Словесный алгоритм процесса загрузки компьютера. Алгоритм загрузки операционной системы

При запуске приложения система открывает его исполняемый файл и определяет объем кода и данных приложения. Затем резервирует регион адресного пространства и помечает, что физическая память, связанная с этим регионом, - сам ЕХЕ-файл. Вместо выделения какого-то пространства из страничного файла система использует истинное содержимое или образ (image) ЕХЕ-файла как зарезервированный регион адресного пространства программы. Благодаря этому приложение загружается очень быстро, а размер страничного файла удается заметно уменьшить.

Образ исполняемого файла (т. е. ЕХЕ- или DLL-файл), размещенный на жестком диске и применяемый как физическая память для того или иного региона адресного пространства, называется проецируемым в память файлом (memory-mapped file). При загрузке ЕХЕ или DLL система автоматически резервирует регион адресного пространства и проецирует на него образ файла. Помимо этого, система позволяет (с помощью группы Win32~функ-ций) проецировать на регион адресного пространства еще и файлы данных. (О проецируемых в память файлах мы поговорим в главе 8.)

Когда ЕХЕ- или DLL-файл загружается с дискеты, Windows 95 и Windows NT выделяют для него всю память из страничного файла. Далее система копирует файл с дискеты в оперативную память и в страничный файл; в этом случае страничный файл служит фактически копией содержимого оперативной памяти. Так, в частности, загружаются программы, устанавливающие приложения на компьютер.

Обычно программа установки запускается с первой дискеты, потом поочередно вставляются следующие диски, на которых собственно и содержится устанавливаемое приложение. Если системе понадобится какой-то фрагмент кода ЕХЕ- или DLL-модуля программы установки, на текущей дискете его, конечно же, нет. Но, поскольку система скопировала файл в оперативную память и в страничный файл, у нее не возникнет про­блем с доступом к нужному коду программы установки. Ну а по окончании ее работы система освободит оперативную память и память, выделенную в страничном файле.

56. Переданная и зарезервированная память

Адресное пространство, выделяемое процессу в момент создания, практически все свободно (не зарезервировано). Поэтому, чтобы воспользоваться какой-нибудь его частью, нужно вы лить в нем определенные регионы, вызвав Win32-функцию VirtualAlloc (о ней см. главу Операция выделения региона называется резервированием (reserving).

При резервировании система обязательно выравнивает начало региона по четно адресу и учитывает так называемую гранулярность выделения ресурсов (allocation granularit Последняя величина в принципе зависит от типа процессора, но у рассматриваемых в кш (x86, MIPS, Alpha и PowerPC) она одинакова и составляет 64 Кб. Понятие «гранулярного выделения ресурсов» применяется в системе, чтобы упростить служебную запись, хранящую информацию о регионах, зарезервированных в адресном пространстве Вашего процесса, а также чтобы снизить степень фрагментации регионов в этом пространстве.

Если Вы попытаетесь зарезервировать регион в 10 Кб, система автоматически округлит заданное Вами значение до большей четной кратной величины. А это значит, что процессорах х86, MIPS и PowerPC будет выделен регион размером 12 Кб, а на процессе Alpha - 16 Кб. И последнее в этой связи. Когда зарезервированный регион адресного пространство становится не нужен, его следует вернуть в общие ресурсы системы. Эта операция - освобождение (releasing) региона - осуществляется вызовом функции VirtualFree .

Чтобы практически использовать зарезервированный регион адресного пространства, нужно выделить физическую память и отобразить ее на этот регион. Такая операция называете передачей физической памяти (committing physical storage). Чтобы передать физическую память зарезервированному региону, Вы обращаетесь все к той же функции VirtualAlloc . Передавая физическую память регионам, нет нужды отводить ее целому региону Можно, скажем, зарезервировать регион размером 64 Кб и передать физическую память

aтолько его второй и четвертой страницам. На рис. 5-3 представлен пример того, как может выглядеть адресное пространство процесса. Заметьте: структура адресного пространства зависит от архитектуры процессора. Так, на рис. 5-3 слева показано, что происходит с адрес­ным пространством на процессорах х86, MIPS и PowerPC (страницы по 4 Кб), а справа - на процессоре DEC Alpha (страницы по 8 Кб).

Когда физическая память, переданная зарезервированному региону, больше не нуж­на, ее освобождают. Эта операция - возврат физической памяти (decommitting physical storage) - выполняется вызовом функции VirtualFree .

Загрузчик - это системная программа, выполняющая загрузку. Многие загрузчики обеспечивают, кроме того, перемещение и связывание. В некоторых системах функция связывания отделена от функций перемещения и загрузки. Связывание выполняется специальной программой связывания (или редактором связей), перемещение и загрузка - загрузчиком.

Связывание - это связывание двух или более отдельных оттранслированных программ.

Перемещение - это модификация объектной программы так, чтобы она могла загружаться с адреса, отличного от первоначального.

Функции загрузчика:

1. распределение ОП;
2. перемещение программы;
3. связывание модулей;

Распределение ОП

Перемещение программы

Если внутри модулей имеются адресные константы, которые вычисляются от начала модуля, то адреса будут корректироваться относительно Базы.

Связывание модулей

Виды загрузчиков

Загрузчики типа «компиляция-выполнение»

Одним из возможных способов выполнения функции загрузчика может быть такая организация работы ассемблера, при которой ассемблер, работая в одной части памяти, помещает машинные команды и данные по мере ассемблирования непосредственно в выделенные для них ячейки памяти. После завершения компиляции ассемблер передает управление в точку входа полученной программы. Это очень простое решение, позволяющее обойтись без каких-либо дополнительных процедур. Такая схема называется «компиляция-выполнение», а «загрузчик» состоит из одной команды, которая передает управление ассемблированной программе.

Абсолютные загрузчики просты в реализации, но имеют ряд особенностей:

• задачу распределения ОП выполняет программист (с помощью директивы установки начального значения ОП);
• задачу перемещения программы выполняет компилятор;
• связывание модулей - решается программистом (call 600);
• загрузка программ в ОП и запуск на выполнение.

Достоинства:

• меньший объем загрузчика (по величине памяти);
• разделение фазы компиляции и загрузки, что сокращает время на обработку модулей;
• возможность использования нескольких языков программирования, т.к. структуры создаваемых объектных модулей идентичны.

Недостатки:

Большой объем работ ложится на программиста. Нужно постоянно отслеживать изменения начальных адресов при модификации модулей, т.к. изменяется их длина.

Структура объектного файла абсолютного загрузчика

Информационная запись состоит из:

1. признак;
2. абсолютный адрес ОП, куда можно переносить информацию;
3. количество информационных байтов в сообщении;
4. байты информации;
5. контрольные суммы;
6. нумерация.

Управляющая запись состоит из:

1. признак;
2. адрес точки входа.

Работа простого абсолютного загрузчика:

1. Проверить достаточно ли памяти для данной программы (просмотр первой записи).
2. Последовательное считывание тела программы и помещение по указанному адресу.
3. Передача управления по адресу для исполнения программы.

Настраивающий загрузчик

Чтобы избежать необходимости повторного ассемблирования всех подпрограмм при внесении изменения в одну из них, а также чтобы освободить программиста от задач распределения памяти и осуществления связи подпрограмм, были разработаны так называемые загрузчики. Этот загрузчик допускает наличие в программе нескольких программных сегментов и одного сегмента данных (общего сегмента). Ассемблер транслирует каждый сегмент отдельно и передает загрузчику текст и информацию, касающуюся перемещений и перекрестных ссылок между сегментами.

Выходом ассемблера при такой схеме является объектная программа и информация обо всех других программах, к которым в данной программе имеются обращения. Кроме того, имеется информация о тех местах, которые должны быть изменены при загрузке (информация о перемещении), т.е. о ячейках, содержимое которых зависит от расположения программы в памяти.

Для каждой исходной программы ассемблер в качестве выходной информации вырабатывает текст (результат трансляции), предваряемый вектором переходов, содержащим адреса имен подпрограмм, к которым имеются обращения в исходной программе. Например, если подпрограмма SQRT является первой вызываемой подпрограммой, то первая ячейка вектора переходов будет содержать символическое имя SQRT. Предложения, содержащие вызов подпрограммы SQRT, будут транслироваться в команду перехода, указывающую адрес элемента вектора переходов, связанного с SQRT. Ассемблер, кроме того, будет передавать дополнительную информацию такую, как общая длина программы и длина вектора переходов. После загрузки в память текста программы и вектора переходов загрузчик будет загружать каждую подпрограмму, указанную в векторе. Затем он в каждый элемент вектора поместит команду перехода к соответствующей подпрограмме. Таким образом, вызов подпрограммы SQRT приведет к выполнению команды перехода к первой ячейке вектора переходов, в которой будет содержаться команда перехода к вызываемой подпрограмме.

Такая схема загрузки с двухступенчатой передачей управления часто используется в вычислительных машинах с фиксированным форматом команд и непосредственной адресацией.

Такой загрузчик имеет ряд недостатков:

• вектор переходов не вполне удобен для загрузки и сохранения внешних данных (расположенных в другом программном сегменте);
• вектор переходов увеличивает длину объектной программы;
• загрузчик работает с программными сегментами, но не облегчает доступ к сегментам данных, которые могут совместно использоваться несколькими подпрограммами.

Непосредственно связывающий загрузчик

Непосредственно связывающий загрузчик наиболее полно обеспечивает возможность перемещения в памяти программ и данных и в настоящее время наиболее распространен. Такой загрузчик обладает тем преимуществом, что допускает использование большого числа как программных сегментов, так и сегментов данных и дает программисту полную свободу обращения к данным, находящимся в других сегментах, допуская при этом раздельную трансляцию.

Ассемблер (транслятор) должен передать загрузчику следующую информацию с каждым сегментом программы и данных:

1. длину сегмента;
2. список всех символов сегмента, к которым возможно обращение из других сегментов, и их относительные адреса;
3. список всех символов, не определенных в данном сегменте, к которым есть обращение в данном сегменте;
4. информацию о расположении адресных констант в сегменте и описание того, каким образом должны изменяться их значения;
5. машинные коды, полученные в результате трансляции, и приписанные относительные адреса.

Одним из недостатков непосредственно связывающего загрузчика в простейшем виде является необходимость при каждом выполнении программы повторно выполнять функции распределения памяти, перемещения, связывания и загрузки всех необходимых подпрограмм. Эти проблемы можно устранить путем выполнения загрузки с помощью двух отдельных программ: объединителя и загрузчика модуля. Выходом объединителя является набор данных в формате, допускающем загрузку программы в память, и называется загрузочным модулем. Существует несколько типов объединителей. Один из них, так называемый, редактор связей, который сохраняет информацию, необходимую для перемещения модуля, в памяти, так что модуль как единое целое может затем настраиваться и загружаться в произвольное место памяти. В этом случае загрузчик модуля должен выполнять функции распределения памяти и перемещения, но остается свободным от решения сложной задачи связывания объектных модулей и подпрограмм.

Динамический загрузчик

В каждой из рассмотренных схем предполагалось, что все необходимые подпрограммы загружаются в память одновременно. Если общее количество памяти, требуемое для подпрограмм меньше доступной памяти машины, возникают затруднения. Эти трудности преодолеваются применением схемы динамической загрузки с последовательным использованием объединителя и загрузчика. Эта схема основывается на том, что обычно разные подпрограммы требуются в разное время и могут взаимно исключать себя. Используя явное определение того, какая подпрограмма содержит обращения к другим подпрограммам, можно задать, так называемую, структуру с перекрытием (оверлейную структуру), которая указывает взаимоисключающие подпрограммы.

Формируется загрузочный модуль. Он является перемещаемым, в нем должна быть таблица перемещений. Также в структуре загрузочного модуля должна быть информация о связях. Загрузчик должен содержать такую часть, как диспетчер оверлеев, он отбирает из загрузочных модулей именно те, которые являются стартовыми, в процессе работы организует загрузку в ОП необходимых модулей.

Динамическое связывание

Бывают случаи, когда для эффективности использования памяти машины осуществляется динамическое связывание подпрограмм, проводимое уже при выполнении программы. То есть подпрограммы загружаются в память только по мере их вызова. Это может быть выгодно, т.к. при определенных условиях в программе некоторые подпрограммы могут вообще не понадобиться. Рассмотрим пример:

if (условие 1)
вызов подпрограммы 1
if (условие 2)
вызов подпрограммы 2
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
if (условие m)
вызов подпрограммы m

Многие из ветвей будут пропущены, и не придется загружать в ОП, например, подпрограмму 2 при невыполнении условия 2. В таком случае загрузчик должен работать одновременно с программой и выполнять функции связывания и загрузки подпрограмм.

Операционная система хранится во внешней памяти обычно на жестком диске, реже – на гибком. Для нормальной работы компьютера необходимо, чтобы основные модули операционной системы находились в оперативной памяти. Поэтому после включения компьютера организована автоматическая перезапись (загрузка) операционной системы с диска в оперативную память. Наиболее важные аспекты этой загрузки отражены в виде алгоритма на рис. 9.13.

Рис. 9.13. Алгоритм загрузки операционной системы с диска в оперативную память

После включения компьютера вы наблюдаете за сменой цифр на экране. Эти цифры отображают процесс тестирования оперативной памяти программой BIOS. При обнаружении неисправности в ячейках оперативной памяти будет выдано сообщение.

После успешного окончания тестирования аппаратуры производится обращение к дисководу с гибким диском А, и рядом с ним загорается лампочка индикации. Если вы загружаете операционную систему с гибкого диска, то надо до или во время тестирования вставить системный диск в дисковод А. В противном случае при отсутствии на диске А операционной системы осуществляется обращение к жесткому диску, о чем свидетельствует засветившаяся рядом с ним лампочка индикации.

Начинается считывание в оперативную память 0-го сектора 0-й стороны диска, в котором находится загрузчик (BOOT RECORD). Управление передается загрузчику, который проверяет наличие на системном диске модуля расширения IO.SYS и базового модуля MSDOS.SYS. Если они находятся в отведенном для них месте (см. рис. 9.10), то он загружает их в оперативную память, в противном случае будет выдано сообщение об их отсутствии. В этом случае рекомендуется произвести повторную загрузку. Сигнал повторной загрузки передает управление постоянному модулю BIOS, который снова переписывает с диска в оперативную память блок начальной загрузки и т.д.

Запомните! Для повторной загрузки операционной системы в память нажать одновременно клавиши .

После успешно выполненной загрузки в оперативную память модуля расширения IO.SYS и базового модуля MSDOS.SYS загружается командный процессор СОМMAND.COM и обрабатывается файл конфигурации CONFIG.SYS, который содержит команды подключения необходимых драйверов. Этот файл может отсутствовать, если вас устраивает базовый вариант операционной системы.

Затем выполняется обработка командного файла AUTOEXEC.BAT. С помощью этого файла вы можете произвести настройку параметров операционной среды. Например, создать виртуальный диск, обеспечить смену режимов печати, загрузить вспомогательные программы и т.д.

Внимание! Файлы с расширением.ВАТ играют при работе в системной среде особую роль. Они содержат совокупность команд операционной системы или имен исполняемых файлов. После запуска файла с расширением.ВАТ все записанные в нем команды выполняются автоматически одна за другой.

Файл со стандартным именем AUTOEXEC.BAT отличается от других файлов типа.ВАТ тем, что выполнение помещенных в него команд начинается автоматически сразу после загрузки операционной системы.

В случае отсутствия файла AUTOEXEC.BAT вам будет предложено ввести дату и время:

если вы нажмете клавишу ввода, то в качестве текущих даты и времени будут приняты так называемые системные параметры, которые определяет компьютерный таймер;

если вы хотите сделать переустановки системных даты и времени, то в ответ на приглашение введите значения в одной из предусмотренных форм, например:

10-25-1997 (месяц день год)

7:30:10.00р (часы:минуты:секунды)

После окончания работы файла AUTOEXEC.BAT, а также если этот файл не обнаружен, на экран дисплея будет выдано приглашение системного диска, например C:\>. Это является свидетельством нормального завершения процесса загрузки, и вы можете приступить к работе, введя имя прикладной программы или команду операционной системы.

Примечание. Файлы CONFIG.SYS и AUTOEXEC.BAT могут отсутствовать. В этом случае параметры операционной среды будут установлены по умолчанию.

Запомните! На жестком диске необходимо обеспечить постоянное хранение операционной системы.

При включении компьютера все дисководы для гибких дисков должны быть открыты.

Вставлять гибкий диск с прикладными программами в дисковод надо после окончания загрузки.

ТЕХНОЛОГИЯ РАБОТЫ В MS DOS

§ Общие сведения о командах

§ Основные команды для работы с каталогами

§ Основные команды для работы с файлами

§ Основные команды для работы с дисками

§ Создание и использование командного файла

§ Командный файл автонастройки операционной системы AUTOEXEC.BAT

§ Настройка операционной системы с помощью файла конфигурации CONFIG.SYS

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КОМАНДАХ

Операционная система хранится во внешней памяти обычно на жестком диске, реже - на гибком.

Стоит сказать, что для нормальной работы компьютера крайне важно, чтобы основные модули операционной системы находились в оперативной памяти. По этой причине после включения компьютера обеспечивается автоматическая перезапись (загрузка) операционной системы с диска в оперативную память.

- перезапись операционной системы с диска (жесткого или гибкого) в оперативную память.

После включения компьютера на экране наблюдается смена цифр. Эти цифры отображают процесс тестирования оперативной памяти программой ВIOS. При обнаружении неисправности в ячейках оперативной памяти будет выдано сообщение.

После успешного окончания тестирования аппаратуры производится обращение к дисководу с гибким диском А, и рядом с ним загорается лампочка индикации. В случае если загружается операционная система с гибкого диска, то нужно до или во время тестирования вставить системный диск в дисковод А. В противном случае при отсутствии на диске А опе­рационной системы осуществляется обращение к жесткому диску, о чем свидетельствует засветившаяся рядом с ним лампочка индикации.

Начинается считывание в оперативную память 0-го сектора 0-й стороны диска, в котором находится загрузчик (ВООТ RECORD). Управление передается загрузчику, который проверяет наличие на системном диске модуля расширения IO.SYS и базового модуля MSDOS.SYS. В случае если они находятся в отведенном для них месте, то он загружает их в оперативную память, в противном случае будет выдано сообщение об их отсутствии. В этом случае рекомендуется произвести повторную загрузку. Сигнал повторной загрузки передает управление постоянному модулю BIOS, который снова переписывает с диска в оперативную память блок начальной загрузки и т.д.

ПРИМЕЧАНИЕ! Для повторной загрузки операционной системы в память нажать одновременно клавиши <Сtгl> <АLT> .

После успешно выполненной загрузки в оперативную память модуля расширения IO.SYS и базового модуля MSDOS.SYS загружается командный процессор СОММАND.СОМ и обрабатывается файл конфигурации CONFIG.SYS, который содержит команды подключения необходимых драйверов. Этот файл может отсутствовать, если пользователя устраивает базовый вариант операционной системы.

Затем выполняется обработка командного файла AUTOEXEC.ВАТ. С помощью этого файла производится настройка параметров операционной среды. К примеру, создать виртуальный диск, обеспечить смену режимов печати, загрузить вспомогательные программы и т.д.

Примечание! Файлы с расширением.ВАТ играют при работе в системной среде особую роль. Οʜᴎ содержат совокупность команд операционной системы или имен исполняемых файлов. После запуска файла с расширением.ВАТ всœе записанные в нем команды выполняются автоматически одна за другой.

Файл со стандартным именем AUTOEXEC.ВАТ отличается от других файлов типа.ВАТ тем, что выполнение помещенных в него команд начинается автоматически сразу после загрузки операционной системы.

В случае отсутствия файла AUTOEXEC.ВАТ будет предложено ввести дату и время:

если вы нажмете клавишу ввода, то в качестве текущих даты и времени будут приня­ты так называемые системные параметры, которые определяет компьютерный таймер;

если вы хотите сделать переустановки системных даты и времени, то в ответ на приглашение введите значения в одной из предусмотренных форм, к примеру:

10-25-1997 (месяц день год)

7:30:10.00р (часы: минуты: секунды)

После окончания работы файла AUTOEXEC.ВАТ, а также если данный файл не обнаружен, на экран дисплея будет выдано приглашение системного диска, к примеру С:\>. Это является свидетельством нормального завершения процесса загрузки, и можно приступить к работе, введя имя прикладной программы или команду операционной системы.

Примечание. Файлы CONFIG.SYS и AUTOEXEC.ВАТ могут отсутствовать. В этом случае параметры операционной среды будут установлены по умолчанию.

Запомните! На жестком диске крайне важно обеспечить постоянное хранение операционной системы. При включении компьютера всœе дисководы для гибких дисков должны быть открыты.

Вставлять гибкий диск с прикладными программами в дисковод нужно после окончания загрузки.

Тестирован программой

Загр. Нет Загр.

на гибком жестком нет

диске диске

Считыв. с гибкого диска Считыв. с жест. диска

IO.SYS, MSDOS.SYS в загрузочном секторе»

Загр. Нет Сообщение

правильна? «Нет системных файлов»

Command. Com «Нет системных файлов»

и файла CONFIG.SYS

Надеемся, что вы хорошо представляете себе организацию хранения книг в библиотеке и соответственно процедуру поиска нужной книги по ее шифру из каталога. Перенесите свое представление об этом на способ хранения файлов на диске и организацию к нему доступа.

Доступ - процедура установления связи с памятью и размещенным в ней файлом для записи и чтения данных.

Имя логического диска, стоящее перед именем файла в спецификации, указывает логический диск, на котором следует искать файл. На этом же диске организован каталог, в котором хранятся полные имена файлов, а также их характеристики: дата и время создания; объем (в байтах); специальные атрибуты. По аналогии с библиотечной системой организации каталогов полное имя файла, зарегистрированное в каталоге, будет служить шифром, по которому операционная система находит месторасположение файла на диске.

Каталог - справочник файлов с указанием месторасположения на диске.

Различают два состояния каталога - текущее (активное) и пассивное, MS DOS помнит текущий каталог на каждом логическом диске.

Текущий (активный) каталог - каталог, в котором работа пользователя производится в текущее машинное время.

Пассивный каталог - каталог, с которым в данный момент времени не имеется связи.

В операционной системе принята иерархическая структура организации каталогов. На каждом диске всегда имеется единственный главный (корневой) каталог. Он находится на 0-м уровне иерархической структуры и обозначается символом "\". Корневой каталог создается при форматировании (инициализации, разметке) диска, имеет ограниченный размер и не может быть удален средствами DOS. В главный каталог могут входить другие каталоги и файлы, которые создаются командами операционной системы и могут быть удалены соответствующими командами.

Рис. 9.1. Иерархическая структура организации каталога

Родительский каталог - каталог, имеющий подкаталоги.

Подкаталог - каталог, который входит в другой каталог.

Таким образом, любой каталог, содержащий каталоги нижнего уровня, может быть, с одной стороны, по отношению к ним родительским, а с другой стороны, подчиненным по отношению к каталогу верхнего уровня. Как правило, если это не вызывает путаницы, употребляют термин "каталог", подразумевая или подкаталог, или родительский каталог в зависимости от контекста.

Файловая система - часть операционной системы, управляющая размещением и доступом к файлам и каталогам на диске.

С понятием файловой системы тесно связано понятие файловой структуры диска , под которой понимают, как размещаются на диске: главный каталог, подкаталоги, файлы, операционная система, а также какие для них выделены объемы секторов, кластеров, дорожек.

Драйвер - программа, расширяющая возможности операционной системы.

Драйвер устройства - программа операционной системы для управления работой периферийными устройствами: дисководами, дисплеем, клавиатурой, принтером, манипулятором "мышь" и пр.

1. Загрузка os в оперативную память с диска

   1. Алгоритм загрузки операционной системы

Операционная система хранится во внешней памяти обычно на жестком диске, реже - на гибком. Для нормальной работы компьютера необходимо, чтобы основные модули операционной системы находились в оперативной памяти. Поэтому после включения компьютера организована автоматическая перезапись (загрузка) операционной системы с диска в оперативную память.

После включения компьютера вы наблюдаете за сменой цифр на экране. Эти цифры отображают процесс тестирования оперативной памяти программой BIOS. При обнаружении неисправности в ячейках оперативной памяти будет выдано сообщение.