В вычислительной технике загрузка — это процесс запуска компьютера , инициируемый с помощью аппаратного обеспечения , например кнопки, или команды программного обеспечения . После включения центральный процессор компьютера (ЦП) не имеет программного обеспечения в своей основной памяти , поэтому некоторый процесс должен загрузить программное обеспечение в память, прежде чем он сможет быть выполнен. Это может быть сделано с помощью аппаратного обеспечения или встроенного программного обеспечения ЦП или отдельного процессора в компьютерной системе.
Перезапуск компьютера также называется перезагрузкой , которая может быть «жесткой», например, после переключения питания ЦП с выключенного на включенное состояние, или «мягкой», когда питание не отключается. В некоторых системах программная загрузка может дополнительно очистить ОЗУ до нуля. Как аппаратная, так и программная загрузка может быть инициирована аппаратным обеспечением, например нажатием кнопки или командой программного обеспечения. Загрузка завершается, когда достигается работоспособность системы выполнения , обычно операционной системы и некоторых приложений, [nb 1] .
Процесс возврата компьютера из состояния сна (приостановки) не предполагает загрузки; однако восстановление его из состояния гибернации помогает. Как минимум, некоторые встроенные системы не требуют заметной последовательности загрузки для начала работы и при включении могут просто запускать рабочие программы, хранящиеся в ПЗУ. Все вычислительные системы являются конечными автоматами , и перезагрузка может быть единственным методом возврата в заданное нулевое состояние из непреднамеренного заблокированного состояния.
Помимо загрузки операционной системы или отдельной утилиты, процесс загрузки также может загружать программу дампа памяти для диагностики проблем в операционной системе.
Boot — сокращение от bootstrap [1] [2] или начальной загрузки и происходит от фразы «подтянуть себя за свои бутстрапы» . [3] [4] Использование обращает внимание на требование, что, если большая часть программного обеспечения загружается на компьютер другим программным обеспечением, уже работающим на компьютере, должен существовать некоторый механизм для загрузки исходного программного обеспечения на компьютер. [5] Ранние компьютеры использовали множество специальных методов для помещения в память небольшой программы для решения этой проблемы. Изобретение постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) различных типов разрешило этот парадокс, позволив поставлять компьютеры с программой запуска, которую нельзя было стереть. Рост емкости ПЗУ позволил реализовать еще более сложные процедуры запуска.
Существует множество различных методов загрузки короткой исходной программы в компьютер. Эти методы охватывают как простой физический ввод, так и съемные носители, на которых можно хранить более сложные программы.
Первые компьютеры 1940-х и 1950-х годов представляли собой единственные в своем роде инженерные разработки, на программирование которых могли уйти недели, а загрузка программы была одной из многих проблем, которые нужно было решить. Ранний компьютер ENIAC не имел программы, хранящейся в памяти, но настраивался для каждой задачи с помощью конфигурации соединительных кабелей. Начальная загрузка не применялась к ENIAC, аппаратная конфигурация которого была готова к решению проблем сразу после подачи питания.
Система EDSAC , второй построенный компьютер с хранимой программой, использовала пошаговые переключатели для передачи фиксированной программы в память при нажатии кнопки запуска. Программа, хранящаяся на этом устройстве, которую Дэвид Уиллер завершил в конце 1948 года, загружала дальнейшие инструкции с перфоленты и затем выполняла их. [6] [7]
Первые программируемые компьютеры, поступившие в коммерческую продажу, такие как UNIVAC I и IBM 701 [8], включали в себя функции, упрощающие их работу. Обычно они включали инструкции, выполняющие полную операцию ввода или вывода. Та же самая аппаратная логика могла использоваться для загрузки содержимого перфокарты ( наиболее типичных) или другого носителя ввода, такого как магнитный барабан или магнитная лента , содержащего программу начальной загрузки, нажатием одной кнопки. Эта концепция загрузки называлась по-разному для компьютеров IBM 1950-х и начала 1960-х годов, но IBM использовала термин «начальная загрузка программы» с IBM 7030 Stretch [9] , а позже использовала его для своих линеек мэйнфреймов, начиная с System . /360 в 1964 году.
Компьютер IBM 701 (1952–1956) имел кнопку «Загрузить», которая инициировала чтение первого 36-битного слова в основную память с перфокарты в устройстве чтения карт , магнитной ленты в лентопротяжном устройстве или магнитного барабана. , в зависимости от положения переключателя нагрузки. Левое 18-битное полуслово затем выполнялось как инструкция, которая обычно считывает в память дополнительные слова. [10] [11] Затем была выполнена загруженная загрузочная программа, которая, в свою очередь, загрузила более крупную программу с этого носителя в память без дополнительной помощи со стороны человека-оператора. IBM 704 , [12], IBM 7090 , [13] и IBM 7094 [14] имели схожие механизмы, но с разными кнопками загрузки для разных устройств. Термин «загрузочный» используется в этом смысле как минимум с 1958 года. [15]
Другие компьютеры IBM той эпохи имели аналогичные функции. Например, система IBM 1401 (ок. 1958 г.) использовала устройство чтения карт для загрузки программы с перфокарты. 80 символов, хранящихся на перфокарте, считывались в ячейки памяти с 001 по 080, затем компьютер переходил к ячейке памяти 001, чтобы прочитать свою первую сохраненную инструкцию. Эта инструкция всегда была одной и той же: переместите информацию из этих первых 80 ячеек памяти в область сборки, где информация на перфокартах 2, 3, 4 и т. д. могла быть объединена для формирования сохраненной программы. Как только эта информация будет перемещена в зону сборки, машина перейдет к инструкции в ячейке 080 (считывание карты), и следующая карта будет прочитана, а ее информация обработана.
Другим примером была IBM 650 (1953), десятичная машина, имевшая на панели оператора группу из десяти 10-позиционных переключателей, которые адресулись как слово памяти (адрес 8000) и могли выполняться как инструкция. Таким образом, установка переключателей на 7004000400 и нажатие соответствующей кнопки приведет к считыванию первой карты из устройства чтения карт в память (код операции 70), начиная с адреса 400, а затем к адресу 400, чтобы начать выполнение программы на этой карте. [16] IBM 7040 и 7044 имеют аналогичный механизм, в котором кнопка «Загрузить» вызывает выполнение инструкции, установленной в клавишах ввода на передней панели, а каналу, который устанавливает инструкция, дается команда для передачи данных в память. начиная с адреса 00100; когда эта передача завершается, ЦП переходит на адрес 00101. [17]
Конкуренты IBM также предлагали загрузку программ одной кнопкой.
Примечательный вариант этого можно найти на Burroughs B1700 , где нет ни загрузочного ПЗУ, ни проводной операции IPL. Вместо этого после перезагрузки системы она последовательно считывает и выполняет микроинструкции с кассетного стримера, установленного на передней панели; это устанавливает загрузчик в оперативной памяти, который затем запускается. [21] Однако, поскольку при этом делается мало предположений о системе, его с таким же успехом можно использовать для загрузки диагностических лент (программы технического обслуживания), на которых на передней панели отображается понятный код даже в случае серьезного отказа ЦП. [21]
В IBM System/360 и его преемниках, включая современные машины z/Architecture , процесс загрузки известен как начальная загрузка программы (IPL).
IBM придумала этот термин для 7030 (Stretch) , [9] возродила его для проектирования System/360 и продолжает использовать его в этих средах сегодня. [22] В процессорах System/360 IPL инициируется оператором компьютера путем выбора трехшестнадцатеричного адреса устройства (CUU; C=адрес канала ввода-вывода, UU=блок управления и адреса устройства [nb 2] ), за которым следует нажав кнопку ЗАГРУЗИТЬ . В моделях System/360 высокого класса , в большинстве [nb 3] System/370 и некоторых более поздних системах функции переключателей и кнопки ЗАГРУЗИТЬ моделируются с использованием выбираемых областей на экране графической консоли, часто [ nb 4] Устройство типа IBM 2250 или устройство типа IBM 3270 . Например, в System/370 Model 158 последовательность клавиатуры 0-7-X (ноль, семь и X в указанном порядке) приводит к IPL из адреса устройства, который был введен в область ввода. Amdahl 470V/6 и связанные с ним ЦП поддерживали четыре шестнадцатеричные цифры на тех ЦП , на которых был установлен дополнительный модуль второго канала, всего 32 канала. Позже IBM также будет поддерживать более 16 каналов.
Функция IPL в System/360 и его преемниках до IBM Z и совместимых с ним устройствах, таких как Amdahl, считывает 24 байта из указанного оператором устройства в основную память, начиная с нулевого реального адреса. Вторая и третья группы по восемь байтов рассматриваются как командные слова канала (CCW) для продолжения загрузки программы запуска (первая CCW всегда моделируется ЦП и состоит из команды чтения IPL, 02h , с цепочкой команд и подавлением неправильной длины). указание соблюдается). Когда команды канала ввода-вывода завершены, первая группа из восьми байтов загружается в слово состояния программы (PSW) процессора, и программа запуска начинает выполнение в месте, указанном этим PSW. [22] Устройством IPL обычно является дисковод, отсюда особое значение команды чтения типа 02h , но точно такая же процедура используется и для IPL с других устройств ввода, таких как ленточные накопители или даже устройства чтения карт. , независимо от устройства, что позволяет, например, установить операционную систему на совершенно новый компьютер с магнитной ленты первоначального распространения ОС. Для контроллеров дисков команда 02h также заставляет выбранное устройство искать цилиндр 0000h , головку 0000h , имитируя команду поиска цилиндра и головки, 07h , и искать запись 01h , имитируя команду Search ID Equal, 31h ; поиск и поиск не моделируются контроллерами лент и карт, поскольку для этих классов устройств команда чтения IPL представляет собой просто команду последовательного чтения.
Диск, лента или колода карт должны содержать специальную программу для загрузки реальной операционной системы или автономной утилиты в основное хранилище, и для этой конкретной цели «IPL Text» помещается на диск с помощью автономного DASDI (устройства хранения данных с прямым доступом). Программа инициализации) или эквивалентная программа, работающая под управлением операционной системы, например, ICKDSF, но ленты и колоды карт с возможностью IPL обычно распространяются с уже присутствующим «текстом IPL».
IBM внесла некоторые эволюционные изменения в процесс IPL, изменив некоторые детали для расширенной архитектуры System/370 (S/370-XA) и более поздних версий, а также добавив новый тип IPL для z/Architecture.
Миникомпьютеры , начиная с PDP-5 и PDP-8 (1965) компании Digital Equipment Corporation (DEC) , упрощали конструкцию за счет использования ЦП для облегчения операций ввода и вывода. Это позволило сэкономить средства, но усложнило загрузку, требующую нажатия одной кнопки. Миникомпьютеры обычно имели какой-то способ переключения коротких программ с помощью набора переключателей на передней панели . Поскольку первые миникомпьютеры использовали память на магнитных сердечниках , которая не теряла свою информацию при отключении питания, эти загрузчики оставались на месте, пока они не были стерты. Стирание иногда происходило случайно, когда ошибка программы вызывала цикл, в результате которого перезаписывалась вся память.
Другие миникомпьютеры с такой простой формой загрузки включают серию HP 2100 от Hewlett-Packard (середина 1960-х), оригинальный Data General Nova (1969), а также PDP-4 (1962) и PDP-11 от DEC (1970).
Поскольку операции ввода-вывода, необходимые для выполнения операции чтения на устройстве ввода-вывода мини-компьютера, обычно были разными для разных контроллеров устройств, для разных устройств требовались разные программы начальной загрузки.
Позже, в 1971 году, DEC добавила дополнительную постоянную память с диодной матрицей для PDP-11, в которой хранилась программа начальной загрузки длиной до 32 слов (64 байта). Он состоял из печатной платы M792, которая подключалась к Unibus и содержала массив полупроводниковых диодов размером 32 на 16. При наличии всех 512 диодов память содержала все «единичные» биты; карта была запрограммирована путем отключения каждого диода, бит которого должен был быть «нулем». DEC также продавала версии карты серии BM792-Yx, предварительно запрограммированные для многих стандартных устройств ввода, просто убрав ненужные диоды. [23] [24]
Следуя старому подходу, более ранний PDP-1 имеет аппаратный загрузчик, так что оператору нужно только нажать переключатель «загрузки», чтобы дать указание считывателю бумажной ленты загрузить программу непосредственно в основную память. PDP -7 , [25], PDP-9 , [26] и PDP-15 [27], преемники PDP-4, имеют добавленную кнопку Read-In для чтения программы с бумажной ленты и перехода к ней. Data General Supernova использовала переключатели на передней панели, чтобы компьютер автоматически загружал инструкции в память с устройства, указанного переключателями данных на передней панели, а затем переходил к загруженному коду. [28]
В мини-компьютере со устройством чтения бумажной ленты первая программа, запускаемая в процессе загрузки, загрузчик, считывает в оперативную память либо загрузчик второго этапа (часто называемый двоичным загрузчиком ) , который может читать бумажную ленту с контрольной суммой , либо операционную систему с внешнего носителя данных. Псевдокод загрузчика может состоять из следующих восьми инструкций:
Похожий пример основан на загрузчике миникомпьютера Nicolet Instrument Corporation 1970-х годов с использованием устройства считывания-перфорации бумажной ленты на телетайпе Teletype Model 33 ASR . Байты его загрузчика второй ступени считываются с бумажной ленты в обратном порядке.
Длина загрузчика второго этапа такова, что последний байт перезаписывает ячейку 7. После выполнения инструкции в ячейке 6 ячейка 7 начинает выполнение загрузчика второй стадии. Затем загрузчик второго этапа ожидает, пока гораздо более длинная лента, содержащая операционную систему, будет помещена в устройство чтения ленты. Разница между загрузчиком и загрузчиком второго этапа заключается в добавлении проверочного кода для обнаружения ошибок чтения с бумажной ленты, что часто случается с относительно недорогим оборудованием, работающим неполный рабочий день, таким как Teletype Model 33 ASR. (Флексорайтеры Friden были гораздо более надежными, но и сравнительно дорогими.)
Самые ранние микрокомпьютеры, такие как Altair 8800 (впервые выпущенный в 1975 году) и еще более ранняя подобная машина (на базе процессора Intel 8008), не имели аппаратного обеспечения начальной загрузки как такового. [29] При включении ЦП увидит память, содержащую случайные данные. На передних панелях этих машин были тумблеры для ввода адресов и данных, по одному переключателю на бит слова памяти компьютера и адресной шины. Простые дополнения к аппаратному обеспечению позволяли загружать с этих переключателей по одной ячейке памяти за раз для хранения кода начальной загрузки. При этом ЦП не мог попытаться выполнить содержимое памяти. После правильной загрузки ЦП мог выполнить код начальной загрузки. Этот процесс, аналогичный тому, который использовался в нескольких более ранних миникомпьютерах, был утомительным и должен был быть безошибочным. [30]
Внедрение постоянной памяти (ПЗУ) на интегральных схемах с ее многочисленными вариантами, включая ПЗУ с программированием по маске , программируемые ПЗУ (ПЗУ), стираемые программируемые ПЗУ (EPROM) и флэш-память , уменьшило физический размер и стоимость ПЗУ. Это позволило включить в состав компьютера программы загрузки прошивки .
Data General Nova 1200 (1970) и Nova 800 (1971) имели переключатель загрузки программы, который в сочетании с опциями, предоставляющими две микросхемы ПЗУ, загружал программу в основную память из этих микросхем ПЗУ и переходил к ней. [28] Digital Equipment Corporation представила BM873 на базе интегрального ПЗУ (1974 г.), [31] M9301 (1977 г.), [32] M9312 (1978 г.), [33] REV11-A и REV11-C, [34] ПЗУ MRV11-C, [35] и MRV11-D [36] , все они могут использоваться в качестве загрузочных ПЗУ. PDP-11/34 (1976), [37] PDP-11/60 (1977), [38] PDP-11/24 (1979), [39] и большинство более поздних моделей включают модули загрузочного ПЗУ.
Итальянский телефонный коммутационный компьютер под названием «Gruppi Speciali», запатентованный в 1975 году Альберто Чиарамеллой , исследователем из CSELT , [40] включал в себя (внешнее) ПЗУ. Gruppi Speciali, начиная с 1975 года, представляла собой полностью однокнопочную машину, загружающую операционную систему из ПЗУ, состоящего из полупроводников, а не из ферритовых сердечников. Хотя устройство ПЗУ не было изначально встроено в компьютер Gruppi Speciali, из-за конструкции машины оно также позволяло загружать ПЗУ одной кнопкой на машинах, не предназначенных для этого (следовательно, это «устройство начальной загрузки» было независимым от архитектуры). ), например PDP-11. Также было предусмотрено сохранение состояния устройства после выключения, что было еще одной важной особенностью в соревновании по переключению телефона. [41]
Некоторые миникомпьютеры и суперминикомпьютеры включают в себя отдельный консольный процессор, который загружает основной процессор. PDP-11/44 имел процессор Intel 8085 в качестве консольного процессора; [42] VAX -11/780 , первый представитель линейки 32-битных суперминикомпьютеров Digital VAX , имел консольный процессор на базе LSI-11 , [43] а VAX-11/730 имел консольный процессор на базе 8085. . [44] Эти консольные процессоры могли загружать основной процессор с различных устройств хранения данных.
Некоторые другие суперминикомпьютеры, такие как VAX-11/750, реализуют консольные функции, включая первый этап загрузки, в микрокоде ЦП. [45]
Обычно микропроцессор после перезагрузки или включения питания выполняет процесс запуска, который обычно принимает форму «начала выполнения найденного кода, начиная с определенного адреса» или «поиска многобайтового кода по адресу». конкретный адрес и перейти в указанное место, чтобы начать выполнение». Система, построенная с использованием этого микропроцессора, будет иметь постоянное ПЗУ, занимающее эти специальные места, так что система всегда начнет работать без помощи оператора. Например, процессоры Intel x86 всегда начинаются с выполнения инструкций, начинающихся с адресов F000:FFF0, [46] [47] , тогда как для процессора MOS 6502 инициализация начинается с чтения двухбайтового векторного адреса по адресам $FFFD (MS-байт) и $. FFFC (байт LS) и переходим в это место для запуска кода начальной загрузки. [48]
Первый компьютер Apple Computer , Apple 1 , представленный в 1976 году, имел чипы PROM, которые устранили необходимость в передней панели для процесса загрузки (как это было в случае с Altair 8800) в коммерческом компьютере. Согласно рекламе Apple, в которой говорится: «Больше никаких переключателей, никаких огней… прошивка PROMS позволяет вам вводить, отображать и отлаживать программы (все в шестнадцатеричном формате) с клавиатуры». [49]
Из-за дороговизны постоянной памяти в то время серия Apple II загружала свои дисковые операционные системы с помощью серии очень маленьких дополнительных шагов, каждый из которых передавал управление следующему этапу постепенно усложняющегося процесса загрузки. (См. Apple DOS: Загрузчик ). Поскольку дисковая операционная система очень мало зависела от ПЗУ, аппаратное обеспечение было чрезвычайно гибким и поддерживало широкий спектр настраиваемых механизмов защиты диска от копирования . (См. Взлом программного обеспечения: история .)
Некоторые операционные системы, особенно системы Macintosh от Apple , выпущенные до 1995 года , настолько тесно переплетены со своим оборудованием, что невозможно загрузить другую операционную систему, кроме стандартной. Это противоположная крайность сценария с использованием упомянутых выше переключателей; он очень негибкий, но относительно устойчив к ошибкам и ошибкам, пока все оборудование работает нормально. Распространенным решением в таких ситуациях является создание загрузчика, который работает как программа, принадлежащая стандартной ОС, которая захватывает систему и загружает альтернативную ОС. Этот метод использовался Apple для реализации A/UX Unix и копировался различными бесплатными операционными системами и BeOS Personal Edition 5 .
Некоторые машины, такие как микрокомпьютер Atari ST , включались «мгновенно», а операционная система запускалась из ПЗУ . Таким образом, извлечение ОС из вторичного или третичного хранилища было исключено как одна из характерных операций начальной загрузки. Чтобы обеспечить автоматическую загрузку настроек системы, аксессуаров и другого вспомогательного программного обеспечения, во время процесса загрузки дисковод Atari считывался на наличие дополнительных компонентов. Была задержка по тайм-ауту, которая давала время вручную вставить дискету, пока система искала дополнительные компоненты. Этого можно избежать, вставив чистый диск. Аппаратное обеспечение Atari ST также было спроектировано таким образом, чтобы слот для картриджей мог обеспечивать собственное выполнение программ для игровых целей в качестве пережитка наследия Atari по созданию электронных игр; вставив картридж Spectre GCR с системным ПЗУ Macintosh в игровой слот и включив Atari, он мог «собственно загружать» операционную систему Macintosh, а не собственную TOS Atari .
Персональный компьютер IBM включал встроенное ПО на базе ПЗУ, называемое BIOS ; одной из функций этой прошивки было выполнение самотестирования при включении машины, а затем чтение программного обеспечения с загрузочного устройства и его выполнение. Прошивка, совместимая с BIOS персонального компьютера IBM, используется в компьютерах , совместимых с IBM PC . UEFI был разработан Intel первоначально для компьютеров на базе Itanium , а затем также использовался в качестве альтернативы BIOS на машинах на базе x86 , включая Apple Mac, использующие процессоры Intel .
Рабочие станции Unix изначально имели встроенное ПО на основе ПЗУ конкретного производителя. Позже Sun Microsystems разработала OpenBoot , позже известную как Open Firmware, которая включала в себя интерпретатор Forth , при этом большая часть встроенного ПО была написана на Forth. Он был стандартизирован IEEE как стандарт IEEE 1275-1994; Прошивка, реализующая этот стандарт, использовалась в компьютерах Mac на базе PowerPC и некоторых других машинах на базе PowerPC, а также в собственных компьютерах Sun на базе SPARC . Спецификация Advanced RISC Computing определила еще один стандарт прошивки, который был реализован на некоторых машинах на базе MIPS и Alpha , а также на рабочих станциях на базе SGI Visual Workstation x86.
Когда компьютер выключен, его программное обеспечение, включая операционные системы, код приложений и данные, остается храниться в энергонезависимой памяти . Когда компьютер включен, в его оперативной памяти (ОЗУ) обычно нет операционной системы или ее загрузчика . Компьютер сначала выполняет относительно небольшую программу, хранящуюся в постоянной памяти (ROM, а затем EEPROM , флэш-память NOR ) вместе с некоторыми необходимыми данными для инициализации процессора и материнской платы, инициализации оперативной памяти (особенно в системах x86), доступа к энергонезависимой памяти. устройство (обычно блочное устройство , например флэш-память NAND) или устройства, с которых программы и данные операционной системы могут быть загружены в ОЗУ.
Небольшая программа, запускающая эту последовательность действий, известна как начальный загрузчик , загрузчик или загрузчик . Часто используются многоэтапные загрузчики, при которых в процессе цепной загрузки друг за другом загружаются несколько программ возрастающей сложности .
Некоторые более ранние компьютерные системы, получив сигнал загрузки от человека-оператора или периферийного устройства, могли загрузить очень небольшое количество фиксированных инструкций в память в определенном месте, инициализировать по крайней мере один ЦП, а затем указать ЦП на инструкции и приступить к их исполнению. Эти инструкции обычно запускают операцию ввода с некоторого периферийного устройства (которое может быть выбрано оператором переключателем). Другие системы могут отправлять аппаратные команды непосредственно периферийным устройствам или контроллерам ввода-вывода, что вызывает выполнение чрезвычайно простой операции ввода (например, «чтение нулевого сектора системного устройства в память, начиная с ячейки 1000»), эффективно загружая небольшой количество инструкций загрузчика в памяти; сигнал завершения от устройства ввода-вывода может затем использоваться для начала выполнения инструкций ЦП.
В компьютерах меньшего размера часто используются менее гибкие, но более автоматические механизмы загрузчика, обеспечивающие быстрый запуск компьютера и с заранее определенной конфигурацией программного обеспечения. Например, во многих настольных компьютерах процесс начальной загрузки начинается с того, что ЦП выполняет программное обеспечение, содержащееся в ПЗУ (например, BIOS IBM PC ) , по заранее определенному адресу (некоторые ЦП, включая серию Intel x86 , предназначены для выполнения этого программного обеспечения). после сброса без посторонней помощи). Это программное обеспечение содержит элементарную функциональность для поиска устройств, имеющих право участвовать в загрузке, и загрузки небольшой программы из специального раздела (чаще всего загрузочного сектора ) наиболее перспективного устройства, обычно начиная с фиксированной точки входа, такой как начало сектор.
Загрузчики могут столкнуться с особыми ограничениями, особенно по размеру; например, на IBM PC и совместимых компьютерах загрузочный код должен помещаться в главную загрузочную запись (MBR) и загрузочную запись раздела (PBR), которые, в свою очередь, ограничены одним сектором; в IBM System/360 размер ограничен средой IPL, например размером карты , размером дорожки.
В системах с такими ограничениями первая программа, загруженная в ОЗУ, может быть недостаточно большой для загрузки операционной системы, и вместо этого ей придется загрузить другую, более крупную программу. Первая программа, загружаемая в ОЗУ, называется загрузчиком первого этапа, а программа, которую она загружает, называется загрузчиком второго этапа.
Примеры загрузчиков первого этапа (этап инициализации оборудования) включают BIOS , UEFI , coreboot , Libreboot и Das U-Boot . На IBM PC загрузчик в главной загрузочной записи (MBR) и загрузочной записи раздела (PBR) был запрограммирован так, чтобы требовать не менее 32 КБ [50] [51] (позже расширено до 64 КБ [52] ) системного пространства. памяти и использовать только инструкции , поддерживаемые оригинальными процессорами 8088/8086 .
Загрузчики второго этапа (этап инициализации ОС), такие как shim, [53] GNU GRUB , rEFInd , BOOTMGR , Syslinux , NTLDR и iBoot , сами по себе не являются операционными системами, но способны правильно загружать операционную систему и передавать выполнение ей. это; операционная система впоследствии инициализируется и может загрузить дополнительные драйверы устройств . Загрузчик второго этапа не нуждается в драйверах для своей собственной работы, но вместо этого может использовать общие методы доступа к хранилищу, предоставляемые системной прошивкой, такие как BIOS, UEFI или открытая прошивка , хотя обычно с ограниченной аппаратной функциональностью и более низкой производительностью. [54]
Многие загрузчики (такие как GNU GRUB, rEFInd, BOOTMGR для Windows, Syslinux и NTLDR для Windows NT/2000/XP) можно настроить так, чтобы предоставить пользователю несколько вариантов загрузки. Эти варианты могут включать разные операционные системы (для двойной или многократной загрузки с разных разделов или дисков), разные версии одной и той же операционной системы (на случай, если новая версия имеет неожиданные проблемы), разные варианты загрузки операционной системы (например, загрузка в спасательный или безопасный режим ), а также некоторые автономные программы, которые могут работать без операционной системы, такие как тестеры памяти (например, memtest86+ ), базовая оболочка (как в GNU GRUB) или даже игры (см. Список игр для загрузки ПК ). [55] Некоторые загрузчики могут также загружать другие загрузчики; например, GRUB загружает BOOTMGR вместо прямой загрузки Windows. Обычно выбор по умолчанию выбирается заранее с временной задержкой, в течение которой пользователь может нажать клавишу, чтобы изменить выбор; после этой задержки автоматически запускается вариант по умолчанию, поэтому нормальная загрузка может происходить без взаимодействия.
Процесс загрузки можно считать завершенным, когда компьютер готов к взаимодействию с пользователем или операционная система способна запускать системные программы или прикладные программы.
Многие встроенные системы должны загружаться немедленно. Например, ждать минуту, пока запустится цифровое телевидение или GPS-навигатор, вообще недопустимо. Следовательно, такие устройства имеют программное обеспечение в ПЗУ или флэш-памяти , поэтому устройство может начать работу немедленно; Загрузка не требуется или незначительна, поскольку загрузка может быть предварительно рассчитана и сохранена в ПЗУ при изготовлении устройства. [ нужна цитата ]
В больших и сложных системах процедуры загрузки могут выполняться в несколько этапов, пока, наконец, операционная система и другие программы не будут загружены и готовы к выполнению. Поскольку операционные системы устроены так, как будто они никогда не запускаются и не останавливаются, загрузчик может загрузить операционную систему, настроить себя как простой процесс внутри этой системы, а затем безвозвратно передать управление операционной системе. Затем загрузчик завершает работу нормально, как и любой другой процесс.
Большинство компьютеров также способны загружаться через компьютерную сеть . В этом сценарии операционная система хранится на диске сервера , а определенные ее части передаются клиенту с помощью простого протокола, такого как Trivial File Transfer Protocol (TFTP). После передачи этих частей операционная система берет на себя управление процессом загрузки.
Как и в случае с загрузчиком второго этапа, сетевая загрузка начинается с использования общих методов доступа к сети, предоставляемых загрузочным ПЗУ сетевого интерфейса, которое обычно содержит образ среды выполнения перед загрузкой (PXE). Драйверы не требуются, но функциональность системы ограничена до тех пор, пока не будут перенесены и запущены ядро операционной системы и драйверы. В результате после завершения загрузки из ПЗУ вполне возможно выполнить сетевую загрузку операционной системы, которая сама не имеет возможности использовать сетевой интерфейс.
Загрузочное устройство — это устройство хранения данных, с которого загружается операционная система. Прошивка UEFI или BIOS современного ПК поддерживает загрузку с различных устройств, обычно с локального твердотельного диска или жесткого диска через GPT или главную загрузочную запись (MBR) на таком диске или диске, привод оптических дисков (с использованием El Torito ), запоминающее устройство USB большой емкости ( флэш-накопитель USB , устройство чтения карт памяти , жесткий диск USB, привод оптических дисков USB, твердотельный накопитель USB и т. д.) или сетевую карту (с использованием PXE ). К старым, менее распространённым загрузочным устройствам с BIOS относятся дисководы гибких дисков , приводы Zip и приводы LS-120 .
Обычно встроенное ПО системы (UEFI или BIOS) позволяет пользователю настраивать порядок загрузки . Если порядок загрузки установлен «сначала DVD-привод; затем жесткий диск», то микропрограмма попытается загрузиться с DVD-привода, и если это не удастся (например, из-за отсутствия DVD-диска в приводе), он попытается загрузиться с локального жесткого диска.
Например, на ПК с установленной на жестком диске Windows пользователь может установить порядок загрузки, указанный выше, а затем вставить Linux Live CD , чтобы опробовать Linux без необходимости устанавливать операционную систему на жесткий диск. водить машину. Это пример двойной загрузки , при которой пользователь выбирает, какую операционную систему запустить после того, как компьютер выполнил самотестирование при включении питания (POST). В этом примере двойной загрузки пользователь выбирает, вставляя или извлекая DVD-диск из компьютера, но чаще всего выбирают, какую операционную систему загружать, выбирая из меню диспетчера загрузки на выбранном устройстве, используя компьютерную клавиатуру для загрузки. выберите меню загрузки BIOS или UEFI или оба варианта; Вход в меню загрузки обычно осуществляется нажатием клавиш F8или во время процедуры POST; Вход в настройки BIOS обычно осуществляется нажатием клавиш или во время процедуры POST. [56] [57]F12F2DEL
Доступно несколько устройств, которые позволяют пользователю быстро загрузиться в Linux для выполнения различных простых задач, таких как доступ в Интернет; примерами являются Splashtop и Latitude ON . [58] [59] [60]
При запуске процессор x86 IBM-совместимого персонального компьютера выполняет в реальном режиме инструкцию, расположенную в векторе сброса (адрес физической памяти FFFF0h на 16-битных процессорах x86 [61] и FFFFFFF0h на 32-битных и 64-битных процессорах x86). [62] [63] ), обычно указывающий на точку входа прошивки ( UEFI или BIOS ) внутри ПЗУ. Эта ячейка памяти обычно содержит инструкцию перехода, которая передает выполнение в место запуска программы встроенного ПО ( UEFI или BIOS ). Эта программа запускает самотестирование при включении питания (POST) для проверки и инициализации необходимых устройств, таких как основная память ( DRAM ), шина PCI и устройства PCI (включая запуск встроенных дополнительных ПЗУ ). Одним из наиболее сложных шагов является настройка DRAM поверх SPD , что еще больше усложняется тем, что на данный момент память очень ограничена.
После инициализации необходимого оборудования прошивка ( UEFI или BIOS ) проходит через предварительно настроенный список энергонезависимых устройств хранения данных («последовательность загрузочных устройств»), пока не найдет одно из них, которое является загрузочным. Загрузочное устройство MBR определяется как устройство, с которого можно читать, и где последние два байта первого сектора содержат слово с прямым порядком байтов AA55h , [nb 5] , найденное как последовательность байтов 55h , AAh на диске (также известное как загрузочная подпись MBR ), или если иным образом установлено, что код внутри сектора является исполняемым на ПК x86.
Как только BIOS находит загрузочное устройство, он загружает загрузочный сектор по линейному адресу 7C00h (обычно сегмент : смещение 0000h : 7C00h , [50] [52] : 29 , но некоторые BIOS ошибочно используют 07C0h : 0000h [ нужна ссылка ] ) и передает выполнение в загрузочный код. В случае жесткого диска это называется основной загрузочной записью (MBR). Обычный код MBR проверяет таблицу разделов MBR на наличие раздела, установленного как загрузочный [nb 6] (тот, у которого установлен активный флаг). Если активный раздел найден, код MBR загружает код загрузочного сектора из этого раздела, известный как загрузочная запись тома (VBR), и выполняет его. Загрузочный код MBR часто зависит от операционной системы.
Код загрузочного сектора — это загрузчик первого этапа. Он расположен на фиксированных и съемных дисках и должен умещаться в первых 446 байтах главной загрузочной записи , чтобы оставить место для стандартной 64-байтовой таблицы разделов с четырьмя записями разделов и двухбайтовой загрузочной подписью , которая BIOS требует наличия надлежащего загрузчика — или даже меньше, если дополнительные функции, такие как более четырех записей разделов (до 16 по 16 байт каждый), подпись диска (6 байт), временная метка диска (6 байт), Advanced Active В некоторых средах также должны поддерживаться разделы (18 байт) или специальные мультизагрузочные загрузчики. В загрузочных записях тома на дискетах и супердискетах до 59 байт занято для расширенного блока параметров BIOS на томах FAT12 и FAT16 , начиная с DOS 4.0, тогда как EBPB FAT32 , представленный в DOS 7.1, требует даже 87 байт, оставляя только 423 байта для загрузчика. при условии, что размер сектора составляет 512 байт. Поэтому загрузочные сектора Microsoft традиционно налагали определенные ограничения на процесс загрузки, например, загрузочный файл должен был располагаться в фиксированной позиции в корневом каталоге файловой системы и храниться как последовательные сектора, при соблюдении условий [ 64] [65] команды и немного смягчен в более поздних версиях DOS. [65] [nb 7] Затем загрузчик смог загрузить первые три сектора файла в память, которая, как оказалось, содержала другой встроенный загрузчик, способный загрузить остальную часть файла в память. [65] Когда Microsoft добавила поддержку LBA и FAT32, они даже перешли на загрузчик, охватывающий более двух физических секторов и использующий 386 инструкций из соображений размера. В то же время другим производителям удалось втиснуть гораздо больше функциональности в один загрузочный сектор, не ослабляя первоначальные ограничения на минимальный доступный объем памяти (32 КБ) и поддержку процессоров (8088/8086). [nb 8] Например, загрузочные сектора DR-DOS способны найти загрузочный файл в файловой системе FAT12, FAT16 и FAT32 и загрузить его в память целиком через CHS или LBA, даже если файл не хранится в фиксированном месте и в последовательных секторах. [66] [50] [67] [68] [69] [шт. 9] [шт. 8]SYS
VBR часто зависит от ОС; однако его основная функция — загружать и выполнять файл загрузчика операционной системы (например, bootmgrили ntldr), который является загрузчиком второго этапа, из активного раздела. Затем загрузчик загружает ядро ОС с запоминающего устройства.
Если активного раздела нет или загрузочный сектор активного раздела недействителен, MBR может загрузить вторичный загрузчик, который выберет раздел (часто с помощью пользовательского ввода) и загрузит его загрузочный сектор, который обычно загружает соответствующее ядро операционной системы. В некоторых случаях MBR может также попытаться загрузить дополнительные загрузчики перед загрузкой активного раздела. Если ничего не помогает, он должен выдать вызов прерывания BIOS INT 18h [52] [50] (за которым следует INT 19h на случай, если INT 18h вернется), чтобы вернуть управление BIOS, который затем попытается загрузиться. отключив другие устройства, попытайтесь выполнить удаленную загрузку по сети. [50]
Многие современные системы ( Intel Mac и более новые ПК ) используют UEFI . [70] [71]
В отличие от BIOS, UEFI (не устаревшая загрузка через CSM) не полагается на загрузочные сектора, система UEFI загружает загрузчик ( файл приложения EFI на USB-диске или в системном разделе EFI ) напрямую, [72] и ядро ОС загружается загрузчик.
Многие современные процессоры, SoC и микроконтроллеры (например, TI OMAP ) или иногда даже процессоры цифровых сигналов (DSP) могут иметь загрузочное ПЗУ, интегрированное непосредственно в их микросхему, поэтому такой процессор может самостоятельно выполнять простую последовательность загрузки и загружать загрузочные программы. (прошивка или программное обеспечение) из источников загрузки, таких как флэш-память NAND или eMMC. Трудно реализовать всю необходимую логику для работы с такими устройствами, поэтому в таких сценариях вместо этого используется интегрированное загрузочное ПЗУ. Кроме того, загрузочное ПЗУ может загружать загрузчик или диагностическую программу через последовательные интерфейсы, такие как UART , SPI , USB и так далее. Эта функция часто используется для восстановления системы или ее также можно использовать для первоначального программирования энергонезависимой памяти, когда в энергонезависимой памяти еще нет доступного программного обеспечения. Многие современные микроконтроллеры (например, контроллер флэш-памяти на USB-накопителях ) имеют встроенное ПЗУ, встроенное непосредственно в их микросхему.
Некоторые конструкции встроенных систем могут также включать промежуточный этап последовательности загрузки. Например, Das U-Boot можно разделить на два этапа: платформа загружает небольшой SPL (вторичный загрузчик программ), который представляет собой урезанную версию U-Boot, а SPL выполняет некоторую начальную конфигурацию оборудования (например, инициализация DRAM с использованием кэша ЦП в качестве ОЗУ) и загрузите более крупную полнофункциональную версию U-Boot. [73] Некоторые ЦП и SoC могут не использовать кэш ЦП в качестве ОЗУ в процессе загрузки. Они используют встроенный загрузочный процессор для выполнения некоторой конфигурации оборудования в целях снижения затрат. [74]
Также возможно взять под контроль систему, используя аппаратный интерфейс отладки, такой как JTAG . Такой интерфейс может использоваться для записи программы загрузчика в загрузочную энергонезависимую память (например, флэш-память), давая команду ядру процессора выполнить необходимые действия для программирования энергонезависимой памяти. Альтернативно, интерфейс отладки может использоваться для загрузки некоторого диагностического или загрузочного кода в ОЗУ, а затем для запуска ядра процессора и указания ему выполнить загруженный код. Это позволяет, например, восстанавливать встроенные системы, в которых ни на одном поддерживаемом загрузочном устройстве не осталось программного обеспечения и где процессор не имеет встроенного загрузочного ПЗУ. JTAG — стандартный и популярный интерфейс; многие процессоры, микроконтроллеры и другие устройства производятся с интерфейсами JTAG (по состоянию на 2009 год [обновлять]). [ нужна цитата ]
Некоторые микроконтроллеры предоставляют специальные аппаратные интерфейсы, которые нельзя использовать для произвольного управления системой или прямого запуска кода, но вместо этого они позволяют вставлять загрузочный код в загрузочную энергонезависимую память (например, флэш-память) через простые протоколы. Затем на этапе производства такие интерфейсы используются для внедрения загрузочного кода (и, возможно, другого кода) в энергонезависимую память. После перезагрузки системы микроконтроллер начинает выполнять код, запрограммированный в его энергонезависимую память, подобно тому, как обычные процессоры используют для загрузки ПЗУ. В частности, этот метод используется в микроконтроллерах Atmel AVR , а также в других. Во многих случаях такие интерфейсы реализуются с помощью аппаратной логики. В других случаях такие интерфейсы могут быть созданы с помощью программного обеспечения, работающего во встроенном загрузочном ПЗУ с выводов GPIO .
Большинство DSP имеют загрузку в последовательном режиме и загрузку в параллельном режиме, например через интерфейс хост-порта (загрузка HPI).
В случае DSP в конструкции системы часто присутствует второй микропроцессор или микроконтроллер, который отвечает за общее поведение системы, обработку прерываний, обработку внешних событий, пользовательский интерфейс и т. д., в то время как DSP предназначен только для задач обработки сигналов. . В таких системах DSP может загружаться с помощью другого процессора, который иногда называют хост-процессором (давая имя хост-порту). Такой процессор также иногда называют главным , поскольку он обычно сначала загружается из своей собственной памяти, а затем управляет общим поведением системы, включая загрузку DSP, а затем осуществляет дальнейшее управление поведением DSP. У DSP часто не хватает собственной загрузочной памяти, и вместо этого он полагается на главный процессор для предоставления необходимого кода. Наиболее известными системами с такой конструкцией являются сотовые телефоны, модемы, аудио- и видеоплееры и т. д., в которых сосуществуют DSP и ЦП/микроконтроллер.
Многие микросхемы FPGA загружают свою конфигурацию из внешнего последовательного EEPROM («ПЗУ конфигурации») при включении питания.
Реализованы различные меры, повышающие безопасность процесса загрузки. Некоторые из них сделаны обязательными, другие могут быть отключены или включены конечным пользователем . Традиционно загрузка не предполагала использования криптографии . Защиту можно обойти, разблокировав загрузчик , который может быть одобрен или не одобрен производителем.
Мэтью Гарретт утверждал, что загрузка безопасности служит законной цели, но при этом выбираются настройки по умолчанию , враждебные пользователям. [75]
+1FEhв загрузочных секторах такая 55h AAh, то есть 55hпо смещению +1FEhи AAhпо смещению +1FFh. Поскольку в контексте машин, совместимых с IBM PC , необходимо предполагать представление с прямым порядком байтов , в программах для процессоров x86 его можно записать как 16-битное слово (обратите внимание на порядок перестановки), тогда как в программах для других процессоров его нужно было бы записать как 16-битное слово. Архитектуры ЦП, использующие представление с прямым порядком байтов . Поскольку это неоднократно путалось в книгах и даже в оригинальных справочных документах Microsoft, в этой статье используется побайтовое представление на диске на основе смещения, чтобы избежать любой возможной неправильной интерпретации.AA55h55AAhПоскольку регистр CS содержит F000 (таким образом определяя сегмент кода, начинающийся с физического адреса F0000), а указатель инструкции содержит FFF0, процессор выполнит свою первую команду по физическому адресу FFFF0H.
После RESET адресные строки A31–20 автоматически активируются для выборки инструкций.
Этот факт, вместе с начальными значениями CS:IP, приводит к тому, что выполнение инструкции начинается с физического адреса FFFFFFF0H.
Первая инструкция, которая извлекается и выполняется после аппаратного сброса, находится по физическому адресу FFFFFFF0h.
Этот адрес на 16 байт ниже самого верхнего физического адреса процессора.
По этому адресу должна находиться СППЗУ, содержащая код инициализации программного обеспечения.
[…]
SYS
был улучшен в
DR DOS 5.0,
поэтому вам не нужно беспокоиться о том, чтобы оставить свободным первый кластер на диске, который вы хотите сделать загрузочным.
Системные файлы DR DOS могут располагаться в любом месте диска, поэтому для загрузки системы можно использовать любой диск с достаточным количеством свободного места.
[…](Примечание. Источник приписывает это утилите SYS, хотя на самом деле это функция расширенного загрузчика загрузочного сектора. SYS просто помещает этот сектор на диск.)
[…] Загрузочный сектор
DR-DOS
[…] ищет файл
IBMBIO.COM
(
DRBIOS.SYS
), а затем загружает *весь* файл в память, прежде чем передать ему управление.
[…]
[…] Загрузочный сектор
DR-DOS
загружает весь файл
IBMBIO.COM
в память перед его выполнением.
Его совершенно не заботит файл
IBMDOS.COM
, который загружается IBMBIO.COM.
[…] Загрузочный сектор DR-DOS […] найдет […] файлы ядра, если они логически хранятся в корневом каталоге.
Их физическое расположение на диске, фрагментированы они или нет, не имеет значения для загрузочного сектора DR-DOS.
Следовательно, вы можете просто скопировать файлы ядра на диск (даже с помощью просто
COPY
), и как только загрузочный сектор станет сектором DR-DOS, он найдет и загрузит их.
Конечно, сложно уместить все это всего в 512 байт, размером с один сектор, но это серьезное улучшение удобства, если вам предстоит настраивать систему DR-DOS, а также это ключ для DR. -Утилита
DOS multi-OS
LOADER
для работы.
Файлы ядра MS
-DOS
должны находиться в определенных местах, но файлы DR-DOS могут находиться где угодно, поэтому вам не придется физически менять их местами каждый раз при загрузке другой ОС.
Кроме того, он позволяет обновить систему DR-DOS, просто копируя файлы ядра поверх старых, без необходимости в
SYS
, без сложных процедур установки, как это требуется для MS-DOS/
PC DOS
.
Вы даже можете хранить несколько файлов ядра DR-DOS под разными именами на одном диске, и LOADER будет переключаться между ними в соответствии с именами файлов, указанными в файле
BOOT.LST
.
[…]
[…]
DR-DOS
FDISK
не только разбивает диск на разделы, но также может форматировать только что созданные тома и инициализировать их загрузочные сектора за один раз, поэтому нет риска случайно испортить неправильный том и нет необходимости в
FORMAT
/S. или
СИС
.
После этого вы можете просто скопировать оставшиеся файлы DR-DOS, включая системные файлы.
Важно знать, что, в отличие от
MS-DOS
/
PC DOS
, DR-DOS имеет «умные» загрузочные сектора, которые фактически «монтируют» файловую систему для поиска и загрузки системных файлов в корневом каталоге, а не в корневом каталоге. ожидая, что они будут размещены в определенном месте.
Физически системные файлы могут располагаться где угодно, а также могут быть фрагментированы.
[…]
