9

Прошу пояснить некоторые вещи, которые я опишу ниже. Я много читал о том, как загружается система, какие функции выполняет железо, какие - система, но пока что полной картины сложить не могу.

Итак. Как я понимаю, при загрузке системы сначала просыпается bios. Он проверяет все железо, делает диагностику. Когда он решит, что все нормально, он считывает 512 (не уверен) первых байт с диска, проверяет 2 "магических" байта, и если они говорят о том, что этот диск - загрузочный, то bios начинает выполнять код загрузчика, т.е. этих 510 байт. При этом начинает выполнять не сразу, а записав их по некоторому адресу в оперативную память. Здесь вроде все понятно. А еще как процессор адресует память - постранично - вроде тоже понятно.

А теперь то, что мне непонятно: допустим, я загружаю linux. Загрузчик с диска поднял grub, grub загрузил ядро, ядро начало выполняться. Окай. Но как ядро адресует память? Получается напрямую физическую? Ну т.е. без виртуальной. Тогда другой вопрос. Получается весь user-space код, который адресует виртуальную память, выполняется в некой "песочнице" ядра, которая позволяет транслировать адреса виртуальные в физические? Или же есть какие-то именно процессорные механизмы? И как работает uefi?

В общем, меня интересует то, какие возможности предоставляет процессор, да и железо в целом, а что реализовано на системном уровне, и если можно, то почему оно так работает.

И да, еще интересно, как процессор общается с различным железом вроде видеокарт, и какие интерфейсы он предоставляет для управления этим железом программно.

3
  • 2
    @KryTer_NexT управление памятью не относится к тематике stackoverflow, ну что вы, конечно.
    – etki
    19 окт 2016 в 17:11
  • 4
    "при загрузке системы сначала просыпается bios" - тащемта нет. Сначала с шансами просыпается мультикронтроллер, который проверяет всякие там питания, кнопку включения и т.д. Процессор стартует последним и начинает выполнение кода из BIOS 19 окт 2016 в 17:26
  • How Computers Boot Up нормальный материал (только на англ.), кроме этой статьи советую почитать предыдущие и следующие (пока не надоест)
    – avp
    19 окт 2016 в 23:29

2 ответа 2

9

Загрузка кажется только простой, правда, это очень сложный и многошаговый процесс, я постараюсь Вам описать его. Хоть это и будет похоже на маленькую книжку, но я надеюсь, что многим будет интересно это почитать.

Вы нажали кнопку питания

Линия PS_ON замыкает на "землю" и происходит подача питания на все железо! ОНО ОЖИЛО!. Блок питания включен. Начинается тестирование блока питания на соответствие всех напряжений требованиям. В случае удачного завершения данной операции, спустя 0.1-0.5с, вырабатывается сигнал Power Good, свидетельствующий о том, что загрузку компьютера можно продолжать. Головки жесткого диска выходят из парковочной зоны, остальное оборудование включается...ПОЕХАЛИ!

введите сюда описание изображения

Блок питания проверился, а что дальше?

Дальше на специальный вход центрального процессора подается сигнал сброса (Reset). Процессор обнуляет содержимое своей памяти и начинает работу.

В чем заключается начало работы процессора?

Системная память сделана так, что первая команда которую будет считывать процессор после сброса находится в BIOS. Это инструкции по проведению самотестирования. Программа POST выполняет тестирование процессора, оперативной памяти, чипсета, видеосистемы, накопителей, системы управления питанием, клавиатуры, портов LPT и COM (а также подключенных к ним устройств), других компонентов компьютера.

POST завершился, что делать дальше системе?

После того как успешно завершилась процедура POST, вызывается программное прерывание BIOS INT 19h и запускается процедура поиска загрузочного сектора порядок поиска которого установлен непосредственно в BIOS.

Теперь будем искать загрузочную запись?

Да, но сначала немного терминологии, без которой дальше делать нечего:

Сектор - минимальный участок хранения информации на жестком диске равный 512 байтам; MBR (Master Boot Record) - Главная загрузочная запись, она находится в нулевом секторе диска и по сути является загрузочным сектором жесткого диска;

Дальше с указанного жесткого диска BIOS`ом считывается главная загрузочная запись MBR и управление дальнейшей загрузкой передается ей. Далее микропрограмма, находящаяся в MBR, сканирует таблицу разделов на наличие активного загрузочного раздела, после того как системный раздел будет найден, MBR загружает в память компьютера его нулевой сектор и выполняет код находящийся в нем. Загрузочный сектор раздела содержит код операционной системы, которую нужно загружать. В случае, когда на жестком диске нет системного раздела, BIOS отобразит сообщение об ошибке. Если системный раздел будет найден, загрузка продолжится. Все вышесказанное относится к запуску абсолютно любой операционной системы.

Хочу загружать Windows!

А теперь, если вы например загружаете WINDOWS, после всего вышесказанного, загрузчик ntldr который находится в системном разделе считывает из загрузочного файла boot.ini информацию о количестве операционных систем и их расположении, и предлагает пользователю выбрать из списка операционную систему.

Система выбрана!

Отлично, загружаем ядро в память, система готова к работе, но как же ядро управляет распределением памяти?

Что представляет собой ОЗУ?

Логически ОЗУ представляет собой упорядоченный (одномерный) массив элементов. Элементы (минимальные адресуемые единицы МАЕ) пронумерованы, причем номер каждой МАЕ фиксирован и определяется схемотехнической реализацией устройства памяти. Номер элемента реально существующего в системе устройства памяти в дальнейшем будем называть адресом (Address) этого элемента. В каждой такой ячейке может храниться двоичное слово фиксированной длины

Распределяем память

И так, адресная шина процессора работает...Нет, это слишком долго.. Будем считать, что процессор работает с диапазоном последовательных адресов от нуля до максимально доступного в системе адреса (в зависимости от количества оперативной памяти) и может при необходимости обратиться к любому байту в этом диапазоне.

Если сгенерировать для программы адреса, как они расположены в физическом виде, без виртуальной, то одновременное выполнение двух программ просто невозможно из-за перекрывания данных одной программы другой. Например, компилятор генерирует адреса для виртуального адресного пространства заданного диапазона, а устройство управления памятью, называемое диспетчером памяти, транслирует виртуальные адреса, сгенерированные компилятором, в адреса ячеек, расположенных в физической памяти. Компилятору нет необходимости знать, в какое место в памяти ядро потом загрузит выполняемую программу.

Конечно же виртуальная память сама по себе ничего не хранит. Виртуальное адресное пространство — это просто абстракция, но оно определенным образом поставлено в соответствие физической памяти. Отображение виртуальной памяти на физическую осуществляется через аппаратно реализованные страничные таблицы. Аппаратная часть непосредственно выполняет отображение, а ядро управляет таблицами и их конфигурацией, алгоритмами замещения и т.д.

Память

Диспетчер памяти, это не какой-то процесс! Это устройство и оно может находиться на микросхеме процессора или на отдельной микросхеме рядом с процессором.

Вы обратились на какой-нибудь 32 битный адрес, то модуль разделяет его на 20 разрядный адрес страницы и 12 разрядное смещение внутри страницы. Все это называется прозрачной работой с памятью, когда программист даже не подозревает о существовании страничной организации памяти. Хотя, есть страничная организация памяти с процессом сегментации, при котором программисту требуется знать о существовании сегментов.

UEFI

Код микропрограммы UEFI написан на C и выполняется в современном 64-битном режиме. По сути это полноценная операционная система, которая работает на неограниченном уровне доступа к ресурсам "ring 0". Выполняется фаза PEI, и DXE перед загрузкой. Я не вижу смысла здесь все это описывать, вот картинка вам:

UEFI

Источники: IBM.com, Habrahabr.ru, Overclockers.ru, Таненбаум Э. "Архитектура компьютера"

Для более четкого понимания работы компьютера и решения ваших вопросов, присоединюсь к ответу @AlexanderBlinov, прочитайте Архиктуру компьютера, очень полезная книга.

2
  • Только больно уж она занудная (а что поделать? Старый профессор старой школы). (здесь веселее, а если почитать предыдущие и следующие посты, то не очень-то и упрощено)
    – avp
    19 окт 2016 в 23:25
  • @avp А мне понравилось, да есть моменты занудства..но за-то очень фундумантальная и без пичканья на всех страницах примерами ассемблера без комментариев! :) Спасибо за ссылку, там следующая статья интересная про Kernel Boot Process :)
    – Firepro
    19 окт 2016 в 23:50
2

В рамках StackOverflow невозможно развёрнуто ответить на Ваш вопрос, хотя он весьма интересен.

Для получения ответа рекомендую Вам прочитать книгу "Архитектура компьютера" Э. Таненбаум, Т. Остин. В данной книге Вы найдёте ответы на эти вопросы.

Крайне интересная и полезная литература. В принципе, в Сети есть pdf этой книги, найти его несложно.

1
  • 2
    Еще "Современные операционные системы" от Эндрю Таненбаума тоже очень интересная и полезная книга. На одном дыхании читается, эта книга вне конкуренции :)
    – Firepro
    20 окт 2016 в 0:04

Ваш ответ

By clicking “Отправить ответ”, you agree to our terms of service and acknowledge that you have read and understand our privacy policy and code of conduct.

Всё ещё ищете ответ? Посмотрите другие вопросы с метками или задайте свой вопрос.