеют огромное ко­личество плохо используемого адресного пространства выше сегмента ОхСООО. Вы можете убедиться в том, что BASIC там должен быть, вызвав из программы прерывание 0x60. Вы получите на мониторе сообщение вроде: no rom basic, press any key то reboot. Вообще говоря, этот BASIC не является консольным монитором в строгом смысле этого слова, так как получает управление не перед загрузкой, а лишь после того, как загрузка со всех уст­ройств завершилась неудачей.

После запуска консольного монитора и инициализации системы вы можете приказать системе начать собственно загрузку ОС. На IBM PC такое прика­зание отдается автоматически, и часто загрузка производится вовсе не с того устройства, с которого хотелось бы. На этом и основан жизненный цикл загрузочных вирусов.

Чтобы загрузочный монитор смог, что бы то ни было загрузить, он должен уметь проинициализировать устройство, с которого предполагается загрузка, и считать с него загружаемый код. Поэтому загрузочный монитор обязан содержать модуль, способный управлять загрузочным устройством. Напри­мер, типичный BIOS PC-совместимого компьютера содержит модули управ­ления гибким диском и жестким диском с интерфейсом Seagate 506 (в со­временных компьютерах это обычно интерфейс EIDE, отличающийся от Seagate 506 конструктивом, но программно совместимый с ним сверху вниз). Кроме того, конструктивы многих систем допускают установку ПЗУ на пла­тах контроллеров дополнительных устройств. Это ПЗУ должно содержать программный модуль, способный проинициализировать устройство и про­извести загрузку с него.

Как правило, сервисы загрузочного монитора доступны загружаемой системе. Так, модуль управления дисками BIOS PC-совместимых компьютер предоставляет функции считывания, и записи отдельных секторов диска Доступ к функциям ПЗУ позволяет значительно сократить код первичного загрузчика ОС, и, нередко, сделать его независимым от устройства.

Проще всего происходит загрузка с различных последовательных устройств - лент, перфолент, магнитофонов, перфокарточных считывателей и т. д. Загрузочный монитор считывает в память все, что можно считать с заданного устройства и передает управление на начало той информации, которую прочитал.

В современных системах такая загрузка практически не используется. В них загрузка происходит с устройств с произвольным доступом, как правило, с дисков. При этом обычно в память считывается нулевой сектор нулевой дорожки диска. Содержимое этого сектора называют первичным загрузчиком. В IBM PC этот загрузчик называют загрузочным сектором, или boot-сектором.

Как правило, первичный загрузчик, пользуясь сервисами загрузочного монитора, ищет на диске начало файловой системы своей родной ОС, находит в этой файловой системе файл с определенным именем, считывает его в память и передает этому файлу управление. В простейшем случае такой файл является ядром операционной системы.

Размер первичного загрузчика ограничен чаще всего размером сектора диска, т. е. 512 байтами. Если файловая система имеет сложную структуру, иногда первичному загрузчику приходится считывать вторичный, размер которого может быть намного больше. Из-за большего размера этот загрузчик намного умнее и в состоянии разобраться в структурах файловой системы. В некоторых случаях используются и третичные загрузчики.

Это последовательное исполнение втягивающих друг друга загрузчиков возрастающей сложности называется: бутстрапом (bootstrap), что можно перевести как "втягивание [себя] за шнурки от ботинок".

Большую практическую роль играет еще один способ загрузки — загрузка по сети. Она происходит аналогично загрузке с диска: ПЗУ, установлена на сетевой карте, посылает в сеть пакет стандартного содержания, который содержит запрос к серверу удаленной загрузки. Этот сервер передает по сети вторичный загрузчик и т. д. Такая технология незаменима при загрузке дисковых рабочих станций. Централизованное размещение загрузочных образов рабочих станций на сервере упрощает управление ими, защищает настройки ОС от случайных и злонамеренных модификаций и существенно удешевляет эксплуатацию больших парков настольных компьютеров, поэтому по сети нередко загружаются и машины, имеющие жесткий диск.

Проще всего происходит загрузка систем, ядро которых вместе со всеми дополнительными модулями (драйверами устройств, файловых систем и др.) собрано в единый загрузочный модуль. При переконфигурации системы, добавлении или удалении драйверов и других модулей необходима пересборка ядра, которая может производиться либо стандартным системным редактором связей, либо специальными ути­литами генерации системы. Для такой пересборки в поставку системы долж­ны входить либо исходные тексты (как у Linux и BSD), либо объектные мо­дули ядра. Сборка ядра из объектных модулей на современных системах занимает не более нескольких минут. Полная перекомпиляция ядра из ис­ходных текстов, конечно, продолжается существенно дольше.

На случай, если системный администратор ошибется и соберет неработо­способное ядро, вторичный загрузчик таких систем часто предоставляет возможность выбрать файл, который следует загрузить. Ядро таких систем обычно не использует никаких конфигурационных файлов — все настройки также задаются при генерации.

Большинство современных ОС используют более сложную форму загрузки, при которой дополнительные модули подгружаются уже после старта самого ядра. В терминах предыдущих разделов это называется "сборка в момент загрузки". Список модулей, которые необходимо загрузить, а также пара­метры настройки ядра, собраны в специальном файле или нескольких фай­лах. У DOS и OS/2 этот файл называется CONFIG.SYS, у Win32-систем -реестром (registry).

Сложность при таком способе загрузки состоит в том, что ядро, еще полно­стью не проинициализовавшись, уже должно быть способно работать с фай­ловой системой, находить в ней файлы и считывать их в память.

Особенно сложен этот способ тогда, когда драйверы загрузочного диска и загрузочной файловой системы сами являются подгружаемыми модулями. Обычно при этом ядро пользуется функциями работы с файловой системой, предоставляемыми вторичным (или третичным, в общем, последним по по­рядку) загрузчиком, до тех пор, пока не проинициализирует собственные модули. Вторичный загрузчик обязан уметь читать загрузочные файлы, ина­че он не смог бы найти ядро. Если поставщики ОС не удосужились напи­сать соответствующий вторичный загрузчик, а предоставили только драйвер файловой системы, ОС сможет работать с такой файловой системой, но не сможет из нее загружаться.

Некоторые системы, например DOS, могут грузиться только с устройств, Поддерживаемых BIOS, и только из одного типа файловой системы — FAT, Драйвер которой скомпонован с ядром. Любопытное развитие этой идеи представляет Linux, модули которого могут присоединяться к ядру как ста­тически, так и динамически. Динамически могут подгружаться любые моду­ли, кроме драйверов загрузочного диска и загрузочной ФС.

Преимущества, которые дает динамически собираемое в момент загрузки ядро, не так уж велики по сравнению с системами, в которых ядро собира­ется статически. Впрочем, ряд современных систем (Solaris, Linux, Netware) идут в этом направлении дальше и позволяют подгружать модули уже после загрузки и даже выгружать их. Такая архитектура предъявляет определенные требования к интерфейсу модуля ядра (он должен уметь не только инициа­лизировать сам себя и, если это необходимо, управляемое им устройство, но и корректно освобождать все занятые им ресурсы при выгрузке), но дает значительные преимущества.

Во-первых, это допускает подгрузку модулей по запросу. При этом подсистемы, нужные только иногда, могут не загрузиться вообще. Даже те модули, которые нужны всегда, могут проинициализироваться, только когда станут, нужны, уменьшив тем самым время от начала загрузки до старта некоторых сервисов. Второе, пожалуй, даже более важное для системного администратора, преимущество состоит в возможности реконфигурировать систему без перезагрузки, что особенно полезно для систем коллективного пользования. И, наконец, возможность выгрузки модулей ядра иногда (но не всегда, a лишь если поломка не мешает драйверу корректно освободить ресурсы) позволяет корректировать работу отдельных подсистем - опять-таки без перезагрузки всей ОС и пользовательских приложений.

Оказавшись в памяти и, так или иначе, подтянув все необходимые дополнительные модули, ядро запускает их подпрограммы инициализации. При динамической подгрузке инициализация модулей часто происходит по мере их загрузки. Обычно инициализация ядра завершается тем, что оно загружает определенную программу, которая продолжает инициализацию - уже не ядра, но системы в целом.

Загрузка Sun Solaris

Полный цикл загрузки Solaris (версия Unix System V Release 4, поставляющаяся фирмой Sun) на компьютерах х86 происходит в шесть этапов. Первые три эта­па стандартны для всех ОС, работающих на IBM PC-совместимой технике. При включении компьютера запускается прошитый в ПЗУ BIOS. Он проводит тести­рование процессора и памяти и инициализацию машины. В процессе инициа­лизации BIOS устанавливает обработчик прерывания int 13h. Этот обработ­чик умеет считывать и записывать отдельные секторы жестких и гибких дисков и производить некоторые другие операции над дисковыми устройствами. Пер­вичные загрузчики ОС обычно пользуются этим сервисом. Некоторые ОС, на­пример MS/DR DOS, используют этот сервис не только при загрузке, но и при работе, и, благодаря этому, могут не иметь собственного модуля управления дисками.

Если загрузка происходит с жесткого диска, BIOS загружает в память и запус­кает нулевой сектор нулевой дорожки диска. Этот сектор обычно содержит не первичный загрузчик операционной системы, a MBR (Master Boot Record — главная загрузочная запись). Эта программа обеспечивает разбиение физиче­ского жесткого диска на несколько логических разделов (partition) и возмож­ность попеременной загрузки различных ОС, установленных в этих разделах .

MBR перехватывает прерывание int 13h и транслирует обращения к дисковой подсистеме так, что обращения к логиче­скому диску N преобразуются в обращения к N-ному разделу физического диска. Один из разделов диска должен быть помечен как активный или загрузочный. MBR загружает начальный сектор этого раздела — обычно это и есть первичный загруз­чик ОС. Многие реализации MBR, в том числе и поставляемая с Solaris, могут пре­доставлять пользователю выбор раздела, с которого следует начинать загрузку. Выбор обычно предоставляется в форме паузы, в течение которой пользователь может нажать какую-то клавишу или комбинацию клавиш. Если ничего не будет на­жато, начнется загрузка с текущего активного раздела.

Так или иначе, но загрузочный сектор — по совместительству, первичный за­грузчик Solaris оказывается в памяти и начинает исполняться. Исполнение его состоит в том, что он загружает — нет, еще не ядро, а специальную программу, называемую DCU (Device Configuration Utility, утилита конфигурации устройств). Основное назначение этой программы — имитация сервисов консольного мо­нитора компьютеров фирмы Sun на основе процессоров SPARC. DCU производит идентификацию установленного в машине оборудования. Пользователь может вмешаться в этот процесс и, например, указать системе, что такого-то устройства в конфигурации нет, даже если физически оно и при­сутствует, или установить драйверы для нового типа устройств. Драйверы, ис­пользуемые DCU, отличаются от драйверов, используемых самим Solaris, на­зываются они BEF (Boot Executable File), и начинают исполнение, как и сама DCU, в реальном режиме процессора х86. Найдя все необходимое оборудование, DCU запускает вторичный загрузчик Solaris. Логический диск, выделенный Solaris, имеет внутреннюю структуру и также разбит на несколько разделов. Чтобы не путать эти разделы разделами, создаваемыми MBR, их называют слайсами (slice). Загрузочный диск Solaris должен иметь минимум два байта— Root (корневая файловая система) и Boot, в котором и размещаются вторичный загрузчик и DCU. Вторичный загрузчик, пользуясь BEF-модулем загрузочного диска для доступа к этому диску, считывает таблицу слайсов и находит корневую файловую систе­му. В этой файловой системе он выбирает файл /kernel/unix, который и является ядром Solaris. В действительности, вторичный загрузчик исполняет командный файл, в котором могут присутствовать условные операторы, и, зависимости от тех или иных условий, в качестве ядра могут быть использованы различные файлы, /kernel/unix используется по умолчанию. Кроме того, пользователю предоставляется пауза (по умолчанию 5 секунд), в течение которой он может прервать загрузку по умолчанию и приказать загрузить какой-то другой файл, или тот же файл, но с другими параметрами. Будучи так или иначе загружено, ядро, пользуясь сервисами вторичного загрузчика, считывает файл /etc/system, в котором указаны параметры настройки сие темы. Затем, пользуясь информацией, предоставленной DCU, ядро формирует дерево устройств— список установленного в системе оборудования, и в соответствии с этим списком начинает подгружать модули, управляющие устройствами — драйверы. Подгрузка по-прежнему происходит посредством сервисов вторичного загрузчика — ведь все драйверы размещены на загрузочном диске и в корневой файловой системе, в том числе и драйверы самого этого диска 1 этой файловой системы.

Загрузив драйверы всех дисковых устройств и файловых систем (а при загруз­ке из сети — также сетевых контроллеров и сетевых протоколов), ядро начина­ет их инициализацию. С этого момента использовать сервисы вторичного за­грузчика становится невозможно, но они уже и не нужны. Проинициализировав собственный драйвер загрузочного диска и корневой файловой системы, ядро запускает программу init, которая подключает остальные диски и файловые системы, если они есть, указывает параметры сетевых устройств и инициали­зирует их, запускает обязательные сервисы, в общем, производит всю осталь­ную стартовую настройку системы.

Существуют ОС, которые не умеют самостоятельно выполнять весь цикл бутстрапа. Они используют более примитивную операционную систему, ко­торая исполняет их вторичный (или какой это уже будет по счету) загруз­чик, и помогает этому загрузчику поместить в память ядро ОС. На процес­сорах х86 в качестве стартовой системы часто используется MS/DR DOS, а загрузчик новой ОС оформляется в виде ЕХЕ-файла.

Таким образом устроены системы MS Windows 1.x—3.x, Windows 95/98/МЕ, DesqView и ряд других "многозадачников" для MS DOS. Таким же образом загружается сервер Nowell Netware, система Oberon для х86, программы, на­писанные для различных расширителей DOS (DOS extenders) и т. д. Многие из перечисленных систем, например Windows (версии младше 3.11 - в обя­зательном порядке, а 3.11 и 95/98/МЕ только в определенных конфигураци­ях) используют DOS и во время работы в качестве дисковой подсистемы. Тем не менее, эти программные пакеты умеют самостоятельно загружать Пользовательские программы и выполнять все перечисленные во введении Функции и должны, в соответствии с нашим определением, считаться пол­ноценными операционными системами.