От включения до полной загрузки OS Windows

Рассмотрим процесс включения компьютера до полной загрузки системы!

Полностью компьютер выключен когда он отключен от питания и конденсаторы на материнской плате разрядились. До эры смартфонов мобильные телефоны часто глючили и если перезагрузка не лечила проблему, то приходилось доставать батарею и ждать 10 секунд, потому что сбрасывалось программное состояние ОС, в то время как чипы на материнской плате и контроллеры устройств оставались активными сохраняя состояние, драйвера ОС к ним просто реконнектились. 10 секунд — время на разрядку конденсаторов, состояние чипов сбрасывается только при полном отключении.

Если же ПК подключен к розетке или батарее, то он находится в режиме Stand-By, это значит что по шине питания подаётся маленькое напряжения (5В) от которого запитываются некоторые чипы на материнке. Как минимум это системный контроллер, по сути это мини-компьютер запускающий большой компьютер. Получив уведомление о нажатии кнопки Power он просит блок питания/батарею подать больше напряжения и после инициализирует весь чип-сет, в том числе и процессор. Инициализация включает в себя перекачку кода и данных прошивки материнки (BIOS/UEFI) в оперативную память и настройку CPU на её исполнение.

Думать что кнопка Power это рубильник который подаёт электричество на CPU и тот начинает исполнять с заранее известного адреса прошивку BIOS неправильно. Возможно старые компьютеры так и работали. Кнопка включения находится на своей плате, вместе со светодиодами состояний и к материнке она подключается через специальный разъём. На картинке ниже видны контакты для кнопки Power, Reset, а также светодиодов с состоянием Power и чтения жёсткого диска. Нажатие кнопки включения переводится в сигнал на контакты материнки, откуда он достигает системный контроллер.

 

Контакты на материнке для подключения кнопки включения, светодиодов состояния Power, жёсткого диска и динамиков.

Плата ноутбука с кнопкой включения и светодиодом состояния.

Cистемный контроллер обладает огромными полномочиями – включать и выключать компьютер, исполнять код в режиме ядра. Помимо него могут быть и другие чипы со сравнимыми возможностями, такие как Intel Management Engine или AMD Secure Technology (часть CPU), которые так же работают когда компьютер «выключен». Чип с Intel ME имеет в себе x86 CPU с операционной системой MINIX 3. Что он может делать:

- Включать и выключать компьютер, т.е. выполнять программы имея доступ ко всей вычислительной мощности, периферии машины и сети.
- Обходить ограничения файервола.
- Видеть все данные в CPU и RAM, что даёт доступ к запароленным файлам.
- Красть ключи шифрования и получать доступ к паролям
- Логировать нажатия клавиш и движения мыши
- Видеть что отображается на экране
- Вредоносный код в Intel ME не может быть детектирован антивирусом, потому как на такой низкий уровень он добраться не может
- И конечно же скрытно отправлять данные по сети используя свой стек для работы с сетью.
Это вызывает серьёзные вопросы безопасности, потому как он может быть хакнут или использовать в шпионских целях.

Если вы задумаете установить мощную видеокарту (Nvidia 2070 S) на офисный ПК, то просто вставить её недостаточно, потому как она требует питание в 600W, в то время как такой ПК имеет блок на ~500W. Первое что придёт в голову – купить новый блок питания на 650W с отдельной линией для видеокарты. Но и здесь будут разочарования, потому как разъёмы материнки будут не совпадать с разъёмами БП, а если его отдельно воткнуть в розетку и подключить к видюхе тоже ничего не будет – в блоке питания вентилятор не крутится и изображения нет. Так происходит, потому что БП должен получить сигнал от материнки на полное включение. Очевидное решение – новая материнка с совместимыми разъёмами, однако она стоит ~$300. Есть решение проще, хоть оно и вызывает опасения пожаробезопасности. Берём скрепку, разгибаем и вставляем в зелёный (PS_ON) и один из чёрных пинов (COM). Теперь всё должно работать.

Поиск загрузчика ОС

Есть два вида прошивки материнки – BIOS (Basic Input Output System) на старых машинах и UEFI (Unified Extensible Firmware Interface) на новых. Windows 10 поддерживает обе и абстрагирует различия между ними. UEFI правильней называть ОС чем прошивкой, потому как он предлагает больше возможностей, к примеру богатый графический интерфейс вместо текстового, наличие мышки, больший объём доступной памяти, улучшенная модель безопасности и валидации файлов ОС, взаимодействие с железом через API, вместо прерываний как в BIOS.

Пример экрана монитора BIOS

Программа BIOS хранится на отдельном чипе, подключенном к Южному мосту. Этот чип можно достать и перепрошить новой программой, по факту это просто носитель памяти, а не самостоятельный микрокомпьютер.

Настройки BIOS (системное время, например), хранятся на другом чипе который как правило находится возле круглой батарейки, которая на самом деле является литиевым аккумулятором, подзаряжающимся во время работы ПК. Называется он CMOS, что означает Complementary Metal Oxide Semiconductor, а по-русски просто — КМОП, что есть комплементарная структура металл-оксид-полупроводник.

Первым делом программа BIOS выполняет проверку подсистем, эта процедура называется POST – Power On Self Test. Тест может быть сокращённый либо полный, это задаётся в настройках BIOS.  

 

Сокращённый тест включает:

Проверку целостности программ BIOS в ПЗУ, используя контрольную сумму.
Обнаружение и инициализацию основных контроллеров, системных шин и подключённых устройств (графического адаптера, контроллеров дисководов и т. п.), а также выполнение программ, входящих в BIOS устройств и обеспечивающих их самоинициализацию.
Определение размера оперативной памяти и тестирования первого сегмента (64 килобайт).

Полный регламент работы POST:

Проверка всех регистров процессора;
Проверка контрольной суммы ПЗУ;
Проверка системного таймера и порта звуковой сигнализации (для IBM PC — ИМС i8253 или аналог);
Тест контроллера прямого доступа к памяти;
Тест регенератора оперативной памяти;
Тест нижней области ОЗУ для проецирования резидентных программ в BIOS;
Загрузка резидентных программ;
Тест стандартного графического адаптера (VGA или PCI-E);
Тест оперативной памяти;
Тест основных устройств ввода (НЕ манипуляторов);
Тест CMOS;
Тест основных портов LPT/COM;
Тест накопителей на гибких магнитных дисках (НГМД);
Тест накопителей на жёстких магнитных дисках (НЖМД);
Самодиагностика функциональных подсистем BIOS;
Передача управления загрузчику. По результатам этого теста может быть обнаружена неисправность, к примеру нерабочая видеокарта или клавиатура. Поскольку экран монитора может не работать результаты тестов сообщаются в виде последовательности звуковых сигналов разной высоты. Что конкретно они значат надо смотреть в документации к материнской плате. Старые компьютеры часто бибикали во время старта — это программа BIOS сообщала о результатах тестов. Иногда может дополнительно использоваться индикатор, показывающий номер ошибки.

Если всё прошло успешно, BIOS начинает процесс поиска загрузчика ОС. Для этого он начинает просматривать все подключенные к материнской плате жёсткие диски. Данные на физических дисках адресуются в единицах называемых сектор, обычно он 512 байт, однако современный стандарт – 4096 байт. Установщик Windows в самый первый сектор на диске записывает специальный программный код и данные о разделах. Этот сектор называется Master Boot Record. Диск разбивается на разделы (partitions), отформатированный своей файловой системой. Максимум 4 раздела, каждый из который может быть расширенным (extended partition), такой можно рекурсивно делить на 4 раздела и теоретически их число не ограничено. Как только BIOS находит Master Boot Record он считывает оттуда код и передаёт ему управление. Этот код поочередно просматривает данные о разделах и находит тот который помечен как активный, в нём находится код загрузчика Windows (Это не раздел с C:\Windows\System32!), этот раздел называется system partition. Как правило он занимает 100Мб и скрыт от пользователя. В первом секторе этого раздела хранится загрузочный код, которому передаётся управление. Это volume boot sector, код в нём ищет файл Bootmgr, с которого и начинается процесс загрузки Windows. Файл Bootmgr создан через соединение в один файлов Startup.com и Bootmgr.exe.

Процессор начинает свою работу в режиме который называется «Реальный». Это режим совместимости, в нём CPU работает так же как и старые 16-bit процессоры, не имевшие поддержки виртуальной памяти и работавшие напрямую с физической памятью через 20-bit шину адресов, позволявшую адресовать 1Мб памяти. Простые MS-DOS программы выполнялись в этом режиме и имели расширение .COM. Первое что делает Startup.com (Bootmgr) – переключает процессор в режим «Защищённый», где под защитой понимается защита процессов друг от друга. В этом режиме поддерживается виртуальная память и 32х битные адреса, которыми можно адресовать 4Гб оперативной памяти. Следующим этапом Bootmgr заполняет таблицу виртуальных адресов на первые 16Мб RAM и включает трансляцию с виртуальных адресов в физические. В этом режиме и работает Windows. Поскольку на этом этапе подсистемы ОС ещё не созданы, Bootmgr имеет свою простую и неполную реализацию файловой системы NTFS, благодаря которой он находит BCD файл (Boot Configuration Data), в котором хранятся настройки параметров загрузки ОС. Вы можете редактировать его через утилиту BcdEdit.exe. В этих настройках BCD может быть указано, что Windows была в состоянии гибернации, и тогда Bootmgr запустит программу WinResume.exe, которая считывает состояние из файла Hyberfil.sys в память и перезапускает драйвера. Если BCD говорит, что есть несколько ОС, то Bootmgr выведет на экран их список и попросит пользователя выбрать. Если ОС одна, то Bootmgr запускает WinLoad.exe, этот процесс и выполняет основную работу по инициализации Windows:

Выбирает соотвествующую версию ядра Windows. Можете думать о нём как о Windows10.exe, хотя на самом деле он называется NtOsKrnl.exe. Какие есть версии? Согласно википедии:ntoskrnl.exe — однопроцессорное ядро Windows. без поддержки режима PAE
ntkrnlmp.exe (англ. NT Kernel, Multi-Processor version) — многопроцессорное ядро Windows. без поддержки режима PAE
ntkrnlpa.exe — однопроцессорное ядро Windows с поддержкой режима PAE.
ntkrpamp.exe — многопроцессорное ядро Windows с поддержкой режима PAE.
Загружает HAL.dll (Hardware Abstraction Layer), который абстрагирует особенности материнки и CPU.
Загружает файл шрифтов vgaoem.fon
Загружает файлы в которых содержится инфомрация о представлениях даты времени, форматов чисел и пр. Эта функциональность называется National Language System.
Загружает в память реестр SYSTEM, в нём содержится информация о драйверах которые надо загрузить. Информация о всех драйверах находится в HKLM\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\. Драйвера которые надо загрузить имеют ключ start = SERVICE_BOOT_START (0). Об устройстве реестра мы поговорим в другой статье.
Загружает драйвер файловой системы для раздела на котором располагаются файлы драйверов.
Загружает драйвера в память, но пока не инициализирует их из-за круговых зависимостей.
Подготавливает регистры CPU для выполнения ядра Windows выбранного на первом шаге – NtOsKrnl.exe.

Во время загрузки драйверов WinLoad проверяет их цифровые подписи и если они не совпадают, то будет синий (BSOD) или зелёный (GSOD, для insider preview сборок) «экран смерти».

Таким образом происходит загрузка компьютера от включения кнопки питания до запуска системы Windows!