Марк Руссинович - 2.Внутреннее устройство Windows (гл. 5-7)

М.Руссинович, Д.Соломон

Внутреннее устройство Microsoft Windows (главы 5–7)

ГЛABA 5 Запуск и завершение работы системы

B этой главе описываются стадии загрузки Windows, а также параметры, влияющие на процесс ее запуска. Понимание тонкостей процесса загрузки поможет вам в диагностике проблем, возникающих при загрузке Windows. Далее поясняется, какие ошибки могут возникнуть в процессе загрузки и как их устранить. B заключение мы рассмотрим, что происходит при корректном завершении работы системы.

Описание процесса загрузки мы начнем с рассмотрения установки Windows, а затем исследуем выполнение загрузочных файлов. Поскольку драйверы устройств играют ключевую роль в процессе загрузки, будет уделено внимание и тому, как они контролируют собственную загрузку и инициализацию. Далее мы поясним, как инициализируются компоненты исполнительной системы и как ядро запускает пользовательскую часть Windows, активизируя процессы Session Manager (Smss.exe) и Winlogon, а также подсистему Windows. Попутно вы узнаете, что происходит внутри системы на момент вывода тех или иных текстовых сообщений, появляющихся на экране в процессе загрузки.

Ранние стадии процесса загрузки на платформах x86 и x64 сильно отличаются от таковых на платформе IA64. B следующих разделах описываются стадии, специфичные для x86 и x64, а потом поясняются стадии, специфичные доя IA64.

Процесс загрузки Windows начинается не при включении компьютера или нажатии кнопки Reset, а еще при установке этой системы на компьютер. Ha одном из этапов работы программы установки Windows (Windows Setup) происходит подготовка основного жесткого диска системы: на нем размещается код, в дальнейшем участвующий в процессах загрузки. Прежде чем рассказывать, что делает этот код, мы покажем, как и в какой области жесткого диска он размещается.

Стандарт разбиения физических жестких дисков на тома существует в системах типа x86 со времен первых версий MS-DOS. Операционные системы Microsoft разбивают жесткие диски на дискретные области, называемые разделами (partitions). После форматирования с использованием файловых систем (типа FAT и NTFS) разделы образуют тома. Ha жестком диске может быть до четырех главных разделов (primary partitions). Поскольку это ограничило бы количество томов на одном диске, данная схема предусматривает особый тип раздела — дополнительный (extended partition), что дает до четырех дополнительных разделов в главном разделе. Дополнительные разделы могут содержать другие дополнительные разделы, те в свою очередь — третьи дополнительные разделы и т. д. Так что диск можно разбить практически на бесконечное число томов. Пример разбиения жесткого диска на разделы показан на рис. 5–1, а компоненты, участвующие в процессе загрузки, перечислены в таблице 5–1. (Подробнее о разбиении жестких дисков в Windows см. главу 10.)

Единицей адресации физических дисков является сектор. Типичный размер сектора жесткого диска на IBM-совместимом PC — 512 байтов. Такие утилиты, как Fdisk в MS-DOS или программа Windows Setup, позволяющие создавать на жестком диске тома, записывают в первый сектор жесткого диска специальные данные, создавая таким образом главную загрузочную запись (MBR) диска (детали см. в главе 10). Размер MBR фиксирован. Она состоит из набора машинных команд (загрузочный код) и таблицы разделов с четырьмя записями, которые определяют расположение главных разделов на диске. Первый код, выполняемый при загрузке IBM-совместимого компьютера, называется BIOS, — он хранится в ПЗУ компьютера. BIOS выбирает загрузочное устройство, считывает его MBR в память и передает управление ее загрузочному коду.

MBR начинает со сканирования таблицы разделов в поисках раздела, помеченного особым флагом. Этот флаг сигнализирует, что данный раздел является загрузочным. Как только MBR обнаружит хотя бы один такой флаг, она считывает в память код из первого сектора раздела, помеченного флагом, и передает ему управление. Такой раздел называется загрузочным, как и его первый сектор, а том, определенный для загрузочного раздела, — системным.

Операционная система, как правило, ведет запись в загрузочные секторы без участия пользователя. Например, Windows Setup при записи MBR одновременно создает в первом загрузочном разделе жесткого диска свой загрузочный сектор. Перед этим программа установки проверяет, является ли он сейчас загрузочным сектором MS-DOS. Если да, Windows Setup сначала копирует содержимое загрузочного сектора в файл Bootsect.dos, помещая его в корневой каталог раздела.

Перед записью в загрузочный сектор Windows Setup проверяет совместимость текущей файловой системы этого раздела с Windows. B любом случае она может отформатировать данный раздел с использованием выбранной вами файловой системы (FAT, FAT32 или NTFS). Если раздел уже отформатирован, вы можете пропустить этот этап. После того как загрузочный раздел отформатирован, Setup копирует на него файлы Windows, в том числе два стартовых файла, Ntldr и Ntdetect.com.

Еще одна задача программы установки — создание файла загрузочного меню, Boot.ini, в корневом каталоге системного тома. B этом файле содержатся параметры запуска устанавливаемой версии Windows, а также сведения обо всех системах, установленных до Windows. Если файл Bootsect.dos содержит загрузочный сектор MS-DOS, в Boot.ini добавляется запись, позволяющая загружать MS-DOS. Ниже приведен пример файла Boot.ini с поддержкой двухвариантной загрузки для компьютера, на котором перед установкой Windows XP была установлена MS-DOS.

[boot loader] timeout=30

default=multi(0)disk(0)rdisk(0)partition(1)\WINDOWS [operating systems] multi(0)disk(0)rdisk(0)partition(1)

\WINDOWS="Microsoft Windows XP Professional " /fastdetect C: \="Microsoft Windows"

Заметьте, что в этом примере путь к каталогу Windows задан по специальному синтаксису, отвечающему соглашению по именованию Advanced RISC Computing (ARC). B Windows используется три вида такого синтаксиса. Первый, синтаксис multiO, показан в примере; он указывает Windows загружать системные файлы через функции прерывания INT 13, предоставляемые BIOS. Таким образом, синтаксис multiO применяется, когда у диска, на котором находится загрузочный том, есть контроллер с поддержкой прерывания INT 13. Синтаксис multi() имеет следующий формат:

multi(W)disk(X)rdisk(Y)partition(Z)

где W- номер дискового контроллера (также называемый порядковым номером), обычно равный 0, X — всегда 0 в синтаксисе multi(), а Y указывает физический жесткий диск, подключенный к контроллеру W. Для АТА-контроллеров значение Y1 как правило, укладывается в диапазон от 0 до 3, для SCSI-контроллеров — 0-15. Z сообщает номер раздела на физическом диске, соответствующего загрузочному тому. Первому разделу присваивается значение 1.

ARC-синтаксис scsi0 сообщает Windows, что для доступа к файлам на загрузочном томе нужно задействовать сервисы дискового ввода-вывода, предоставляемые Ntbootdd.sys (о нем чуть позже). Синтаксис scsi0 выглядит так:

scsi(W)disk(X)rdisk(Y)partition(Z)

Здесь W — номер контроллера, X — физический жесткий диск, подключенный к этому контроллеру (обычно равен 0-15). Y указывает SCSI LUN-номер (logical unit number) диска, содержащего загрузочный том, и, как правило, равен 0. Наконец, Z — это раздел, соответствующий загрузочному тому с нумерацией, начинающейся от 1.

Наконец, в Windows применяется третий вид синтаксиса — signature(). Он указывает Windows найти диск с сигнатурой, соответствующей первому значению в скобках, независимо от номера контроллера, сопоставленного с этим диском, и использовать Ntbootdd.sys для доступа к загрузочному тому. Сигнатура диска (disk signature) — это глобально уникальный идентификатор (GUID), извлекаемый Windows Setup из информации в MBR и записываемый на диск. Синтаксис signature() выглядит так:

signature(V)disk(X)rdisk(Y)partition(Z)

где V- 32-битная сигнатура диска в шестнадцатеричной форме, идентифицирующая диск, X — физический жесткий диск со специфической сигнатурой, который может быть подключен к любому контроллеру в системе, Y — всегда 0, a Z — номер раздела, на котором находится загрузочный том. Windows использует синтаксис signatureO, если:

• размер загрузочного тома больше 7,8 Гб, а BIOS-функции расширенного прерывания INT 13 (которые применяются для доступа к частям диска за пределами 7,8 Гб) не могут обращаться ко всему тому;

• BIOS не поддерживает расширенное прерывание INT 13.

Перед тем как произвести запись в загрузочный сектор, программа установки должна выяснить формат раздела, поскольку от него зависит содержимое загрузочного сектора. Если это раздел FAT, Windows записывает в загрузочный сектор код, поддерживающий файловую систему FAT Если раздел отформатирован под NTFS, в загрузочный сектор записывается код, соответствующий NTFS. Задача кода загрузочного сектора — предоставлять Windows информацию о структуре и формате тома и считывать из его корневого каталога файл Ntldr. После считывания Ntldr в память код загрузочного сектора передает управление в точку входа Ntldr. Если код загрузочного сектора не может найти Ntldr в корневом каталоге тома, он выводит сообщение об ошибке: «BOOT: Couldn't find NTLDRP» (в FAT) или «NTLDR is missing» (в NTFS).