Механизм загрузки операционной системы Windows XP

 

Для загрузки Windows XP необходим следующий минимальный набор файлов, расположенных:

1) в корневом каталоге загрузочного диска:

- ntldr;

- boot. ini;

- bootsect.dos (файл необходим только при использовании мультизагрузки);

- NTDETECT.COM;

2) в системном подкаталоге Windows / system32:

- ntoskrnl.exe;

- hal.dll;

- разделы реестра System.

3) в системном подкаталоге / system32 / drivers:

- необходимые драйверы устройств.

Процесс загрузки компьютера начинается с процедуры начального тестирования оборудования (POST – Power-On Self Test). Код, выполняющий POST, зашит в базовой системе ввода-вывода (BIOS) каждого компьютера, и именно ему передается управление при включении питания. Если в процессе тестирования обнаруживаются какие-либо ошибки, то BIOS генерирует коды ошибок (POSTcodes), которые отличаются для BIOS разных производителей, и звуковые коды. Если процедура РОSТ завершается успешно, то BIOS передает управление главной загрузочной записи (MBR – Master Boot Record) первичного жесткого диска системы, чем завершается первая «аппаратная» стадия загрузки компьютера (весь процесс зависит только от аппаратуры компьютера, но не от установленного программного обеспечения).

На второй стадии загрузочная запись, оперируя данными о разбиении жесткого диска на логические тома, передает управление исполняемому коду, расположенному в загрузочном секторе. В операционной системе Windows XP этим кодом является загрузчик операционной системы ntldr. Загрузчик переходит в защищенный режим работы и производит необходимые для успешного функционирования в этом режиме манипуляции с памятью. Кроме функций, позволяющих работать с памятью, ntldr имеет также несколько модулей, позволяющих работать с некоторыми другими базовыми ресурсами системы, в первую очередь с файловой системой. Все другие действия выполняются с помощью вызова прерываний BIOS.

После первичной инициализации загрузчик предоставляет пользователю возможность выбрать операционную систему, которая будет загружена из списка систем установленных на компьютере. С этой целью ntldr выводит на экран надпись: «OS Loader V5.0» и приглашение выбрать операционную систему; это сообщение выводится только в том случай если в файле boot.ini зарегистрировано более одной операционной системы. После выбора операционной системы загрузчик запускает файл NTDETECT.COM. Этот компонент считывает из CMOS -памяти системную дату и время и производит поиск и распознавание аппаратных средств, подключенных в данный момент к компьютеру. Завершив работу, NTDETECT возвращает управление и собранную им информацию обратно в ntldr.

Далее загружается и инициализируется ядро операционной системы ntoskrnl.exe и уровень абстрагирования от оборудования hal.dll. При своей инициализации ядро производит ряд действий в следующей последовательности:

1. Инициализация диспетчера памяти.

2. Инициализация диспетчера объектов.

3. Установка системы безопасности.

4. Настройка драйвера файловой системы.

5. Загрузка и инициализация диспетчера ввода-вывода (обычно самая длительная фаза).

6. Загрузка системных сервисов, которые реализуют взаимодействие с пользователем.

7. Загрузка Session Manager (Smss.exe), который:

- переключает Windows из текстового режима в графический;

- запускает менеджер входа в систему Logon Manager (systemroot \System32\Winlogon.exe);

- создает дополнительные файлы виртуальной памяти;

- если установлены новые программы и/или драйверы, то спросит перезагрузить систему.

8. Менеджер входа в систему Logon Manager (Winlogon.exe) запускает подсистему сервисов (Services.exe) и локальную систему безопасности (Local Security Authority, Lsass.exe) и делает возможным комбинацию клавиш CTRL+ALT+DEL, чтобы показать логин скрин.

Список основных системных сервисов[1]:

1. Smss.exe – диспетчер сеансов (подсистема менеджера сеансов), который управляет другими сервисами и службами Windows, в том числе запускает Win32 (Csrss.exe) и некоторые системные утилиты, выполняемые на этапе загрузки; реализует графический пользовательский интерфейс, запуск процессов Csrss.exe и WinLogon.exe и производит установку системных переменных. После запуска данных процессов Smss ожидает их завершения. При нормальном завершении процессов система корректно завершает работу. Если процессы завершаются аварийно, Smss.exe заставляет систему прекратить отвечать на запросы.

2. Csrss.exe – данный модуль предназначен, главным образом, для организации взаимодействия между компьютером и пользователем. Он является частью подсистемы Win32 и поэтому этот процесс нельзя закрыть в менеджере задач. Csrss (client/server run-time subsystem – клиент /серверная подсистема) отвечает за консольные приложения, создание/удаление потоков и за 16-битную виртуальную среду MS-DOS.

3. Lsass.exe – служба, запускаемая WinLogon.exe и отвечающая за безопасность системы. Она предоставляет возможность пользователю зарегистрироваться в системе, и только после того, как в системе зарегистрировался хотя бы один пользователь, загрузка считается успешной. Данный процесс является сервером аутентификации локальной защиты, создающим процесс, ответственный за проверку пользователей для службы Winlogon. Данный процесс использует пакеты аутентификации, такие как Msgina.dll. Если аутентификация успешна, процесс Lsass создает маркер доступа пользователя, который используется для запуска пользовательской оболочки. Другие процессы, инициализируемые пользователем, наследуют данный маркер.

Уже после загрузки операционной системы пользователь, чтобы доказать, что он тот, за кого себя выдает, должен пройти процедуру аутентификации, то есть ввести собственное регистрационное имя (логин) и пароль. Данные действия при пониженных требованиях к безопасности могут быть настроены по умолчанию. Процедура подключения к системе позволяет определить, кем является пользователь и обладает ли он правом входа и работы с системой. При выполнении этой процедуры службой WinLogon в системе происходят следующие события:

- процесс WinLogon отображает на экране фон рабочего стола (к этому моменту объект рабочего стола уже создан, но еще не отображается), а также приглашение к вводу пользователем логина и пароля; введенные данные передаются подсистеме безопасности;

- подсистема безопасности обращается к базе данных SAM (Security ccounts Manager) и проверяет, обладает ли пользователь полномочиями работы с системой;

- подсистема безопасности формирует для пользователя идентификатор доступа, если он является авторизированным пользователем системы, который вместе с управлением передает обратно процессу WinLogon.

Процесс WinLogon посредством обращения к подсистеме Win32 создает новый процесс для пользователя и прикрепляет ему только что созданный идентификатор доступа. Каждый процесс, в дальнейшем создаваемый пользователем, отмечается принадлежащим этому пользователю идентификатором доступа. Таким образом, любые попытки доступа пользователя к ресурсам системы контролируются и отслеживаются. Более того, всегда точно известно, кто инициировал то или иное действие в системе. Благодаря обязательной процедуре подключения к системе упрощается реализация таких механизмов, как аудит системы и квоты на использование ресурсов. Помимо прочих данных, пользовательский идентификатор доступа содержит идентификатор пользователя, а также идентификаторы всех групп, к которым принадлежит данный пользователь.

Если операционная система не загружается корректно, то при нажатии в процессе загрузки Windows XP клавиши F8 происходит переход в расширенное меню запуска, содержащее пункты:

- Безопасный режим – загрузка Windows XP с минимальным требуемым количеством системных файлов и драйверов устройств;

- Безопасный режим с загрузкой сетевых драйверов – как и предыдущий, но с поддержкой подключения к сети;

- Безопасный режим с поддержкой командной строки – такой же режим, как и Безопасный режим, за исключением того, что загружает режим командной строки, а не GUI (Graphical User Interface);

- Включить протоколирование загрузки – позволяет записать этапы загрузки операционной системы Windows XP в файл Ntbtlog. txt;

- Включить режим VGA – режим, загружающий драйвер стандартного монитора VGA с разрешением 640 на 480 точек на дюйм и 16 цветами;

- Загрузка последней удачной конфигурации – режим, восстанавливающий последнюю неиспорченную копию реестра операционной системы Windows XP.

 

BIOS

 

Базовая Система Ввода Вывода (BIOS, Basic Input Output System) – часть программного обеспечения вычислительной системы, поддерживающая управление адаптерами внешних устройств, экранные операции, тестирование, начальную загрузку и установку операционной системы. BIOS – это стандартный интерфейс, обеспечивающий переносимость операционной системы между компьютерами с одинаковым микропроцессором. BIOS хранится в постоянном запоминающем устройстве компьютера. Управление устройствами осуществляется через механизм прерываний. Различают следующие прерывания:

- аппаратные прерывания – инициируются аппаратными средствами;

- логические прерывания – инициируются микропроцессором, нестандартные ситуации в работе микропроцессора;

- программные прерывания – инициируются программным обеспечением.

При включении компьютера автоматически загружается и выполняется специальная программа POST (Power-On Self-Test) из состава BIOS. Эта программа производит самопроверку и тестирование при загрузке:

- проверка переключателей и CMOS -памяти на системной (материнской) плате, определение оборудования, которое подключено к компьютеру;

- тестирование оперативного запоминающего устройства;

- выполняет действия по загрузке операционной системы (загрузка в оперативную память и запуск Блока Начальной Загрузки операционной системы);

- выполняет другие специфические действия по подготовке компьютера и дополнительного оборудования к работе.

BIOS является своеобразной программной оболочкой самого нижнего уровня вокруг аппаратных средств компьютера, которая реализует доступ к аппаратным средствам компьютера через механизм прерываний. Структура BIOS включает две главные части:

BootBlock – в его функцию входит инициализация регистров чипсета и распаковка главной части в память для последующего исполнения, при несовпадении подсчитанной контрольной суммы запускает программу аварийного восстановления (с дисковода).

Главный исполняемый код – состоит из нескольких модулей и хранится в виде архива LHA, как правило, используются следующие названия для модулей архива:

- original.tmp – главная часть размером 128 k, в которой происходит инициализация компьютера и находится подпрограмма BIOS Setup;

- awardext.rom – расширение главной части, содержит подпрограмму вывода конфигурации;

- awardepa.bin – картинка Energy Star;

- другие встречающиеся части: cpucode.bin – таблица микрокодов для Intel -процессоров (PPro, P2/P3/P4, Celeron); acpitbl.bin – подпрограмма поддержки ACPI и др.

Доступ к BIOS Setup (программе настройки) осуществляется нажатием определенных комбинаций клавиш, обычно нажатием клавиши Delete в момент начальной загрузки системы. Структура меню программы настроек и название блоков в каждой из версий BIOS могут отличаться, однако основные фразы меню могут повторяться или быть схожими. Программа настройки BIOS разделена на определенные блоки, каждый из которых позволяет настроить соответствующие группы параметров. Опции BIOS Setup:

- системные параметры и дисковые накопители – основные параметры: дата, время, конфигурация дисковых накопителей, порядок загрузки при обнаружении ошибок процедурой самотестирования Post;

- предупреждение отказов жестких дисков – все современные жесткие диски поддерживают технологию S.M.A.R.T., позволяющую заранее оповестить о потенциальных проблемах с дисками и их возможных отказах;

- антивирусная защита – попытка аппаратной защиты от вирусов путем перезаписи загрузочных секторов дисков, практически опция не используется;

- центральный процессор – опции, отвечающие за функционирование процессора, за исключением установки частот и напряжений питания;

- параметры загрузки – определение порядка и скорости загрузки;

- клавиатура и мышь – устанавливает возможность установить некоторые режимы функционирования клавиатуры и мыши;

- пароли – используются для защиты от несанкционированной модификации значений опций в BlOS Setup и от нежелательного использования компьютера третьими лицами.

- затенение областей памяти – перенос в оперативную память из содержимого ПЗУ интеллектуальных карт расширения, имеющих свой BIOS; поскольку доступ к оперативной памяти требует меньше времени, чем обращение непосредственно к ПЗУ с BIOS карты, то и обмен данными происходит быстрее;

- настройка режимов работы оперативной памяти – в зависимости от того, правильно ли выполнены настройки оперативной памяти, зависит скорость и надежность работы компьютера;

- дополнительные возможности чипсета при работе с памятью – используется для настройки режимов обращения к памяти со стороны других устройств;

- функционирование шин PCI и ISA – играют важную роль в работе компьютера, так как указание неверных значений способно привести к нестабильной работе карт расширения, конфликтам между ними;

- режимы работы шины AGP и видеокарты – в большинстве случаев видеокарта подключается к шине AGP;

- параметры кэширования – перенос данных из медленной памяти в более быструю память (в данном случае перенос данных в оперативную память);

- дополнительные возможности BIOS – часть производителей материнских плат предлагают дополнительные опции, расширяющие возможности материнской платы;

- работа интегрированных устройств – чипсет сам содержит контроллеры некоторых устройств, таких как: жесткие диски и приводы чтения компакт-дисков, порты, дисководы и т.п., в дополнение к этому производители часто размещают на материнских платах интегрированные устройства, например, звуковые карты;

- управление питанием – все материнские платы стандарта АТХ поддерживают программный доступ к функциям управления питанием, что позволяет, в частности, автоматически включать и выключать питание, переводить компьютер в энергосберегающие режимы, управлять пробуждением компьютера;

- распределение ресурсов – в большинстве случаев распределение ресурсов происходит автоматически, но если компьютер «перегружен» картами расширения, может потребоваться и ручное назначение прерываний и каналов прямого доступа к памяти;

- системный мониторинг – позволяет узнать реальные значения напряжений питания, выяснить, с какой скоростью вращаются кулер процессора и вентилятор блока питания, проконтролировать температуру процессора и температуру внутри корпуса системного блока;

- ручной контроль напряжений и частот – некоторые материнские платы позволяют вручную изменять напряжения, подаваемые на отдельные компоненты компьютера, указывать частоту системной шины, множитель процессора и т.п., но пользоваться ими следует очень осторожностью, так как при выставлении неверных значений компьютер может не запуститься.

 

Опции BIOS Setup