Загрузчик ядра

В задачу вторичного загрузчика входит загрузка и начальная настройка ядра 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 ядре. Зато описанной выше тупиковой ситуации можно избежать, если, скажем, не удалять старое ядро при установке нового, а переименовывать его. Тогда, если загрузка системы с новым ядром не удалась, можно загрузиться еще раз, вручную указав имя файла (или

каталога) со старым ядром, под управлением которого все работало исправно.

Вторичный загрузчик может не только загружать ядро, но и настраивать его. Чаще всего используется механизм настройки ядра, похожий на командную строку shell: в роли команды выступает ядро, а в роли параметров - настройки ядра. Настройки ядра нужны для временного изменения его функциональности: например, чтобы выбрать другой графический режим виртуальных консолей, чтобы отключить поддержку дополнительных возможностей внешних устройств (если аппаратура их не поддерживает), чтобы передать самому ядру указания, как загружать систему и т.п.

Очень часто конфигурация вторичного загрузчика предусматривает несколько вариантов загрузки, начиная от нескольких вариантов загрузки одного и того же ядра с разными настройками (например, стандартный профиль и профиль с отключенными расширенными возможностями) и заканчивая вариантами загрузки разных ядер и даже разных операционных систем. Это требует от самого загрузчика некоторого разнообразия интерфейсных средств. С одной стороны, он должен уметь работать в непритязательном окружении, например обмениваться с пользователем данными через последовательный порт, к которому подключена системная консоль. С другой стороны, если есть стандартные графические устройства ввода/вывода, хотелось бы, чтобы загрузчик использовал и их. Поэтому все загрузчики имеют универсальный текстовый интерфейс (зачастую с довольно богатыми возможностями) и разнообразный графический (чаще в виде меню).

Особенная ситуация возникает в случае, когда на компьютере установлено несколько операционных систем (например, если персональный компьютер используется также и для компьютерных игр, строго привязанных к определенной системе). В этом случае не стоит надеяться на "универсальность" вторичного загрузчика: даже если он способен различать множество файловых систем и несколько форматов загрузки ядер, невозможно знать их все. Однако если в загрузочном секторе раздела операционной системы записан первичный загрузчик, можно просто загрузить его, как если бы это произошло непосредственно после работы MBR. Таким образом, вторичный загрузчик может выступать в роли предзагрузчика, передавая управление "по цепочке" (chainloading). К сожалению, чем длиннее цепочка, тем выше вероятность ее порвать: можно, например, загрузить по цепочке MS-DOS, удалить с его помощью раздел Linux, содержавший вторичный загрузчик, а затем переразметить этот раздел, чем и привести компьютер в неработоспособное состояние.

Вторичный загрузчик. Вторая стадия загрузки компьютера: программа, размер и возможности которой практически не зависят от аппаратных требований. Основная задача - полностью подготовить и запустить загрузку операционной системы.

Досистемная загрузка Linux

Несмотря на то, что досистемная загрузка не зависит от типа операционной системы, которая начинает работу после, большинство систем предоставляют собственные средства по ее организации. В Linux наиболее популярны подсистемы загрузки LILO (LInux LOader) и GRUB (GRand Unified Bootloader). Обе эти подсистемы имеют текстовый и графический варианты интерфейса, предоставляющего пользователю возможность выбрать определенный заранее настроенный тип загрузки.

Действия ядра Linux в процессе начальной загрузки

Итак, досистемная загрузка проходит в три этапа.

1. 1. Загрузчик из ПЗУ определяет, с каких устройств можно грузиться и, возможно, предлагает пользователю выбрать одно из них. Он загружает с выбранного устройства первичный загрузчик и передает ему управление.

2. 2. Первичный загрузчик определяет (а чаще всего - знает), где находится вторичный загрузчик - большая и довольно интеллектуальная программа. Ему это сделать проще, чем программе из ПЗУ: во-первых, потому что для каждого устройства первичный загрузчик свой, а во-вторых, потому что его можно легко изменять при изменении настроек загружаемой системы. В схеме, предлагаемой LILO и GRUB, первичный загрузчик не вступает в разговоры с пользователем, а немедленно загружает вторичный и передает ему управление.

3. 3. Вторичный загрузчик достаточно умен, чтобы знать, где находится ядро системы (возможно, не одно), предложить пользователю несколько вариантов загрузки на выбор, и даже, в случае GRUB, разрешает задавать собственные варианты загрузки. Его задача - загрузить в память ядро и все необходимое для старта системы (иногда - модули, иногда - стартовый виртуальный диск), настроить все это и передать управление ядру.

Ядро - это и мозг, и сердце Linux. Все действия, которые нельзя доверить отдельной подзадаче (процессу) системы, выполняются ядром. Доступом к оперативной памяти, сети, дисковым и прочим внешним устройствам заведует ядро. Ядро запускает и регистрирует процессы, управляет разделением времени между ними. Ядро реализует разграничение прав и вообще определяет политику безопасности, обойти которую, не обращаясь к нему, нельзя просто потому, что в Linux больше никто не предоставляет подобных услуг.

Ядро работает в специальном режиме, так называемом "режиме супервизора", позволяющем ему иметь доступ сразу ко всей оперативной памяти и аппаратной таблице задач. Процессы запускаются в "режиме пользователя": каждый жестко привязан ядром к одной записи таблицы задач, в которой, в числе прочих данных, указано, к какой именно части оперативной памяти этот процесс имеет доступ. Ядро постоянно находится в памяти, выполняя системные вызовы - запросы от процессов на выполнение этих подпрограмм.

Ядро. Набор подпрограмм, используемых для организации доступа к ресурсам компьютера, для обеспечения запуска и взаимодействия процессов, для проведения политики безопасности системы и для других действий, которые могут выполняться только в режиме полного доступа (т.н. "режиме

супервизора").

Функции ядра после того, как ему передано управление, и до того, как оно начнет работать в штатном режиме, выполняя системные вызовы, сводятся к следующему.

Сначала ядро определяет аппаратное окружение. Одно и то же ядро может быть успешно загружено и работать на разных компьютерах одинаковой архитектуры, но с разным набором внешних устройств. Задача ядра - определить список внешних устройств, составляющих компьютер, на котором оно оказалось, классифицировать их (определить диски, терминалы, сетевые устройства и т.п.) и, если надо, настроить. При этом на системную консоль (обычно первая виртуальная консоль Linux) выводятся диагностические сообщения (впоследствии их можно просмотреть утилитой dmesg).

Затем ядро запускает несколько процессов ядра. Процесс ядра - это часть ядра Linux, зарегистрированная в таблице процессов. Такому процессу можно послать сигнал и вообще пользоваться средствами межпроцессного взаимодействия, на него распространяется политика планировщика задач, однако никакой задаче в режиме пользователя он не соответствует - это просто еще одна ипостась ядра. Команда ps -ef показывает процессы ядра в квадратных скобках, кроме того, в Linux принято (но не обязательно), чтобы имена таких процессов начинались на "k": [kswapd], [keventd] и т.п.

Далее ядро подключает (монтирует) корневую файловую систему в соответствии с переданными параметрами (в наших примерах - root=/dev/hda5). Подключение это происходит в режиме "только для чтения" (read-only): если целостность файловой системы нарушена, данный режим позволит, не усугубляя положения, прочитать и запустить утилиту fsck (file system check). Позже, в процессе загрузки, корневая файловая система подключится на запись.

Наконец, ядро запускает из файла /sbin/init первый настоящий процесс. Идентификатор процесса (PID) у него равен единице, он - первый в таблице процессов, даже несмотря на то, что до него там были зарегистрированы процессы ядра. Процесс init - очень старое изобретение, он чуть ли не старше самой истории UNIX, и с давних пор его идентификатор равен 1.