Порядок загрузки системы | Секреты Windows 7

Что такое bios и зачем она нужна

Ключевыми компонентами любого компьютерного устройства является связка процессора и оперативной памяти, и это неспроста. Процессор по праву называют сердцем и мозгом любого ПК, так как на него возложены все главные математические операции. При этом все команды и данные для вычислений, ЦПУ может брать только из оперативной памяти.

Вот здесь и кроется основная проблема. Для того, что бы процессор смог начать выполнять команды операционной системы, они должны находиться в ОЗУ. Но во время включения ПК оперативная память пуста, так как является энергозависимой и не может хранить информацию, когда компьютер выключен.

При этом сами по себе, без участия системы, компьютерные устройства поместить нужные данные в память не могут. И здесь мы сталкиваемся с парадоксальной ситуацией. Получается, что для того чтобы загрузить ОС в память, операционная система уже должна быть в оперативной памяти.

Для разрешения данной ситуации, еще на заре эры персональных компьютеров, инженеры IBM предложили использовать специальную небольшую программу, получившую название BIOS, иногда называемую начальным загрузчиком.

Слово BIOS (БАйОС) является аббревиатурой от четырех английских слов Basic Input/Output System, что в переводе на русский означает: «Базовая система ввода/вывода». Такое название получил набор микропрограмм, отвечающих за работу базовых функций видеоадаптеров, дисплеев, дисковых накопителей, дисководов, клавиатур, мышей и других основных устройств ввода/вывода информации.

Основными функциями BIOS являются начальный запуск ПК, тестирование и первичная настройка оборудования, распределение ресурсов между устройствами и активация процедуры загрузки операционной системы.

Где хранится bios и что такое cmos

С учетом того, что BIOS отвечает за самый начальный этап загрузки компьютера вне зависимости от его конфигурации, то эта программа должна быть доступна для базовых устройств сразу же после нажатия на кнопку включения ПК. Именно поэтому она хранится не на жестком диске, как большинство обычных приложений, а записывается в специальную микросхему флэш-памяти, расположенную на системной плате.

В самых первых компьютерах для хранения BIOS использовались микросхемы постоянной памяти (ПЗУ или ROM), запись на которые самого кода программы единожды осуществлялась на заводе. Несколько позже стали использовать микросхемы EPROM и EEROM, в которых имелась возможность в случае необходимости осуществлять перезапись BIOS, но только с помощью специального оборудования.

В современных же персональных компьютерах BIOS хранится в микросхемах, созданных на основе флэш-памяти, перезаписывать которые можно с помощью специальных программ прямо на ПК в домашних условиях. Такая процедура обычно называется перепрошивкой и требуется для обновления микропрограммы до новых версий или ее замены в случае повреждения.

Многие микросхемы BIOS не распаивается на материнской плате, как все остальные компоненты, а устанавливаются в специальный небольшой разъем, что позволяет заменить ее в любой момент. Правда, данная возможность вряд ли вам может пригодиться, так как случаи, требующие замены микросхемы BIOS очень редки и практически не встречаются среди домашних пользователей.

Флэш-память для хранения BIOS может иметь различную емкость. В прежние времена этот объем был совсем небольшим и составлял не более 512 Кбайт. Современные же версии программы стали несколько больше и имеют объем в несколько мегабайт. Но в любом случае на фоне современных приложений и мультимедийных файлов это просто мизер.

В некоторых продвинутых системных платах, производители могут установить не одну, а сразу две микросхемы BIOS – основную и резервную. В этом случае, если что-то произойдет с основным чипом, то компьютер будет загружаться с резервного.

Помимо флэш-памяти, в которой хранится сама BIOS, на системной плате существует и еще один вид памяти, который предусмотрен для хранения настроек конфигурации этой программы. Изготавливается он с применением комплементарного метало-оксидного полупроводника или CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor).

CMOS-память питается от батарейки, установленной на материнской плате. Благодаря этому, при отключении компьютера от розетки все настройки BIOS сохраняются. На старых компьютерах функции CMOS-памяти были возложены на отдельную микросхему. В современных же ПК она является частью чипсета.

Что такое uefi bios

Базовые принципы работы системной BIOS для настольных компьютеров были сформированы в далеких 80-ых годах прошлого века. За прошедшие десятилетия компьютерная индустрия бурно развивалась  и за это время постоянно случались ситуации, когда новые модели устройств оказывались несовместимыми с определенными версиями BIOS.

Что бы разрешать эти проблемы, разработчикам постоянно приходилось модифицировать код базовой системы ввода/вывода, но в итоге целый ряд программных ограничений так и остался неизменным со времен первых домашних ПК. Такая ситуация привела к тому, что BIOS в своем классическом варианте окончательно перестал удовлетворять требованиям современного компьютерного железа, мешая его распространению в массовом секторе персоналок. Стало понятно, что необходимо что-то менять.

В 2022 году, с запуском в производство материнских плат для процессоров Intel поколения Sandy Bridge, устанавливающихся в разъем LGA1155, началось массовое внедрение нового программного интерфейса для начальной загрузки компьютера — UEFI.

На самом деле первая версия данной альтернативы обычной BIOS была разработана и успешно использована компанией Intel в серверных системах еще в конце 90-ых годов. Тогда, новый интерфейс для начальной загрузки ПК назывался EFI (Extensible Firmware Interface)

Как видите, производители системных плат не особо спешили переходить к новому стандарту, до последнего пытаясь совершенствовать традиционные вариации BIOS. Но очевидная отсталость этой системы, включая ее 16-битный интерфейс, не возможность использовать более 1 Мб адресного пространства памяти, отсутствие поддержки накопителей объемом более 2 Тб и другие постоянные неразрешимые проблемы совместимости с новым оборудованием все же стали серьезным аргументом для перехода на новое программное решение.

Какие же изменения принес с собой новый загрузочный интерфейс, предложенный Intel и в чем его отличия от BIOS? Как и в случае с BIOS, основной задачей UEFI является корректное определение оборудования сразу после включения ПК и передача управления компьютером операционной системе. Но при этом, перемены в UEFI настолько глубоки, что сравнивать ее с BIOS было бы просто некорректно.

BIOS – это практически неизменяемый программный код, вшитый в специальную микросхему и взаимодействующий напрямую с компьютерным оборудованием с помощью собственных программных средств. Процедура загрузки компьютера с помощью BIOS проста: сразу после включения компьютера производится проверка оборудования и загрузка простых универсальных драйверов для основных аппаратных компонентов. После этого BIOS находит загрузчик операционной системы и его активирует. Далее происходит загрузка ОС.

Систему UEFI можно назвать прослойкой между аппаратными компонентами компьютера, с их собственными микропрограммами-прошивками, и операционной системой, что позволяет ей так же выполнять функции BIOS.  Но в отличие от BIOS, UEFI представляет собой модульный программируемый интерфейс, включающий тестовые, рабочие и загрузочные сервисы, драйверы устройств, протоколы коммуникаций, функциональные расширения и собственную графическую оболочку, что делает его похожим на сильно облегченную операционную систему.

Важным преимуществом EFI является ее кроссплатформенность и независимость от процессорной архитекторы. Спецификации этой системы позволяют работать ей практически с любой комбинацией чипов, будь то архитектура х86 (Intel, AMD) или ARM. Более того UEFI имеет прямой доступ ко всему аппаратному обеспечению компьютера и платформенно независимые драйверы, что дает возможность без запуска ОС организовать, например, выход в интернет или резервное копирование дисков.

В отличие от BIOS, код UEFI и вся ее служебная информация может храниться не только в специальной микросхеме, но и на разделах как внутренних, так и внешних жестких дисков, а так же сетевых хранилищах. В свою очередь, тот факт, что загрузочные данные могут размещаться на вместительных накопителях, позволяет за счет модульной архитектуры наделять EFI богатыми функциональными возможностями.

Еще одной ключевой особенностью UEFI является возможность работы с жесткими дисками огромных объемов, размеченных по стандарту GPT (Guid Partition Table). Последний не поддерживается ни одной модификацией BIOS, так как имеет 64-битные адреса секторов.

Загрузка ПК на базе UEFI, как и в случае с BIOS, начинается с инициализации устройств. Но при этом, данная процедура происходит гораздо быстрее, так как UEFIможет определять сразу несколько компонентов одновременно в параллельном режиме (BIOSинициализирует все устройства по очереди).

Затем, происходит загрузка самой системы UEFI, под управлением которой выполняется какой-либо набор необходимых действий (загрузка драйверов, инициализация загрузочного накопителя, запуск загрузочных служб и т.д.), и только после этого осуществляется запуск операционной системы.

Может показаться, что такая многоступенчатая процедура должна увеличить общее время загрузки ПК, но на самом деле все происходит наоборот. С UEFI система запускается гораздо быстрее, благодаря встроенным драйверам и собственному загрузчику. В итоге, перед стартом, ОС получает исчерпывающую информацию об аппаратной начинке компьютера, что позволяет запускаться ей в течение нескольких секунд.

Несмотря на всю прогрессивность UEFI, все же существует ряд ограничений, сдерживающих активное развитие и распространение этого загрузчика. Дело в том, что для реализации всех возможностей нового загрузочного интерфейса требуется полноценная его поддержка со стороны операционных систем.

На сегодняшний день в полной мере использовать возможности UEFI позволяет только Windows 8. Ограниченную поддержку нового интерфейса имеют 64-разрядные версии Windows 7, Vista и Linux на ядре 3.2 и выше. Так же возможности UEFI используются в загрузочном менеджере BootCamp компанией Apple в собственных системах Mac OS X.

Ну а как же происходит загрузка компьютера с UEFI, если на нем используются неподдерживаемая операционная система (WindowsXP,  32-битная Windows 7) или файловая разметка (MBR)? Для таких случаев в новый загрузочный интерфейс встроен модуль поддержки совместимости (Compatibility Support Module), по сути, представляющий из себя традиционную BIOS.

Именно поэтому, можно видеть, как многие современные компьютеры, оснащенные системными платами с UEFI, загружается традиционным способом в режиме эмуляции BIOS. Чаше всего это происходит потому, что их владельцы продолжают использовать разделы HDD с традиционной MBR и не хотят переходить к разметке GPT.

Mining and crafting

Настройка отладки хорошо гуглится, поэтому описывать подробно этот процесс я не буду. Поскольку нас интересует все происходящее с момента старта системы, нам нужно отметить пункт «Cycle Initial Break», с помощью чего отладчик остановится, как только в отлаживаемой системе будет загружена подсистема отладки ядра.

Интересующая нас функция — «MiCreateImageFileMap». Это внутренняя функция менеджера памяти, проецирующая исполняемый файл в память. Проецирование в память происходит при создании секции, например, при запуске исполняемого файла. Однако учтите, что если исполняемый файл проецируется в память, это не гарантия того, что будет выполнен его код!

Если у вас достаточно маны, вводите следующую команду:

bu nt!MiCreateImageFileMap "dt nt!_EPROCESS -d ImageFileName @$proc; dt nt!_FILE_OBJECT -d FileName @rcx; g"

Магическая строчка буквально означает следующее:

• bu (Set Unresolved Breakpoint) — установить неразрешенную точку останова. Не то чтобы кто-то или что-то не разрешал, просто для ее установки необходимо определиться, по какому адресу ее ставить. Дело в том, что заранее не известно, по какому адресу она должна располагаться. При загрузке любого модуля проверяется присутствие в нем необходимой функции, и если такая функция найдена, точка останова устанавливается автоматически. Такой способ установки незаменим при включенном ASLR — рандомизации адресного пространства, поскольку модули будут загружаться каждый раз по разным адресам, и точка останова, установленная по фиксированному адресу, с большой вероятностью окажется не у дел.
• nt!MiCreateImageFileMap — символ, на котором нужно останавливаться. В WinDbg принята запись в форме ‘module_name!function_name’. В данном случае nt является предопределенным псевдонимом для ntoskrnl.exe.
• далее следует часть WinDbg-скрипта, которая будет выполняться каждый раз при остановке на этой функции. «dt nt!_EPROCESS -d ImageFileName @$proc» по-русски означает «отобразить поле ImageFileName структуры _EPROCESS из модуля nt при условии ее отображения по адресу, определенному в псевдорегистре «текущий процесс»». Следующая после разделителя «;» команда означает примерно то же самое, только адрес структуры берется из регистра rcx, в котором в Microsoft x64 ABI передается первый параметр функции. «g» означает «go», т.е. продолжить исполнение.

Небольшая рекомендация по использованию логирующих точек останова: старайтесь не использовать расширения отладчика (команды, начинающиеся с «!»), поскольку в таком случае логирование будет выполняться на порядок медленнее.

Второй этап

На втором этапе запуском компьютера управляют устройства. Точнее — материнская плата. Еще точнее — микросхема постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), находящаяся на ней. Совсем точно — пакет встроенных программ, который называется BIOS. Как настроить Boot menu в BOIS Вы можете прочитать в другой инструкции.

Второй этап загрузки компьютера

Итак, тестирование прошло успешно и в работу вступает сама операционная система (рассмотрим операционную систему Windows). Загружаются её самые важные, системные файлы, которые находятся в основном или, как говорят — корневом каталоге. Именно с этих файлов начинается загрузка. Повреждение или удаление хоть одного из этих файлов может грозить невозможностью загрузки, либо некорректную загрузку.

Такие файлы как Io.sys и Msdos.sys объясняют компьютеру, что на жестком диске, к которому он обратился, установлена операционная система от Microsoft. Основана эта система на известной нам MS-DOS и может загружаться с этого диска.

Эти два файла занимают строго определенное место в логической структуре жесткого диска и хранятся они в специально отведенных кластерах винчестера. По этой причине, стандартное копирование этих файлов на любой жесткий диск не сделает его системным. Для этого необходимо проделать отдельную операцию, которая называется системным форматированием. Этапы загрузки компьютера.

После появления логотипа Windows, операционная система «вступает в свои полные права» и на втором этапе загрузки компьютера начинает размещать в оперативной памяти:

Предзагрузка или post

Этап, общий для запуска всех компьютеров. Ещё называется инициализацией аппаратуры средствами BIOS/UEFI, самотестированием оборудования.

Состоит из более чем десятка этапов.

1. После подачи электропитания на материнскую плату тактовый генератор сбрасывает состояние ЦП в исходное.
2. Выполнение микропрограммы BIOS – проверяет хэши или целостность программ в ПЗУ.
3. Идентификация центрального процессора.
4. Распознавание основных аппаратных компонентов системной платы.
5. Проверка и выделение первых 64 КБ оперативной памяти под BIOS, настройка прерываний.
6. Тестирование CMOS, элемента её питания.
7. Поиск загрузочных накопителей (жёсткие, твердотельные накопители, флешки).
8. Идентификация системных и периферийных устройств.
9. Подключение видеосистемы, передача картинки на дисплей.
10. Тестирование незадействованной ОЗУ для выявления неполадок в её работе.
11. Инициализация разнообразных контроллеров: накопителей, дисководов, устройств ввода (клавиатуры).

На финальном этапе предзагрузки BIOS передает управление загрузчику. Дальнейший процесс – начальная загрузка операционной системы – зависит от установленной на компьютере версии Windows.

Причина 1: сбой в настройках bios

В некоторых случаях причиной зависания являются проблемы в загрузочных параметрах BIOS. Такое нередко происходит при аварийном завершении работы компьютера, попытке подключить «на горячую» IDE-винчестер или проблемы с прошивкой. В случае сбоя в настройках БИОС поможет их сброс. Подробности по нужным манипуляциям найдете в руководстве ниже (способы 2, 3, 4).

Подробнее: Сбрасываем настройки BIOS

В дополнение к материалу о сбросе добавим лайфхак: оставьте материнскую плату без CMOS-батарейки на более длительный срок, чем 10 минут. Дело в том, что иногда на элементах платы может сохраняться остаточный заряд, который не иссякает по прошествии указанного времени, и для полного обесточивания может понадобиться несколько часов или даже сутки. Если сброс БИОС вам помог — поздравляем. В противном случае переходите к следующим причинам, описанным далее.

Причина 2: конфликт с периферийным устройством

Подавляющее большинство случаев зависания на логотипе вызваны конфликтом ПО материнской платы и периферии и/или элемента вроде GPU, сетевой карты, жесткого диска или одной из планок RAM. В таком случае необходимо найти виновника проблемы и либо заменить его, либо провести одну из предложенных нами специфических манипуляций. Но прежде чем приступать к поиску, выполните процедуру проверки по этой инструкции.

Урок: Проверяем работоспособность материнской платы

Если проблема в плате — переходите к Причине 3. Если плата работоспособна, то следует проверить остальные компоненты компьютера, следуя алгоритму ниже.

1. Отключите ПК от электросети. Затем снимите боковую крышку корпуса, чтобы получить доступ к материнской плате.
2. Последовательно отключите от платы жесткий диск, дисководы и приводы. Затем аккуратно вытащите из разъемов карты (видео, звуковую и сетевую, если последняя имеется).
3. Оставьте только одну планку оперативной памяти независимо от количества слотов. Для надежности можете переместить её в другой разъем.
4. Соблюдая технику безопасности, подключите компьютер к сети. С минимальным набором оборудования плата должна работать в штатном режиме.
5. По одному подключайте компоненты к плате, начиная с ОЗУ и заканчивая дисковыми приводами. Методом перебора вы найдете проблемный элемент.
   

   Внимание! Не пытайтесь подсоединить к работающей материнской плате графическую, звуковую или сетевую карту, а также IDE-винчестер! В этом случае вы рискуете вывести из строя как плату, так и подсоединенное устройство!

Как правило, проблемы создают жесткие диски, видеокарты и неисправные элементы RAM. Рассмотрим необходимый порядок действий для каждого из устройств.

Жесткий дискНаиболее частая причина сбоев. В большинстве случаев диск попросту выходит из строя, проверить его можно на другом компьютере.

Программа настройки bios

BIOS является конфигурируемой системой и имеет собственную программу настройки некоторых параметров оборудования ПК, называемую BIOS Setup Utility или CMOS Setup Utility. Вызывается она нажатием специальной клавиши во время проведения процедуры самотестирования POST. В настольных компьютерах чаще всего для этой цели используется клавиша Del, а в ноутбуках F2.

Графический интерфейс утилиты конфигурирования оборудования очень аскетичен и практически не изменился с 80-ых годов. Все настройки здесь осуществляются только с помощью клавиатуры — работа мыши не предусмотрена.

CMOS/BIOS Setup имеет массу настроек, но к наиболее востребованным, которые могут понадобиться рядовому пользователю, можно отнести: установку системного времени и даты, выбор порядка загрузочных устройств, включение/отключение встроенного в материнскую плату дополнительного оборудования (звуковых, видео или сетевых адаптеров), управление системой охлаждения и мониторинг температуры процессора, а так же изменение частоты системной шины (разгон).

У различных моделей системных плат, количество настраиваемых параметров BIOS может сильно разниться. Наиболее широкий спектр настроек обычно имеют дорогие системные платы для настольных ПК, ориентированные на энтузиастов, любителей компьютерных игр и разгона.

Самый же скудный арсенал, как правило, у бюджетных плат, рассчитанных на установку в офисные компьютеры. Так же не блещут разнообразием настроек BIOS подавляющее большинство мобильных устройств. Более подробно о различных настройках BIOSи их влиянии на работу компьютера мы поговорим в отдельном материале.

Разработка bios и обновление

Как правило, практически для каждой модели системной платы разрабатывается собственная версия BIOS, в которой учитываются ее индивидуальные технические особенности: тип используемого чипсета и виды распаянного периферийного оборудования.

Разработку BIOS можно разделить на два этапа. Сначала создается базовая версия микропрограммы, в которой реализовываются все функции, вне зависимости от модели чипсета. На сегодняшний день, разработкой подобных версий занимаются в основном компании American Megatrends (AMIBIOS)

На втором этапе, к разработке BIOS подключаются производители материнских плат. В этот момент базовая версия модифицируется и совершенствуется для каждой конкретной модели платы, с учетом ее особенностей. При этом после выхода системной платы на рынок, работа над ее версией BIOS не останавливается.

Разработчики регулярно выпускают обновления, в которых могут быть исправлены найденные ошибки, добавлена поддержка нового оборудования и расширены функциональные возможности программы. В некоторых случаях обновление BIOS позволяет вдохнуть вторую жизнь в, казалось бы, уже устаревшую материнскую плату, например, добавляя поддержку нового поколения процессоров.

Сигналы bios на этапе загрузки компьютера

Если у вас есть проблемы с запуском ПК, а bios не хочет запускаться в нормальном режиме, можно выяснить причины, во-первых, из списка на экране, а затем по звуковым сигналам внутреннего динамика. Сигналы BIOS позволяют определить, какое из устройств вышло из строя на этапе загрузки компьютера, и почему система не хочет загружаться.

AMI BIOS (amibios)

Форма сигнала BIOS – значение

1 короткий – ошибка зарядки DRAM, сбоя или прерывания таймера.2 короткий – memory parity error – видимо, ошибка RAM IC.3 коротких – ошибка первых 64К RAM, видимо, ошибка RAM IC.4 короткий – сбой системных часов.5 коротких – ошибка процессора.

6 коротких – ошибка подключения клавиатуры.7 коротких – ошибка виртуального режима на стороне процессора.8 коротких – ошибка видеокарты или отсутствует видео адаптер.9 коротких – ошибка BIOS ROM.10 коротких – ошибка кэш-памяти L2.

Award BIOS

Форма сигнала BIOS – значение

1 длинный, 2 коротких — ошибка видео-вывода.непрекращающийся звуковой сигнал – ошибка оперативной памяти.1 длинный, 3 коротких — отсутствие видеокарты.Быстро пищит во время работы – перегрев компьютера.низкие и высокие ноты – ошибка процессора.

Phoenix BIOS

Форма сигнала BIOS – значение

тук, 3 сигнала, тук, тук – Ошибка обновления DRAM.тук, 2 сигнала, 2 сигнала, 3 сигнала – Ошибка контрольной суммы ROM.тук, 3 сигнала, тук, 3 сигнала – Ошибка контроллера клавиатуры.тук, 3 звуковой сигнал 4 сигнал, тук – Ошибка памяти RAM.

Этапы загрузки операционной системы для ос windows 7

На этапе POST загрузчик попадает в оперативную память.

Если на компьютере установлено несколько ОС, появится меню с предложением выбрать нужную. По истечении определённого времени (30 секунд) грузится указанная по умолчанию операционная система.

В это время на дисплее отображается логотип Windows 7.

Если на ПК один аккаунт без пароля – загрузится Рабочий стол, в ином случае нужно выбрать пользователя, указать пароль. Финальный этап – запуск оставшихся драйверов, приложений из автозагрузки, выполнение запланированных задач, прорисовка графического интерфейса, подготовка рабочего пространства.

Перечислите основные этапы загрузки устаревшей операционной системы компьютера.

Заключение

Совершенно очевидно, что, в отличие от традиционной BIOS, интерфейс UEFI способен на много большее, чем просто процесс загрузки. Возможность запуска рабочих сервисов и приложений, как на начальном этапе загрузки ПК, так и после запуска операционной системы открывает широкий спектр новых возможностей, как для разработчиков, так и конечных пользователей.

Но при этом говорить о полном отказе в ближайшее время от базовой системы ввода/вывода пока преждевременно. В первую очередь нужно вспомнить, что до сих пор большинство компьютеров находятся под управлением WindowsXP и 32-битной Windows 7, которые не поддерживаются UEFI.

Так что до тех пор, пока большинство  пользователей в силу своих привычек или еще каких-либо причин, будут привязаны к старым версиям ОС и традиционным способам разметки винчестеров, BIOS так и будет оставаться основной системой для начальной загрузки компьютера.