Как выполняется загрузка ос windows

Обновлено: 06.07.2024

Загрузочный

Вы когда-нибудь задумывались, что происходит, когда вы нажимаете кнопку питания? В этом посте мы увидим, как загружается Windows 10 и что происходит в фоновом режиме. Хотя все мы видим это как один процесс, все происходит пошагово. Он был разработан таким образом, что, если у вас возникнут какие-либо проблемы с загрузкой Windows 10, вы сможете устранить ее.

Как загружается Windows 10

Процесс загрузки Windows 10 в системах BIOS состоит из четырех основных этапов. Он начинается с POST и заканчивается загрузкой ОС Windows или ядра. Вот список этапов, через которые он проходит:

Preboot
Менеджер загрузки для Windows
Загрузчик ОС Windows.
Ядро ОС Windows NT.

Во время каждого процесса загружается программа. В зависимости от того, использует ли он Legacy BIOS или UEFI, пути к файлам и файлы меняются.

1] PreBoot: POST или Power-On Self-Test загружает настройки прошивки. Он проверяет наличие действительной дисковой системы и пригодна ли система для перехода к следующему этапу. Если на компьютере установлена допустимая MBR, то есть основная загрузочная запись, процесс загрузки продвигается дальше и загружает диспетчер загрузки Windows.

2] Диспетчер загрузки Windows . Этот шаг определяет, установлено ли на вашем компьютере несколько ОС. Если да, то он предлагает меню с именами ОС. Когда вы выбираете ОС, она загружает нужную программу, то есть Winload.exe, чтобы загрузить вас в нужную ОС.

3] Загрузчик ОС Windows: Как и его имя, WinLoad.exe загружает важные драйверы для запуска ядра Windows. Ядро использует драйверы для связи с оборудованием и выполнения остальных действий, необходимых для продолжения процесса загрузки.

4] Ядро ОС Windows NT: . Это последний этап, на котором выбираются параметры реестра, дополнительные драйверы и т. д. После прочтения управление переходит к процессу администратора системы. Он загружает пользовательский интерфейс, остальное оборудование и программное обеспечение. Вот когда вы наконец-то видите экран входа в Windows 10.

Когда вы запускаете Windows 10 на компьютере, который поддерживает Unified Extensible Firmware Interface (UEFI), Trusted Boot защищает ваш компьютер с момента его включения. Когда компьютер запускается, он сначала находит загрузчик операционной системы. Компьютеры без защищенной загрузки просто запускают любой загрузчик на жестком диске ПК. Когда компьютер, оснащенный UEFI, запускается, он сначала проверяет, что прошивка имеет цифровую подпись. Если включена безопасная загрузка, микропрограмма проверяет цифровую подпись загрузчика, чтобы убедиться, что она не повреждена. Вы можете прочитать больше о том, как защитить процесс загрузки Windows 10.

Этапы загрузки операционных систем

Дело в том, что бумажная ленточка постепенно изнашивалась, начинала плохо читаться, и ЭВМ могла с первого раза «не завестись». В этом случае процесс нужно было повторять, порой несколько раз, до победного конца. Когда ленточка окончательно выходила из строя и машина никак не хотела «оживать», приходилось временно вводить программу начальной загрузки вручную при помощи расположенных на передней панели переключателей. Тут, главное, было не торопиться и не делать ошибок.

В современных компьютерах процесс загрузки большей частью автоматизирован, однако это не означает, что он не заслуживает того, чтобы с ним познакомиться.

Основные определения и этапы загрузки операционной системы

Включение компьютера, POST, BootMonitor

Загрузчик 1-го уровня. Master Boot Record

Главной задачей программы, записанной в MBR, является поиск активного системного раздела диска и передача управления его загрузочному сектору. Таким образом, эту стадию можно назвать подготовительной, в силу того, что непосредственно загрузки самой ОС еще не происходит.

Системным принято называть раздел диска (устройства хранения) на котором расположены файлы операционной системы, отвечающие за процесс загрузки ОС (сама операционная система может размещаться в другом разделе). В принципе, системных разделов может быть несколько, поэтому один из них отмечается как активный. Именно его ищет программа, загруженная с MBR.

Загрузчик 2-го уровня. Partition Boot Sector

Начальный этап загрузки операционной системы. Менеджер загрузки ОС

Первоначально в Linux загрузчиком являлся LILO (Linux Loader). В силу имевшихся в нем недостатков, главным из которых была неспособность понимать используемые в Linux файловые системы, позднее начал использоваться загрузчик GRUB (GRand Unified Bootloader) в котором недостатки LILO были исправлены.

Если речь идет о версиях Windows до Vista, например, Windows XP, то будет загружен Ntldr. Он, в свою очередь, считывает информацию из текстового файла Boot.ini, в котором записана информация об установленных операционных системах.

Загрузка ядра операционной системы

Завершающим этапом загрузки операционной системы является загрузка ядра ОС и передача ему управления.

Видимо Microsoft как то узнала об этом случае и в следующей версии своей ОС решила припрятать файлы загрузчика получше.

Особенности загрузки операционных систем Windows Vista / 7 / 8

В Windows Vista или Windows 7 / 8 диспетчер загрузки называется Bootmgr. Он читает список установленных операционных систем не из простого текстового файла, коим является boot.ini, а из системного хранилища BCD (Boot Configuration Data), доступ к которому осуществляется посредством специальной утилиты bcdedit.exe .

Но это еще не все. Откроем “Управление компьютером” –> “Управление дисками” >

Процесс стандартной инсталляции операционной системы Windows Vista / 7 / 8 создает в начале диска дополнительный раздел «Зарезервировано системой». Ему не присваивается буква диска, благодаря чему, если не сделать дополнительных шагов, и сам раздел и его содержимое будут скрыты от пользователя. Этот основной раздел имеет статус «Системный» и «Активный» и, следовательно, удалить его тоже нельзя.

В Windows 7 размер такого раздела составляет 100 МБ, из которых занято около 30 МБ, в Windows 8 – уже 350 МБ, причем занято из них 105 МБ. Такая разница объясняется тем, что в Windows 8 на этот раздел перенесена папка “Recovery”.

Посмотрим содержимое раздела «Зарезервировано системой». Для этого назначим ему букву диска, например, «W» в “Управление дисками”. Дополнительно откроем «Панель управления» –> «Параметры папок» и на вкладке «Вид» снимем галку с «Скрывать защищенные системные файлы» и поставим отметку на «Показывать скрытые файлы, папки и диски».

Если в системе установлен файловый менеджер FAR Manager, то для просмотра можно воспользоваться им и не заниматься настройкой видимости скрытых файлов.

Так выглядит содержимое раздела «Зарезервировано системой» в Windows 8 >

Как и ожидалось, в корне раздела мы видим загрузчик Bootmgr.

А так выглядит часть содержимого папки «Boot» >

В папке мы находим базу хранилища данных конфигурации загрузки BCD и сопутствующие ей папки с языковыми файлами и файлами шрифтов.

Для полноты картины осталось сказать о том, какой раздел называется загрузочным. Ответ уже показан на картинке с томами Windows 7. Очевидно, что это раздел, на котором находятся все основные файлы операционной системы.

Главной задачей загрузчика 3-го уровня, в роли которого выступает, в зависимости от типа ОС, Bootmgr, Ntldr или GRUB, является чтение с загрузочного диска и загрузка ядра операционной системы. Кроме того, в случае множественной загрузки, когда на компьютере установлено несколько операционных систем, загрузчик 3-го уровня позволяет выбирать нужную при каждом запуске компьютера.

Добавить к этому практически нечего и можно переходить непосредственно к редактированию загрузочного меню. Начнем с загрузочного меню Windows.

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. 1.

Рис. 1 Алгоритм загрузки операционной системы с диска в оперативную память

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

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).

Нулевой сектор физического жёсткого диска содержит так называемую главную загрузочную запись(MBR — Master Boot Record). При начальной загрузке компьютера с жёсткого диска BIOS считывает этот сектор в оперативную память и передаёт управление содержащемуся в нём коду начального загрузчика;

Запомните! Для повторной загрузки операционной системы в память нажать одновременно клавиши <Ctrl> <ALT> <Del>.

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)

После окончания работы файла AUTOEXEC.BAT, а также если этот файл не обнаружен, на экран дисплея будет выдано приглашение системного диска, напримерC:\>.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.

Последовательность загрузки компьютера

В перечне устройств для загрузки обязательно должен быть жесткий диск. Если он не указан первым, то нужно извлечь носители из всех дисководов. Если же в системе присутствуетнесколько жестких дисков, необходимо проверить, чтобы в списке загрузки значился именно тот накопитель, на котором установлена операционная система.
В первом секторе жесткого диска должны быть правильная загрузочная запись и таблица разделов. Один из разделов должен быть помечен как активный, а в его первом секторе необходимо наличие загрузчика операционной системы.

Нужные данные записываются в загрузочные области диска во время инсталляции операционной системы, а если загрузочные области повреждены, их можно восстановить, загрузившись с помощью консоли восстановления.

В корневой папке загрузочного раздела должны находиться следующие файлы:

ntldr — загрузчик операционной системы;

boot. ini — текстовый файл со сведениями об установленных операционных системах;

ntdetect. com — модуль для сбора информации об имеющемся оборудовании;

bootsect. dos — файл с копией загрузочного сектора для загрузки Windows 9х, если такая возможность предусмотрена конфигурацией системы;

ntbootdd. sys — необязательный файл, но он необходим для использования жестких дисков SCSI, не поддерживаемых BIOS;

По пути, указанному в файле boot.ini, должна находиться папка с установленной копией Windows и со всеми необходимыми системными файлами.

Условия для начала загрузки Windows Vista, 7, 8, 10 сходные, но имена загрузочных файлов будут другими.

Каждый сетевой администратор постоянно сталкивается с ситуацией, когда пользователи, жалующиеся на неполадки, произносят туманную фразу, которая может слегка испортить настроение: «Компьютер не запускается!» Обычно при этом пользователи сообщают, что нечто непредвиденное произошло в процессе загрузки — либо во время самотестирования компьютера (Power On Self Test, POST), либо во время процедур начальной загрузки Windows. Для диагностики и устранения подобных проблем администратор должен понимать, что происходит в процессе загрузки.

Включение питания

Не жалуется ли пользователь, что ничего не происходит, когда он нажимает кнопку питания? Если да, то сначала проверьте кабель.

Вот старый администраторский трюк на случай, если проходится иметь дело с выключенным из розетки компьютером при разговоре с пользователем по телефону. Пользователи часто не проверяют, включен ли их компьютер в розетку, а когда вы указываете им на такую возможность, возмущаются. Пользователь может воскликнуть: «Конечно, он включен!», но следует проверить, правда ли это. Попросите пользователя вынуть вилку из розетки и вставить заново, ссылаясь на необходимость «проверить полярность». Постарайтесь не хихикать. Просто невероятно, как часто пользователи отвечают: «О, сработало!»

Если дело не в вилке, то, возможно, в источнике бесперебойного питания — тоже уязвимом аппаратном компоненте системе. Источники бесперебойного питания стоят недорого, но замена аккумуляторов в них — утомительная и трудоемкая задача.

Проверка оборудования и BIOS

Если во время POST обнаруживается ошибка жесткого диска, значит, работа предстоит немалая. Вообще-то я обнаружила, что в половине случаев проблема оказывается в контроллере, а не в самом диске, и замена контроллера позволяет диску нормально выполнять загрузку с сохранением всех данных неповрежденными (все гениальное просто!). Если контроллер жесткого диска первоначальной комплектации выходит из строя, не нужно сразу бежать за новой материнской платой. Достаточно купить новый контроллер. Вместо поиска встроенной микросхемы прочитайте в документации к материнской плате, что необходимо сделать, чтобы BIOS видел новую плату.

Если проблема действительно в диске, задача не ограничивается только заменой контроллера. Помимо замены диска придется переустановить операционную систему и приложения, а также выполнить восстановление данных из резервной копии, которая, конечно, датирована вчерашним днем, не правда ли?

Управление передается записи Master Boot Record

Далее компьютер начинает загрузку операционной системы. Во время установки программа загрузки Windows помещает данные на первый сектор главного раздела компьютера (загрузочный сектор). Эти данные — не что иное, как Master Boot Record, MBR (главная загрузочная запись), которая содержит исполняемые команды. Программа установки также копирует два файла, инициирующие начальный этап загрузки Windows, — Ntldr и Ntdetect — в корневой каталог загрузочного диска. Кроме того, Windows Setup копирует boot.ini, файл, содержащий параметры загрузки, в корневой каталог загрузочного диска.

Кроме исполняемых команд, MBR содержит таблицу, определяющую расположение главных разделов диска. При установке Windows необязательно делать так, чтобы системный раздел и загрузочный раздел совпадали, хотя это распространенный подход. Загрузочные файлы Windows расположены в системном разделе, а файлы операционной системы — в загрузочном (логика именования отстала от жизни).

Системный раздел содержит файлы привязки к аппаратным компонентам, которые необходимы для загрузки Windows, включая MBR. Этот раздел должен быть главным разделом и отмечается как активный. Это всегда диск 0, поскольку именно к этому диску обращается BIOS, чтобы передать процесс загрузки файлу MBR. Загрузочный раздел содержит файлы операционной системы (папка \%systemroot%) и файлы поддержки операционной системы (\%systemroot%System).

На последнем шаге аппаратной части начальной загрузки компьютер считывает файл MBR в память и передает управление компьютером коду в MBR. Исполняемый код просматривает таблицу главного раздела и ищет отметку, указывающую на загружаемый раздел. Когда MBR находит первый загружаемый раздел, он считывает первый сектор раздела, который является загрузочным сектором.

Запуск Ntldr

Код загрузочного сектора считывает Ntldr в память, чтобы запустить процесс начальной загрузки операционной системы. В Ntldr хранится доступный только для чтения код NTFS и FAT. Он начинает работать в реальном режиме, и первая выполняемая им задача заключается в переключении системы в некоторую форму защищенного режима. Более подробно об этих режимах рассказано во врезке «Реальный режим против защищенного». Этот первоначальный вариант защищенного режима не может в полной мере выполнять аппаратно-зависимых преобразований, которые обеспечивают защиту оборудования, — данная функция становится доступной, когда операционная система загрузится полностью.

Запуск Ntdetect

Ntldr запускает Ntdetect, который запрашивает BIOS системы о данных конфигурации устройств. Система отправляет информацию, которую Ntdetect собирает в реестр и помещает в подразделы HKEY_LOCAL_MACHINEHARDWARE DESCRIPTION.

Запуск Ntoskrnl и загрузка HAL

После того как Ntdetect закончит выполнение подпрограмм проверки оборудования, он передает процесс загрузки обратно файлу Ntldr, который запускает ntoskrnl.exe и загружает .dll-файл Hardware Abstraction Layer (HAL). (Оба файла расположены в папке \%systemroot%system32.) Ntoskrnl — это главный файл ядра Windows и исполнительных подсистем. Он содержит Executive, Kernel, Cache Manager, Memory Manager, Scheduler, Security Reference Monitor и другие. Именно Ntoskrnl приводит в действие Windows. Для работы Ntoskrnl необходим файл hal.dll, который содержит код, позволяющий оборудованию взаимодействовать с операционной системой.

Загрузка драйверов и служб

Теперь Ntldr загружает низкоуровневые системные службы и драйверы устройств, но службы не инициализируются — это происходит позже. На этом фаза начальной загрузки завершается и начинается процесс основной загрузки (load sequence или kernel phase).

При загрузке системных служб и драйверов устройств Ntldr следует определенному порядку. В процессе установки Windows драйверы и системные службы копируются на компьютер, а информация о них записывается в реестр. Данные в реестре представляют собой шестнадцатеричную запись, оканчивающуюся числом в круглых скобках. Это число и определяет порядок, в котором Ntldr загружает драйверы и системные службы. Для примера следует открыть реестр и перейти в раздел HKEY_LOCAL_MACHINESYSTEM CurrentControlSetServices. На экране появится длинный список служб и драйверов устройств. Выберите любой подраздел и взгляните на данные типа REG_DWORD под именем Start.

(0) означает, что служба загружается во время фазы основной загрузки.
(1) означает, что служба загружается во время фазы инициализации (следующая фаза).
(2) означает, что служба загружается во время фазы загрузки, предназначенной для служб.
(3) означает, что служба включена, но не инициализируется (запуск службы осуществляется вручную через оснастку Services консоли Microsoft Management Console (MMC)).
(4) означает, что служба отключена.

Загрузка операционной системы

Ntoskrnl начинает загрузку операционной системы. Инициализируется ядро Windows и загружаются и инициализируются подсистемы. Эти действия формируют базовые элементы, необходимые для завершения загрузки операционной системы. Загрузочные драйверы, которые модуль Ntldr загрузил ранее, теперь инициализируются, вслед за чем инициализируются оставшиеся драйверы и службы. Когда инициализируются драйверы первого уровня, может возникнуть проблема в виде ошибки STOP или Blue Screen of Death. Это почти всегда бывает в процессе первой загрузки после обновления какого-либо драйвера. Во время инициализации драйвера файлом Ntoskrnl операционная система отторгает его.

Для решения проблемы необходимо перезагрузить компьютер, нажать F8 для отображения меню дополнительных возможностей (Advanced Options) и выбрать вариант загрузки последней успешной конфигурации (Last Known Good Configuration), соответствующей предыдущей версии драйвера.

Теперь ядро Windows и исполняющие модули работоспособны. Программа Session Manager Subsystem (smss.exe) настраивает пользовательскую среду. Система выполняет сверку с реестром, для того чтобы иметь возможность начать загрузку оставшихся драйверов и программного обеспечения, которые необходимо добавить. Ядро операционной системы также загружает файлы kernel32.dll, gdi32.dll и user32.dll, которые обеспечивают программное обеспечение пользователя доступом к Win32 API.

В то время когда загрузка ядра и инициализация драйверов еще не закончилась, компьютер регистрируется в домене. Используя учетную запись компьютера (уникальное имя с собственным паролем), компьютер открывает защищенный канал к контроллеру домена (DC). Все это происходит до того, как на экране появляется диалоговое окно для регистрации пользователя в системе.

В качестве дополнительной меры безопасности компьютеры (как и пользователи в сети с усиленной настройкой системы безопасности) должны периодически менять пароли. По умолчанию интервал смены пароля составляет 30 дней. Когда настает время менять пароль, компьютер генерирует новый пароль и отправляет его по защищенному каналу (доступ к которому он получил, используя предыдущий пароль) на ближайший DC. В дальнейшем для доступа к защищенному каналу компьютер должен использовать новый пароль.

DC немедленно обновляет свою базу данных и реплицирует изменение пароля компьютера на другие DC домена. Пароли учетных записей компьютера содержат отметку о событии первостепенной важности (Announce Immediately), поэтому они не дожидаются следующей репликации DC по расписанию. Иногда эти события могут вызывать заметное снижение производительности. Если у многих или у всех компьютеров домена срок действия паролей заканчивается в один и тот же день, работа, которую должны будут выполнить контроллеры домена, сразу же затормозит другие важные задачи DC, такие как аутентификация пользователей или выполнение запланированных репликаций. Ситуация может осложниться еще и в том случае, если DC предоставляет другие услуги, такие как, например, услуги сервера DNS. Можно изменить способ обслуживания паролей компьютера для домена, для организационной единицы (OU) и для индивидуального компьютера, хотя стремление повысить производительность путем настройки компьютеров по одному неэффективно. В следующей статье я планирую рассказать о методах изменения процедуры регистрации компьютера в домене.

Загрузка служб регистрации пользователя

Подсистема Win32 запускает winlogon.exe, которая выводит на экран диалоговое окно регистрации пользователя и загружает процесс Local Security Authority (lsass.exe). Начинается процесс регистрации, и пользователь должен ввести имя и пароль в диалоговом окне Windows Log On To. Если пользователь указывает правильные имя и пароль, система завершает процесс регистрации, и пользователь может начинать работать. В этот момент загрузка Windows окончена, а текущие параметры загрузки сохраняются в так называемой последней успешной конфигурации (Last Known Good Configuration). Нужно иметь в виду, что успешная регистрация пользователя необходима для сохранения Last Known Good Configuration.

Действительно, сбои во время загрузки мешают всем — и пользователям, и администраторам. Однако, если досконально разобраться в процессе загрузки, проблемы становятся менее устрашающими и администраторам удается без труда решить их.

Реальный режим против защищенного

Тем, кто работает с компьютерами со времен DOS, будет легко понять разницу между реальным и защищенным режимом. Но для тех, чье знакомство с компьютером состоялось после распространения Windows, она может быть не столь очевидной.

Если компьютер работает в реальном режиме, программы взаимодействуют непосредственно с его портами и устройствами. Например, когда происходит печать документа, программа отправляет поток данных прямо на порт принтера. Однако эта парадигма не подходит для многозадачной операционной системы. Представьте, что произойдет, если несколько программ станут одновременно отправлять потоки данных на порты компьютера. Порты недостаточно интеллектуальны и не имеют никакой возможности фильтровать или упорядочивать потоки данных в соответствии с отправляющими программами.

Если компьютер работает в защищенном режиме, порты и устройства системы защищены от приложений, которые их используют. Программа полагает, что отправляет данные на порт, но это виртуальный порт. Операционная система перехватывает поток данных и управляет им так, чтобы все приложения имели равный доступ к устройствам и чтобы данные каждого приложения не смешивались с данными других приложений.

Читайте также: