Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

Тернопільський національний технічний університет

імені Івана Пулюя

Кафедра комп'ютерних систем та мереж

КУРСОВА РОБОТА

З ДИСЦИПЛІНИ “системне програмування”

Програма-завантажувач операційних систем

Виконав

Д.С. Гринович

Тернопіль - 2011

ВСТУП

Часто виникає небхідність встановити на одному комп'ютері декілька операційних систем. Але стандартні засоби, такі як утиліта FDISK, що є в кожній операційні системі, дозволяють призначити один активний розділ, з якого буде відбуватися завантаження системи, і записують в завантажувальний сектор програмний код, який вибирає основний розділ і завантажує з нього ОС. Для того, щоб завантажити операційну систему з іншого розділа жорсткого диска, потрібно запустити FDISK або іншу їй подібну утиліту, переназначити активним розділ, з якого повинна завантажуватись інша система і перезавантажити комп'ютер. Якщо після наступного ввімкнення ПК необхідно загрузити попередню систему, знову потрібно завантажувати активну систему, переназначати активний розділ та ще раз перезавантажувати комп'ютер.

Цих незручностей можна уникнути, якщо використовувати програми-завнтажувачі операційних систем. Основним завданням таких програм є очікування вибору користувачем назви потрібної системи, визначення її фізичного розташування на диску її оcновного розділу та завантаження.

Так як така програма повинна розмістити свій завантажувальний код (який повинен бути достатньо малим) в перший сектор і виконуватись з конкретних адресів, при цьому використовуватися можуть лише засоби BIOS, то таку програму необхідно розробляти на мові Ассемблер.

1. ПРИЗНАЧЕННЯ ТА ОБЛАСТЬ ВИКОРИСТАННЯ ПРОДУКТУ

1.1 Аналіз технічного завдання

Метою даної роботи є розробка програма - завантажувача операційної системи. Основним завданням таких програм є очікування вибору користувачем назви потрібної системи, визначення її фізичного розташування на диску її оcновного розділу та завантаження.

Програмне забезпечення повинне функціонувати на всіх персональних комп'ютерах.

Результати роботи програми повинні представлятися у вигляді інформаційного повідомлення користувачу.

Детальніше ці та інші вимоги можна переглянути у технічному завданні (додаток А) до курсової роботи.

1.2 Типи та середовище використовування програми

Завантамження операцімйної системи -- це багатокроковий процес запуску комп'ютера. Завантамжувач операційної системи -- це програма, яку запускає BIOS для виконання завантаження операційної системи. Завантажувач операційної системи звичайно міститься у секторі завантажування. Послідовність завантаження -- це початковий набір дій, що при цьому виконується комп'ютером.

Типи завантаження

§ Початкове завантаження - Завантажування після того, як комп'ютер увімкнено користувачем.

§ Перезавантаження.

Жорстке перезавантаження

Жорстке перезавантаження відбувається, коли на короткий час зникає живлення комп'ютера, або коли на процесор надсилається спеціальний сигнал (найчастіше така кнопка міститься на передній панелі комп'ютера). Це початкове завантаження без попереднього виконання завершальних процедур операційної системи. Для багатьох операційних систем, особливо тих що використовують дисковий кеш, після жорсткого перезавантаження файлова система може містити неузгодженості через незавершеність дискових операцій вводу-виводу; щоб виправити ці помилки запускається процедура сканування файлової системи на цілісність структури ще до того, як матиме місце нормальне завантаження. Жорстке перезавантаження може бути спричинено ненавмисно, через випадкове відключення живлення, або ж зроблене навмисно як остання спроба вийти з неприємного стану на комп'ютері, наприклад критичної помилки системи, чи вірусної атаки, чи DoS-атаки з інтернету.

М'яке перезавантаження

М'яким перезавантаження називається тоді, коли воно відбувається під контролем програмного забезпечення, без порушень в електроживленні і натискання кнопки перезавантаження на передній панелі. Як правило, але не завжди, це означає звичайне штатне завершення роботи машини і наступне перезавантаження.

Комбінація клавіш клавіатури Control-Alt-Delete на оригінальному комп'ютері IBM PC була назначена для виконання м'якого перезавантаження для скорішого і зручнішого (і, дехто стверджує, менш стресового для компонентів системи) рестарту, порівняно із тим, коли вимикається живлення комп'ютера.

Функціональність завантаження систем

§ забезпечує необхідні засоби для діалогу з користувачем комп'ютера (наприклад, завантажувач дозволяє вибрати ядро операційної системи для завантаження);

§ приводить апаратуру комп'ютера в стан, необхідний для старту ядра операційної системи (наприклад, на не-x86 архітектурі перед запуском ядра завантажувач повинен правильно налаштувати віртуальну пам'ять);

§ завантажує ядро операційної системи в оперативну пам'ять. Завантаження ядра операційної системи не обов'язково відбувається з жорсткого диску. Завантажувач може отримувати ядро з мережі. Ядро може зберігатися в постійній пам'яті або завантажуватися через послідовні інтерфейси (це може стати в нагоді на ранній стадії зневадження створюваної комп'ютерної системи);

§ формує параметри, що передаються ядру операційної системи (наприклад, ядру Linux передаються параметри, що вказують спосіб підключення кореневої файлової системи);

§ передає управління ядру операційної системи.

На комп'ютерах архітектури IBM РС запуск завантажувача здійснюється програмним забезпеченням BIOS, записаною в постійній пам'яті комп'ютера (зараз це найчастіше флеш-пам'ять), після успішного закінчення процедури POST.

Процедура, за допомогою якої відбувається завантаження ОС з твердого диску IBM РС має таку послідовність: BIOS проводить читання і запис 512 байт першого сектора диску воперативну пам'ять за адресою 0x00007C00 (0x07C0:0x0000 у форматі реального режиму), потім прочитаному коду передається керування. Цей код читає і аналізує таблицю розділів твердого диска, а потім, залежно від виду завантажувача, або передає керування завантажувальному коду активного розділу твердого диску, або самостійно завантажує ядро з диску в оперативну пам'ять і передає йому керування. Спочатку завантажувач працює в режимі реальної адресації при вимкненій адресній лінії A20, що створює певні труднощі при написанні завантажувачів.

Завантажувальний пристрій -- з якого вантажиться операційна система. BIOS сучасних комп'ютерів підтримує завантаження з різних пристроїв, зазвичай це локальний жорсткий диск (HDD) (або одна з частин логічного чи фізичного розділу на диску), пристрій читання оптичних дисків, USB-диск (у варіантах флеш-диску, зовнішнього твердого, магнитооптичного чи оптичного диску, тощо), або інтерфейсна мережева карта (з використанням PXE). Старіші, вже менш поширені варіанти завантаження, включають дисковод гнучких дисків, SCSI-пристрої, Zip-дисководи, або пристрої LS-120.

За звичай BIOS дозволяє користувачу обрати і впорядкувати спосіб завантаження. Якщо порядок завантаження встановлено так «по-перше, DVD-дисковод; по-друге, твердий диск», тоді BIOS намагатиметься завантажити систему з DVD, і якщо спроба виявиться неуспішною (наприклад, у дисководі відсутній диск), тоді відбудеться наступна спроба завантажитися з твердого диску.

Поширені завантажувачі:

§ NTLDR -- завантажувач ядра Windows NT

§ Windows Boot Manager (bootmgr.exe,winload.exe) - завантажувач ядра Windows Vista

§ LILO (LInux LOader) -- завантажувач, в основному для завантаження ядра Linux

§ GRUB (Grand Unified Bootloader) -- використовується для завантаження ядра Linux і Hurd (StartUp Manager)

§ OS/2 BootManager -- завантажувач ядра OS/2

§ RedBoot -- завантажувач для вбудованих систем

§ SILO (SPARC Improved bootLOader) -- завантажувач Linux і Solaris для машин з архітектурою SPARC. Домашня сторінка SILO

§ Loadlin -- завантажує Linux з під DOS або Windows Домашня сторінка Loadlin

§ Syslinux -- завантажує Linux з під DOS або Windows

§ BOOTP -- застосоується для завантаження по мережі

§ Yaboot -- завантажувач Linux на PowerPC

§ BOOTX -- завантажувач Mac OS X

§ Das U -Boot

SyMon - універсальний завантажувач, незалежний від типу операційної системи Домашня сторінка SyMon

2. РОЗРОБКА СТРУКТУРИ ПРОГРАМИ

2.1 Опис структурної моделі програми

Програма складається з підсистем встановлення та налаштування програми і підсистеми старту та виконання програми.

Ці компоненти та механізм взаємодії між ними детальніше можна розглянути на рис. 2.1.

Підсистема встановлення та налаштування програми - це програмний код, який використовує переривання та засоби DOS, так як він виконується у цій операційній системі і призначений для встановлення і налаштування наступних блоків.

Рисунок 2.1 - Структурна схема програми

Завданням підсистеми виконання програми використовує лише засоби BIOS, бо вони виконуються ще до завантаження ОС. Після ввімкнення ПК виконується другий блок, який потім завантажує третій блок, який реалізовує основні можливості програми -завнтажувача

2.2 Опис функціональної моделі програми

З функціональної схеми програми (рис. 2.2) добре видно, які функції виконує та чи інша частина програми.

Насамперед, програма зчитує свій код з першого сектору жорсткого диску зразу після ввімкнення ПК. Далі програма виводить варіанти загрузки операційних систем та за допомогою таймера чикає відповіді від користувача. Після вибору операційної системи програма вибирає активний розділ та завантажує з нього операційну систему.

Рисунок 2.2 - Функціональна схема програми

2.3 Проектування компонентів програми

Щоб краще розуміти, за яким принципом працює програма, і які функції та методи вона використовує, а також якими апаратними засобами це все реалізовується, будуються блок - схеми алгоритмів. Зрозуміло, що побудувавши блок - схему, значно легше реалізувати виконання тієї чи іншої процедури та програми загалом. Коли ми маємо змогу переглянути структуру, яким методом програма виконує ту чи іншу дію, одразу все стає ясніше і легше для сприйняття. Тому перш, ніж розпочати реалізацію програми, проводиться відображення функціональної взаємодії процедур та методів у програмі за допомогою блок - схем. Структурні взаємозв'язки у блок - схемах алгоритмів показують, наприклад, яка дія відбудеться внаслідок виконання тої чи іншої команди, або ж який результат буде отриманий при певних вхідних даних.

Для початку проводиться побудова загального алгоритму роботи всієї програми. Даний алгоритм зображений нижче на рис. 2.3. Поглянувши на цей алгоритм, одразу чітко видно, що після запуску програми викликається процедура зчитування першого сектору. За допомогою цієї процедури програма зчитує код з першого сектору жорсткого диску та завантажується. Наступною буде викликатися процедура виводу меню програми, яка виводить на екран варіанти загрузки та очікує на дії користувача. Далі після натискання певної клавіші програма розрізняє номер клавіші і за допомогою оператора вибору переходить процедури яка адресованна клавіші. А саме:

1. Вивід тексту довідки.

2. Вихід

3. Добавити новий елемент меню.

4. Запис на диск. Для підтвердження потрібно натиснути “1”.

5. Вивід меню.

6. Встановлення нового часу очікування до завантаження системи.

7. Встановлення нового елемента меню, що використовується за замовчуванням.

Тільки після натискання клавіші під номером 1 відбудеться вихід з програми.

Рисунок 2.4 - Алгоритм процедури установки загружчика в перший сектор жорсткого диску

Процедура виконується лише тоді коли процедура зчитування встановила що загружчик не встановлений

Рисунок 2.5 - Процедура додавання нового елементу меню

Добавляня нового елементу меню. Спочатку потрібно ввести номер елемента меню. Далі натисніть клавішу “0”..”3” для завантаження відповідного первинного розділу при виборі цього елемента меню або “4” для ручного вводу значень регістрів CX і DX для функції BIOS INT 13h для завантаження з ділянки диску, вибраної користувачем чи завантаження з іншого диску. Наприклад, якщо ввести 0000h 0001h, то при виборі цього елемента меню відбудеться завантаження з дискети, при вводі 0081h і 0001h - з другого твердого диска. Введіть номер розділу (0 - 3), який стане активним при завантаженні з даного меню

Рисунок 2.6 - Алгоритм процедури виводу меню

3. РЕАЛІЗАЦІЯ ПРОГРАМИ

3.1 Вибір середовища розробки

Даний програмний продукт реалізований на мові програмування Assembler, яка є низькорівневою мовою програмування

Асемблер (assembler) -- система програмування, яка включає мову асемблера та транслятор з цієї мови. Є мовою програмування низького рівня. Чим нижчий рівень мови програмування, тим ближча специфіка роботи програми до самого процесора, для якого вона й була написана. Вважається, що мови низького рівня складніші й потребують більш вузької спеціалізації програміста, оскільки програма написана на асемблері для одного типу процесорів виявиться не завжди придатною для роботи з іншими процесорами. З іншого боку програми написані на асемблері компактні та швидкі, що теж є немаловажливим.

Поки існують процесори, буде існувати й асемблер.

Створений програмний продукт задовольняє всі технічні вимоги, що висуваються до нього в технічному завданні (додаток А).

Повний код програми, включно з усіма оголошеними і описаними процедурами, функціями, змінними та бібліотеками, знаходиться в лістингу програми в додатку Б.

3.2 Розробка компонентів програми

Для реалізації завдання потрібно написати програмний код, який буде виконуватись після ввімкнення ПК і перед завантаженням ОС. Цей код повинен бути розміщений в першому секторі жорсткого диску (завантажувальному секторі). Після створення розділів за допомогою FDISK ця утиліта записує власний завантажувальний код, який лише вибирає активний розділ та завантажує з нього ОС. Завданням на курсову роботу є написання коду, призначенням якого є очікування реакції користувача на виведений список операційних систем та завантаження однієї з них.

Структура авантажувального сектора жорсткого диску зображена в таблиці 1.

Таблиця 1 - Структура завантажувального сектора твердого диску

Зміщення	Розмір	Призначення
(+0)	1BEh	Завантажувальний запис - програма, яка виконується після ввімкнення ПК
(+1BEh)	10h	Елемент таблиці розділів диска
(+1CEh)	10h	Елемент таблиці розділів диска
(+1DEh)	10h	Елемент таблиці розділів диска
(+1EEh)	10h	Елемент таблиці розділів диска
(+1FEh)	2h	Ознака таблиці розділів - 55AAh

Як видно з таблиці, максимальний розмір завантажувального коду становить 1BCh байт. Цього не достатньо для реалізації повнофункціонального програми - завнтажувача операційної системи. Але після першого сектору твердого диска є ще 15 секторів (15·512=7680 байт), які не використовуються як розділи (більшість програм створення розділів не дозволять створювати розділи, що не починаються з першого сектора на дорожці або починаються з непарного номера дорожки (за винятком першого розділу), одже другий і решта секторів нульової дорожки будуть вільні). Цього достатньо для збереження коду програми - завнтажувача операційної системи.

Після ввімкнення ПК і ініціалізації BIOS код з першого сектору першого завантажувального фізичного диску зчитуються в пам'ять по адресу 0000h:7C00h і BIOS виконує команду JMP на цей адрес. Оскільки зчитуються лише 512 байт, то в кореневому секторі потрібно розмістити програмний код, який завантажить решту секторів нульової дорожки (тіло boot - менеджера) і передасть управління першій команді програми - завнтажувача операційної системи.

mov ax,cs

;ініціалізація сегментних регістрів

mov ds,ax

mov es,ax

;вивід назви програми

mov dx,offset text1

mov ah,09h

int 21h

mov dx,offset text2

;”перевірка МБР”

mov ah,09h

int 21h

mov ax,0201h

;читає завантажувальний сектор

mov bx,offset buff

mov cx,0001h

mov dx,0080h

int 13h

jnc mbrlok

;прочитано

mov dx,offset text3

;”помилка читання”

mov ah,09h

int 21h

mov ax,4c00h

;завершення

int 21h

Програма - завнтажувач операційної системи повина вивести на екран список всіх налаштованих при встановленні варіантів завантаження і завантажити один із них за вибором користувача.

Вивід меню програми:

Dpinfo

Proc

;вивід меню

pusha

mov dx,offset dpit1

call textout

mov cx,8

mov bx,offset bpinfo

mov al,30h

;ascii '0'

оператор вибору пунктів меню:

getukey:

mov dx,offset tline

mov ah,09h

int 21h

mov ah,01h

;зчитуєм клавішу

int 21h

and al,0fh

; 0<=al<=15

xor bh,bh

mov bl,al

shl bx,1

;bx*2

mov ah,09h

mov dx,offset nl

int 21h

jmp cs:[casetab+bx]

;реалізація case - умови

c0:

mov ah,09h

;хелп

mov dx,offset texthlp

int 21h

jmp getukey

c1:

;вихід

mov ax,4c00h

int 21h

ret

c2:

;редактування меню

call editpr

jmp getukey

c3:

call installmbr

;перезапис

jmp getukey

c4:

call dpinfo

;вивід меню

jmp getukey

c5:

;час очікування

mov dx,offset text6

mov ah,09h

int 21h

mov ax,time

call hexout

;вивести поточний

mov dx,offset text7

mov ah,09h

int 21h

call hexin

;ввести новий

mov time,dx

mov ah,09

mov dx,offset nl

int 21h

jmp getukey

c6:

;елемент по замовчуванню

mov dx,offset text6

mov ah,09h

int 21h

mov ah,2h

mov dl,defpart

or dl,30h

int 21h

mov ah,09h

mov dx,offset text7

int 21h

xor ah,ah

int 16h

and al,111b

mov defpart,al

mov dl,al

or dl,30h

mov ah,02h

int 21h

mov ah,09h

mov dx,offset nl

int 21h

jmp getukey

cend:

;неправильна клавіша - повторити ввід

jmp getukey

mov ax,4c00h

;вийти

int 21h

ret

Необхідно встановити розділ, з якого буде виконуватись завантаження, активним. Крім того, якщо існують інші розділи FAT чи NTFS, їх необхідно встановити прихованими, так як системи Windows не підтримують декілька видимих первинних розділів. В таблиці 2 наведена структура елементу таблиці розділів диску.

Таблиця 2 - Структура елементу таблиці розділів диску

Зміщення	Розмір	Призначення
(+0)	1	Признак активного розділа: 0 - розділ не активний; 80h - розділ активний.
(+1)	1	Номер головки для початкового сектора розділу.
(+2)	2	Номер сектора и циліндра для початкового сектора розділу в форматі функції читання сектора INT 13h.
(+4)	1	Код системи: 0 - невідома система; 5 - розширенний розділ DOS.6 - FAT 7 - NTFS 0Bh - FAT32
(+5)	1	Номер головки для останнього сектора розділу.
(+6)	2	Номер сектора и циліндра для останнього сектора розділу в форматі функції читання сектора INT 13h.
(+8)	4	Відносний номер сектора початку розділу
(+12)	4	Розмір розділу в секторах.

Для зміни типу файлової системи необхідно змінювати байти за адресом 7C00h+10h·(номер розділу)+4h, а для зміни активного розділу - за адресом 7C00h+10h·(номер розділу).

Щоб встановити програми - завнтажувача операційної системи, необхідно написати програму для DOS, в тілі якої буде знаходитись код загрузчика, програми - завнтажувача та код, призначений для встановлення та налаштування загружчика.

Для виконання операцій дискового вводу - виводу в програмі використовується переривання BIOS 13h, для встановлення адресу, з якого будуть починатись відповідні фрагменти коду - директива ORG.

Для видалення програми - завнтажувача в командному рядку DOS потрібно ввести:

fdisk /mbr

Це призведе до занесення стандартного завантажувального коду в нульвий сектор.

4. ТЕСТУВАННЯ ПРОГРАМИ

4.1 Інструкція по експлуатації

Для встановлленя чи налаштування програми - завнтажувача запустіть програму bmconfig.exe (запуск повинен здійснюватись з ОС DOS,а не з консолі Windows, так як Windows з міркувань безпеки даних не дозволяє проводити напряму операції дискового вводу - виводу без використання функцій Windows API). Якщо програма вже встановлена, то на екран виведеться меню з поточними налаштуваннями. В іншому випадку вам буде запропоновано встановити загружчик, для підтвердження потрібно натиснути клавішу “1”.

Далі буде запропоновано натиснути клавішу “0”..”6” для виконання таких функцій:

8. Вивід тексту довідки.

9. Вихід

10. Добавити новий елемент меню. Спочатку потрібно ввести номер елемента меню. Далі натисніть клавішу “0”..”3” для завантаження відповідного первинного розділу при виборі цього елемента меню або “4” для ручного вводу значень регістрів CX і DX для функції BIOS INT 13h для завантаження з ділянки диску, вибраної користувачем чи завантаження з іншого диску. Наприклад, якщо ввести 0000h 0001h, то при виборі цього елемента меню відбудеться завантаження з дискети, при вводі 0081h і 0001h - з другого твердого диска. Введіть номер розділу (0 - 3), який стане активним при завантаженні з даного меню

11. Запис на диск. Для підтвердження потрібно натиснути “1”

12. Вивід меню.

13. Встановлення нового часу очікування до завантаження системи по замовчуванню в 1/18.2 долях секунди.

14. Встановлення нового елемента меню, що використовується за замовчуванням.

Після нових налаштувань потрібно перезаписати їх (клавіша “3”).

4.2 Тестування програми

Створена програма запускається на виконання. Запуск програми проводиться в ОС DOS. В нашому випадку ми тестували в емуляторі РС, створюющий DOS оточення DOSBox. Після вдктиття програми можна побачити в консолі , що програма завантажилась і очікує дій користувача.

Рисунок 4.1 - Завантаження програми

Після нажатя кнопки 0 відкривається меню праграми

Рисунок 4.2 - Відкриття меню програми



Рисунок 4.3 - Виконання функції Exit

Після нажатя кнопки 1 відбувається вихід з програми.

Рисунок 4.4 - Виконання функції Edit Partion Records

Функція додає новий елемент меню



Рисунок 4.5 - Виконання функції Save changes

Рисунок 4.6 - Виконання функції Show boottable menu

Рисунок 4.7 - Виконання функції Set pause time

Рисунок 4.8 - Виконання функції Set default bootable partion

ВИСНОВКИ

програма завантажувач операційна система

Метою даної курсової роботи було розробка програми завантажувача операційної системи. Під час виконання роботи було сформовано технічне завдання, в якому були визначені основні напрямки і спеціальні вимоги, необхідні для розробки системи. Програма дозволяє встановлювати кілька операційних систем на один комп'ютер та вибирати необхідну ОС після ввімкнення чи перезавантаження або завантажує систему по замовчуванню якщо протягом часу очікування не було нічого вибрано.

Наступним етапом був вибір технологій програмування. Також була вибрана мова програмування Assembler.

На етапі реалізації було розроблено код програмних компонентів, а також здійснена інтеграція цих компонентів у єдиний продукт та приведена схема їх взаємодії.

На останньому етапі проведено тестування яке показало, що програма правильно виконує поставлену задачу, але, все ж таки, при використанні програм подібного типу рекомендується робити резервні копії даних.

В процесі роботи програма змінює лише першу доріжку жорсткого диску і перед встановленням програми рекомендовано зробити копію цієї ділянки на випадок, якщо програма некорректно запише завантажувальні дані або її необхідно буде видалити.

Перевагами розробленого програмного продукту є простий та інтуїтивно зрозумілий інтерфейс.

Недоліком програми є низька потреба в її використані.

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1. Питер Абель. Язык Ассемблера для IBM PC и программирования. Пер. с англ. - М.: ВШ, 1992. - 447с.

2. К.Г. Финогенов. Самоучитель по системным функциям MS - DOS. - М.: “Малип”, 1993. - 262с.

3. П. Нортон. Персональный компьютер фирмы IBM и операционная система MS-DOS. Пер. с англ. - М.: “Радио и связь”, 1992. - 415с.

4. А.В. Фролов, Г.В. Фролов. Аппаратное обеспечение IBM PC. ч.1. - М.: “Диалог - МИФИ”, 1992. - 208с.

5. А.В. Фролов, Г.В. Фролов. Аппаратное обеспечение IBM PC. ч.2. - М.: “Диалог - МИФИ”, 1992. - 200с.

6. А.В. Фролов, Г.В. Фролов. MS-DOS для программиста. ч.2. - М.: “Диалог-МИФИ”, 1995. - 253с.

7. Зубков С.В. Assembler для DOS, Windows и UNIX. - М.:ДМК Пресс, 2000. - 608 с.

Размещено на Allbest