Вы включили компьютер, появляется текстовый экран загрузки на котором быстро мелькают цифры и буквы. Обычно, компьютер работает нормально, и Вы не обращаете внимание на них. Но это важная часть работы компьютера в процессе которой работают микропрограммы встроенные в BIOS . Но вот случилось что-то непонятное и все остановилось, на экран выводится код ошибки, а иногда вообще ничего не выводится - мигает курсор и все застыло в непонятном сне.
Как это работаетПосле включения компьютера в его оперативной памяти нет операционной системы. А без операционной системы, аппаратное обеспечение компьютера не может выполнять сложные действия, такие как, например, загрузку программы в память. Таким образом возникает парадокс, который кажется неразрешимым: для того, чтобы загрузить операционную систему в память, мы уже должны иметь операционную систему в памяти. Решением данного парадокса является использование нескольких микропрограмм размещаемых в одной или нескольких микросхемах, BIOS (Basic Input/Output System). Процесс загрузки начинается с автоматического выполнения процессором команд, расположенных в постоянной (или перезаписываемой) памяти (EEPROM или Flash ROM ), начиная с заданного адреса. Эти микропрограммы не обладает всей функциональностью операционной системы, но её (функциональности) достаточно для того, чтобычтобы выполнить последовательную загрузку других программ, которые выполняются друг за другом до тех пор, пока последняя из них не загрузит операционную систему. Последовательность основных блоков функций BIOS в PC -совместимых компьютерах: 1. - POST - самотестирование при включении питания процессора, памяти, набора микросхем системной логики, видеоадаптера, контроллера дисков, клавиатуры, мыши и других контроллеров и устройств; 2. - Setup BIOS (программа установки параметров BIOS) - конфигурирование параметров системы. Она может быть запущена во время выполнения процедуры POST при нажатии определенной комбинации клавиш. Если она не была вызвана пользователем, загружаются параметры установленные и сохраненные в постоянной памяти во время последнего конфигурирования Setup BIOS . 3. - Загрузчик операционной системы - подпрограмма, выполняющая поиск действующего основного загрузочного сектора на дисковом устройстве. 4. - BIOS - набор драйверов, предназначенных для взаимодействия операционной системы и аппаратного обеспечения при загрузке системы. В процессе загрузки BIOS осуществляется, кроме перечисленного, подключение, отключение, установка режима работы контроллеров устройств системной платы в соответствии с настройками записанными в постоянную память. Зачем это нужно? Это нужно для:
В процессе его выполнения проверяется наличие загрузочных устройств которые должны быть проинициализировано до загрузки операционной системы. К ним относятся:
Затем BIOS опрашивает устройства, перечисляемые в заранее созданном списке, пока не найдёт загрузочное устройство. Если такое устройство найдено не будет, будет выведено сообщение об ошибке, а процесс загрузки будет остановлен. Если BIOS обнаружит загрузочное устройство, он считает с него начальный загрузчик и передаст ему управление. В случае жесткого диска, начальный загрузчик называется главной загрузочной записью (MBR) и часто не зависит от операционной системы. Обычно он ищет активный раздел жесткого диска, загружает загрузочный сектор данного раздела и передает ему управление. Этот загрузочный сектор, как правило, зависит от операционной системы. Он должен загрузить в память ядро операционной системы и передать ему управление. Если активного раздела не существует, или загрузочный сектор активного раздела некорректен, MBR может загрузить резервный начальный загрузчик и передать управление ему. Резервный начальный загрузчик должен выбрать раздел (зачастую с помощью пользователя), загрузить его загрузочный сектор и передать ему управление. |
Последовательность загрузки стандартного IBM-совместимого персонального компьютера
После включения персонального компьютера его процессор еще не начинает работу.
Первое устройство, которое запускается после нажатия кнопки включения компьютера, - блок питания. Если все питающие напряжения окажутся в наличии и будут соответствовать норме, на системную плату будет подан специальный сигнал Power Good, свидетельствующий об успешном тестировании блока питания и разрешающий запуск компонентов системной платы.
После этого чипсет формирует сигнал сброса центрального процессора, по которому очищаются регистры процессора, и он запускается.
Первая выполняемая команда расположена по адресу FFFF0h и принадлежит пространству адресов BIOS. Данная команда просто передает управление программе инициализации BIOS и выполняет следующую команду (микропрограмму BIOS ).
Программа инициализации BIOS с помощью программы POST проверяет, чтовсе необходимые для работы BIOS и последующей загрузки основной операционной системы, устройства компьютера работают корректно и инициализирует их.
Таким образом, его работа - последовательно читать и выполнять команды из памяти.
Системная память сконфигурирована так, что первая команда, которую считает процессор после сброса, будет находиться в микросхеме BIOS.
Последовательно выбирая команды из BIOS, процессор начнет выполнять процедуру самотестирования, или POST.
Процедура POST
Процедура самотестирования POST состоит из нескольких этапов.
- Первоначальная инициализация основных системных компонентов;
- Детектирование оперативной памяти, копирование кода BIOS в оперативную память и проверка контрольных сумм BIOS;
- Первоначальная настройка чипсета;
- Поиск и инициализация видеоадаптера. Современные видеоадаптеры имеют собственную BIOS, которую системная BIOS пытается обнаружить в специально отведенном сегменте адресов. В ходе инициализации видеоадаптера на экране появляется первое изображение, сформированное с помощью BIOS видео адаптера ;
- Проверка контрольной суммы CMOS и состояния батарейки. Если контрольная сумма CMOS ошибочна, будут загружены значения по умолчанию ;
- Тестирование процессора и оперативной памяти. Результаты тестирования обычно выводятся на экран ;
- Подключение клавиатуры, тестирование портов ввода/вывода и других устройств.
- Инициализация дисковых накопителей. Сведения об обнаруженных устройствах обычно выводятся на экран ;
- Распределение ресурсов между устройствами и вывод таблицы с обнаруженными устройствами и назначенными для них ресурсами;
- Поиск и инициализация устройств, имеющих собственную BIOS;
- Вызов программного прерывания BIOS INT 19h, который ищет загрузочный сектор на устройствах, указанных в списке загрузки.
В зависимости от конкретной версии BIOS порядок процедуры POST может немного раз отличаться, но приведенные выше основные этапы выполняются при загрузке любого компьютера.
Что такое POST-коды?
После включения питания компьютера, если исправны блок питания и основные узлы материнской платы (генератор тактовых частот, компоненты, отвечающие за работу системной шины и шины памяти), процессор начинает выполнение кода BIOS.
Если быть совсем точным, во многих современных чипсетах перед передачей команд процессору системным контроллером предварительно конфигурируется «умная» системная шина. Но это не меняет сути дела.
Основная задача BIOS на данном этапе - проверка исправности и инициализация основных аппаратных компонентов компьютера. Вначале конфигурируются внутренние регистры чипсета и процессора, проверяется целостность кода BIOS. Затем происходит определение типа и размера оперативной памяти, поиск и инициализация видеокарты (интегрированной в чипсет или внешней). Следом конфигурируются порты ввода-вывода, контроллер дисковода, IDE/SATA-контроллер и подключенные к нему накопители. И, наконец, осуществляется поиск и инициализация интегрированных на материнскую плату дополнительных контроллеров и установленных карт расширения. Всего получается около ста промежуточных шагов, после чего управление передается загрузчику BOOTStrap, отвечающему за старт операционной системы.
Каждый из шагов POST-тестов имеет свой уникальный номер, называемый POST-кодом. Перед началом выполнения очередной процедуры ее POST-код записывается в специальный порт, именуемый Manufacturing Test Port. При успешной инициализации устройства в Manufacturing Test Port записывается POST-код следующей процедуры и так далее, до полного прохождения всех тестов. Если сконфигурировать устройство не удалось, дальнейшее выполнение POST-тестов прекращается, а в Manufacturing Test Port остается POST-код процедуры, вызывавшей сбой. Прочитав его можно однозначно идентифицировать проблемное устройство.
Имейте в виду, после перезагрузки компьютера средствами операционной системы («мягкая» или «горячая» перезагрузка) или при выходе из энергосберегающего режима обычно выполняются не все шаги по тестированию и конфигурированию аппаратных компонентов, а только необходимый минимум - так быстрее. При поиске неисправности необходимо всегда выполнять «жесткую» («холодную») перезагрузку - клавишей RESET или отключением питания компьютера. Только так гарантируется, что все этапы инициализации будут выполнены в полном объеме.
Award BIOS 6.0: вариант полной загрузки
Данную таблицу можно использовать не только как список
POST-кодов, но и как последовательность действий, которые
выполняются при включении компьютера. Она содержит POST-коды,
которые отображаются при полной процедуре POST.
| POST-код | Описание процедуры |
| CF | Определяется тип процессора и тестируется чтение/запись CMOS |
| C0 | Предварительно инициализируется чипсет и L1-, L2-кэш, программируется контроллер прерываний, DMA, таймер |
| C1 | Детектируется тип и объем оперативной памяти |
| C3 | Код BIOS распаковывается во временную область оперативной памяти |
| 0С | Проверяются контрольные суммы BIOS |
| C5 | Код BIOS копируется в теневую память и управление передается модулю Boot Block |
| 01 | Модуль XGROUP распаковывается по физическому адресу 1000:0000h |
| 02 | Инициализация процессора. Устанавливаются регистры CR и MSR |
| 03 | Определяются ресурсы ввода/вывода (Super I/O) |
| 05 | Очищается экран и флаг состояния CMOS |
| 06 | Проверяется сопроцессор |
| 07 | Определяется и тестируется контроллер клавиатуры |
| 08 | Определяется интерфейс клавиатуры |
| 09 | Инициализация контроллера Serial ATA |
| 0A | Определяется клавиатура и мышь, которые подключены к портам PS/2 |
| 0B | Устанавливаются ресурсы звукового контроллера AC97 |
| OE | Тестируется сегмент памяти F000h |
| 10 | Определяется тип flash-памяти |
| 12 | Тестируется CMOS |
| 14 | Устанавливаются значения для регистров чипсета |
| 16 | Первично инициализируется тактовый генератор |
| 18 | Определяется тип процессора, его параметры и объемы кэша L1 и L2 |
| 1B | Инициализируется таблица векторов прерываний |
| 1С | Проверяются контрольные суммы CMOS и напряжение питания аккумулятора |
| 1D | Определяется система управления питанием Power Management |
| 1F | Загружается матрица клавиатуры (для ноутбуков) |
| 21 | Инициализируется система Hardware Power Management (для ноутбуков) |
| 23 | Тестируется математический сопроцессор, дисковод, инициализация чипсета |
| 24 | Обновляется микрокод процессора. Создается карта распределения ресурсов устройств Plug and Play |
| 25 | Начальная инициализация PCI: перечисляются устройства, поиск адаптера VGA, запись VGA BIOS по адресу C000:0 |
| 26 | Устанавливается тактовая частота по CMOS Setup. Отключается синхронизация неиспользуемых слотов DIMM и PCI. Инициализируется система мониторинга (H/W Monitor) |
| 27 | Разрешается прерывание INT 09h. Снова инициализируется контроллер клавиатуры |
| 29 | Программируются регистры MTRR, инициализируется APIC. Программируется контроллер IDE. Измеряется частота процессора. Вызывается расширение BIOS видеосистемы |
| 2B | Поиск BIOS видеоадаптера |
| 2D | Отображается заставка Award, информация о типе процессора и его скорости |
| 33 | Сбрасывается клавиатура |
| 35 | Тестируется первый канал DMA |
| 37 | Тестируется второй канал DMA |
| 39 | Тестируются страничные регистры DMA |
| 3C | Настраивается контроллер 8254 (таймер) |
| 3E | Проверка контроллера прерываний 8259 |
| 43 | Проверяется контроллер прерываний |
| 47 | Тестируются шины ISA/EISA |
| 49 | Вычисляется объем оперативной памяти. Настраиваются регистры для процессора AMD K5 |
| 4E | Программируются регистры MTRR для процессоров Syrix. Инициализируются кэш L2 и APIC |
| 50 | Определяется шина USB |
| 52 | Тестируется ОЗУ с отображением результатов. Очищается расширенная память |
| 53 | Если выполнена очистка CMOS, то сбрасывается пароль на вход в систему |
| 55 | Отображается количество процессоров (для многопроцессорных платформ) |
| 57 | Отображается логотип EPA. Начальная инициализация устройств ISA PnP |
| 59 | Определяется система защиты от вирусов |
| 5B | Вывод подсказки для запуска обновления BIOS с дискеты |
| 5D | Запускается контроллер Super I/O и интегрированный аудиоконтроллер |
| 60 | Вход в CMOS Setup, если была нажата клавиша Delete |
| 65 | Инициализируется мышь PS/2 |
| 69 | Включается кэш L2 |
| 6B | Настраиваются регистры чипсета согласно BIOS Setup |
| 6D | Назначаются ресурсы для устройств ISA PnP и COM-порты для интегрированных устройств |
| 6F | Инициализируется и настраивается контроллер гибких дисков |
| 75 | Детектируются и устанавливаются IDE-устройства: жесткие диски, CD/DVD, LS-120, ZIP и др |
| 76 | Выводится информация об обнаруженных IDE-устройствах |
| 77 | Инициализируются последовательные и параллельные порты |
| 7A | Сбрасывается и готовится к работе математический сопроцессор |
| 7C | Определяется защита от несанкционированной записи на жесткие диски |
| 7F | При наличии ошибок выводится сообщение и ожидается нажатие клавиш Delete и F1 |
| 82 | Выделяется память для управления питанием и заносятся изменения в таблицу ESCD. Убирается заставка с логотипом EPA. Запрашивается пароль, если нужен |
| 83 | Все данные сохраняются из временного стека в CMOS |
| 84 | Вывод на экран сообщения Initializing Plug and Play Cards |
| 85 | Завершается инициализация USB |
| 87 | Создаются таблицы SYSID в области DMI |
| 89 | Устанавливаются таблицы ACPI. Назначаются прерывания для PCI-устройств |
| 8B | Вызывается BIOS дополнительных ISA- или PCI-контроллеров, за исключением видеоадаптера |
| 8D | Устанавливаются параметры контроля четности ОЗУ по CMOS Setup. Инициализируется APM |
| 8F | IRQ 12 разрешается для «горячего» подключения мыши PS/2 |
| 94 | Завершение инициализации чипсета. Отображение таблицы распределения ресурсов. Включение кэша L2. Установка режима перехода на летнее/зимнее время |
| 95 | Устанавливается частота автоповтора клавиатуры и состояния Num Lock |
| 96 | Для многопроцессорных систем настраиваются регистры (для процессоров Cyrix). Создается таблица ESCD. Устанавливается таймер DOS Time по показаниям часов RTC CMOS. Сохраняются разделы загрузочных устройств для использования встроенным антивирусом. Динамик оповещает об окончании POST. Создается таблица MSIRQ FF Выполняется прерывание BIOS INT 19h. Поиск загрузчика в первом секторе загрузочного устройства |
Невыполнение или сбой выполнения любого шага в последовательности тестов приводит к остановке тестирования и выдаче POST - кода соответствующего данному шагу сбоя.
POST - коды других производителей можно найти на сайтах производителя Вашей системной платы или производителя DIOS или в Internet .
Чтение POST-кодов
В мастерских или у занимающихся ремонтом специалистов контроль выполнения микропрограмм BIOS осуществляется с помощью специальной карты расширения. Она вставляется в свободный слот (большинство современных моделей рассчитано на шину PCI) и по мере загрузки отображает на своем индикаторе код выполняемой в текущий момент процедуры.
Примером может быть Post карта PCI BM9222 .
Однако POST-карта это не широко распространенное средство. Скорее, это инструмент профессионального ремонтника компьютеров. Осознавая данный факт, производители материнских плат стали оснащать модели, рассчитанные на энтузиастов экспериментирующих с настройками и разгоном компьютера, встроенными индикаторами POST-кодов.
Примером может быть системная плата ECS H67H2-M , или модели X58 Extreme3, P55 Deluxe3 и 890GX Extreme3 .
Встречается и более дешевое решение - во время начальной инициализации компонентов POST-коды могут отображаться на экране наряду с другой служебной информацией. Правда у этого решения есть существенный недостаток: если проблема связана с видеокартой, вы, скорее всего, ничего не увидите.
Последняя возможность узнать о сбое проявившемся при тестировании Звуковые сигналы сообщений об ошибках.
Звуковые сигналы и сообщения об ошибках
Несмотря на то, что POST-коды являются самым мощным инструментом по выявлению аппаратных проблем при старте компьютера, BIOS предоставляет и другие средства диагностики. Если в вашем распоряжении нет POST-карты, а материнская плата не умеет индицировать POST-коды, можно ориентироваться на звуковые сигналы и сообщения об ошибках.
Но для этого необходимо, чтобы в корпусе ПК имел системный динамик и он был подключен к системной платы.
Звуковые сигналы особенно ценны на начальном этапе, когда видеокарта еще не проинициализирована и, как следствие, не в состоянии отобразить что-либо на экране. Уникальная комбинация длинных и коротких сигналов укажет на проблемный компонент.
На более поздних этапах проще сориентироваться по сообщению об ошибке, выводимому BIOS в случае аппаратной проблемы. В некоторых версиях BIOS это сообщение сопровождается особым звуковым сигналом, в некоторых - заменяет его. Но в любом случае информации обычно достаточно, чтобы выявить сбоящий компонент.
Надо заметить, что звуковые сигналы и сообщения об ошибках фактически являются более наглядным вариантом отображения определенных POST-кодов, а отнюдь не дополнительным средством диагностики. Если в вашем распоряжении есть POST-карта, либо материнская плата способна отображать POST-коды, ориентироваться надо именно на коды - они дают гораздо более точную и детальную картину. Сравните хотя бы количество POST-кодов (около ста) и количество различных сообщений об ошибках или звуковых сигналов (несколько десятков).
| Последовательность звуковых сигналов | Описание ошибки |
|---|---|
| 1 короткий | Успешный POST |
| 2 коротких | Обнаружены незначительные ошибки. На экране монитора появляется предложение войти в программу CMOS Setup Utility и исправить ситуацию. Проверьте надежность крепления шлейфов в разъемах жесткого диска и материнской платы. |
| 3 длинных | Ошибка контроллера клавиатуры |
| 1 короткий, 1 длинный | Ошибка оперативной памяти (RAM) |
| 1 длинный, 2 коротких | Ошибка видеокарты |
| 1 длинный, 3 коротких | Ошибка при инициализации клавиатуры или Ошибка видеокарты |
| 1 длинный, 9 коротких | Ошибка при чтении из ПЗУ |
| Повторяющийся короткий | Проблемы с блоком питания |
| Повторяющийся длинный | Проблемы с ОЗУ |
| Повторяющаяся высокая-низкая частота | Проблемы с CPU |
| Непрерывный | Проблемы с блоком питания |
Процедура Setup
Вход в BIOS Setup
Вход в BIOS Setup возможен только при включении компьютера и при успешном выполнении первоначального тестировании POST (слышен один короткий сигнал из системного динамика).
Для этого необходимо нажать определенную клавишу или сочетание клавиш.
Обычно на экранной заставке при тестировании отображается надпись типа «Press DEL to enter Setup» - это означает, что для входа в BIOS Setup необходимо нажать клавишу DEL. Узнать, за которой клавишей закреплен вход в BIOS, можно из инструкции к материнской плате. Если инструкции нет, а экранная заставка не отображает подсказки, можно опробовать наиболее известные варианты комбинаций:
Delete
Esc
Ctrl + Shift + S или Ctrl + Alt + S
Ctrl + Alt + Esc
Ctrl + Alt + Delete
Безопасная работа с BIOS Setup
Работа с BIOS Setup связана с определенным риском, поскольку при неправильном или неосторожном изменении параметра система может функционировать нестабильно либо не функционировать вообще. Есть несколько простых советов, которые позволяют свести возможный риск к минимуму:
- Экспериментировать с настройками BIOS Setup лучше всего на новом не заполненном информацией компьютере;
- Старайтесь вообще не экспериментировать с BIOS на компьютерах, обрабатывающих или хранящих важную или объемную информацию. Перед настройкой системы с помощью BIOS позаботьтесь о резервном копировании важных данных. Главное в таких компьютерах - стабильность. Подвисший разогнанный компьютер через несколько часов обработки видео - это потеря времени, электроэнергии и результата работы. Неразогнанный справится с данной задачей гораздо эффективнее и сохранит ваши нервы;
- Прежде, чем изменить важные параметры, всегда фиксируйте выставленное и измененное значение. Это позволит вам в случае нестабильной работы системы вернуть ее в рабочее состояние;
- Не изменяйте значения параметров, которые вам неизвестны. Уточните их значение либо в инструкции к материнской плате, либо в сети Internet на ресурсе разработчика платы;
- Не редактируйте за раз несколько важных не связанных между собой параметров. При нестабильной работе системы гораздо сложнее определить, какой параметр вызвал нестабильную работу;
- Не разгоняйте компьютер без соответствующей изучения работы разгоняемой системы и подготовки;
- Не используйте раздел Hard Disk Utility, который предназначен для низкоуровневого форматирования устаревших моделей жестких дисков и встречается в старых версиях BIOS, т.к. может вывести из строя современный жесткий диск;
- Если после выставления параметров и
выхода из BIOS компьютер перестает
запускаться вообще, вернуть систему в рабочее состояние можно
несколькими способами:
- Если после перезагрузки компьютера возможно войти в BIOS Setup, нужно установить прежние значения отредактированных параметров. Некоторые версии BIOS сами осуществляют откат изменений за последнюю сессию.
- Если сделанные изменения неизвестны, то лучше воспользоваться параметрами по умолчанию, использовав команду Load Fail-Safe Defaults. После этого придется настраивать систему на оптимальную работу.
- Если компьютер вовсе не запускается из-за неправильных настроек BIOS, то в таком случае необходимо обнулить содержимое CMOS. При этом все значения включая дату/время будут изменены. Для этого сбросить неправильные установки, для этого просто переместить перемычку Flash Recovery (IBM )или джампер Clearing CMOS в положение "очистка CMOS ". В последнем случае нужно просто замкнуть перемычкой на несколько минут контакты соответствующего джампера.
- В случае неудачных результатов настройки Setup BIOS , необходимо после сброса неудачной конфигурации с помощью джампера в процедуре Setup BIOS продублировать возвращение загрузку значений BIOS ru.Wikipedia.org << на главную>>
Вкратце процесс загрузки компьютера описан в статье "Включение ПК" раздела BIOS. Рассмотрим этот процесс более подробно.
Инициализация системы средствами BIOS
- 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.
- Проверка BIOS. Контрольная сумма системных программ, находящихся в ПЗУ, находится в одной из ячеек. После запуска контрольная сумма пересчитывается и сравнивается с эталонным значением.
- 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.
- Настройка базовых элементов. Инициализируются и тестируются базовые компоненты системной платы: блок прямого доступа к памяти, таймер, блок аппаратных прерываний.
- Тестирование ОЗУ. Определяется тип модулей памяти, их объем, организация; тестируются первые 64 Кб оперативной памяти.
- Организация рабочих структур ОЗУ. Выделяется область под БИОС, настраиваются прерывания.
- 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.
- 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 .
- PnP. Идентифицируются устройства, подключенные через системные разъемы. Устройствам выделяются ресурсы и прерывания.
- Включение видеосистемы. Запускается Video BIOS, который настраивает видеоконтроллер на режим VGA или EGA, которые поддерживают все видеоконтроллеры. После этого видеоконтроллер готов к работе.
- Выдача сообщения на экран монитора. На экране монитора появляется первое сообщение: фирма-производитель BIOS, тип и частота процессора, тип и объем ОЗУ.
- Тестирование ОЗУ. Производится выборочная проверка незадействованной оперативной памяти.
- Инициализация контроллера дисководов.
- Инициализация контроллера жестких дисков.
- 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).
- Поиск устройств с собственным BIOS. Если таковые устройства найдены, то управление передается BIOS-программам этих устройств и происходит их инициализация.
- 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.
Начальная загрузка операционной системы
Файлы операционной системы находятся на диске (жестком или гибком). Однако программы могут выполняться, только если они находятся в оперативной памяти, поэтому файлы операционной системы необходимо загрузить в оперативную память.
При включении компьютера он тестирует свои устройства и пытается выполнить загрузку ОС - программы, осуществляющей управление компьютером.
Этот процесс называется начальной загрузкой. Она выполняется автоматически при включении электропитания компьютера.
После включения компьютера производится загрузка операционной системы с системного диска в оперативную память, которая должна выполняться в соответствии с программой загрузки.
В компьютере находится постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), содержащее программы тестирования компьютера и первого этапа загрузки операционной системы, которые называются BIOS (базовая система ввода/вывода). ПЗУ расположено на системной плате и питается от батарейки, поэтому записанные в нем программы, не стираются при выключении компьютера.
После включения компьютера эти программы начинают выполняться, причем информация о ходе этого процесса высвечивается на экран дисплея. Сначала производится тестирование и настройка аппаратных средств, затем начинается загрузка операционной системы.
На этом этапе процессор обращается к диску и ищет в определенном месте (в 1 секторе диска) наличие очень небольшой программы-загрузчикаMaster Boot. Если диск системный, то Master Boot оказывается на месте, считывается в память, и ему передается управление. В свою очередь Master Boot ищет на диске основной загрузчик Boot Sector, загружает его в память и передает ему управление. Далее основной загрузчик ищет остальные модули операционной системы и загружает их в оперативную память.
В случае если в дисковод вставлен несистемный диск или диск вообще отсутствует, то на экране монитора появляется сообщение: Not sуstem disk, и компьютер «зависает».
После окончания загрузки операционной системы управление передается командному процессору. В случае использования интерфейса командной строки на экране появляется приглашение системы, в противном случае загружается графический интерфейс.
Все файлы операционной системы не могут одновременно находится в оперативной памяти, так как объем современных операционных систем составляет десятки и сотни мегабайт. Для функционирования компьютера обязательно должны находится в оперативной памяти модуль, управляющий файловой системой, командный процессор и драйверы подключенных устройств. Модули операционной системы, обеспечивающие графический интерфейс, могут быть загружены в оперативную память по желанию пользователя.
 | Вопросы для самоконтроля 1. Для чего необходима операционная система? 2. Какие компоненты входят в состав операционной системы? 3. Что называется файлом, как задается его имя? 4. Какие могут быть расширения текстовых файлов? 5. Чем отличается быстрое и полное форматирование диска? 6. Чем различаются одноуровневая и иерархическая файловые структуры? 7. Какие операции с файлами возможно? 8. Каковы основные этапы загрузки операционной системы? | ||
| Настройка интерфейса Windows Вопросы для изучения: 1. Рабочий стол Windows. 1.1. Значки и ярлыки объектов. 1.2. Окна. 1.3. Панель задач. 1.4. Панель индикации. 2. Структура окна папки. 2.1. Строка заголовка. 2.2. Кнопки управления размерами окна. 2.3. Системный значок. 2.4. Строка меню. 2.5. Панель инструментов. 2.6. Адресная строка. 2.7. Рабочее поле. 2.8. Строка состояния. |  | ||
Операционные системы семейства Windows – наиболее универсальные. Ими можно пользоваться для работы с офисными программами, для потребительской работы в Интернете, в учебных и развлекательных целях. Как и все операционные
При включении питания компьютера управление передается базовой системе ввода/вывода, BIOS.Она выполняет проверку аппаратных узлов компьютера, формирует начальную часть таблицы векторов прерываний, инициализирует устройства и начинает процесс загрузки операционной системы.
Загрузка начинается с того, что BIOS делает попытку прочитать самый первый сектор дискеты, вставленной в дисковод А: (на загрузочной дискете этот сектор содержит загрузчик операционной системы). Если в дисковод вставлена системная дискета, с нее считывается загрузчик и ему передается управление.
Если дискета не системная, т.е. не содержит загрузочной записи, на экран выдается сообщение с просьбой заменить дискету.
Если же дискеты в дисководе А: вообще нет, то BIOS читает основную загрузочную запись диска С: (Master Boot Record). Обычно это самый первый сектор на диске. Управление передается загрузчику, который находится в этом секторе. Загрузчик анализирует содержимое таблицы разделов (она также находится в этом секторе), выбирает активный раздел и читает загрузочную запись этого раздела. Загрузочная запись активного раздела (Boot Record) аналогична загрузочной записи, находящейся в первом секторе системной дискеты.
Загрузочная запись активного раздела считывает с диска файлы IO.SYS и MSDOS.SYS (именно в этом порядке). Затем считываются и загружаются резидентные драйверы. Начинается формирование связанного списка драйверов устройств. Анализируется содержимое файла CONFIG.SYS, загружаются описанные в этом файле драйверы. Сначала загружаются драйверы, описанные параметром DEVICE, затем (только в MS-DOS версии 4.х и 5.0) резидентные программы, указанные операторами INSTALL. После этого считывается командный процессор и ему передается управление.
Командный процессор состоит из трех частей - резидентной, инициализирующей и транзитной. Первой загружается резидентная часть. Она обрабатывает прерывания INT 22H, INT 23H, INT 24H, управляет загрузкой транзитной части. Эта часть командного процессора обрабатывает ошибки MS-DOS и выдает запрос пользователю о действиях при обнаружении ошибок.
Инициализирующая часть используется только в процессе загрузки операционной системы. Она определяет начальный адрес, по которому будет загружаться пользовательская программа и инициализирует выполнение файла AUTOEXEC.BAT.
Транзитная часть командного процессора располагается в старших адресах памяти. В этой части находятся обработчики внутренних команд MS-DOS и интерпретатор командных файлов с расширением имени.BAT. Транзитная часть выдает системное приглашение (например, А:\>), ожидает ввода команды оператора с клавиатуры или из пакетного файла и организует их выполнение.
После загрузки командного процессора и выполнения начальных процедур, перечисленных в файле AUTOEXEC.BAT, подготовка системы к работе завершается.
1.3. Общая схема работы dos
Для того чтобы правильно работать с системным программным и аппаратным обеспечением, нужно четко представлять себе механизм взаимодействия прикладной программы с компьютером. На рис. 1.1 показаны функциональные связи программы с программно-аппаратным обеспечением IBM PC.
Рис.1. Функциональные связи программы для MS-DOS с программно-аппаратным обеспечением ПЭВМ
Как правило, ядро DOS разделяют на несколько подсистем, каждая из которых отвечает за выполнение той или иной задачи. Как показано на рисунке, обычно выделяются следующие подсистемы:
файловая система;
система управления памятью;
система управления программами;
система связи с драйверами устройств;
система обработки ошибок;
службу времени;
систему ввода/вывода консоли оператора.
Эти подсистемы общаются с аппаратурой через BIOS, драйверы или напрямую. Прикладное программное обеспечение может вызывать подсистемы DOS, работать с BIOS или непосредственно с аппаратурой. Обратите, однако, внимание на то, что прикладные программы могут обращаться к драйверам только через соответствующую подсистему DOS.
Очевидно также, что чем выше уровень интерфейса прикладной программы и аппаратуры, тем меньше программа будет зависеть от особенностей аппаратуры.
Рассмотрим подсистемы DOS отдельно.
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.
