Загрузка ОС как задача
Как передать управление от голого железа к операционной системе?
- Начальная инициализация аппаратуры (процессор, память, контроллеры)
- Запуск кода из энергонезависимой памяти на материнской плате
- Поиск доступных вариантов загрузки (диски, флешки, сеть)
- Выбор источника загрузки
- Загрузка следующего компонента системы
- Передача параметров запуска и управления
Прошивка платформы и её роль
Роль микрокода:
- Инициализировать необходимый мимнимум аппаратуры
- Найти источники загрузки
- Запустить менеджер загрузки
BIOS и MBR — историческая схема загрузки
Legacy BIOS
- Историческая модель загрузки, разработанная IBM
- Принцип работы:
- Прошивка выбирает устройство
- Читает первый сектор диска
- Передаёт ему управление напрямую
- Проблемы:
- Сильная зависимость от архитектуры
- Куча зависимостей от исторических соглашений и ограничений (например, legacy-адреса выполнения кода загрузки)
- Ограниченные возможности расширения
Master Boot Record (MBR)
- Распологается строго на первом секторе диска:
- При повреждении первого сектора теряется информация о разделах
- Размер 512 байт
- Компоненты:
- Начальный код (bootloader) — первые 446 байт
- Таблица разделов — 64 байта (4 записи по 16 байт)
- Нет резервной копии таблицы разделов
- Сигнатура корректного MBR — 2 байта (0x55AA)
- Записи разделов:
- Четыре записи фиксированного формата
+ 32-битные адреса секторов
+ Значит, максимальный размер диска для описания ~2ТБ
- Для большего количества записей — legacy объединение нескольких MBR-таблиц в связный список
- Четыре записи фиксированного формата
+ 32-битные адреса секторов
+ Значит, максимальный размер диска для описания ~2ТБ
UEFI — современная модель загрузки
UEFI (Unified Extensible Firmware Interface) был разработан для преодоления ограничений BIOS:
Задачи для преодоления:
- Избавиться от жёсткой архитектурной зависимости
- Обеспечить стандартизованный интерфейс для разных платформ
- Устранить архаичный формат «сектор + прыжок по адресу»
- Сделать систему масштабируемой
Результат — стандартизованная предзагрузочная среда
- Все исполняемые элементы единого формата (т.н. EFI-приложения)
- Стандартные сервисы и протоколы для работы загрузчиков
- Запуск EFI-приложений как файлов
NVRAM и Boot Variables
- Энергонезависимая память прошивки + Управление порядком загрузки без изменения диска
- Сохраняется между перезагрузками
- Не зависит от архитектуры
- Хранит переменные конфигурации загрузки + Boot#### + BootOrder + BootNext + BootCurrent + Timeout
GPT — GUID Partition Table
Замена MBR для EFI-систем
- GUID как идентификаторы
- Уникальный 128-битный идентификатор
- Структурированные записи о разделах
- 128 байт на запись (вместо 16 в MBR)
- До 128 разделов по умолчанию + Фактически программного ограничения нет
- Дополнительная система контроля целостности
- CRC32 заголовков и массива записей
- Обнаружение повреждений
- Резервное копирование
- Основной и резервный GPT заголовок
- Копия массива записей в конце диска
- Возможность восстановления
Структура GPT на диске
- Protective MBR (LBA 0)
- Primary GPT Header (LBA 1)
- Версия GPT, размер и количество записей
- CRC заголовка и массива записей
- Partition Entry Array (LBA 2-33)
- Partition Data
- Secondary Partition Entry Array (LBA -32)
- Резервная копия массива записей
- Secondary GPT Header (LBA -1)
- Резервный заголовок
Каждая запись о разделе содержит:
- Тип раздела
- Уникальный идентификатор раздела
- Начальный и конечный LBA
- Флаги опций
- Имя раздела — Unicode строка до 72 символов
EFI System Partition (ESP)
- Специальный раздел для хранения EFI-образов
- Единая точка размещения файлов загрузки
- Может использоваться несколькими ОС
Структура ESP
- Файловая система FAT32
- простая и совместимая почти со всем
- Каталоги:
EFI/— корневой каталог для EFI-приложенийEFI/BOOT/— стандартный каталог для загрузчикаEFI/*/— каталоги для конкретных ОС
- Файлы загрузчиков:
- Исполняемые образы формата PE (Portable Executable)
- Ядро Linux с EFI stub
- initramfs/initrd для загрузки
- GRUB в формате EFI
GRUB — многофункциональный загрузчик
Дополнительные возможности:
- Выбрать версию ядра
- Передать kernel parameters для ядра
- Обработать разные сценарии загрузки
Возможность обойтись без GRUB
- EFI stub — механизм, позволяющий ядру выглядеть как EFI-исполняемый образ
- Ядро компилируется с поддержкой EFI stub
- Ядро получает EFI-заголовок и становится EFI-приложением
- Ядро размещается на ESP
- Обычно в
EFI/boot/vmlinuzилиEFI/ubuntu/vmlinuz - В NVRAM добавляется запись Boot####
- Обычно в
- UEFI может запустить его напрямую