Загрузка ПК

В разделе описывается процесс загрузки ПК на базе х86. Цель раздела заключается не в том, чтобы сделать из вас эксперта в области загрузки ПК, но в том, чтобы дать необходимые знания о процессе загрузки в определенной архитектуре применительно к инициализации ядра.

В начале каждый процессор должен себя проинициализировать, после чего запустить программу самотестирования. Ситуация в мультипроцессорных системах оказывается более сложной, однако не намного. В системе с двумя процессорами Pentium один из процессоров всегда ведущий, а второй — ведомый. Ведущий процессор отвечает за всю работу, связанную с загрузкой, а ведомый процессор активизируется позже по запросу от ядра. В мультипроцессорной системе на базе Pentium Pro для выяснения того, какой из процессоров будет заниматься загрузкой системы, все процессоры должны «соперничать за флаг» в соответствии с алгоритмом, разработанным компанией Intel. Победивший загружает систему, а ядро позже активизирует остальные процессоры. Таким образом, за оставшиеся шаги процедуры загрузки будет отвечать только один процессор. Поэтому, с целью упрощения, можно предположить, что в системе установлен только один процессор. Позже в главе будет показано, как ядро активизирует оставшиеся процессоры в системе.

Далее центральный процессор (ЦП) считывает и выполняет команду, находящуюся по адресу 0xfffffff0. Поскольку в большинстве ПК не установлено 4 Гб ОЗУ, как правило этот адрес не попадает на ОЗУ. Аппаратура управления памятью просто ретранслирует его. В тех же компьютерах, где присутствуют все 4 Гб ОЗУ, небольшой объем ОЗУ в верхних адресах не используется, поскольку резервируется BIOS (BIOS резервирует всего 64 Кб — ничтожная потеря памяти для компьютеров, у которых ее целых 4 Гб).

По упомянутому адресу находится оператор перехода на начало базовой системы ввода/вывода (Basic Input/Output System, или BIOS). BIOS встроена в материнскую плату и управляет следующими этапами загрузки. Следует отметить, что ЦП абсолютно не беспокоится о существовании BIOS, что позволяет использовать процессоры Intel в архитектурах, отличных от стандартных ПК, например, во встроенных системах управления. (Фактически, оператор перехода является частью BIOS, но это не самая удачная его характеристика.)

BIOS начинает с выбора устройства для загрузки в соответствие со встроенными правилами. Часто эти правила можно изменять, нажимая во время загрузки определенную клавишу (например, Delete) и получая меню со множеством опций. При стандартном процессе BIOS сначала пытается выполнить загрузку с флоппи-диска и, в случае неудачи, — с первого жесткого диска. Если и здесь загрузка невозможна, может предприниматься попытка загрузки с CD-ROM. В большинстве случаев загрузочным устройством будет жесткий диск.

BIOS читает из дискового загрузочного устройства первый сектор (первых 512 байт), который носит название главной загрузочной записи (Master Boot Record, или MBR). Следующие события зависят от того, как Linux установлен в системе. С целью упрощения предположим, что загрузчиком ядра является LILO. В большинстве случаев BIOS проверяет некоторые магические числа в MBR и затем отыскивает информацию о расположении загрузочного сектора. Далее BIOS загружает этот сектор, содержащий начало LILO, в память и переходит на его начало.

Именно сейчас произошел переход из области аппаратуры и встроенного программного обеспечения в область «истинного» программного обеспечения, от осязаемого к неосязаемому, от частей, которые можно, скажем, пнуть ногой, к частям, для которых это будет затруднительно.

Итак, загружается LILO. Он загружает остаток самого себя и отыскивает на диске данные о своей конфигурации, которые сообщают ему, помимо прочего, где находится ядро и какие параметры необходимо передать ядру во время загрузки. Затем LILO загружает ядро и передает ему управление.

Обычно ядро хранится в виде сжатых файлов, каждый из которых в своем начале содержит несколько команд для распаковки оставшейся части (т.е. каждый такой файл представляет собой самораспаковывающийся исполняемый модуль). Таким образом, следующий шаг состоит в распаковке ядра своими силами и передаче управления на начало распакованного образа. Загрузка ядра завершена.

Ниже приводится краткое резюме рассмотренных выше действий.

1. ЦП инициализируется и выполняет одиночный оператор по фиксированному адресу.
2. Этот оператор обеспечивает передачу управления BIOS.
3. BIOS находит загрузочное устройство и считывает его MBR, который хранит расположение LILO.
4. BIOS загружает LILO и передает ему управление.
5. LILO загружает сжатое ядро.
6. Сжатое ядро распаковывает само себя и передает управление на распакованный образ.

Как и можно было ожидать, за каждым шагом процесса загрузки стоит большая порция кода.

В соответствие с приведенными в начале главы рассуждениями, ЦП рассматривается как «загрузчик загрузчика загрузчика загрузчика ядра» (т.е. ЦП загружает BIOS, BIOS загружает LILO, LILO загружает сжатое ядро, а последнее загружает уже распакованное ядро). Однако, для краткости будем говорить просто «загрузчик».