Этапы загрузки системы

Досистемная загрузка Linux

Несмотря на то, что досистемная загрузка не зависит от типа операционной системы, которая начинает работу после, большинство систем предоставляют собственные средства по ее организации. В Linux наиболее популярны подсистемы загрузки LILO ( LI nux LO ader) и GRUB ( GR and U nified B ootloader). Обе эти подсистемы имеют текстовый и графический варианты интерфейса, предоставляющего пользователю возможность выбрать определенный заранее настроенный тип загрузки.

LILO

Подсистема загрузки LILO использует и для первичного, и для вторичного загрузчика схему с картой размещения. Это делает работу с LILO занятием, требующем повышенной аккуратности, так как изменение процедуры загрузки не атомарно: сначала пользователь изменяет ядро или его модули, потом - редактирует файл /etc/lilo.conf, в котором содержатся сведения обо всех вариантах загрузки компьютера, а затем - запускает команду lilo, которая собирает таблицы размещения для всех указанных ядер и вторичного загрузчика и записывает первичный и вторичный загрузчик вместе с картами в указанное место диска. Первичный загрузчик LILO (он называется LI ) можно записывать и в MBR, и в начало раздела Linux.

Простейший файл lilo.conf может выглядеть так:

boot=/dev/hda
map=/boot/map
image=/boot/vmlinuz-up
          root=/dev/hda1

Такая настройка LILO определяет только один вариант загрузки: первичный загрузчик записывается в начало первого жесткого диска (строчка boot=/dev/hda ), карту размещения утилита lilo записывает в файл /boot/map, ядро добывается из файла /boot/vmlinuz-up, а запись root=/dev/hda1 указывает ядру, что корневая файловая система находится на первом разделе первого диска.

Одна из машин, за которыми случалось работать Мефодию, использовалась иногда для запуска единственной программы, написанной для MS-DOS. Исходные тексты этой программы давно потерялись, автор - тоже, поэтому на машине пришлось устанавливать и MS-DOS и Linux. В результате lilo.conf оказался таким:

[root@localhost root]# cat /etc/lilo.conf
 boot=/dev/hda
 map=/boot/map
 default=linux-up
 prompt
 timeout=50
 image=/boot/vmlinuz-up
      label=linux-up
      root=/dev/hda5
      initrd=/boot/initrd-up.img
      read-only
 image=/boot/vmlinuz-up
      label=failsafe
      root=/dev/hda5
      initrd=/boot/initrd-up.img
      vga=normal
      append=" failsafe noapic nolapic acpi=off"
      read-only
 other=/dev/hda1
      label=dos
 other=/dev/fd0
      label=floppy
      unsafe

Здесь Linux была установлена на пятый раздел диска (о нумерации разделов в IBM-совместимых компьютерах будет рассказано в лекции 11), а на первом находится MS-DOS. Кроме загрузки MS-DOS предусмотрено два варианта загрузки Linux и еще один - любой операционной системы с дискеты. Каждый вариант загрузки помечен строкой label=вариант. При старте LILO выводит простейшее^{3Если установлен графический вариант интерфейса, то окно может быть сколь угодно изукрашенное.} окошко, в котором перечислены все метки (в данном случае - " linux-up ", " failsafe ", " dos " и " floppy "). Пользователь с помощью "стрелочек" выбирает нужный ему вариант и нажимает Enter. При необходимости пользователь может вручную дописать несколько параметров, они передадутся ядру системы. Если пользователь ничего не трогает, то по истечении тайм-аута выбирается метка, указанная в поле default.

Еще несколько пояснений. Метки linux-up и failsafe в примере используют одно и то же ядро ( vmlinuz-up ), но во втором случае перенастраивается режим графической карты и добавляются параметры, отключающие поддержку необязательных для загрузки аппаратных расширений (многопроцессорность, автоматическое управление электропитанием и т.п.). Строчку, стоящую после append=, пользователь мог бы ввести и самостоятельно, это и есть параметры ядра. Поле initrd= указывает, в каком файле находится стартовый виртуальный диск (ему посвящен раздел "Стартовый виртуальный диск и модули" этой лекции), а внушающая некоторые опасения надпись " unsafe " (для метки floppy ) означает всего лишь, что дискета - съемное устройство, поэтому бессмысленно во время запуска lilo проверять правильность ее загрузочного сектора и составлять карту.

Наконец, записи вида other=устройство говорят о том, что LILO неизвестен тип операционной системы, находящейся на этом устройстве, а значит, загрузить ядро невозможно. Зато ожидается, что в первом секторе устройства будет обнаружен еще один первичный загрузчик, LILO загрузит его и передаст управление по цепочке. Так и загружается MS-DOS на этой машине: первичный загрузчик берется (по метке dos ) из начала первого раздела первого диска.

GRUB

Подсистема загрузки GRUB устроена более сложно. Она также имеет первичный загрузчик, который записывается в первый сектор диска или раздела, и вторичный загрузчик, располагающийся в файловой системе. Однако карта размещения в GRUB обычно используется только для так называемого "полуторного" загрузчика ("stage 1.5") - по сути дела, драйвера одной определенной файловой системы. Процедура загрузки при этом выглядит так. Первичный загрузчик загружает полуторный по записанной в него карте размещения. Эта карта может быть очень простой, так как обычно полуторный загрузчик размещается непосредственно после первичного в нескольких секторах^{4Т.е. на нулевой дорожке нулевого цилиндра, начиная с сектора 2. Эта область диска часто не используется под файловые системы (см. лекцию 11).} подряд, или в ином специально отведенном месте вне файловой системы. Полуторный загрузчик умеет распознавать одну файловую систему и находить там вторичный уже по имени (обычно /boot/grub/stage2 ). Наконец, вторичный загрузчик, пользуясь возможностями полуторного, читает из файла /boot/grub/menu.lst меню, в котором пользователь может выбирать варианты загрузки так же, как и в LILO. Таким образом, обновление и перенастройка установленного GRUB не требует пересчета карт размещения и изменения чего-то, кроме файлов в каталоге /boot/grub.

По требованию Мефодия Гуревич установил на двухсистемную машину GRUB. При этом файл /boot/grub/menu.lst получился таким:

[root@localhost root]# cat /boot/grub/menu.lst
 default 0
 timeout 50
 title linux-up
 kernel (hd0,4)/boot/vmlinuz-up root=/dev/hda5
 initrd (hd0,4)/boot/initrd-up.img
 title failsafe
 kernel (hd0,4)/boot/vmlinuz-up root=/dev/hda5 failsafe noapic nolapic
acpi=off
 initrd (hd0,4)/boot/initrd-up.img
 title floppy
 root (fd0)
 chainloader +1
 title dos
 root (hd0,0)
 chainloader +1

Разница между lilo.conf только в синтаксисе, да еще в том, что жесткие диски и разделы на них GRUB именует по-своему, в виде ( hdномер_диска, номер_раздела ), причем нумеровать начинает с нуля. Метки (" title ") тоже нумеруются с нуля, так что запись default 0 означает, что по истечении тайм-аута будет загружена самая первая конфигурация (по имени " linux-up ").

Изучая руководство по GRUB, Мефодий обнаружил гораздо более важное отличие от LILO. Оказывается, в GRUB не только параметры, но и сами файлы ( ядро, стартовый виртуальный диск и т.п.) распознаются и загружаются в процессе работы. Вместо пунктов меню можно выбрать режим командной строки, подозрительно похожий на bash, в котором можно заставить GRUB загрузить какое-нибудь другое, не предписанное конфигурацией, ядро, посмотреть содержимое каталогов файловой системы, распознаваемой полуторным загрузчиком, и даже содержимое этих файлов, невзирая ни на какие права доступа: система-то еще не загружена. Мало того, можно по-своему перенастроить загрузчик и записать результаты настройки. Так и не успев насладиться неожиданной свободой, Мефодий в один прекрасный день обнаружил, что выход в командную строку защищен паролем.

Действия ядра Linux в процессе начальной загрузки

Итак, досистемная загрузка проходит в три этапа.

1. Загрузчик из ПЗУ определяет, с каких устройств можно грузиться и, возможно, предлагает пользователю выбрать одно из них. Он загружает с выбранного устройства первичный загрузчик и передает ему управление.
2. Первичный загрузчик определяет (а чаще всего - знает), где находится вторичный загрузчик - большая и довольно интеллектуальная программа. Ему это сделать проще, чем программе из ПЗУ: во-первых, потому что для каждого устройства первичный загрузчик свой, а во-вторых, потому что его можно легко изменять при изменении настроек загружаемой системы. В схеме, предлагаемой LILO и GRUB, первичный загрузчик не вступает в разговоры с пользователем, а немедленно загружает вторичный и передает ему управление.
3. Вторичный загрузчик достаточно умен, чтобы знать, где находится ядро системы (возможно, не одно), предложить пользователю несколько вариантов загрузки на выбор, и даже, в случае GRUB, разрешает задавать собственные варианты загрузки. Его задача - загрузить в память ядро и все необходимое для старта системы (иногда - модули, иногда - стартовый виртуальный диск ), настроить все это и передать управление ядру.

Ядро - это и мозг, и сердце Linux. Все действия, которые нельзя доверить отдельной подзадаче (процессу) системы, выполняются ядром. Доступом к оперативной памяти, сети, дисковым и прочим внешним устройствам заведует ядро. Ядро запускает и регистрирует процессы, управляет разделением времени между ними. Ядро реализует разграничение прав и вообще определяет политику безопасности, обойти которую, не обращаясь к нему, нельзя просто потому, что в Linux больше никто не предоставляет подобных услуг.

Ядро работает в специальном режиме, так называемом "режиме супервизора", позволяющем ему иметь доступ сразу ко всей оперативной памяти и аппаратной таблице задач. Процессы запускаются в "режиме пользователя": каждый жестко привязан ядром к одной записи таблицы задач, в которой, в числе прочих данных, указано, к какой именно части оперативной памяти этот процесс имеет доступ. Ядро постоянно находится в памяти, выполняя системные вызовы - запросы от процессов на выполнение этих подпрограмм.

Ядро. Набор подпрограмм, используемых для организации доступа к ресурсам компьютера, для обеспечения запуска и взаимодействия процессов, для проведения политики безопасности системы и для других действий, которые могут выполняться только в режиме полного доступа (т.н. "режиме супервизора").

Функции ядра после того, как ему передано управление, и до того, как оно начнет работать в штатном режиме, выполняя системные вызовы, сводятся к следующему.

Сначала ядро определяет аппаратное окружение. Одно и то же ядро может быть успешно загружено и работать на разных компьютерах одинаковой архитектуры, но с разным набором внешних устройств. Задача ядра - определить список внешних устройств, составляющих компьютер, на котором оно оказалось, классифицировать их (определить диски, терминалы, сетевые устройства и т.п.) и, если надо, настроить. При этом на системную консоль (обычно первая виртуальная консоль Linux) выводятся диагностические сообщения (впоследствии их можно просмотреть утилитой dmesg ).

Затем ядро запускает несколько процессов ядра. Процесс ядра - это часть ядра Linux, зарегистрированная в таблице процессов. Такому процессу можно послать сигнал и вообще пользоваться средствами межпроцессного взаимодействия, на него распространяется политика планировщика задач, однако никакой задаче в режиме пользователя он не соответствует - это просто еще одна ипостась ядра . Команда ps -ef показывает процессы ядра в квадратных скобках, кроме того, в Linux принято (но не обязательно), чтобы имена таких процессов начинались на "k": [kswapd], [keventd] и т.п.

Далее ядро подключает ( монтирует ) корневую файловую систему в соответствии с переданными параметрами (в наших примерах - root=/dev/hda5 ). Подключение это происходит в режиме "только для чтения" (read-only): если целостность файловой системы нарушена, данный режим позволит, не усугубляя положения, прочитать и запустить утилиту fsck ( f ile s ystem c hec k ). Позже, в процессе загрузки, корневая файловая система подключится на запись.

Наконец, ядро запускает из файла /sbin/init первый настоящий процесс. Идентификатор процесса ( PID ) у него равен единице, он - первый в таблице процессов, даже несмотря на то, что до него там были зарегистрированы процессы ядра. Процесс init - очень старое изобретение, он чуть ли не старше самой истории UNIX, и с давних пор его идентификатор равен 1.