Системное ПЗУ и BIOS дискового контроллера
Рисунок 3.15. Системное ПЗУ и BIOS дискового контроллера
Как правило, сервисы загрузочного монитора доступны загружаемой системе. Так, модуль управления дисками BIOS PC-совместимых компьютеров предоставляет функции считывания и записи отдельных секторов диска Доступ к функциям ПЗУ позволяет значительно сократить код первичного загрузчика ОС, и, нередко, сделать его независимым от устройства.
Проще всего происходит загрузка с различных последовательных устройств — лент, перфолент, магнитофонов, перфокарточных считывателей и т. д. Загрузочный монитор считывает в память все, что можно считать с заданного устройства и передает управление на начало той информации которую прочитал.
В современных системах такая загрузка практически не используется. В них загрузка происходит с устройств с произвольным доступом, как правило — с дисков. При этом обычно в память считывается нулевой сектор нулевой дорожки диска. Содержимое этого сектора называют первичным загрузчиком. В IBM PC этот загрузчик называют загрузочным сектором, или boot-сектором.
Как правило, первичный загрузчик, пользуясь сервисами загрузочного монитора, ищет на диске начало файловой системы своей родной ОС, находит в этой файловой системе файл с определенным именем, считывает его в память и передает этому файлу управление. В простейшем случае такой файл и является ядром операционной системы.
Размер первичного загрузчика ограничен чаще всего размером сектора на диске, т. е. 512 байтами. Если файловая система имеет сложную структуру, иногда первичному загрузчику приходится считывать вторичный, размер которого может быть намного больше. Из-за большего размера этот загрузчик намного умнее и в состоянии разобраться в структурах файловой системы. В некоторых случаях используются и третичные загрузчики.
Это последовательное исполнение втягивающих друг друга загрузчиков возрастающей сложности называется бутстрапом (bootstrap), что можно перевести как "втягивание [себя] за шнурки от ботинок".
Большую практическую роль играет еще один способ загрузки — загрузка по сети. Она происходит аналогично загрузке с диска: ПЗУ, установленное на сетевой карте, посылает в сеть пакет стандартного содержания, который содержит запрос к серверу удаленной загрузки. Этот сервер передает по сети вторичный загрузчик и т. д. Такая технология незаменима при загрузке бездисковых рабочих станций. Централизованное размещение загрузочных образов рабочих станций на сервере упрощает управление ими, защищает настройки ОС от случайных и злонамеренных модификаций и существенно удешевляет эксплуатацию больших парков настольных компьютеров, поэтому по сети нередко загружаются и машины, имеющие жесткий диск.
Проще всего происходит загрузка систем, ядро которых вместе со всеми дополнительными модулями (драйверами устройств, файловых систем и др.)
Собрано в единый загрузочный модуль. Например, в системах семейства Unix, ядро так и называется /unix (в FreeBSD - /vmunix, в Linux -/vnilinux, пли, и случае упакованного ядра, /vmlinuz).
При переконфигурации системы, добавлении или удалении драйверов и других модулей необходима пересборка ядра, которая может производиться либо стандартным системным редактором связей, либо специальными утилитами генерации системы. Для такой пересборки в поставку системы должны входить либо исходные тексты (как у Linux и BSD), либо объектные модули ядра. Сборка ядра из объектных модулей на современных системах занимает не более нескольких минут. Полная перекомпиляция ядра из исходных текстов, конечно, продолжается существенно дольше.
На случай, если системный администратор ошибется и соберет неработоспособное ядро, вторичный загрузчик таких систем часто предоставляет возможность выбрать файл, который следует загрузить. Ядро таких систем обычно не использует никаких конфигурационных файлов — все настройки также задаются при генерации.
Большинство современных ОС используют более сложную форму загрузки, при которой дополнительные модули подгружаются уже после старта самого ядра. В терминах предыдущих разделов это называется "сборка в момент загрузки". Список модулей, которые необходимо загрузить, а также параметры настройки ядра, собраны в специальном файле или нескольких файлах. У DOS и OS/2 этот файл называется CONFIG.SYS, у Win32-cncreM -реестром (registry).
Сложность при таком способе загрузки состоит в том, что ядро, еще полностью не проишщиализовавшись, уже должно быть способно работать с файловой системой, находить в ней файлы и считывать их в память.
Особенно сложен этот способ тогда, когда драйверы загрузочного диска и загрузочной файловой системы сами являются подгружаемыми модулями. Обычно при этом ядро пользуется функциями работы с файловой системой, предоставляемыми вторичным (или третичным, в общем, последним по порядку) загрузчиком, до тех пор, пока не проинициализирует собственные модули. Вторичный загрузчик обязан уметь читать загрузочные файлы, иначе он не смог бы найти ядро. Если поставщики ОС не удосужились написать соответствующий вторичный загрузчик, а предоставили только драйвер файловой системы, ОС сможет работать с такой файловой системой, но не сможет из нее загружаться.
Некоторые системы, например DOS, могут грузиться только с устройств, поддерживаемых BIOS, и только из одного типа файловой системы — FAT, Драйвер которой скомпонован с ядром. Любопытное развитие этой идеи представляет Linux, модули которого могут присоединяться к ядру как статически, так и динамически. Динамически могут подгружаться любые модули, кроме драйверов загрузочного диска и загрузочной ФС.
Преимущества, которые дает динамически собираемое в момент загрузки ядро, не так уж велики по сравнению с системами, в которых ядро собирается статически. Впрочем, ряд современных систем (Solaris, Linux, Netware) идут в этом направлении дальше и позволяют подгружать модули уже после загрузки и даже выгружать их. Такая архитектура предъявляет определенные требования к интерфейсу модуля ядра (он должен уметь не только инициализировать сам себя и, если это необходимо, управляемое им устройство, н0 и корректно освобождать все занятые им ресурсы при выгрузке), но дает значительные преимущества.
Во-первых, это допускает подгрузку модулей по запросу. При этом подсистемы, нужные только иногда, могут не загрузиться вообще. Даже те модули, которые нужны всегда, могут проинициализироваться, только когда станут нужны, уменьшив тем самым время от начала загрузки до старта некоторых сервисов. Второе, пожалуй даже более важное для системного администратора, преимущество состоит в возможности реконфигурировать систему без перезагрузки, что особенно полезно для систем коллективного пользования. И, наконец, возможность выгрузки модулей ядра иногда (но не всегда, а лишь если поломка не мешает драйверу корректно освободить ресурсы) позволяет корректировать работу отдельных подсистем — опять-таки без перезагрузки всей ОС и пользовательских приложений.
Оказавшись в памяти и, так или иначе, подтянув все необходимые дополнительные модули, ядро запускает их подпрограммы инициализации. При динамической подгрузке инициализация модулей часто происходит по мере их загрузки. Обычно инициализация ядра завершается тем, что оно загружает определенную программу, которая продолжает инициализацию — уже не ядра, но системы в целом.
Так, системы семейства UNIX имеют специальную инициализационную программу, которая так и называется — init. Эта программа запускает различные процессы-демоны, например cron — программу, которая умеет запускать другие заданные ей программы в заданные моменты времени, различные сетевые сервисы, программы, которые ждут ввода с терминальных устройств (getty), и т. д. Набор запускаемых программ задается в файле /etc/inittab (в разных версиях системы этот файл может иметь разные имена, /etc/inittab используется в System V). Администратор системы может редактировать этот файл и устанавливать те сервисы, которые в данный момент нужны, избавляться от тех, которые не требуются, и т. д.
Программа init остается запущенной все время работы системы. Она, как правило, следит за дальнейшей судьбой запущенных ею процессов. В зависимости от заданных в файле /etc/inittab параметров, она может либо перезапускать процесс после его завершения, либо не делать этого.
Аналогичный инициализационный сервис в той или иной форме предоставляют все современные операционные системы.
