إقلاع (حاسوب)

In computing, booting (also known as "booting up") is a bootstrapping process that starts operating systems when the user turns on a computer system. A boot sequence is the initial set of operations that the computer performs when power is switched on. The bootloader typically loads the main operating system for the computer.

التاريخ

محمل إقلاع

Boot Loader هوتعبير عن برنامج مخزن على الـ 512 Byte الأولى من القرص الصلب (cylinder0 - head0 - sector1) والتي تدعى بالسجل MBR (اختصاراً لـ Master Boot Record) ، مهمة هذا البرنامج تحميل نظام التشغيل Operating System إلى الذاكرة الرئيسية RAM (اختصاراً لـRandom Access Memory)، ليتاح لوحدة المعالجة المركزية CPU (اختصاراً لـ Central Processing Unit) تولي العمل فيما بعد . فعند إقلاع الحاسب ، يبدأ نظام الـ BIOS (اختصاراً لـ Basic Input Output System) المخزن في الذاكرة ROM (اختصاراً لـRead Only Memory) الخاصة بالحاسب عمله في قيادة عمليات الإقلاع Booting ، وبعد انتهائه من القيام بمجموعة من الاختبارات الابتدائية للحاسب ، يقوم بتحميل هذا البرنامج المخزن ضمن الذاكرة الرئيسية RAM ليتولى بدوره إتمام عمليات إقلاع نظام التشغيل . ولكن عملياً فإن الحجم المحدد بـ 512 Byte ليس مخصصاً للـ Boot Loader بالكامل ، إذا حتى البايتين الأخيرين من السجل MBR محجوزان بغاية تعهد الـ BIOS على السجل MBR، كما حتى جزءا من حجم السجل MBR يخصص لحفظ جدول تقسيمات القرص Partition Table، وبالتالي فإن حجماً صغيراً جداً (أقل من 512 Byte) سيخصص لتخزين الـ Boot Loader ولهذا السبب فإن الـ Boot Loader غالباً ماقد يكون مقسوماً إلى أقسام ثلاثة هي كالتالي :

1- الـ Boot Sector Program أوما يدعى بـ IPL (اختصاراً لـ Initial Program Loader) : وهوالجزء المخزن ضمن السجل MBR و يجري تحميله أوتفعيله من قبل الـ BIOS ، ومن ثم يمكن له الوصول إلى القطاع المخزن فيه الجزء التالي من الـ Boot Loader والذي يدعى بـ Second Stage Boot Loader .

2- الـ Second Stage Boot Loader : وهوالجزء الأهم والأكبر ضمن الـ Boot Loader يخزن على تقسيم من نوع Bootable Partition ، إذا أنه يؤمن ما يلي:

- قابلة تخاطب User Interface على شكل قابلة أوامر Command Line أوعلى شكل قوائم Menus أوقابلات رسومية متقدمة GUIs (اختصاراً لـ Graphical User Interfaces) ، تتيح للمستخدم اختيار واحد من أنظمة التشغيل المخزنة ضمن القرص . - تحميل نواة نظام التشغيل التي تم اختيارها من قبل المستخدم ضمن الذاكرة الرئيسية RAM وتشغيلها ، أوتحميل برنامجBoot Loader آخر مسؤول عن تفعيل نظام تشغيل آخر ، وهذا ما يدعى بـ Chain Loading .

إن برامج Boot Loaders الخاصة بشركة Microsoft تعجز عن التعهد على أي برامج Boot Loaders تخص أنظمة تشغيل أخرى ، على عكس تلك التي تخص النظام لينكس Linux وأحد أبرز هذه الـ Boot Loaders الخاصة بـالنظام لينكس ، والشائعة الاستخدام في توزيعات مختلفة له هما البرنامجان : LILO وGRUB .

3- المنصِّب Boot Loader Installer : وهوبرنامج لينكس عادي ليست له أي بنية خاصة كما القسمان السابقان ويتولى المهام التالية - إعادة كتابة الـ Boot Sector Program ضمن السجل MBR في مكانه السليم من الـ 512 Bytes بحيث يحافظ على المناطق المحجوزة للـ Partition Table والبايتين الأخيرين المخصصين للـ BIOS ويمنع الكتابة عليها . - إخبار الـ Boot Sector Program عن عنوان تخزين الـ Second Stage Boot Loader . - إخبار الـ Second Stage Boot Loader بالمعلومات اللازمة للتحميل العملي لنظام التشغيل (الإعدادات Configurations ،نوى النظم Kernels) .

كما حتى لكل Boot Loader ملف خاص بمثابة ملف إعدادات يدعى Configuration file ، تتم قراءته من قبل المنصِّب Boot Loader Installer إذ تُحدد بداخله نظم التشغيل المتاحة على الحاسب (سواء كانت توزيعات Linux أوأي نظم تشغيل أخرى ) ، وترتيبها ضمن قائمة Menu تمكن المستخدم من اختيار أحدها ، وهذا الملف يمكن لمدير النظام Administrator الوصول إليه وإجراء ت تعديلات نصية ضمنه (وفقاً لقواعد خاصة) .

نظرة تاريخية

مع بدايات ظهور توزيعات لينكس وتعددها ، لم يكن هناك من اختلاف حول برنامج الـ Boot Loader المستخدم في إقلاع النظام ، إذ حتى معظم هذه التوزيعات اعتمدت على LILO (اختصاراً لـ LInux LOader) كبرنامج إقلاع نظام افتراضي ، إلى حتى اتىت النسخة 7.2 من التوزيعة Red Hat عام 2001، وأوضحت ضمن تعليمات إصدارها حتى برنامج الـ Boot Loader الافتراضي الذي تستخدمه النسخة هو البرنامج GRUB (اختصاراً لـ GRand Unified Bootloader) بدلاً من LILO .

LILO

Configuration file

إن للبرنامج LILO ملف configuration يخزن في /etc/lilo.conf ، نجد له بنية مماثلة للمثال التالي:

boot=/dev/hda
map=/boot/map
install=/boot/boot.b
prompt
timeout=100
compact
default=Linux
image=/boot/vmlinuz-2.4.18-14
    label=Linux
    root=/dev/hdb3
    read-only
    password=linux
other=/dev/hda
    label=WindowsXP

حيث تعبر المعاملات parameters السابقة عن التالي:

boot= : تستخدم لإخبار LILO بمسقط تخزين البرنامج Boot Loader .

map= : تستخدم لإخبار LILO بمسقط ال map file الذي يستخدمه لتخزين كافة العناوين والمؤشرات الخاصة بالقسمين Boot Sector Program وSecond Stage Boot Loader .

install= : تستخدم لإخبار LILO بمسقط الملف الذي يخزن فيه البرنامجان السابقان (Boot Sector & second stage) ، ويخزن الجزء من هذا الملف الخاص بالأول ضمن السجل MBR نفسه.

prompt : وهوالأمر المعطى لـ LILO بإظهار القابلة لتي تتيح للمستخدم اختيار نظام التشغيل الذي يريده.

timeout= : وهوعدد الأجزاء العشرية من الثانية التي يتوجب على الـ Loader انتظارها قبل البدء بتشغيل نظام التشغيل الافتراضي تلقائياً طالما لم يقم المستخدم بتحديد أي من الخيارات المتاحة .

default=: تستخدم لإخبار LILO بأية نسخة نظام التشغيل الذي سيشغله كحالة افتراضية بعد انقضاء الفترة timeout . لكل توزيعة لينكس مخزنة على الحاسب لا بد من حتى نعهدها ضمن (image=) كما هوفي المثال السابق بهدف تحديد مسقط نواتها Kernel ، و مجموعة من المعاملات الأخرى التي تخص هذه التوزيعة وهي:

label= : نوع نظام التشغيل الذي سيجري إظهاره للمستخدم (Mac, Windows, Linux) .

root= : المسار الفيزيائي الحقيقي لملفات النظام العملية على لقرص الصلب ، وهوهنا مدون بصيغة hdb3 وتعني :

HD : القرص الصلب Hard disk

b : أي القرص الفيزيائي الثاني ، إذا حتى ترقيم الأقراص هنا طالما تعددها يجري وفق الأحرف a, b, c …

3 : التقسيمة الثالثة (Third Partition) ضمن القرص الصلب الثاني.

password= : حدثة سر دخول النظام .

في حين حتى تعريف نظم التشغيل الأخرى المتنوعة عن لينكس يجري ضمن (other=) التي نسند إليها مسار نظام التشغيل المجاور للينكس .. وهوهنا windows .

تحميل البرنامج عند الإقلاع Initial Boot Process

عندما يقوم LILO بتحميل نفسه عند الإقلاع فإنه يطبع على الشاشة الأحرف L, I, L, O على عدة مراحل ، بحيث يتاح لمستخدم كشف الفترة التي حدثت فيها المشكلة طالما وقوع أية أخطاء ، وهذه المراحل هي كالتالي:

• L : تم تحميل القسم الأول Boot Sector Program بنجاح .

• LI : تم تحميل القسم الثاني Secondary Boot Loader بنجاح .

• LIL : القسم الثاني Secondary Boot Loader تم تطبيقه (execution) بنجاح .

•؟LIL : القسم الثاني Secondary Boot Loader تم تحميله في عنوان خاطئ .

•-LIL : تعني خطأ في الجدول الموصِّف Descriptor Table الموجود ضمن الـ map file .

• LILO : تم تحميل كافة أجزاء LILO بشكل سليم.

GRUB

Configuration file

إن للبرنامج LILO ملف configuration يخزن في /boot/grub/grub.conf ، نجد له بنية مماثلة للمثال التالي:

default=0
timeout=10
splashimage=(hd1,2)/grub/splash.xpm.gz
password --md5 $1$opeVt0$Y.br.18LyAasRsGdSKLYlp1
title Red Hat Linux
password --md5 $1$0peVt0$Y.br.18LyAasRsGdSKLYlp1
root (hd1,2)
kernel /vmlinuz-2.4.18-14 ro root=LABEL=/
initrd /initrd-2.4.18-14.img
title Windows XP
password --md5 $1$0peVt0$Y.br.18LyAasRsGdSKLYlp1
rootnoverify (hd0,0)
chainloader +1

حيث تعبر المعاملات parameters السابقة عن التالي:

default= : تستخدم لإخبار GRUB بأية نسخة نظام التشغيل الذي سيشغله كحالة افتراضية بعد انقضاء الفترة timeout .

timeout= : وهوعدد الثواني التي يتوجب على الـ Loader انتظارها قبل البدء بتشغيل نظام التشغيل الافتراضي طالما لم يقم المستخدم بتحديد أي من الخيارات المتاحة .

splashimage= : تستخدم لإخبار GRUB بمسار الصورة التي سيجري استخدامها كخلفية لقابلة المستخدم الرسومية GUI (Graphical User Interface) الخاصة بـ GRUB .

password= : يستخدم هذا الجزء لتحديد حدثة السر التي تتيح للمستخدم الوصول إلى النمط التفاعلي للإقلاع Interactive Boot Options الذي يتح للمستخدم الدخول إلى تفاصيل عملية الإقلاع والتحكم بها .

title= : يجري ضمن هذا الجزء تعريف واحد من أنظمة التشغيل المنصبة على الحاسب ، وبتعدد أنظمة التشغيل ، تتعدد التعريفات title.

إن للمعاملات root وpassword نفس الوظائف الكائنة في LILO مع ملاحظة الفرق في تسمية GRUB للتقسيمة الثالثة للقرص الصلب الثاني ، حيث تمت تسميتها بـ (hd1, 2) على اعتبار حتى ترقيم الأقراص والتقسيمات هنا يبدأ من الصفر.

kernel : اسم نواة النظام المراد إقلاعه ، ضمن المسار root.

chainloader +1 : وتستخدم لإخبار GRUB باستخدام آلية chain loading اللازمة هنا لتشغيل نظام windows .

تحميل البرنامج عند الإقلاع Initial Boot Process

تبدأ عملية تحميل GRUB تماماً كما في LILO بتحميل الجزء الأول من الـ Loader من السجل MBR ولكن بعد ذلك، لا يجري الانتنطق مباشرة إلى الفترة الثانية، وإنما يدخل GRUB ضمن فترة متوسطة بينهما يمكن تسميتها بـ stage 1.5 تخزن تعليماتها ضمن الـ 30 Kilobytes الأولى التالية تماماً للـ MBR هدفها تسريع عملية الوصول للمسار /boot/grub/ ومن ثم تحميل الفترة التالية المعبر عنها بالجزء الثاني للـ Loader حيث يتم عندها قراءة الملف

مقارنـة

• سهولة الاستخدام : LILO لا يدعم قابلات استخدام رسومية GUIs كما هوالحال في GRUB ، وإنما تبدوقابلته على شكل قائمة نصية يختار منها المستخدم النظام المراد . • لا يدعم LILO النمط التفاعلي للإقلاع Interactive Boot Interface الموجود ضمن GRUB . • لا يدعم LILO عمليات الإقلاع من شبكة Network Booting ، بينما يؤمن GRUB هذه الميزة . • يحتفظ LILO بعناوين لكافة نوى النظم المتوفرة شكل فيزيائي على السجل MBR ، ومن ثم ، عند جميع إضافة جديدة لأي نظام تشغيل حديث إلى الحاسب تتطلب من المستخدم إعادة كتابة الجزء الأول من LILO Loader ضمن السجل MBR بشكل يدوي ، وتعتبر هذه العملية خطرة لأن أي خطأ في تنظيم الـ MBR ( أي misconfigured MBR ) سيجعل نظام LILO كاملاً غير قابل للإقلاع (Unbootable) ، في حين حتى أي خطأ مشابه في GRUB لن يلغي إمكانية الإقلاع ، وإنما سينقل المستخدم إلى قابلة الأوامر Command Line Interface حيث يتمكن فيها من إعادة خطوات عملية الإقلاع بشكل يدوي الواحدة تلوالأخرى . • عند التعديل على الملف Configuration file الخاص بـ LILO (أي lilo.conf) لن يتم كشفه تلقائياً عند الإقلاع من قبل LILO وإنما يحتاج المستخدم للقيام بعملية تحديث refresh للسجل MBR وذلك بإعادة تشغيل الجزء الثالث من الـ Loader وهوالمنصِّب (Boot Loader Installer) ، بينما يتم في GRUB بشكل تلقائي (Automatically) قراءة محتويات الملف grub.conf عند جميع عملية إقلاع (Booting) جديدة للحاسب وأخذ التعديلات المجراة على الملف بعين الاعتبار .

Other CPUs and architectures have different

Boot sequence on standard PC (IBM-PC compatible)

A hex dump of FreeBSD's boot0 MBR

AwardBIOS during booting. BIOS is dated to 1997

Power On Self Test (POST)

Other kinds of boot sequences

Initial Program Load

إعادة الاقلاع

Hard reboot

Soft reboot

الأخطاء

كويك-بوت

انظر أيضا

Boot disk, Live CD, Live USB
Comparison of boot loaders
PC booter
Linux startup process
Microreboot
Multi boot
Network booting
RedBoot open source boot loader for embedded systems
U-Boot yet another open source boot loader for embedded systems.
Pspboot boot loader for embedded systems based on the Texas Instruments AR7 chipset
Adam2 alternative boot loader for embedded systems based on the Texas Instruments AR7 chipset
Windows NT Startup Process
Windows Vista startup process (Boot Configuration Data, Windows Boot Manager)
Bootkit

المصادر

xs4all.nl : How Boot Loaders Work
linuxdevcenter.com : LILO and GRUB-Boot Loaders Made Simple by Judith Myerson
ibm.com : Boot loader showdown-Getting to know LILO and GRUB by Laurence Bonney
Gnu.org : GNU GRUB Manual 1.98
netadmintools.com : LILO Document

قراءات إضافية

How Computers Boot Up
Practical bootloader tutorial for ATmega microcontrollers
Booting with Grub at OSDEV Community
A tutorial on writing hello world bootloader
Booting From Scratch
- Matthew Vea. "x86 BootStrap Programming Tutorial".
FreeBSD
- Nathan Boeger and Mana Tominaga. "Bootstrapping FreeBSD".
Linux
- Roberto Alsina. "The Linux boot process unveiled".
- Greg O'Keefe. "From power up to Linux bash prompt HOWTO".
- Chao-Kuei Hung 洪朝貴. "Mk-boot-usb: a Script to Create Multiple-Bootable USB Keys".
Mac OS X
- Amit Singh. "Mac OS X Boot Process".
Windows
- Jonathan de Boyne Pollard (1996). "The DOS and DOS/Windows boot processes". Frequently Given Answers.
- "Multi-booting, running different versions of Windows on your PC".
- "Windows Mobile 5.0 Soft Reset".
- "Pocket PC devices hard reset and soft reset".
Multibooting:
- Understanding Multibooting
- GNU IPL source code