Mnoho uživatelů používá různé na sobě nezávislé operační systémy. Avšak existuje i mnoho firem, které vlastní starší programy vyžadující jiný operační systém, než mají nainstalován. V tomto případě by mohly připadnout v potaz dvě možnosti. Buď se vzdát svého zastaralého programu ve prospěch operačního systému, nebo využít služeb boot manažeru pro zavedení různých operačních systémů.

Tvorba boot managerů je ojedinělou záležitostí vzhledem k nízké úrovni programovacího jazyka assembler, ve kterém se zavaděče programují. Většina boot managerů pochází od firem zabývajících se přímo tvorbou operačních systémů, např. Windows NT, OS/2 a mnohá další.

1 Popis geometrie disku

1.1 Základní pojmy

· pevný disk (harddisk) – tvořen několika plotnami neboli talíři disku, které jsou umístěny nad sebou a jsou uloženy ve vzduchotěsné a prachotěsné schránce.

· povrch, strana (surface, side) – vrchní nebo spodní strana plotny harddisku.

· hlava (head) – čtecí a zapisovací zařízení. Počet hlav pevného disku většinou souhlasí s počtem povrchů harddisku.

· stopa (track) – jeden soustředný kruh na jednom povrchu, je číslována od nuly. Čím více stop se na pevném disku dá naformátovat, tím větší je jeho hustota.

· válec (cylinder) – stopa promítnutá na všech površích. Označení „válec“ se používá častěji u disku.

· sektor (sector) – na každé stopě je pevný počet úseků (sektorů) o neměnné velikosti, obvykle 512 bajtů.

Celková kapacita disku v bajtech = počet povrchů * počet stop * počet sektorů * velikost sektoru

Celá první stopa za tabulkou rozdělení disku (obvykle první stopa na disku) je vyhrazena pro systém. Většinou jsou v ní uloženy boot zavaděče, boot managery nebo bootovací viry.

Textové pole:

Obrázek 1.1.1: Popisující geometrii disku

1.2 Prokládání dat

Rychlost otáčení ploten je poměrně vysoká, může se stát, že poté, co je přečten (zapsán) jeden sektor a data jsou předána dále, dojde k pootočení disků, takže čtecí (zapisovací) hlavy se nenacházejí nad následujícím sektorem, ale až nad některým z dalších sektorů. Bylo by tedy nutné čekat další otáčku, než čtecí (zapisovací) hlavy budou nad požadovaným sektorem, a pak by se situace znovu opakovala. Protože tento způsob by velmi zpomaloval práci pevného disku, zavádí se tzv. faktor prokládání pevného disku. Jedná se o techniku, při které nejsou data zapisována (a posléze čtena) do za sebou následujících sektorů, ale jsou během jedné otáčky disku zapisována vždy do každého n-tého sektoru (faktor prokládání 1:n). Číslo n je voleno tak, aby po přečtení a zpracování dat z jednoho sektoru byla čtecí (zapisovací) hlava nad dalším požadovaným sektorem.

Vzhledem k tomu, že se pohybují současně všechny (čtecí/zapisovací) hlavičky, je rychlejší zapisovat do stejné stopy na více plotnách, než zaplňovat nejdříve jedenu plotnu a pak postupně další.

Textové pole: Obrázek 1.2.1 Prokládání

faktor prokládání 1:1 Textové pole: Obrázek 1.2.2 Prokládání

faktor prokládání 1:3

1.3 Zápis dat

Textové pole:
Obrázek 1.3.1: Směr magnetizace

Cívka, kterou prochází proud, vytváří magnetické pole, které je vedeno přes jádro zapisovací hlavy k magnetické vrstvě. V místě štěrbiny působí magnetické pole na materiál. Směr magnetizace závisí na směru zápisového proudu. Velikost zmagnetování závisí na šířce štěrbiny.

Textové pole:
Obrázek 1.3.2: Zápis dat přes cívku

1.4 Čtení dat

Je založeno na principu elektromagnetické indukce. Na vývodech cívky, která se nachází v magnetickém poli, lze naměřit napětí vždy ve chvíli, kdy se toto pole mění. tzn. při přechodu 0 na 1 a z 1 na 0 se indukuje v cívce napětí. Z tohoto napětí se získává (odvozuje) zapsaná informace.

Textové pole:
Obrázek 1.4.1: Čtení zapsané informace

2 Popis použitých služeb BIOSu

Služeb BIOSu je možné využít hned po startu počítače. Přes tyto služby se přistupuje ke grafické kartě, seznamu zařízení, velikosti volné paměti, diskovým operacím, portům, klávesnici, tiskárně atd.

2.1 Služby BIOSu pro přímý přístup k disku

Přes přerušení (interrupt - INT) 13H lze přistupovat přímo k řadiči diskety nebo harddisku. V mnoha případech bezpečnostních systémů se tato služba „zastřešuje“, to znamená, že vývojář je donucen přistupovat k disku v rámci poskytnutých služeb operačního systému. Jakoukoliv jinou cestu k disku systém zamítne. Pro adresaci jednoho sektoru v rámci disku se nejčastěji používají formáty CHS a LBA.

2.2 CHS formát (Cylinder Head Sector)

U CHS formátu je sektor definován Cylindrem/Hlavou/Sektorem což znamená, že jde o fyzické umístění sektoru na médiu (třírozměrná adresa). U fyzického číslování začíná sektor od hodnoty jedna. CHS formát je používán všemi BIOSy, ale je omezený velikostí disku (viz tabulka 2.3.3).

2.3 LBA formát (Linear Block Address)

LBA znamená sekvenční přístup k sektorům disku. Ty mají jedinečné číslo a jsou číslovány od nuly. Na celé médium je pohlíženo jako na jednorozměrné pole sektorů. LBA formát je podporován pouze BIOSy, které nejsou příliš staré.

Textové pole: Obrázek 2.3.1: Vztah mezi CHS a LBA sektory na disketě 720KB. Hlav (povrchů) 2, stop 80, sektorů 9

Tabulka 2.3.1: Souhrn použitých funkcí INT 13H

registr AH	popis
00H	reset disku – také rekalibrace kontroléru
02H	čti sektory do paměti
42H	čti sektory do paměti - ROZŠÍŘENÁ SLUŽBA BIOSu

Tabulka 2.3.2: Resert-rekalibrace disku (AH=00H)

AH=00H	registr	popis
vstup	DL	číslo diskové jednotky (7 bit je pro hard disk)
výstup	-	-

Jak už název funkce napovídá, jedná se o rekalibraci diskových hlav a posun na 0. stopu.

Tabulka 2.3.3: Čti sektory do paměti (AH=02H)

AH=02H	registr	popis
vstup	AL	počet sektorů ke čtení (nesmí být nula)
	CH	číslo cylindru 0-1023 (bity 0-9)
	CL	číslo sektoru 1-63 (bity 0-5) viz obrázek 3.2.1
	DH	číslo hlavy
	DL	číslo diskové jednotky (7 bit je pro hard disk)

Tabulka 2.3.3: pokračování

vstup	ES:BX	adresa buferu
výstup	AH	kód chyby disku, je-li CF nastaven na CY (viz tabulka 2.6.1)
	ES:BX	adresa buferu obsahující přečtená data
	AL	počet přečtených sektorů

V dnešní době je tato funkce zastaralá. Problém spočívá v možnosti přistupovat k maximální kapacitě disku 8 455 716 864 bytů (8 GiB). Ve formátu CHS, který je uložen v Partition table (viz PT 3.2). Při volání BIOSových funkcí, je možné použít maximálně 24 bitů. S 24-bitovou hodnotou a sektorem o velikosti 512 bajtů, lze přistupovat ke všem sektorům na disku do již zmíněné hranice 8 GiB. Kvůli zachování funkčnosti starších operačních systémů, zůstala služba AH=02H nezměněna. Registry ES:BX musí ukazovat na adresu alokované paměti, kde budou data po přečtení z disku uložena.

Tabulka 2.3.4: Rozsahy geometrie disku u funkce AH=02H

cylindr	hlava	sektor
0..1023 (10 bitů)	0..255 (8 bitů)	1..63 (6 bitů)

Příklad 2.3.1:

Výpočet maximální velikosti disku u služby AH=02H

(C * H * S) * 512 = (1024 * 63 * 256) * 512 = 8 455 716 864 bajtů

Příklad 2.3.2:

	Je předpokládáno, že je již alokovaná paměť o velikosti nejméně 512 bajtů a registry BX:ES jsou nastaveny na tuto paměť. Připravené hodnoty pro čtení dat jsou: hlava = 0, cylindr = 550, sektor =1.
;ES:BX - adresa alokované paměti MOV DL,80H ; disk hda MOV DH,BYTE PTR [Param] ; číslo hlavy MOV CX,WORD PTR [Param+01H] ; číslo sektoru + cylindru MOV AH,02H ; funkce pro čtení dat MOV AL,01H ; počet sektorů k přečtení INT 13H ; volání služby BIOSu NOP ; prázdná instrukce Param DB 00H,81H,26H ; uložené parametry C/H/S

Tabulka 2.3.5: Čti sektory do paměti (AH=42H) – ROZŠÍŘENÁ SLUŽBA BIOSu

AH=42H	registr	popis
vstup	DL	číslo diskové jednotky (7 bit je pro hard disk)
	DS:SI	adresa struktury LBA (viz tabulka 2.3.6)
výstup	AH	kód chyby disku, je-li CF nastaven na CY (viz tabulka 2.6.1)

Problém přístupu k větším diskům, něž je 8 GiB, řeší služba AH=42H, která umí pracovat s diskem o velikosti 2^64 sektorů, tedy 8 biliónů TB. V dnešní době je pro LBA adresování rezervována 32-bitová hodnota v partition table o velikosti 2048 GB tedy 2^32. Toto adresování se nazývá LBA32. Registry DS:SI ukazují na adresu struktury (viz níže).

Tabulka 2.3.6: Formát paketu LBA

relativní adresa	délka	popis
00H	BYTE	velikost paketu (10H nebo 18H)
01H	BYTE	rezervováno (0)
02H	WORD	velikost bloku k přenosu (maximálně 007Fh pro Phoenix)
04H	DWORD	cílová adresa buferu
08H	QWORD	začátek absolutního bloku (LBA zařízení)
10H	QWORD	64-bitová cílová adresa buferu; použije se jestliže pole 04h je rovno FFFFH:FFFFH

Příklad 2.3.3:

Přepočet hodnoty z C/H/S do LBA. Geometrie disku: cylindr = 609, hlav = 32, sektor = 63. Blok o velikosti 512 bajtů, který se má přečíst z disku je uložen v cylindru = 319, hlav = 22, sektor = 54.

početSektorůNaStopu = sektor = 63 ; CelkemHlav = hlav = 32

(VybranýCylindr * CelkemHlav + VybranáHlava) * početSektorůNaStopu + VybranýSector - 1 = (319 * 32 + 22) * 63 + 54 – 1 = 644 543 LBA32

Příklad 2.3.4:

Výpočet hodnoty z LBA do C/H/S. Geometrie disku je stejná jako u příkladu 2.3.3

sektor = (LBA32 MOD CelkemSektorůNaStopu)+1 = 644 543 % 63 + 1 = 54

temp = ( LBA32 / CelkemSektorůNaStopu) = 644 543 / 63 = 10 230

hlav = temp MOD CelkemHlavNaCylinder = 10230 % 32 = 22

cylindr = temp / CelkemHlavNaCylinder = 10230 / 32 = 319

MOD – dělení modulo (tj. zbytek po dělení)

/ - celočíselné dělení

Příklad 2.3.5:

Segment a ofset alokované paměti o velikosti 512 bajtů se uloží do položky Adr struktury LBA. Jestliže bude tato položka obsahovat adresu 0FFFFH:0FFFFH je nutné změnit velikost paketu v položce VelPack na hodnotu 18H a zároveň vyplnit i položku AdrEMS, která bude obsahovat adresu zabrané paměti v EMS.

;ES:BX - adresa alokované paměti

MOV AH,42H ; funkce pro čtení dat LBA

MOV DL,80H ; disk

MOV SI,OFFSET(LBA) ; ofsetová část struktury

MOV WORD PTR [Adr][2],ES ; segmentová cílová adresa

MOV WORD PTR [Adr][0],BX ; ofsetová cílová adresa

INT 13H ; volání služby BIOSu

NOP ; prázdná instrukce

LBA: ; struktura LBA paketu

VelPack DB 10H ; velikost paketu

Rez DB 00H ; rezervováno

VelBlk DW 0001H ; velikost bloku k přenosu

Adr DD 00000000H ; cílová adresa buferu

Pozice DQ 000000000009D5BFH ; hodnota LBA32

AdrEMS DB 08H DUP(0) ; adresa rozšířené paměti

2.4 Rozšířené služby BIOSu

Přerušení 15H poskytuje různé služby pro zařízení AT (služby OS, EMS, kazetopásková jednotka).

Tabulka 2.4.1: Souhrn služeb INT 15h

registr AH	popis
87H	přesuň blok z/do přídavné paměti
88H	vrať velikost přídavné (extended) paměti

Tabulka 2.4.2: Přesuň blok přídavné paměti (AH=87H)

AH=87H	registr	popis
vstup	CX	počet přesunovaných 16ti bytových slov (max. 8000H=32K)
	ES:SI	Globální Tabulka Deskriptorů (GDT) (viz tabulka 2.4.3)
výstup	AH	kód chyby disku, je-li CF nastaven na CY (viz tabulka 2.7.1)

Funkce AH=87H přesouvá blok dat z/do přídavné paměti mezi 1 Megabajtem a 16MB na počítačích 286 a vyšší). Před voláním funkce přesuň blok přídavné paměti je nutné řádně vyplnit tabulku deskriptorů, na kterou ukazují registry ES:SI (viz níže), podle které BIOS rozpozná, zda budou data přenášena z EMS do základní paměti či naopak. Po úspěšném ukončení volané funkce je registr AH naplněn hodnotou 0. V opačném případě chybovým kódem (viz tabulka 2.7.1). Obecně se nedoporučuje přenášet velké bloky. Při provádění této funkce je nastaven zákaz přerušení.

Tabulka 2.4.3: Globální tabulka deskriptorů (GDT - Global Descriptor Table)

relativní adresa	délka	popis
00H	16BYTEs	využito BIOSem (nastavené hodnoty 0)
10H	WORD	délka přenášených dat v bytech (2*CX-1 nebo větší)
12H	3BYTEs	24-bitová lineární zdrojová adresa, první bajt je nižší
15H	BYTE	bajt přístupových práv (93H)
16H	WORD	využito BIOSem (nastavené hodnoty 0)
18H	WORD	délka přenášených dat v bajtech (2*CX-1 nebo větší)
1AH	3BYTEs	24-bitová lineární cílová adresa, první bajt je nižší
1DH	BYTE	bajt přístupových práv (93H)
1EH	WORD	využito BIOSem (nastavené hodnoty 0)
20H	16BYTEs	využito BIOSem (nastavená hodnota 0)

Tabulka 2.4.4: Vrať velikost přídavné (extended) paměti (AH=87H)

AH=87H	registr	popis
vstup	-	-
výstup	AX	velikost rozšířené paměti v KB

Obrázek 2.4.1: Rozvržení základní paměti v reálném módu a EMS paměti v chráněném mód

Textové pole:

Výsledná hodnota této funkce je uložena do registru AX, která určuje počet navazujících 1K bloků nad 1M (1024K). Maximální hodnota v registru AX může být 16MB. I zde má tato funkce svou rozšířenou podobu AH=0C7H a registry DS:SI musí ukazovat na strukturu o velikosti 42 bajtů. Maximální výsledná hodnota paměti u této funkce je 4GB.

Příklad. 2.4.1:

Přenos jednoho bloku dat o velikosti 512 bajtů ze základní paměti do rozšířené[1].

Předpoklad: Zdrojová adresa je již alokována a obsahuje přečtená data ze souboru nebo výsledky výpočtu, které jsou nutné k pozdějšímu zpracování. Nejsou zde ošetřeny případné chybové stavy.

;ES:BX - 5000H:8400H (alokovaná zdrojová adresa)

MOV AH,88H ; Vrať velikost rozšířené paměti

INT 15H ; volání služby BIOSu

MOV BYTE PTR [OFFSET(SRC_LO)],00H

MOV WORD PTR [OFFSET(SRC_HI)],0584H

; do GDT tabulky uloží zdrojovou adresu

MOV BYTE PTR [OFFSET(DEST_LO)],00H

MOV WORD PTR [OFFSET(DEST_HI)],1000H

; do GDT tabulky uloží cílovou adresu

MOV AH,87H ; funkce pro přesun bloku do EMS paměti

MOV CX,100H ; počet přenášených dat (WORD)

MOV SI,OFFSET(GDT) ; získání ofsetové adresy GDT tabulky

INT 15H ; volání služby BIOSu

NOP ; prázdná instrukce

GDT: ; Globální Tabulka Deskriptorů

DB 10H DUP(0) ; využito BIOSem (nastavené hodnoty 0)

DW 0FFFFH ; délka přenášených dat v bytech

SRC_LO:

DB 00H ; lineární zdrojová adresa SRC_LO

SRC_HI:

DW 0000H ; lineární zdrojová adresa SRC_HI

DB 93H ; byte přístupových prav

DW 0000H ; využito BIOSem (nastavené hodnoty 0)

DW 0FFFFH ; délka přenášených dat v bytech

DEST_LO:

DB 00H ; lineární cílová adresa DEST_LO

DEST_HI:

DW 0000H ; lineární cílová adresa DEST_HI

DB 93H ; byte přístupových prav

DW 0000H ; Využito BIOSem (nastavené hodnoty 0)

DB 10H DUP(0) ; Využito BIOSem (nastavené hodnoty 0)

2.5 Video služby

Video služby (INT 10H) slouží k zobrazení údajů na monitor v grafickém i v textovém režimu.

Tabulka 2.5.1: Souhrn video služeb INT 10H

registr AH	popis
02H	nastav pozici kurzoru
06H	roluj okno nahoru
0EH	zapiš znak (emulace TTY)

Tabulka 2.5.2: Nastav pozici kurzoru (AH=02H)

AH = 02H	registr	popis
vstup	BH	video stránka (0..)
	DH	řádka (0..)
	DL	sloupec (0..)
výstup	-	-

Nastaví kurzor na určenou pozici. Při nastavení kurzoru pod poslední řádku obrazovky. Pak bude neviditelný, ale klasické procedury výstupu (používající funkci 0EH - TTY) nemusí pracovat korektně.

Tabulka 2.5.3: Roluj okno nahoru (AH=06H)

AH=06H	registr	popis
vstup	CH	řádka levého horního rohu okna (0..)
	CL	sloupec levého horního rohu okna (0..)
	DH	řádka pravého dolního rohu okna (0..)
	DL	sloupec pravého dolního rohu okna (0..)
	AL	počet řádek, které mají být odrolovány (0 = smaže celé okno)
	BH	video atribut, kterým mají být vyplněny nové řádky
výstup	-	-

Tato funkce může odrolovat nebo smazat okno na obrazovce. Roluje obdélník o 1 či více řádcích. Obdoba této funkce je „roluj okno dolu“ registr AH=07H.

Tabulka 2.5.4: Zapiš znak (emulace TTY) (AH=0EH)

AH=0EH	registr	popis
vstup	AL	ASCII znak
	BL	barva popředí (pro grafický mód)
výstup	-	-

Funkce zapíše znak na stávající pozici kurzoru, aktivní video stránku a posune kurzor o znak doprava. Na konci řádku bude kurzor přemístěn na začátek nového řádku. Na posledním řádku se obraz odroluje. Znaky 0DH (CR), 0AH (LF) a 07H (BELL) jsou interpretovány jako řídící znaky.

2.6 Chybové kódy diskových operací

Každá volaná služba BIOSu pro práci s diskem vrací chybové kódy disku. Jestliže byla operace úspěšně dokončena, je nastaven příznak přenosu CF (carry flag) na hodnotu 0. V opačném případě se CF rovná hodnotě 1 a registr AH nebo AL obsahuje upřesňující číselnou hodnotu chyby (viz níže).

Tabulka 2.6.1: Výsledné hodnoty diskových operací

registr AH	význam číselné hodnoty
00H	úspěch
01H	neznámá volaná funkce v AH nebo špatný parametr
02H	cíl adresy nenalezen
04H	sektor nenalezen/chyba při čtení
05H	restart neproveden (jen u harddisku)
07H	diskový parametr selhal v činnosti (jen u harddisku)
09H	datové rozhraní selhalo (upozornění DMA přesáhlo hranici 64K nebo >80h sektorů)
0AH	nalezen chybný sektor (jen u harddisku)
0BH	nalezena špatná stopa (jen u harddisku)
0CH	neznámé číslo stopy nebo chybné zařízení
0DH	špatné číslo sektoru ve formátu (PS/2 harddisk)
0EH	kontrolér datové adresy označil chybu (jen u harddisku)
20H	selhal kontrolér
32H	nesprávný typ zařízení uložený v CMOS (BIOS Compaq)
40H	selhal odskok na jiné místo (seek)
80H	nedostatek času (zařízení neodpovídá)
AAH	zařízení není připraveno (jen u harddisku)
B1H	jednotka je uzamčena (u INT 13 rozšířené)
B3H	jednotka je používána (u INT 13 rozšířené)
B4H	zámek překročil počet (u INT 13 rozšířené)
B6H	jednotka je zapojená, ale chráněná proti čtení (u INT 13 rozšířené)
BBH	nedefinovaná chyba (jen u harddisku)
E0H	chyba stavu registru (jen u harddisku)
FFH	operace selhala (jen u harddisku)

2.7 Chybové kódy rozšířené paměti

Jestliže při ukončení volané funkce AH=87H nebo 88H (INT 15H) je nastaven příznak přenosu CF (carry flag) na hodnotu 1, pak registr AH obsahuje následující chybové kódy.

Tabulka 2.7.1: Výsledné hodnoty přídavných operací

registr AH	význam číselné hodnoty
01H	chyba parity
02H	chyba přerušení
03H	chyba adresové linky A20
80H	neznámý příkaz (PC,PCjr)
86H	funkce není podporována

3 Popis Master Boot Recordu (MBR)

Master boot record je označení sektoru, který se nalézá na disku (válec 0, hlava 0, sektor 1) a je načten BIOSem při startu počítače do operační paměti. MBR lze vytvořit např. programem FDISK nebo jinými operačními systémy, které musí zhotovit funkční MBR strukturu, která obsahuje master boot (hlavní zavaděč operačního systému) a partitions table (tabulku oblastí).

3.1 Master Boot (MB)

Má za úkol zjistit, zda je nějaká oblast označená jako aktivní, načíst z ní boot rekord (viz 4 BR) do paměti a předat řízení. V opačném případě master boot zobrazí chybovou zprávu ve smyslu „Operační systém nenalezen“ nebo „System not found“, poté následuje volání přerušení 18H (ROM BIOSu).

3.2 Partitions table (PT)

Též tabulka rozdělení disku. Je uložena na konci MBR od adresy 1BEH a skládá ze čtyř položek, z nichž každá je dlouhá 16 bajtů, plus závěrečná identifikace přítomnosti partition table. Každý logický disk, na který ukazuje PT, musí být zformátován a přistupuje se k němu stejně jako např. k disketě.

Typy diskových oblastí z hlediska funkčnosti:

· primární (primary) – není možné další rozdělení a na jednom disku mohou být dohromady nejvýše čtyři primární oblasti.

· rozšířený (extended) – při vytváření více jak čtyř diskových oblastí je možné vytvořit rozšířenou oblast, kterou lze dále členit na oblast logickou.

· logický (logical) – je součástí oddílu rozšířeného, dále jej nelze dělit.

Tabulka 3.2.1: Tabulka rozdělení disku

adresa	délka	obsah
1BEH	16 B	údaje o oblasti 1
1CEH	16 B	údaje o oblasti 2
1DEH	16 B	údaje o oblasti 3
1EEH	16 B	údaje o oblasti 4
1FEH	1 W	identifikační slovo 55AAH

Tabulka 3.2.2: Význam údajů v tabulce oblastí

relativní adresa	délka	význam
00H	1 B	příznak aktivní oblasti – aktivní = 80H, neaktivní = 00H; Aktivní oblast smí bít pouze jedna a musí obsahovat zaváděcí kód v Boot sektoru
01H	1 B	číslo povrchu počátku oblasti, by měla být vždy 0 – výjimku tvoří pouze první oblast
02H	2 B	číslo cylindru a sektoru počátku oblasti; Sektor by měl být vždy 1; Způsob uložení (viz obrázek 3.2.1)
04H	1 B	příznak typu operačního systému (viz tabulka 3.2.3)
05H	1 B	číslo povrchu konce oblasti; Mělo by být vždy nejvyšší číslo povrchu
06H	2 B	číslo cylindru a sektoru konce oblasti; Mělo by být vždy číslo posledního sektoru na stopě; Způsob uložení (viz obrázek 3.2.1)
08H	2 W	relativní posun prvního sektoru oblasti; O kolik sektorů je oblast posunuta oproti Master Boot sektoru
0CH	2 W	velikost oblasti v sektorech

Obrázek 3.2.1: Způsob uložení cylindru a sektoru

Textové pole:

Obrázek 3.2.2: Výpis PT a dekódování jednotlivých položek

adresa	obsah
01BEH	00 01 01 00	83 1F BF 25	3F 00 00 00	01 EB 10 00
01CEH	80 00 81 26	06 1F BF 60	40 EB 10 00	A0 D0 01 00
01DEH	00 00 00 00	00 00 00 00	00 00 00 00	00 00 00 00
01EEH	00 00 00 00	00 00 00 00	00 00 00 00	00 00 00 00
01EFH	55 AA

Obrázek 3.2.3: Dekódování výpisu

1BE-1CD	disk EXT3: (Primary Linux Partition)
00	- neaktivní oblast
01	- počáteční povrch
0100	- cylindr 0, sektor 1; bitově 000 0001 0000 0000
83	- linux (viz tabulka. 3.2.3)
1F	- koncový povrch 31
BF25	- cylindr 549, sektor 63; bitově 1011 1111 0010 0101
0000003F	- relativní posun 63 sektorů
0010EB01	- počet sektorů v oblasti 1108737

1CE-1DD	disk C: (Primary DOS Partition)
80	- aktivní oblast
00	- počáteční povrch
8126	- cylindr 550, sektor 1; bitově 1000 0001 0010 0110
06	- FAT 16 (viz tabulka. 3.2.3)
1F	- koncový povrch 31
BF60	- cylindr 608, sektor 63; bitově 1011 1111 0110 0000
0010EB40	- relativní posun 1108800 sektorů; (tj. 1108737 + 63)
0001D0A0	- počet sektorů v oblasti 118944

Tabulka 3.2.3: Číselné hodnoty určující typ systému souborů

hodnota	typ systému souborů
00H	prázdná partitions table
04H	DOS 16-bit FAT (více než 32M)
06H	DOS 3.31+ Large File System (16-bit FAT, větší něž 32M)
07H	OS/2 HPFS; Windows NT NTFS
0BH	Windows95 s 32-bit FAT
0CH	Windows95 s 32-bit FAT (LBA-mód)
0FH	logický disk 32-bit FAT (LBA-mód)
17H	NTFS partition (skrytá)
1BH	Windows95 s 32-bit FAT (skrytá)
1CH	Windows95 s 32-bit FAT (LBA-mód - skrytá)
82H	Solaris (Unix); Linux swap
83H	Linux native file system (ext2fs/xiafs)
85H	Linux EXT
A5H	FreeBSD, BSD/386
B3H-B4H	rezervováno

4 Boot Record (BR)

Též Boot sektor, musí být uložen v nultém sektoru oblasti pevného disku, kde je nahrán operační systém. Každý operační systém má svůj vlastní boot record. Úkolem kódu v boot recordu je zavést a nastartovat jádro daného systému.

5 Popis startu počítače architektury INTEL86

Po přivedení napětí a startu hodinového taktu se na sběrnici ustálí signál POWERGOOD. Provede se reset CPU a nastartování 8086 reálného režimu. Všechny segmentové registry jsou vynulovány, kromě registrů CS:IP, které jsou nastaveny na adresu FFFFH: FFF0H, kde je v ROM uložen programový kód BIOS Power On Self Testu (POST).

Provádění programového kódu BIOS POST, probíhá víceméně v okamžiku, kdy počítač „počítá“ paměť. Přerušení jsou zakázána a tabulka adres přerušení (IVT) je inicializována na 0. U víceprocesorového systému pracuje při testu jen jeden procesor „boot procesor“.

Podle zjištěného hardwaru a hodnot zadaných uživatelem se nastaví celá řada parametrů pro chipset (čipovou logiku) základní desky - tyto parametry ovlivňují jak rychlost, tak spolehlivost a funkčnost systému. Dále se inicializuje zařízení Plug and Play (PnP).

Do registru DL je BIOSem nastaveno číslo zařízení (80H = fyz. disk, 00H = disketa, atd), ze kterého se zavede systém. Volání služby INT 19H provede nahrání MBR (sektor jedna, hlava nula, cylindr nula) bootovacího zařízení na adresu 0000H:7C00H, kde je předáno řízení.

Na začátku MBR je uložen sled instrukcí, které musí přesunout vlastní kód (MBR) na volnou adresu (viz tabulka 5.1.1). Následuje skok na adresu kopie obsahující MBR. Poté se vykoná zbytek kódu, který najde a nahraje BR z aktivní oblasti disku na adresu 0000H:7C00H a dojde opět k předání řízení.

Boot rekord obsahuje zaváděcí kód, který při instalaci operačního systému implementuje instalátor, např. DOS, WINDOWS a LINUX. Vybraný zavaděč nahraje jádro na příslušné adresy a spustí jej.

Tabulka 5.1.1: Mapa paměti po startu počítače

od	do	popis
0000H:0400H	0000H:0463H	rezervováno (BIOS)
0000H:0465H	0000H:048EH	rezervováno (BIOS)
0000H:048FH	F000H:FFFEH	volné místo pro zavaděč

6 Úloha Boot Manažeru v zaváděcím procesu

Účelem boot manažeru je poskytnout uživateli zavedení různých operačních systémů z téhož počítače. Různé operační systémy obsahují vlastní boot manažer, např. ntdldr ve Windows NT nebo LILO a GRUB v Linuxu. Konfigurace boot manažerů je dosti obtížná a vyžaduje detailní systémové znalosti.

Boot manažery používají grafické rozhraní, odpočítávání času pro spuštění přednastaveného systému.

7 Mapa paměti pro zavedení jádra OS GNU/LINUX

Vlastní jádro, např. soubor pod názvem „vmlinuz-2.4.18-3“, se skládá ze tří částí. Každý díl musí být zaveden na příslušné adresy. Začátek souboru vmlinuz obsahuje boot sektor o velikosti 512 bajtů. Jde o zkompilovaný soubor bootsect.S, který zavede OS Linux z diskety/disku, za předpokladu, že jádro je uloženo na disketě/disku od nulté stopy. Zavaděč se přesune z fyzické adresy 0x07C00 (0000:7C00) na adresu 0x90000 (9000:0000). Odtud načte další část souboru vmlinuz na adresu 0x90200 (9020:0000). Tato část kódu se nazývá „setup“ a obsahuje zkompilovaný kód ze souboru setup.S. Jeho délka je uložena na konci boot zavaděče v proměnné setup_sects (viz tabulka 7.2.1). Třetí částí souboru vmlinuz, která se načítá, je samotné jádro. Adresa, kde bude jádro uloženo, se řídí hodnotou v proměnné loadflags a verzí protokolu.

is_bzImage = (protocol >= 0x0200) && (loadflags & 0x01);

load_address = is_bzImage ? 0x100000 : 0x10000;

Pro komunikaci mezi zavaděčem a jádrem slouží příkazová řádka o délce 255 znaků plus finální nula. Nyní stačí nastavit root zařízení, video mód a předat řízení části setup kódu na adresu 0x90200.

Důležité! Aby došlo ke spuštění části setup kódu, musí se použít adresa ve tvaru 9020:0000.

Textové pole:

Obrázek 7.1.1: Paměťová mapa pro zavaděč jádra Image/zImage/bzImage

7.1 Setup kód

Je robustní, vzhledem k tomu, že zjišťuje celkovou kapacitu paměti, následně provede standardní nastavení klávesnice, detekci textových a grafických režimů, inicializuje diskový řadič, kontroluje PS/2, testuje, zda je přítomna zdokonalená podpora úspory energie (APM), provede kontrolu pozice jádra načteného do paměti, které se může nacházet v:

· základní paměti - jádro bylo zkompilováno příkazem make jako Image/zImage. Rozsah volné základní paměti je od 0x10000 do 0x90000. Celé jádro nesmí přesáhnout délku 8x64KB = 512KB.

· rozšířené paměti – jádro je typu bzImage a jeho délka je omezena pouze velikostí rozšířené paměti. Začátek adresy jádra v rozšířené paměti je od 1 MB (0x100000).

Jestliže se nachází jádro v EMS paměti, je zde ponecháno. V opačném případě dojde k přesunu jádra ze základní paměti do rozšířené. Další části testů prováděných setupem jsou: nastavení tabulky přerušení (Interrupt Descriptor Table - IDT a Global Descriptor Table – GDT), test přítomnosti floating point unit (fpu), případně jeho restart a přepnutí procesoru z reálného režimu do chráněného.

Nyní dochází k dekompresi jádra do volné paměti a zobrazení textu „Uncompressing Linux . ..“ na obrazovku. Rozpakované jádro se pak přesouvá zpět na adresu 0x100000. V tuto chvíli je vše připraveno ke spuštění jádra odskokem na adresu, která je uložena v hodnotě code32_start (viz tabulka 7.2.1).

7.2 Historie verzí boot protokolu

V současné době existují čtyři verze LINUX boot protokolů.

· Protokol 2.00 - (Jádro 1.3.73) Přidána podpora bzImage a initrd Dále upřesněn způsob komunikaci mezi boot zavaděčem a jádrem.

· Protokol 2.01 - (Kernel 1.3.76) Přidáno upozornění přetečení heapu

· Protokol 2.02 - (Kernel 2.4.0-test3-pre3) Přidán nový protokol příkazové řádky. Snížení horní meze základní paměti. Tradiční oblast setupu se již nepřepisuje. Uvažuje se o vypuštění zImage, ale zatím je podporován.

· Protokol 2.03 - (Kernel 2.4.18-pre1) Umožňuje boot zavaděči použít nejvyšší možné dosažitelné adresy pro initrd.

Tabulka 7.2.1: Popis protokolu vmlinuz

adresa	délka [byte]	verze jádra	název	popis
1F1H	1	všechny	setup_sects	délka setupu v sektorech
1F2H	2	všechny	root_flags	jestli nastaven na hodnotu 1, připojuje se kořenový adresář pro čtení
1F4H	2	všechny	Syssize	použito pro bootsect.S
1F6H	2	všechny	swap_dev	zastaralý
1F8H	2	všechny	ram_size	použito pro bootsect.S
1FAH	2	všechny	vid_mode	nastavení video módu 0xFFFFH
1FCH	2	všechny	root_dev	číslo přípojného bodu root zařízení
1FEH	2	všechny	boot_flag	identifikační slovo 55AAH
200H	2	2.00+	Jump	instrukce odskoku
202H	4	2.00+	header	identifikační signatura "HdrS"
206H	2	2.00+	version	podporovaná verze boot protokolu
208H	4	2.00+	realmode_ swtch	adresa 16-bitového reálného módu, (použito zavaděčem LoadLin)
20CH	2	2.00+	start_sys	adresa segmentu pro načtení jádra do základní paměti 0x1000 (zastaralé)
20EH	2	2.00+	kernel_ version	ukazatel na řetězec verze jádra
210H	1	2.00+	type_of_ loader	identifikace zavaděče 0-LILO; 1-LoadLin; 2-bootsect-loader; 4-EtherBoot
211H	1	2.00+	loadflags	hodnota 1 – EMS; 0 – základní paměť
212H	2	2.00+	setup_ move_size	délka setupu k přesunu do EMS paměti (použito LoadLin)
214H	4	2.00+	code32_ start	ukazatel na adresu jádra pro předání řízení (použito LoadLin)
218H	4	2.00+	ramdisk_ image	načítací adresa initrd (nastaveno zavaděčem)
21CH	4	2.00+	ramdisk_ size	délka initrd (nastaveno zavaděčem)
220H	4	2.00+	bootsect_ kludge	použito pro bootsect.S
224H	2	2.01+	heap_end_ptr	ofsetová část adresy volné paměti za koncem setupu
226H	2	N/A	pad1	rezervováno
228H	4	2.02+	cmd_line_ ptr	32-bitový ukazatel na příkazovou řádku jádra
22CH	4	2.03+	initrd_ addr_max	největší povolená adresa pro initrd

8 Popis a rozbor zavaděče

Celý projekt se skládá z několika částí, které jsou mezi sebou úzce spjaty. Hlavní instalační program LINX je napsán v jazyku C pro OS Linux. Jeho náplní je přidat boot manager (viz 8.1 mbr.bin) do MBR a modifikovat soubory mbr.bin a linx.bin (viz 8.2 linx.bin). Dále vytváří mapy pro zavaděč Linx, které ukládá do souboru a do nulté stopy disku. Při ukládání dat do prostoru MBR dochází i k záloze přepisovaných dat. Pomocí této zálohy je možné vrátit data zpět o jeden krok. V příkazovém řádku jde o parametr „-u“ a ukládací soubor je permanentně nastaven do /boot/savembr.bin. Avšak před spuštěním tohoto programu je nutné vytvořit nebo editovat konfigurační soubor „linx.cfg“ v adresáři /etc.

V konfiguračním souboru „linx.cfg“ si uživatel určí, které operační systémy chce mít v nabídce při startu počítače.

Struktura souboru „linx.cfg“

Nastavení bootování LINUXu

[Název]

ROOT = “/dev/hda1”

VMLINUZ = “/boot/vmlinuz”

MAP = “/boot/vmlinuz.map”

CMD = “single”

Nastavení bootování WINDOWSu

[Název]

ROOT = ”/dev/hda2”

Do položky „název” napíše uživatel jméno operačního systému, který se zobrazí v bootovací nabídce (viz obrázek 8.1.1). Následuje vyhrazené slovo ROOT = /dev/hda2”, kde označení /dev/hda2 určuje v případě LINUXu přípojný bod kořenového adresáře a ve Windows oddíl, který obsahuje BR. Další položky jsou závislé jen na OS Linux. Za vyhrazeným slovem VMLINUZ se uvádí cesta k souboru jádra. Řádka s vyhrazeným slovem MAP určuje jméno a cestu souboru, jenž bude obsahovat mapu sektorů jádra v LBA32 formátu. Posledním vyhrazeným slovem je CMD, jde o příkazovou řádku pro komunikaci mezi zavaděčem a jádrem.

Při běhu programu LINX, se upraví soubor mbr.bin. Ten bude obsahovat informace o tom, kde se nachází jednotlivé části operačních systémů. Pokud bude ve struktuře linx.cfg nutné zavedení systému Linux, vytvoří se mapa (map= …). Následně je nutné poznamenat pozice sektorů, kde se nachází soubor za vyhrazeným slovem MAP a ty uložit do n-tého sektoru v nulté stopě. Díky těmto mapám dokáže linx.bin zavést jádro na příslušné paměťové adresy bez větších obtíží (viz obrázek 7.1.1). Parametry příkazového řádku se ukládají též do n-tého sektoru, hned za pozici posledního LBA32 záznamu mapy (viz obrázek 8.1). Důvodem, proč program LINX vytváří dvě mapy, je ten, že jádro je robustní (přes 1 MB) a uložení jeho mapy by zabralo v nulté stopě cca. 12 sektorů, ale s využitím druhé mapy je to jen 1 sektor v nulté stopě.

Textové pole:

Obrázek 8.1: Struktůra uložených map a Linx zavaděčů v nulté stopě disku

8.1 MBR.BIN

Slouží jako boot manažer. Obsahuje textové menu, které dává uživateli na výběr, jaký operační systém chce zavést (viz obrázek 8.1.1).

Struktura menu v jazyku Assembler

OS_Menu_Str:

OS1 DB '1. ',00H,00H

CHS1 DB 00H,00H,00H ; C.S/H -> C/H/S

OS2 DB '2. ',00H,00H

CHS2 DB 00H,00H,00H ; C.S/H -> C/H/S

OS3 DB '3. ',00H,00H

CHS3 DB 00H,00H,00H ; C.S/H -> C/H/S

OS4 DB '4. ',00H,00H

CHS4 DB 00H,00H,00H ; C.S/H -> C/H/S

Struktura jedné položky menu v jazyku C

struct POLOZKA {

byte pozice[0x3];

byte text[15];

byte set;

byte lin;

CHS chs;

};

Textové pole:
Obrázek 8.1.1: Menu boot manažeru

Po spuštění se boot manager přesune z 0x007C00 na adresu 0x000600.

Kód přesunu z 0x007C00 na adresu 0x000600

MOV SI,SP ; registr SI=0000h

MOV DS,AX

LES DI,[Adr_presunu]-100H+7C00H

; přečte hodnoty z adresy

; DS:[Adr_presunu] do registrů

; ES:DI

PUSH ES ; uloží registr ES do zásobníku

MOV CX,OFFSET(Konec)-100H ; počet bajtů k přesunu

STI ; nastavení příznaku povolení

; přerušení do stavu 1 (set

; interrupt enable flag)

CLD ; nulování příznaku směru

; zpracování řetězce

REP MOVSB ; přesun do adresy 0000:0600 =

; ES:DI o velikosti CX

MOV DI,OFFSET(Copy)-100H+0600H

PUSH DI ; ukládá register DI do zásobníku

RETF ; odskok na adresu 0000:0600

; hodnoty jsou brány ze zásobníku

· Pro systémy Windows slouží jako tzv. chainloader (na svoje bývalé místo v paměti nahraje zavaděč Windows z boot recordu).

· V případě Linuxu dojde k načtení linx.bin z n-tého sektoru nulté stopy na svoje bývalé místo v paměti.

Před spuštěním systému dojde ke kontrole signatury načtených dat. Poté může být předáno řízení.

Načtení a kontrola signatury Linx.bin nebo boot recordu

MOV DL,80H ; disk hda

MOV DH,ES:[SI+02] ; číslo hlavy

MOV CX,ES:[SI] ; cylindry+stopy

MOV BX,7C00H ; ofsetová adresa

CALL Rekalibrace ; rekalibrace zařízení

CALL Cti_Sektor ; přečte zvolený sektor na

; adresu ES:BX

MOV DI,7DFEH

CMP ES:BYTE PTR [SI-01H],01H ; test zda jde o Linux

JE Cti_Linux

Cti_Dos:

CMP WORD PTR [DI],0AA55H ; test zda přečtená data

; obsahují značku 0xAA55

; boot sektoru

JNZ Sign_Error

JMP Predej_rizeni

Cti_Linux:

CMP WORD PTR [DI-0AH],0584CH ; test zda přečtená data

; obsahují značku 0x584C

; boot sektoru

JNZ Sign_Error

Instrukce pro předání řízení Linx.bin nebo boot recordu

Predej_rizeni:

PUSH ES ; ulož adresu na zásobník

PUSH BX ; adresa je 0000:7C00H

XOR SI,SI ; nuluj register SI

CALL Roluj_Okno_Nahoru ; odroluj okno

MOV DH,24

XOR BH,BH

CALL Nastav_Radku ; nastavi pozici kurzoru k

; levenu dolnim

; u okraji obrazovky

RETF ; skok na adresu

; 0000:7C00H

8.2 LINX.BIN

Pracuje se mapami, zavádí jádro a setup.S na správné paměťové místo a předává parametry z příkazového řádku, které jsou uloženy v n-tém sektoru nulté stopy (viz obrázek 8.1). Poté předá řízení setup.S. Adresy jádra vmlinuz (viz obrázek 7.1.1).

Textové pole:
Obrázek 8.2.1: Použité adresy zavaděčem LINX.BIN

Načítání jádra a práce s mapou

LES BX,[Adr_LBA_Map]-100H+7C00H ; nastaví adresu pro mapu

; „map“ 0000:8000H

MOV AX,WORD PTR [MapLBA]-100H+7C00H

MOV CX,WORD PTR [MapLBA+02H]-100H+7C00H

CALL Cti_Sektor ; přečte mapu „map.bin“

Map:

MOV AX,0E2EH ; zobrazí tečku

INT 10H

XOR DI,DI

CMP BYTE PTR [CountMap]-100H+7C00H,00H

; test přečtených všech

; LBA z mapy „map.bin“

JE Predej_Rizeni ; předává řízení „setup.S“

CALL Cti_Map ; načte mapu vmlinuz na

; adresu 0000:8200

;Přečte LBA (VmLinuz) ze souboru map.bin

Vmlinuz:

MOV BX,8200H

DEC WORD PTR [BX+1FEH] ; dekrementuje počet

; načtených LBA dat z mapy

; vmlinuz

CMP BYTE PTR [CountSetup]-100H+7C00H,00H

; test počtu načtených

; „setup.S“

JE WriteToEMS ; čtení jádra do EMS

DEC [CountSetup]-100H+7C00H ; dekrementuje zbývající

; délku „setup.S“

MOV AX,WORD PTR [BX+DI] ; hodnota LBA32.[HI]

; vmlinuz

MOV CX,WORD PTR [BX+DI+02H] ; hodnota LBA32.[LO]

; vmlinuz

PUSH ES

LES BX,DWORD PTR [AdrSetup]-100H+7C00H

; získání adresy pozice

; „setup.S“ v paměti

CALL Cti_Sektor ; načte sektor na adresu

; 9000:0000+200

ADD DI,04H

POP ES

ADD WORD PTR [OFFSET(AdrSetup)+02H]-100H+7C00H,20H

; zvýšení adresy „setup.S“

JMP Vmlinuz

WriteToEMS:

MOV AX,WORD PTR [BX+DI] ; hodnota LBA32.[HI]

; vmlinuz

MOV CX,WORD PTR [BX+DI+02H] ; hodnota LBA32.[LO]

; vmlinuz

MOV BX,8400H

CALL Cti_Sektor ; načte sektor na adresu

; 0000:8400

CALL SaveToEMS ; ukládá přečtený sektor

; do EMS

ADD DI,04H

CMP WORD PTR [BX-200H+1FEH],00H ; test zda byly přečteny

; všechny sektory z mapy

; vmlinuz

JE Map

JMP Vmlinuz

Seznam použité literatury

[1] Černý Vladislav: MS-DOS 6.2, 6.22 prakticky, Kopp, 1995

Zdroje z Internetu

[1] URL=http://www.linuxgazette.com

[2] URL=http://www.pcguide.com

[3] URL=http://www.nondot.org

[4] URL=http://www.fi.muni.cz

[5] URL=http://home.att.net/~rayknights

[6] URL=http://tldp.org/LDP/sag

Ostatní

Použita dokumentace OS Linux (/usr/src/linux/Documentation/i386/boot.txt, /usr/src/linux/Documentation/devices.txt)

[1] Rozšířená paměť – standart pro rozšíření původní paměti nad 1MB