Когда-то давно термин bootstrapping (загрузка) в компьютерной области означал загрузку бумажной ленты, на которой хранилась программа начальной загрузки, или же ввод программы начальной загрузки вручную при помощи расположенных на передней панели переключателей адреса/данных/управления. Современные компьютеры оборудованы устройствами, которые значительно упрощают процесс первоначальной загрузки – однако это не означает, что этот процесс является простым.

Давайте сначала бросим самый общий взгляд на процесс начальной загрузки Linux, чтобы охватить картину полностью. Затем мы более подробно рассмотрим, что происходит на каждом этапе процесса. Ссылки на исходный код, которые будут приводиться постоянно в процессе изложения, помогут при изучении дерева исходных кодов ядра и подскажут, где получить дополнительную информацию.

Общие сведения

На рисунке 1 показан вид с "высоты птичьего полета".

Рисунок 1. Вид на процесс начальной загрузки в Linux с высоты птичьего полета
Взгляд на загрузку ядра Linux с самого высокого уровня

При первоначальной загрузке системы или при ее перезагрузке системы процессор выполняет код, который расположен в хорошо известном месте. В персональном компьютере это место соответствует базовой системе ввода/вывода (BIOS), которая хранится в расположенной на системной плате микросхеме энергонезависимой flash-памяти. Центральный процессор (CPU) встраиваемой системы обращается к reset-вектору для получения адреса программы, которая хранится по известному адресу в flash/ROM-памяти. В любом случае это приводит к одному и тому же результату. Так как персональные компьютеры отличаются намного большей универсальностью, BIOS должна определить, какие именно устройства являются кандидатами на выполнение начальной загрузки. Мы подробно рассмотрим данный процесс позже.

После того, как устройство, с которого будет осуществляться начальная загрузка, найдено, начальный загрузчик первой ступени загружается в оперативную память и начинается его выполнение. Этот начальный загрузчик имеет размер менее 512 байт (один сектор), и его задачей является загрузка начального загрузчика второй ступени.

После того, как в оперативную память загружается и начинает выполняться начальный загрузчик второй ступени, на экране обычно отображается заставка и в память загружаются Linux вместе с необязательным начальным RAM-диском (временная система корневых файлов). После того как эти образы будут загружены, начальный загрузчик второй ступени передает управление ядру и выполняется декомпрессия и инициализация ядра. На этой стадии начальный загрузчик второй ступени проверяет аппаратное обеспечение системы, выполняет нумерацию подключенных устройств, монтирует корневое устройство и затем загружает необходимые модули ядра. После завершения этих задач запускается первая пользовательская программа (init) и затем выполняется инициализация системы высокого уровня.

Таков в общих чертах процесс начальной загрузки в Linux. Теперь давайте углубимся чуть далее и рассмотрим некоторые подробности начальной загрузки в Linux.

Запуск системы

Запуск системы определяется той аппаратной платформой, на которой выполняется начальная загрузка Linux. На встраиваемых платформах при включении питания системы или при перезагрузке используется bootstrap-среда. В качестве примеров можно привести U-Boot, RedBoot и MicroMonitor от компании Lucent. Эти программы хранятся в специальной области flash-памяти, расположенной во встраиваемой системе: они предоставляют средства для загрузки образа ядра Linux во flash-память и в дальнейшем обеспечивают выполнение этого ядра. В дополнение к функциям по хранению и загрузке образа Linux эти мониторы загрузки также выполняют тестирование системы на каком-то уровне и инициализацию аппаратного обеспечения. Во встраиваемых системах подобные мониторы загрузки обычно объединяют функции загрузчиков первой и второй ступени.

Просмотр содержимого MBR

Для просмотра содержимого MBR используйте следующую команду:
# dd if=/dev/hda of=mbr.bin bs=512 count=1
# od -xa mbr.bin

Командаdd, которая выполняется с правами root, считывает первые 512 байт с /dev/hda (первый IDE-жесткий диск) и записывает их в файл mbr.bin. Команда od выполняет печать полученного двоичного файла в форматах hex и ASCII.

На персональных компьютерах загрузка Linux начинается в BIOS с адреса 0xFFFF0. Первым действием, которое выполняет BIOS, является тестирование при включении питания (POST, power-on self test). Задачей такого тестирования является выполнение проверки аппаратного обеспечения. Вторым действием POST является выполнение нумерации и инициализации для локальных устройств.

Если учитывать различное назначение функций BIOS, то можно считать, что BIOS состоит из двух частей: кода POST и сервисов времени выполнения. После завершения POST соответствующий код удаляется из памяти, однако сервисы времени выполнения BIOS остаются в памяти и доступны для операционной системы.

Для выполнения загрузки операционной системы сервисы времени выполнения BIOS выполняют поиск таких устройств, которые являются активными и способны выполнять загрузку – причем поиск выполняется в порядке, который определяется настройками, сохраненными в CMOS-памяти. В качестве загрузочных устройств могут выступать флоппи-диски, CD-ROM, разделы на жестком диске, подключенное к сети устройство или даже портативный USB-накопитель.

Обычно загрузка Linux производится с жесткого диска, на котором в MBR содержится первичный начальный загрузчик. MBR представляет собой сектор размером 512 байт, который располагается в первом секторе диска (сектор 1 цилиндра 0, головка 0). После того как MBR загружается в память, BIOS передает ему управление.

Загрузчик 1-й ступени

Первичный начальный загрузчик, хранящийся в MBR, представляет собой образ размером 512 байт, который содержит как программный код, так и небольшую таблицу разделов (см. рисунок 2). Первые 446 байт представляют собой собственно первичный загрузчик, который содержит как программный код, так и текст сообщений об ошибках. Следующие 64 байта представляют собой таблицу разделов, которая содержит запись для каждого из четырех разделов диска (по 16 байт каждая). В конце MBR располагаются два байта, которые носят название "магического числа" (0xAA55). Это магическое число служит для целей проверки MBR.