Загрузчик

Волжский университет имени В.Н.Татищева

Факультет “Информатика и телекоммуникации”

Кафедра “Информатика и системы управления”

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине: “Системное программное обеспечение”

Тема: “ Загрузчик ”

Выполнил: студент. ИС-303

Красносельцев В.П.

Преподаватель: Трубачева С.И.

Тольятти

2007

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Теоретическая часть

2. Проектная часть

2.1 Постановка задачи

2.2 Разработка алгоритма решения задачи

2.3 Описание алгоритма загрузки прикладной программы

2.4 Описание алгоритма загрузки ОС

2.5 Описание алгоритма загрузки Unix с помощью загрузчика LILO

Заключение

Использованная литература

Введение

Актуальность моей курсовой работы заключается в том, что развитие компьютеров и их операционных систем шло параллельно развитию различных программ загрузчиков. Для загрузки определенных операционных систем нужны различные загрузчики. Например, для операционной многопользовательской системы Unix нужен загрузчик LILO и различные служебные программы. Любая загрузка операционной системы затрагивает оперативную память, с которой работает и первичный загрузчик так и вторичный. При загрузке происходят различные вида ошибки, которые загрузчик обходит или завершает процесс загрузки (выводит информационное сообщение).

Загрузчик - это такая программа, без которой просто не может обойтись не один компьютер и не одна операционная система.

1. Теоретическая часть

Процесс загрузки ОС фирмы Microsoft

Какую бы операционную систему мы не рассматривали, для того, чтобы ОС могла начать управлять компьютером, ее необходимо загрузить в оперативную память. Поэтому рассмотрим, как происходит процесс загрузки разных ОС. Поскольку нас интересует только загрузка с жестких дисков, то мы не будем рассматривать особенности загрузки с дискеты, CD-ROM и по сети. Начнем с MS-DOS и MS Windows.

Как вы знаете, при включении компьютера вначале запускается программа POST (Power On Self Test). Она определяет количество доступной памяти, тестирует ее, определяет наличие других компонентов (клавиатура, винчестер и т.д.), инициализирует карты адаптеров. На экране обычно появляются сообщения о количестве памяти, о ее тестировании, перечень обнаруженных устройств (гибкие и жесткие диски, процессор, СОМ - порты и т.д.).

После завершения тестирования POST вызывает Int 19h, которое пытается найти загрузочное устройство. Поиск производится в том порядке, который определен в Setup BIOS, и осуществляется путем опроса нулевых секторов соответствующих устройств. Если диск является загрузочным, то в его нулевом секторе находится главная загрузочная запись - Master Boot Record (MBR). Последние два байта MBR- это “магическое число”, которое является признаком того, что данный сектор есть MBR, а, следовательно, диск является загрузочным. Кроме “магического числа” MBR содержит таблицу разделов диска, о которой уже было сказано выше, и маленькую программу - первичный загрузчик, объемом всего 446(0*1ВЕ) байт.

В таблице 2.1 представлена структура главного загрузочного сектора, создаваемого при инсталляции Windows.

Таблица 2.1 Структура главного загрузочного сектора

Смещение	Содержание
0*000	Код первичного загрузчика
0*1ВЕ	Таблица разбиения диска
0*1FE	“Магическое число”(0*АА55)

Прерывание 19h BIOS загружает первичный загрузчик в память компьютера и передает управление этой программе. Но такой маленькой программе не под силу загрузить ОС; все, что она может сделать - это загрузить в память более мощную программу - вторичный загрузчик.

Для этого она ищет в таблице разделов активный раздел и считывает в память вторичный загрузчик, который располагается, начиная с первого логического сектора активного раздела. Обратите внимание на слово “начиная”. Дело в том, что вторичный загрузчик в разных системах имеет разную длину.

Вторичный загрузчик загружает первый слой программ, необходимых для запуска ОС. В случае MS - DOS программа-загрузчик загружает IO.SYS по адресу 700h, затем MSDOS.SYS и передает управление разделу SYSINIT модуля IO.SYS.

Если по каким-либо причинам на диске не найден активный раздел, процесс загрузки продолжается обработкой прерывания 18h. Эта ветвь полностью используется очень редко, но такая возможность может быть очень полезна в некоторых ситуациях. При удаленной загрузке, когда ОС загружается с сервера, это прерывание перенаправляется программой POST на ROM сетевой карты.

Проблемы с большими дисками

В MS - DOS и первых версиях Windows доступ к дискам был организован через прерывание 13 (Int 13h) BIOS. При этом использовалась адресация секторов на диске на основе указания номеров цилиндра, головки и сектора на дорожке (C/H/S). Точнее:

1)AH - выбор операции;

2)СР - младшие 8 битов номера цилиндра;

3)СL - биты 7-6 соответствуют старшим битам номера цилиндра, биты 5-0 соответствуют номеру сектора;

4)DH - номер считывающей головки;

5)DL - номер диска (80h или 81h).

Надо отметить, что все перечисленные ограничения существенны только на этапе загрузки ОС, поскольку сама Linux и последние версии Windows при работе с дисками уже не используют прерывание 13 BIOS, а используют собственные драйверы для работы с дисками. Но, прежде чем система сможет использовать собственный драйвер, она должна как минимум его загрузить. Поэтому на этапе начальной загрузки любая система вынуждена пользоваться BIOS. Это и вызывает ограничения на размещение многих систем за пределами 8 Гбайт, они не могут оттуда загружаться, хотя после успешной загрузки могут работать с дисками гораздо большего объема. Для того чтобы понять, как можно обойти эти ограничения, нам потребуются некоторые знания о том, как происходит загрузка ОС Linux.

Загрузчик LILO из дистрибутива ОС Linux

Прежде чем приступать к установке второй ОС, надо выбрать способ организации выбора ОС на этапе загрузки компьютера. Эту задачу решают программы-загрузчики. Существует несколько программ такого рода. Раз уж речь у нас идет о Linux, то первым делом надо упомянуть программу LILO, которая входит в состав любого дистрибутива Linux.

LILO представляет собой комплект из нескольких программ: собственно загрузчика, программ, используемых для установки и настройки загрузчика, и служебных файлов:

-программа /sbin/lilo, которая запускается из-под Linux, служит для того, чтобы записать всю информацию, необходимую на этапе загрузки, в соответствующие места. Ее необходимо перезапускать каждый раз после внесения изменения в ядро или в конфигурационный файл LILO;

-различные служебные файлы, которые нужны LILO во время загрузки. Эти файлы обычно располагаются в каталоге /boot. Самые важные из них - это собственно загрузчик и map-файл(/boot/map), в котором указывается местоположение ядра. Еще один важный файл - это файл конфигурации LILO, который обычно имеет имя /etc/lilo.conf;

-собственно загрузчик - это часть LILO, которая первой загружается в память через прерывание BIOS, и которая загружает ядро Linux или загрузочный сектор другой ОС. Загрузчик тоже состоит из двух частей. Первая часть записывает в загрузочный сектор и служит для загрузки второй части, которая значительно больше по размеру. Обе части обычно хранятся на диске в файле /boot/boot.b.

Загрузочный сектор LILO при инсталляции системы можно разместить в следующих местах:

-загрузочный сектор дискеты в формате Linux(/dev/fd0,…);

-MBR первого жесткого диска (/dev/had, /dev/sda,…);

-загрузочный сектор первичного раздела файловой системы Linux на первом жестком диске (/dev/hda1, /dev/hda2,…);

-загрузочный сектор логического раздела в расширенном разделе первого жесткого диска (/dev/hda5,…). Правда большинство программ типа fdisk не предполагают, что можно загружаться из расширенного раздела и отказываются объявлять его активным. Поэтому в состав LILO включена специальная программа (activate), которая позволяет обойти это ограничение. Но программа fdisk из дистрибутива Linux поддерживает возможность активизации расширенного раздела. Для этого надо использовать либо опцию -b, либо переменную BOOT.

Загрузочный сектор LILO не может быть размещен в следующих местах:

-загрузочный сектор дискеты или первичного раздела, отформатированный в других файловых системах;

-в swap-разделе Linux;

Кроме того, что LILO во время загрузки нужны еще следующие файлы:

-/boot/boot.b;

-/boot/map(создается при запуске /sbin/lilo);

-все загружаемые версии ядра (если вы выбираете версию ядра на этапе загрузки);

-загрузочные сектора других ОС, которые будут загружаться через LILO;

-выдаваемые при загрузке сообщения(если таковые определены)

Когда LILO загружается, он выводит на дисплей слово”LILO”. При этом вывод каждой буквы обозначает завершение определенного действия или этапа загрузки LILO. Если загрузка сорвется, то по числу выведенных букв можно судить о причине возникновения проблемы.

Ничего не выведено - никакая часть LILO не была загружена. Либо LILO не был установлен, либо раздел, на котором он находится, не является активным

L [код ошибки] - первичный загрузчик загрузился и стартовал (на него передано управление), но он не сумел загрузить вторичный загрузчик. Двухзначный код ошибки указывает на конкретную причину проблемы. Обычно это связано с дефектами носителя или неправильно заданной геометрией диска. Если только LILO не остановился на этом этапе, выдавая бесконечную последовательность кодов ошибки, проблема обычно легко решаема.

LI - первичный загрузчик сумел загрузить вторичный загрузчик, но не сумел запустить его на выполнение. Это может быть вызвано ошибкой в задание геометрии диска или тем, что файл /boot/boot.b был перемещен без перезапуска /sbin/lilo.

LIL - вторичный загрузчик запустился, но не смог запустить таблицу дескрипторов из map - файла. Причина обычно состоит в наличии дефектов на диске или в неправильно заданной геометрии диска.

LIL? - вторичный загрузчик был загружен по неправильному адресу. Обычно вызвано ошибкой в задании геометрии диска или тем, что файл /boot/boot.b был перемещен без перезапуска /sbin/lilo.

LIL- - таблица дескрипторов разрушена. Обычно вызвано ошибкой в задании геометрии диска или тем, что файл /boot/boot.b был перемещен без перезапуска /sbin/lilo.

LILO - все части LILO успешно загружены.

Процесс init и файл /etc/inittab

Как вы знаете, после включения питания компьютера и завершения тестирования аппаратной части BIOS считывается из первого сектора загрузочного диска, которую программу - загрузчик. Эта программа запускает основной системный загрузчик (например, LILO) который, в свою очередь, загружает в память ядро системы, которое обычно хранится в файле vmlinuz-x.y.z-a в каталоге /boot.

Сразу после загрузки ядро монтирует корневую файловую систему и запускает процесс init. Процесс init - это программа, которая ответственна за продолжение процедуры загрузки, и перевод системы от начального состояния, возникающего после загрузки ядра, в стандартное состояние обработки запросов многих пользователей.

Точный список этих операций зависит так называемого уровня выполнения (run level). Уровень выполнения определяет перечень действий, выполняемых процессом init, и состояние системы после загрузки, т.е. конфигурацию запущенных процессов. Уровень выполнения идентифицируется одним символом. В ОС Linux существует 8 основных уровней выполнения:

1)Остановка системы;

2)Однопользовательский режим (для специальных случаев администрирования);

3)Многопользовательский режим без NFS (то же, что и 3, если компьютер не работает с сетью);

4)Полный многопользовательский режим;

5)Использование не регламентировано;

6) Обычно используется для запуска системы в графическом режиме;

7)Перезагрузка системы;

S) (или s) - примерно то же, что и однопользовательский режим, но S и s используется в основном в скриптах.

Первым делом после старта процесс init считывает свой конфигурационный файл /etc/inittab. Этот файл состоит из отдельных строк. Если строка начинается со знака # или пуста, то она игнорируется. Все остальные строки состоят из 4 полей, разделенных двоеточиями:

id : runlevels : action : process

id - идентификатор строки;

runlevels - уровни выполнения;

process - процесс;

action - действие;

В поле action стоит ключевое слово, которое определяет дополнительные условия команды, заданной полем process. Допустимые значения поля action:

respawn - перезапустить процесс в случае завершения его работы;

once - выполнить процесс только один раз при переходе на указанный уровень;

wait - процесс будет запущен один раз при переходе на указанный уровень;

sysinit - это ключевое слово обозначает действия, выполняемые в процессе загрузки системы независимо от уровня выполнения (поле id игнорируется).

boot - процесс будет запущен на этапе загрузки системы от уровня выполнения;

bootwait - процесс будет запущен на этапе загрузки системы от уровня выполнения, и init будет дожидаться его завершения;

initdefault - строка, в которой это слово стоит в поле action, определяет уровень выполнения, на который система переходит по умолчанию.

off - игнорировать данный элемент;

powerwait - позволяет процессу init остановить систему, когда пропало питание.

Ctrlaltdel - разрешает init перезагрузить систему, когда пользователь нажимает комбинацию клавиш <Ctrl><Alt><Del> на клавиатуре.

Этот список не является исчерпывающим. Более подробно о файле inittab можно узнать из man - страниц init (8), inittab(5), и getty(8).

2. Проектная часть

2.1 Постановка задачи

Необходимо изучить теоретический материал по выбранной теме, разработать алгоритм работы загрузчика при реализации метода (представить в виде блок-схемы), описать алгоритм.

2.2 Разработка алгоритма решения задачи

Исходные данные: Однопроцессорная система, прикладная программа, загрузчик LILO, программа POST, взаимное исключение.

На рисунке 1 - представлен алгоритм «загрузки прикладной программы».

На рисунке 2 - представлен алгоритм «загрузки Оперционной Системы»



2.3 Описание алгоритма загрузки прикладной программы

1) Происходит запуск прикладной программы на выполнение. После происходит активизация системной программы “Загрузчик”.

2) После активизации начинается сканирование оперативной памяти для нахождения свободных областей.

3) Если такие области нашлись то, начинается определение начала адреса размещения свободной области. Потом идем на этот адрес и определяем размер свободной области.

4) После происходит определение размера кода прикладной программы, которая запушена на выполнение.

5) Сравниваем размер кода и размер свободной области в оперативной памяти.

6) Если хватает места в оперативной памяти для копирования кода прикладной программы, тогда происходит установка в таблицу страниц номера виртуальных страниц физических страниц. Потом идет копирование кода прикладной программы в оперативную память. И завершение процесса.

7) Иначе узнаем, хватит ли места в оперативной памяти для части кода прикладной программы. Если да то повторяем те действия, когда хватает места для полного кода прикладной программы. Но после копирования кода в оперативную память происходит копирование части кода в область свопинга.

8) Если не хватает места для части кода, то тогда происходит переход на этап сканирования оперативной память для нахождения свободных областей.

2.4 Описание алгоритма загрузки ОС (Операционная Система)

1) Происходит запуск программы POST. С помощью этой программы идет тестировка доступной памяти, определение наличие других компонентов (различные устройства ПК, например: клавиатура, винчестер и т.д.) и инициализация карт адаптеров.

2) После работы программы POST выводится на экран о результатах ее работы.

3) Вызываем программу 19H, которая пытается найти загрузочное устройство.

4) Прерывание 19H BIOS загружает первичный загрузчик в память компьютера и передает управление этой программе

5) Из-за недостатка мощности этой программы загрузить ОС. Она поэтому ищет более мощную программу, которая на это способна - вторичный загрузчик. Для этого она ищет в таблице разделов активный раздел и считывает в память вторичный загрузчик.

6) Вторичный загрузчик загружает первый слой программ, необходимых для запуска ОС. Программа загрузчик загружает модуль IO.SYS по адресу 700h, затем MSDOS.SYS передает управление разделу SYSINIT модуля IO.SYS.

7) Если по каким-либо причинам на диске был не найден активный раздел в таблице разделов, процесс загрузки продолжается обработкой прерывания 18h.

2.5 Описание алгоритма загрузки Unix с помощью загрузчика LILO

1) Запуск программы /sbin/lilo, чтобы записать всю информацию, необходимую на этапе загрузки, в соответствующие места. Поиск служебных файлов необходимых LILO во время загрузки.

2) Если файлы не найдены, то выводится сообщение о конце загрузки.

3) Потом происходит загрузка первичного загрузчика и начало его работы. Он загружает вторичный загрузчик.

4) Если первичный загрузчик не смог загрузить вторичный, то на экран выводится информационное сообщение об ошибки при загрузке.

5) Иначе, происходит загрузка вторичного загрузчика.

6) Если первичный загрузчик успешно загрузил вторичный, но не сумел запустить, то выводиться информационное сообщение об ошибки при загрузке.

7) Иначе, происходит запуск вторичного загрузчика.

8) Проверка того, что по правильному ли адресу загрузился вторичный загрузчик.

9) Если нет, то происходит вывод информационного сообщения о ошибки при загрузки.

10) Проверка разрушена ли таблица дескрипторов. Если да, то вывод информационного сообщения об ошибки при загрузке. А если нет, то происходит загрузка таблицы дескрипторов из map-файла.

11) Проверка о том, что успешно ли прошел запуск таблицы дескрипторов. Если нет, то вывод информационного сообщения об ошибки при запуске.

12) Иначе, вывод информационного сообщения об успешной загрузки LILO.

Заключение

В данной курсовой работе рассмотрены некоторые аспекты загрузки программ. Виды загрузчиков: перемещающие, первичные, вторичные и т.д. Доказана необходимость использования загрузчика в различных операционных средах. Рассмотрены различные способы загрузки, таких как загрузка прикладной программы, загрузка с помощью загрузчика LILO и загрузка ОС. Изучен теоретический материал по теме, разработаны алгоритмы работы загрузчика при реализации метода (представить в виде блок-схемы).

Использованная литература

1. Таненбаум Эндрю. Современные операционные системы / Таненбаум Эндрю. - 2-е изд. - СПБ.: Питер, 2002. - 1037с.: ил. - (Классика Computer Science). - ISBN 5-318-00299-4

2. Партыка, Т.Л. Операционные системы, среды и оболочки: учебное пособие для сред. Проф. Обр. рек. МО / Партыка, Т.Л, Попов, И.И.- М.: ФОРУМ: ИНФРА - М, 2006. - 399с.: ил. - (Профессиональное образование). - ISBN 5-8199-0072-5-16-001355-5

3. Олифер, В.Г. Сетевые операционные системы: Учеб. пособие для вузов рек. МО / Олифер, В.Г, Олифер, Н.А. - СПб.: Питер, 2003. - 538с.: ил. - ISBN 5-272-00120-6

4. Трубачева, С.И. Программирование в операционных системах: Методическое пособие / Трубачева, С.И. - Тольятти: ВУиТ, 2006. - 44с.

5. Теренс Чан. Системное программирование на Си++ для Unix / Под ред. Коломыцева. - Киев, 2004.

6. Такет Д., Барнет С. Специальное издание. Использование LINUX / Пер. с англ. - 4-е изд. СПб.: Вильямс, 2003.

7. Иванова Г.С. Программирование на СИ++ / Учебник. Изд. М.: МГТУ, 2002.