Загрузке системы появляется. Этапы загрузки операционных систем. Что такое загрузчик операционных систем GRUB

Операционная система обычно хранится во внешней памяти компьютера – на диске. При включении компьютера она считывается с дисковой памяти и размещается в оперативной памяти. Этот процесс называется загрузкой операционной системы.

Диск, на котором находятся файлы ОС и с которого производится ее загрузка, называется системным .
Программы могут выполняться, только если они находятся в оперативной памяти, поэтому файлы ОС необходимо загрузить в оперативную память.
После включения компьютера производится загрузка ОС с системного диска в оперативную память. Загрузка должна выполняться в соответствии с программой загрузки – загрузчика ОС.
Поэтапно загрузку ОС можно представить следующим образом:
В компьютере находится ПЗУ, содержащее программы тестирования компьютера и первого этапа загрузки ОС, которые называются BIOS (Basic Input/Output System – базовая система ввода-вывода). После включения компьютера эти программы начинают выполняться. Причем информация о ходе этого процесса высвечивается на экране дисплея. Сначала производится тестирование и настройка аппаратных средств, затем начинается загрузка ОС. На этом этапе процессор обращается к диску и ищет в 1 секторе диска наличие небольшой программы-загрузчика Master Boot .

Master Boot ищет на диске основной загрузчик Boot Sector , загружает его в память и передает ему управление. Boot sector (сектор начальной загрузки) – часть диска, зарезервированная для программы самозагрузки ОС. В этом секторе обычно содержится короткая программа на машинном языке, которая загружает ОС.
Далее основной загрузчик ищет остальные модули операционной системы и загружает их в оперативную память.
После окончания загрузки ОС управление передается командному процессору. В случае использования интерфейса командной строки на экране появляется приглашение системы, в противном случае загружается графический интерфейс.
В зависимости от вида ОС, процесс ее загрузки будет отличаться. В состав ОС обязательно входят файлы, отвечающие за процесс загрузки. Рассмотрим «работу» файлов в процессе загрузки Windows XP .

  1. Начальная фаза загрузки.
  2. Выбор системы.
  3. Определение «железа».
  4. Выбор конфигурации.

В начальной фазе NTLDR переключает процессор в защищенный режим. Затем загружает соответствующий драйвер файловой системы для работы с файлами любой файловой системы, поддерживаемой XP (FAT-16, FAT-32 и NTFS).

Если в корневой директории есть BOOT.INI, то его содержание загружается в память. Если в нем есть записи более чем об одной операционной системе, NTLDR останавливает работу — показывает меню с выбором и ожидает ввода от пользователя определенный период времени.

Если такого файла нет, то NTLDR продолжает загрузку с первого раздела, первого диска, обычно это C:\.
Если в процессе выбора пользователь выбрал Windows NT, 2000 или XP , то проверяется нажатие F8 и показ соответствующего меню с опциями загрузки.
После каждой удачной загрузки XP создает копию текущей комбинации драйверов и системных настроек известную как Last Known Good Configuration. Этот коллекцию можно использовать для загрузки в случае если некое новое устройство внесло разлад в работу операционной системы.

Если выбранная операционная система XP, то NTLDR находит и загружает DOS программу NTDETECT.COM для определения «железа», установленного в компьютере. NTDETECT.COM строит список компонентов, который потом используется в ключе HARDWARE ветки HKEY_LOCAL_MACHINE реестра.

Если компьютер имеет более одного профиля оборудования программа останавливается с меню выбора конфигурации. После выбора конфигурации NTLDR начинает загрузку ядра XP (NTOSKRNL.EXE). В процессе загрузки ядра (но перед инициализацией) NTLDR остается главным в управлении компьютером. Экран очищается и внизу показывается анимация из белых прямоугольников. Кроме ядра загружается и слой Hardware Abstraction Layer (HAL.DLL), для того чтобы ядро могло абстрагироваться от «железа». Оба файла находятся в директории System32.

NTLDR загружает драйвера устройств, помеченные как загрузочные. Загрузив их, NTLDR передает управление компьютером дальше. Каждый драйвер имеет ключ в HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\Services. Если значение Start равно SERVICE_BOOT_START, то устройство считается загрузочным. Для каждого такого устройства на экране печатается точка.

NTOSKRNL в процессе загрузки проходит через две фазы — так называемую фазу 0 и фазу 1. Первая фаза инициализирует лишь ту часть микроядра и исполнительные подсистемы, которая требуется для работы основных служб и продолжения загрузки. Фаза 1 начинается когда HAL подготавливает систему для обработки прерываний устройств. Если на компьютере установлено более одного процессора, они инициализируются. Все исполнительные подсистемы реинициализируются в следующем порядке: Object Manager, Executive, Microkernel, Security Reference Monitor, Memory Manager, Cache Manager, LPCS, I/O Manager, Process Manager.

Инициализация Менеджера ввода/Вывода начинает процесс загрузки всех системных драйверов. С того момента где остановился NTLDR загружаются драйвера по приоритету. Сбой в загрузке драйвера может заставить XP перезагрузиться и попытаться восстановить Last Known Good Configuration. Последняя задача фазы 1 инициализации ядра — запуск Session Manager Subsystem (SMSS). Подсистема ответственна за создание пользовательского окружения, обеспечивающего интерфейс NT. SMSS работает в пользовательском режиме, но в отличии от других приложений SMSS считается доверенной частью операционной системы и «родным» приложением (использует только исполнительные функции), что позволяет ей запустить графическую подсистему и login. SMSS загружает win32k.sys — графическую подсистему. Драйвер переключает компьютер в графический режим, SMSS стартует все сервисы, которые должны автоматически запускаться при старте. Если все устройства и сервисы стартовали удачно, процесс загрузки считается удачным и создается Last Known Good Configuration.

Процесс загрузки не считается завершенным до тех пор, пока пользователь не залогинился в систему. Процесс инициализируется файлом WINLOGON.EXE, запускаемым как сервис и поддерживается Local Security Authority (LSASS.EXE), который и показывает диалог входа в систему. Это диалоговое окно показывается примерно тогда, когда Services Subsystem стартует сетевую службу.

Давным-давно, когда я был маленьким работал в институтской лаборатории на большом компьютере СМ-3 (что-то вроде знаменитой PDP-11), bootstrapping (загрузка) ЭВМ выглядела так. В фотосчитыватель заправлялась коротенькая бумажная перфолента с пробитой на ней программой начальной загрузки, запускался процесс считывания, а дальше … как повезет.

Дело в том, что бумажная ленточка постепенно изнашивалась, начинала плохо читаться, и ЭВМ могла с первого раза «не завестись». В этом случае процесс нужно было повторять, порой несколько раз, до победного конца. Когда ленточка окончательно выходила из строя и машина никак не хотела «оживать», приходилось временно вводить программу начальной загрузки вручную при помощи расположенных на передней панели переключателей. Тут, главное, было не торопиться и не делать ошибок.

В современных компьютерах процесс загрузки большей частью автоматизирован, однако это не означает, что он не заслуживает того, чтобы с ним познакомиться.

Основные определения и этапы загрузки операционной системы

Включение компьютера, POST, BootMonitor

Начальный этап загрузки операционной системы после включения компьютера начинается в BIOS (Basic Input/Output System — базовая система ввода-вывода). В настройках BIOS мы указываем загрузочное устройство, или ряд загрузочных устройств в порядке их приоритета. Возможны различные варианты загрузки и их комбинации: с жесткого диска, CD/DVD – диска, USB-flash и другие.

Сразу после прохождения POST (Power-On Self-Test — самотестирование после включения) BIOS компьютера начнет поочередно перебирать указанные загрузочные устройства до тех пор, пока на одном из них не найдет подходящую специальную запись, в которой содержится информация о дальнейших действиях.

Загрузчик 1-го уровня. Master Boot Record

Master Boot Record — главная загрузочная запись, расположена в первых физических секторах загрузочных устройств хранения. Она содержит таблицу разделов (Partition Table) и исполняемый код.

Главной задачей программы, записанной в MBR, является поиск активного системного раздела диска и передача управления его загрузочному сектору. Таким образом, эту стадию можно назвать подготовительной, в силу того, что непосредственно загрузки самой ОС еще не происходит.

Системным принято называть раздел диска (устройства хранения) на котором расположены файлы операционной системы, отвечающие за процесс загрузки ОС (сама операционная система может размещаться в другом разделе). В принципе, системных разделов может быть несколько, поэтому один из них отмечается как активный. Именно его ищет программа, загруженная с MBR.

Загрузчик 2-го уровня. Partition Boot Sector

Следующим этапом загрузки компьютера является передача управления исполняемому коду, записанному в PBS (Partition Boot Sector — загрузочный сектор активного раздела). PBS расположен в первом секторе (секторах) соответствующего раздела диска. В коде PBS прописано имя файла загрузчика операционной системы, которому и передается управление на этом этапе.

Начальный этап загрузки операционной системы. Менеджер загрузки ОС

Первоначально в Linux загрузчиком являлся LILO (Linux Loader). В силу имевшихся в нем недостатков, главным из которых была неспособность понимать используемые в Linux файловые системы, позднее начал использоваться загрузчик GRUB (GRand Unified Bootloader) в котором недостатки LILO были исправлены.

Если речь идет о версиях Windows до Vista, например, Windows XP, то будет загружен Ntldr. Он, в свою очередь, считывает информацию из текстового файла Boot.ini, в котором записана информация об установленных операционных системах.

Загрузка ядра операционной системы

Завершающим этапом загрузки операционной системы является загрузка ядра ОС и передача ему управления.

Несколько лет назад в моей практике был такой забавный случай.

Меня попросили помочь одному человеку купить и привести в порядок компьютер для дома. Товарищ этот на тот момент времени только-только вышел на пенсию, а до этого работал в должности начальника и компьютер видел, по большей части, издалека, на столе у своей секретарши. После выхода на пенсию у него появилось время и желание компьютер освоить. Ну что, по-моему, замечательно. Компьютер мы ему подобрали недорогой, но добротный и с хорошим, по тем временам, монитором. Я поставил и настроил кое-какие программы, показал как ими пользоваться. Господин обзавелся книжкой из серии «Что-то там для чайников » и мы расстались абсолютно довольные друг другом.

Примерно через неделю мой подопечный позвонил мне по телефону и чуть не плача сообщил, что все пропало и компьютер больше не работает. Благо, запираться он не стал и честно рассказал, как было дело. А дело было так. Товарищ полез исследовать содержимое своего компьютера и нашел в корне диска С:\ несколько подозрительных и «ненужных», на его взгляд, файлов. Он решил освободить место и файлики эти попросту удалил. Думаю, что все уже догадались, что это были boot.ini, ntldr, ntdetect и др. Поправить ситуацию сложности не представляло, разве что пришлось ехать к нему еще раз.

К слову сказать, для того, чтобы получить проблемы с загрузкой Windows XP, можно было и ничего не стирать, а слегка «подправить», например, boot.ini.

Видимо Microsoft как то узнала об этом случае и в следующей версии своей ОС решила припрятать файлы загрузчика получше.

Особенности загрузки операционных систем Windows Vista / 7 / 8

В Windows Vista или Windows 7 / 8 диспетчер загрузки называется Bootmgr. Он читает список установленных операционных систем не из простого текстового файла, коим является boot.ini, а из системного хранилища BCD (Boot Configuration Data), доступ к которому осуществляется посредством специальной утилиты bcdedit.exe .

Но это еще не все. Откроем “Управление компьютером” –> “Управление дисками” >

Процесс стандартной инсталляции операционной системы Windows Vista / 7 / 8 создает в начале диска дополнительный раздел «Зарезервировано системой». Ему не присваивается буква диска, благодаря чему, если не сделать дополнительных шагов, и сам раздел и его содержимое будут скрыты от пользователя. Этот основной раздел имеет статус «Системный» и «Активный» и, следовательно, удалить его тоже нельзя.

В Windows 7 размер такого раздела составляет 100 МБ, из которых занято около 30 МБ, в Windows 8 – уже 350 МБ, причем занято из них 105 МБ. Такая разница объясняется тем, что в Windows 8 на этот раздел перенесена папка “Recovery”.

Посмотрим содержимое раздела «Зарезервировано системой». Для этого назначим ему букву диска, например, «W» в “Управление дисками”. Дополнительно откроем «Панель управления» –> «Параметры папок» и на вкладке «Вид» снимем галку с «Скрывать защищенные системные файлы» и поставим отметку на «Показывать скрытые файлы, папки и диски».

Если в системе установлен файловый менеджер FAR Manager, то для просмотра можно воспользоваться им и не заниматься настройкой видимости скрытых файлов.

Так выглядит содержимое раздела «Зарезервировано системой» в Windows 8 >

Как и ожидалось, в корне раздела мы видим загрузчик Bootmgr.

А так выглядит часть содержимого папки «Boot» >

В папке мы находим базу хранилища данных конфигурации загрузки BCD и сопутствующие ей папки с языковыми файлами и файлами шрифтов.

Для полноты картины осталось сказать о том, какой раздел называется загрузочным. Ответ уже показан на картинке с томами Windows 7. Очевидно, что это раздел, на котором находятся все основные файлы операционной системы.

Ну что же, запомнить названия разделов диска очень легко по принципу «всё наоборот» — на системном нет системы (операционной), но расположен загрузчик третьего уровня, на загрузочном как раз отсутствует загрузчик, но находится сама система. Естественно, эта «запоминалка» работает только тогда, когда есть несколько разделов. Если раздел один, то он может быть сразу системным, активным и загрузочным.

Главной задачей загрузчика 3-го уровня, в роли которого выступает, в зависимости от типа ОС, Bootmgr, Ntldr или GRUB, является чтение с загрузочного диска и загрузка ядра операционной системы. Кроме того, в случае множественной загрузки, когда на компьютере установлено несколько операционных систем, загрузчик 3-го уровня позволяет выбирать нужную при каждом запуске компьютера.

Классической ошибкой, которой Microsoft посвятила , является установка Windows XP после Windows Vista / 7 /8. Установщик Windows XP помечает свой раздел как активный, после чего, во время загрузки, MBR передает управление PBS этого раздела а он, в свою очередь, — Ntldr. Загрузчик Windows XP ничего не знает о более поздних версиях операционных систем Windows и их загрузка становится невозможной. Лечится достаточно легко, но неискушенного пользователя такая ситуация может поставить в тупик.

Добавить к этому практически нечего и можно переходить непосредственно к редактированию загрузочного меню. Начнем с .

9 комментариев

    • Спасибо за отзыв. В ближайшее время я планирую продолжить описание методов исправления ошибок загрузки на конкретных примерах. По опыту знаю, что пока читаешь все вроде как и понятно, а когда доходит до дела на практике начинаются сложности.

  1. Подскажите пожалуйста как именно лечить?:
    «Загрузчик Windows XP ничего не знает о более поздних версиях операционных систем Windows и их загрузка становится невозможной. Лечится достаточно легко, но неискушенного пользователя такая ситуация может поставить в тупик.»

    Поставил ХР после Vista на ноутбук — в итоге запуск системи доходит до начала загрузки ХР и все по новой перезагружаєтса, а если отключить (на время загрузки ОС) адаптер питания то все загружается нормально. Если загружать в безопасном режиме, то адаптер отключать не надо. Что ето может бить и как с етим бороться?

    ПОЖАЛУЙСТА ОТПИШИТЕ. ЗАРАНИЕ СПАСИБО. ИЗВИНИТЕ ЗА «ЛОМАННИЙ» РУССКИЙ.

    • По поводу влияния адаптера питания на загрузку ХР ничего не скажу — конкретных идей нет. По поводу восстановления загрузки Vista, если это актуально, то в конце поста есть ссылка на статью суппорта Microsoft (919529), посвященную непосредственно этой теме. Для восстановления потребуется установочный диск Vista. В командной строке с правами администратора нужно выполнить:
      Х:\boot\bootsect.exe /nt60 all
      где X: — буква оптического привода.
      А вот загрузку XP нужно будет добавлять вручную с помощью редактора . Набор команд будет таким:
      Bcdedit /create {ntldr} /d "Microsoft Windows XP"
      если данная команда завершиться неудачей, то:
      Bcdedit /set {ntldr} description "Microsoft Windows XP"
      далее:
      bcdedit /set {ntldr} device partition=X:
      Х: - буква диска раздела, на котором находятся файлы загрузчика XP, и путь к нему:
      bcdedit /set {ntldr} path \ntldr
      bcdedit /displayorder {ntldr} /addlast

    У меня был ноутбук, при загрузке и перезагрузке сразу включался виндовс,а сейчас я приобрел стационарный компьютер и загрузка идет в три этапа. Как сделать так,чтобы избавиться от этих этапов. Извините за безграмотное обозначение технических терминов.

    • Юрий! Боюсь, что тех сведений, которые Вы сообщили, явно недостаточно для каких-либо рекомендация. Какая Windows и о каких этапах идет речь? Уточните.

    Доброго здоровья, Александр.
    Как понять, предотвратить, а если повторится — правильно выйти из вот такой ситуации.
    Ноутбук. Установлена Windows-7. После включения и ввода пароля выдал «missing operating system» — то бишь «отсутствует операционная система». Выключения с повторным включением дали тот же результат. Запуститься удалось только вынув и спустя некоторое время вставив аккумулятор.
    Накануне, правда, имело место быть некорректное выключение: предварительно не были отключены флешка и модем. Раньше такая забывчивость тоже случалась, но подобного эффекта не было.
    Буду признателен за доступный старому «чайнику» ответ (мне лет на десять больше, чем господину в забавном случае, но познакомился с КОМПом примерно в том же возрасте).

    • Владимир, здравствуйте. С наступающими праздниками и всех благ.
      В данной ситуации Вы сделали все правильно — сбросили «залипший» глюк.
      Как поется в песенке: «Одна дождинка — еще не дождь. Одна снежинка — еще не снег». Возможно, что ничего подобного больше и не произойдет. Вот если с запуском начнутся регулярные проблемы, тогда надо будет разбираться. А вообще, Windows 7 и выше достаточно устойчивы к нештатным выключениям.
      Что делать? Вы сами ответили на свой вопрос — стараться штатно отключать устройства. И если есть возможность подключить по USB внешний диск, то я обязательно сделал бы (на самом деле делаю достаточно регулярно) бекап системы, например с помощью .

После включения компьютера в его оперативной памяти нет операционной системы. Само по себе, без операционной системы, аппаратное обеспечение компьютера не может выполнять сложные действия, такие как, например, загрузку программы в память. Таким образом мы сталкиваемся с парадоксом, который кажется неразрешимым: для того, чтобы загрузить операционную систему в память, мы уже должны иметь операционную систему в памяти.

Решением данного парадокса является использование специальной маленькой компьютерной программы , называемой начальным загрузчиком , или команд расположенных в постоянной памяти (например на IBM PC - команд перезагрузки без какой бы то ни было помощи). Данное программное обеспечение может обнаруживать устройства, подходящие для загрузки, и загружать со специального раздела самого выбранного устройства (чаще всего загрузочного сектора) данных устройств загрузчик ОС .

Начальные загрузчики должны соответствовать специфическим ограничениям, особенно это касается объёма. Например, на IBM PC загрузчик первого уровня должен помещаться в первых 446 байт главной загрузочной записи , оставив место для 64 байт таблицы разделов и 2 байта для сигнатуры AA55, необходимой для того, чтобы BIOS выявил сам начальный загрузчик.

История

Первые компьютеры имели набор переключателей, которые позволяли оператору размещать начальный загрузчик в памяти до запуска процессора . Затем данный загрузчик считывал операционную систему со внешнего устройства, например с перфоленты или с жесткого диска .

Псевдо-ассемблерный код начального загрузчика может быть столь же простым, как и следующая последовательность инструкций:

0: записать в регистр P число 8 1: проверить что устройство считывания с перфолент может начинать считывание 2: если не может, перейти к п. 1 3: прочитать байт с устройства считывания с перфолент и записать его в аккумулятор 4: если перфолента закончилась, перейти к п. 8 5: записать значение, хранимое в аккумуляторе, в оперативную память по адресу, хранящемуся в регистре P 6: увеличить значение регистра P на единицу 7: перейти к п. 1

Данный пример основан на начальном загрузчике одного из миникомпьютеров , выпущенного в 1970-х годах фирмой Nicolet Instrument Corporation.

0: записать в регистр P число 106 1: проверить что устройство считывания с перфолент может начинать считывание 2: если не может, перейти к п. 1 3: прочитать байт с устройства считывания с перфолент и записать его в аккумулятор 4: если перфолента закончилась, перейти к п. 8 5: записать значение, хранимое в аккумуляторе, в оперативную память по адресу, хранящемуся в регистре P 6: уменьшить значение регистра P на единицу 7: перейти к п. 1

Длина загрузчика второго уровня была такой, что последний байт загрузчика изменял команду, расположенную по адресу 6. Таким образом, после выполнения пункта 5 стартовал загрузчик второго уровня. Загрузчик второго уровня ожидал заправки в устройство считывания перфолент длиной перфоленты, содержащей операционную систему. Различием между загрузчиком первого уровня и загрузчиком второго уровня были проверки на ошибки считывания с перфоленты, которые часто встречались в то время, и, в частности, на используемых в данном случае телетайпах ASR-33.

Некоторые операционные системы, наиболее характерными их которых являются старые (до 1995 года) операционные системы компьютеров Apple Computer, настолько тесно связаны с аппаратным обеспечением компьютеров, что на данных компьютерах невозможно загрузить какую либо другую операционную систему. В данных случаях обычно разрабатывается начальный загрузчик, который работает как загрузчик стандартной ОС , а затем передает управление альтернативной операционной системе. Apple использовала данный способ для запуска A/UX версию Unix , а затем он использовался различными бесплатными операционными системами.

Устройства, инициализируемые BIOS

Загрузочное устройство - устройство, которое должно быть проинициализировано до загрузки операционной системы. К ним относятся устройства ввода (клавиатура , мышь), базовое устройство вывода (дисплей), и устройство, с которого будет произведена - дисковод , жесткий диск , флэш-диск, PXE).

Загрузочная последовательность стандартного IBM-совместимого персонального компьютера

Загружается персональный компьютер

Ссылки

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Загрузка операционной системы" в других словарях:

    Загрузчик операционной системы системное программное обеспечение, обеспечивающее загрузку операционной системы непосредственно после включения компьютера. Загрузчик операционной системы: обеспечивает необходимые средства для диалога с… … Википедия

    У этого термина существуют и другие значения, см. Ядро. Ядро центральная часть операционной системы (ОС), обеспечивающая приложениям координированный доступ к ресурсам компьютера, таким как процессорное время, память и внешнее аппаратное… … Википедия

    Для термина «Планировщик задач» см. другие значения. Планирование выполнения задач одна из ключевых концепций в многозадачности и многопроцессорности как в операционных системах общего назначения, так и в операционных системах реального… … Википедия

    Это форма распространения системного программного обеспечения. Наличие дистрибутивов вызвано тем, что форма программного обеспечения, используемая для его распространения, почти никогда не совпадает с формой программного обеспечения работающей… … Википедия

    Доверенная загрузка функция персонального компьютера для воспрепятствования несанкционированному запуску пользователя, загрузке операционной системы (ОС) и получению возможности доступа к конфиденциальной информации. Обеспечение… … Википедия

    Эту статью следует викифицировать. Пожалуйста, оформите её согласно правилам оформления статей … Википедия

    Windows XP стартует в интернет телефон автомате В информатике начальной загрузкой называется сложный и многошаговый процесс запуска компьютера. Загрузочная последовательность это последовательность действий, которые должен выполнить компьютер для … Википедия

    Способность терминальных клиентов безопасно загружать операционную систему. Основным решением безопасной загрузки является проверка целостности и аутентичности файлов операционной системы, которые могут храниться на локальном жёстком диске,… … Википедия

    Основная и дублирующая микросхемы ПЗУ материнской платы Gigabyte, содержащие BIOS компании AWARD. BIOS (англ. basic input/output system «базо … Википедия

    Prefetcher компонент операционной системы Microsoft Windows, ускоряющий процесс её начальной загрузки, а также сокращающий время запуска программ. Prefetcher впервые появился в операционной системе Windows XP. Начиная с Windows Vista, он… … Википедия

А вы никогда не задумывались над тем, что же происходит с операционной системой в тот момент, когда она рисует свой логотип и говорит «Starting Windows»? И вообще, почему она долго загружается? Ведь при старте системы уж точно не решаются никакие задачи, сложные с вычислительной точки зрения!

Что тогда подразумевает под собой загрузка операционной системы? По большей части это проецирование в память исполняемых модулей и инициализация служебных структур данных. Структуры данных живут в памяти, поэтому операции с ними по идее должны быть быстрыми. Все наталкивает на мысль о том, что время съедается именно процессом загрузки исполняемых модулей в память.

Давайте интереса ради разберемся, какие модули, в каком количестве и в каком порядке загружаются при старте ОС. Чтобы выяснить это, можно, например, получить лог загрузки системы. Подопытная ОС в моем случае - Windows 7 Enterprise x64. Логировать процесс загрузки будем при помощи отладчика ядра. Существует несколько вариантов отладчиков ядра, лично я предпочитаю WinDbg. Также нам понадобятся некоторые вспомогательные средства для волшебного превращения лога в нечто более приятное глазу.

Mining and crafting

Настройка отладки хорошо гуглится, поэтому описывать подробно этот процесс я не буду. Поскольку нас интересует все происходящее с момента старта системы, нам нужно отметить пункт «Cycle Initial Break», с помощью чего отладчик остановится, как только в отлаживаемой системе будет загружена подсистема отладки ядра. Дублирование вывода в файл можно осуществить при помощи команд ".logopen" и ".logclose", это просто. Другая полезная команда - ".cls". Она очищает экран команд, и да, только экран команд.

Интересующая нас функция - «MiCreateImageFileMap». Это внутренняя функция менеджера памяти, проецирующая исполняемый файл в память. Проецирование в память происходит при создании секции, например, при запуске исполняемого файла. Однако учтите, что если исполняемый файл проецируется в память, это не гарантия того, что будет выполнен его код! Эта функция просто создает проекцию, чаще всего «про запас», чтобы, если кто-то надумает запустить модуль на исполнение, можно было сэкономить время его загрузки. На эту функцию поставим логирующую точку останова.

Если у вас достаточно маны, вводите следующую команду:
bu nt!MiCreateImageFileMap "dt nt!_EPROCESS -d ImageFileName @$proc; dt nt!_FILE_OBJECT -d FileName @rcx; g"
Магическая строчка буквально означает следующее:

  • bu (Set Unresolved Breakpoint) - установить неразрешенную точку останова. Не то чтобы кто-то или что-то не разрешал, просто для ее установки необходимо определиться, по какому адресу ее ставить. Дело в том, что заранее не известно, по какому адресу она должна располагаться. При загрузке любого модуля проверяется присутствие в нем необходимой функции, и если такая функция найдена, точка останова устанавливается автоматически. Такой способ установки незаменим при включенном ASLR - рандомизации адресного пространства, поскольку модули будут загружаться каждый раз по разным адресам, и точка останова, установленная по фиксированному адресу, с большой вероятностью окажется не у дел.
  • nt!MiCreateImageFileMap - символ, на котором нужно останавливаться. В WinDbg принята запись в форме "module_name!function_name". В данном случае nt является предопределенным псевдонимом для ntoskrnl.exe.
  • далее следует часть WinDbg-скрипта, которая будет выполняться каждый раз при остановке на этой функции. «dt nt!_EPROCESS -d ImageFileName @$proc» по-русски означает «отобразить поле ImageFileName структуры _EPROCESS из модуля nt при условии ее отображения по адресу, определенному в псевдорегистре «текущий процесс»». Следующая после разделителя ";" команда означает примерно то же самое, только адрес структуры берется из регистра rcx, в котором в Microsoft x64 ABI передается первый параметр функции. «g» означает «go», т.е. продолжить исполнение.

Небольшая рекомендация по использованию логирующих точек останова: старайтесь не использовать расширения отладчика (команды, начинающиеся с "!"), поскольку в таком случае логирование будет выполняться на порядок медленнее.

Поехали! Отжимаем тормоз точки останова и ждем. Я ждал, пока не прогрузится рабочий стол, т.е. я залогинился. Полученный «урожай» немного редактируется, обрезается все лишнее для удобства дальнейшей обработки и скармливается дружище питону. Не будем заострять внимание на парсинге лога. Отметим только, что граф укладывался в форму спирали Архимеда с дальнейшей коррекцией вручную, поскольку происходило наложение узлов друг на друга. В полученном графе учитывается порядок загрузки библиотек. К сожалению, пришлось пожертвовать учетом порядка загрузки исполняемых файлов относительно библиотек в угоду удобочитаемости графа.

Карта звездного неба


Условно выделим несколько групп загрузки.

Начинается работа OC в модуле ntoskrnl.exe, являющимся ядром ОС. А если еще конкретнее - с функции KiSystemStartup(). Вместе с загружаемыми системными компонентами она формирует фундамент ОС: разделение режимов работы, базовые сервисы для пользовательских приложений и т.п. В эту же группу входят драйверы, отмеченные для загрузки во время старта системы. В двух словах, в этой ракушке зарождается ОС Windows.

Следующий узел - менеджер сессий (session manager). Его представляет первый после системного процесс, стартующий в Windows - smss.exe. Процесс примечателен тем, что является родным (native) процессом Windows, то есть он не использует подсистему Win32, которая в общем-то еще не загружена. Этот процесс использует только нативные сервисы операционной системы посредством ntdll.dll, представляющей собой интерфейс режима пользователя для сервисов ОС. Также этот процесс является доверенным компонентом операционной системы и обладает исключительными правами, например, он может создавать маркеры безопасности (security tokens). Но главное его предназначение - создание сеансов и инициализация подсистем, как графической, так и различных исполняемых (Windows, POSIX). Эта ракушка воздает каждому по потребностям.

Группа входа в систему (logon) состоит из нескольких процессов. В целом они отвечают за инициализацию сеансов. Это включает в себя отображение экрана приветствия, создание рабочих столов, запуск процессов автозагрузки и инициализацию подсистемы безопасности и т.п. Этот веник отметает всех посторонних.

Самой массивной оказалась группа сервисов. Во многом она обязана своим объемом службе SuperFetch. Эта та самая, про которую говорят, что она по выходным заранее прогружает офисный пакет, а в начале рабочей недели - Steam с игрушками. Superfetch прогружает огромное количество модулей при старте системы, чтобы потом «все быстрее работало». Да и кроме него в системе хватает сервисных приложений и автозапускающихся драйверов. Думаю, все видели оснастку «Службы и приложения». Эта звезда жизни заводит в системе все, что нужно и не очень.

Последним отмечу любимый всеми explorer.exe. Примечательно, что к моменту его запуска все используемые им модули уже загружены в память. В скриншот также попал некий vcredist_x64.exe - бедолага лежал на рабочем столе подопытной виртуальной машины и был прогружен в память проводником.

Вообще способов оказаться загруженным в память у модуля много. Например, достаточно запросить информацию из ресурсов исполняемого файла, в том числе его иконку. Конкретно в данном примере проводник проверял, является ли эта программа требующей повышенных привилегий, т.е. стоит ли дорисовывать к иконке соответствующий рисуночек с желто-голубым щитом. Еще раз отмечу, что загрузка модуля в память не означает выполнение его кода!

Лично я держу получившуюся картинку под боком. По ней хорошо прослеживаются зависимости, например, драйверов. Также в паре с утилитой Sysinternals Autoruns можно увидеть, на каком этапе загрузки подтягиваются те или иные модули.

Граф загрузки был построен для ОС Windows 7 Enterprise x64, установленной на виртуальной машине VMware. Ниже приведены векторное изображение графа и непосредственно файл в формате gml, с которым можно поиграться в любом редакторе графов.

Вкратце процесс загрузки компьютера описан в статье "Включение ПК" раздела BIOS. Рассмотрим этот процесс более подробно.

Инициализация системы средствами BIOS

  1. 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.
  2. Проверка BIOS. Контрольная сумма системных программ, находящихся в ПЗУ, находится в одной из ячеек. После запуска контрольная сумма пересчитывается и сравнивается с эталонным значением.
  3. 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.
  4. Настройка базовых элементов. Инициализируются и тестируются базовые компоненты системной платы: блок прямого доступа к памяти, таймер, блок аппаратных прерываний.
  5. Тестирование ОЗУ. Определяется тип модулей памяти, их объем, организация; тестируются первые 64 Кб оперативной памяти.
  6. Организация рабочих структур ОЗУ. Выделяется область под БИОС, настраиваются прерывания.
  7. 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.
  8. 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 .
  9. PnP. Идентифицируются устройства, подключенные через системные разъемы. Устройствам выделяются ресурсы и прерывания.
  10. Включение видеосистемы. Запускается Video BIOS, который настраивает видеоконтроллер на режим VGA или EGA, которые поддерживают все видеоконтроллеры. После этого видеоконтроллер готов к работе.
  11. Выдача сообщения на экран монитора. На экране монитора появляется первое сообщение: фирма-производитель BIOS, тип и частота процессора, тип и объем ОЗУ.
  12. Тестирование ОЗУ. Производится выборочная проверка незадействованной оперативной памяти.
  13. Инициализация контроллера дисководов.
  14. Инициализация контроллера жестких дисков.
  15. 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).
  16. Поиск устройств с собственным BIOS. Если таковые устройства найдены, то управление передается BIOS-программам этих устройств и происходит их инициализация.
  17. 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.

Статьи по теме: