Главная загрузочная запись

GNU GRUB в MBR

Главная загрузочная запись (англ. master boot record, MBR) — код и данные, необходимые для последующей загрузки операционной системы и расположенные в первых физических секторах (чаще всего в самом первом) на жёстком диске или другом устройстве хранения информации. Применялась с 1983 года (начиная с PC DOS 2.0) до широкого внедрения UEFI и схемы GPT в 2010-х.

MBR содержит небольшой фрагмент исполняемого кода, таблицу разделов диска (англ. partition table) и специальную сигнатуру.

Функция MBR — «переход» в тот раздел жёсткого диска, с которого следует исполнять «дальнейший код» (обычно — загружать ОС). На «стадии MBR» происходит выбор раздела диска, загрузка кода ОС (происходит на более поздних этапах алгоритма).

В процессе запуска компьютера после окончания начального теста (Power-on self-test — POST) Базовая система ввода-вывода (BIOS) загружает «код MBR» в оперативную память (в IBM PC обычно с адреса 0000:7c00) и передаёт управление находящемуся в MBR загрузочному коду.

Роль и место MBR в загрузке компьютера (для архитектуры x86)

В процессе загрузки компьютера x86 вначале всегда отрабатывается BIOS. На этой стадии, кроме тестирования и инициализации оборудования компьютера, происходит также и выбор устройства, с которого будет происходить дальнейшая загрузка. Это может быть дискета, жёсткий диск, сетевой ресурс, встроенное ПЗУ или любое иное устройство (алгоритм выбора загрузочного устройства может быть различным и зависит от реализации BIOS). После выбора загрузочного устройства BIOS полностью передаёт этому устройству управление всей дальнейшей загрузкой.

В случае, если устройство имеет только один раздел (как, например, дискета или сетевая загрузка), выбор однозначен, и загрузка продолжается сразу с этого устройства. Однако, если устройство содержит несколько разделов, каждый из которых потенциально может быть загрузочным (как, например, в случае жёстких дисков), то возникает неопределённость: с какого именно раздела производить загрузку. Для разрешения неоднозначности по выбору раздела было предложено вынести этот вопрос из ве́дения BIOS и передать этот выбор самому устройству. Возникла идея использовать для этого небольшую программу, записанную на самом носителе, которая и осуществляла бы данный выбор. Так появилась концепция MBR.

Таким образом, потенциальное наличие нескольких загрузочных разделов, среди которых необходимо осуществить выбор — это ключевой момент в необходимости появления и отработки MBR. Для устройств с единственным (или однозначно заданным) загрузочным разделом концепция MBR лишена смысла и не используется.

Развитие MBR

Иногда в MBR, кроме основной функции (выбора раздела), включаются также и другие функции, например, авторизация. Но это уже расширение и дополнение к основной функции и задаче MBR. Такие системы не получили широкого распространения.

Другие (не x86) системы

В связи с тем, что на других системах применяются иные архитектурные решения (начиная от активации «железа» и заканчивая загрузкой ОС), концепция MBR может быть к ним неприменима.

Стандартизация MBR

Утверждённого стандарта на структуру MBR не существует, однако, есть «сложившиеся традиции», которых придерживается большинство MBR от разных производителей.

Наиболее распространённый формат MBR

Наиболее распространённый формат MBR — это формат Windows. В начале загрузочной записи стоит название текущей файловой системы (например, FAT32 или NTFS). Далее содержится информация о четырёх разделах диска, ссылка на загрузчик и сигнатура 0x55AAh. В случае отсутствия загрузчика, например, в Windows XP выдаётся сообщение «NTLDR is missing / compressed» (в зависимости от ситуации — загрузчик удалён или сжат). «Press CTRL+ALT+DEL to restart.» Также если диск нечитаемый, выдаётся сообщение «A disk read error occurred. Press CTRL+ALT+DEL to restart». В зависимости от типа загрузчика выдаются разные сообщения.

Иные форматы MBR

Загрузчики, отличные от стандартных Windows-загрузчиков, могут использовать всё пространство между MBR и первым разделом (около 32 кБ; 1-й-62-й секторы) для собственных целей. В таких случаях под MBR понимают весь загрузочный код, а для выделения именно первых 512 байт говорят, что они расположены в MBS (Master Boot Sector) — главном загрузочном секторе.

Для операционных систем Microsoft понятия MBR и MBS совпадают, так как вся MBR содержится в MBS, хотя это не совсем правильно, так как под MBR подразумевают данные, а под MBS — физический сектор.

Алгоритм загрузки компьютера с использованием MBR

BIOS (до MBR)

• BIOS проводит начальную инициализацию оборудования (POST).
• BIOS определяет, с какого устройства производить дальнейшую загрузку: дискета, флеш-накопитель, жёсткий диск и т. д. (выбор устройства зависит от версии и от настроек BIOS)

[в данном описании рассматривается только случай загрузки с жёсткого диска].

• BIOS считывает один сектор (512 байт), то есть непосредственно MBR, который находится по адресу: «цилиндр 0, головка 0, сектор 1», и помещает его в область памяти по физическому адресу 0x7C00.
• BIOS проверяет, что этот сектор оканчивается сигнатурой 0АА55h (байты 55h,0AAh).

[если это не так, то управление возвращается обратно в BIOS].

• BIOS передаёт управление по физическому адресу 0x7C00 (то есть сектору MBR), предварительно записав в регистр DL номер диска, с которого этот сектор считан. Для первого жёсткого диска это значение будет равно 80h (128 в десятичной системе), для дисковода A: равно 0. Кроме того, Plug-n-Play BIOS может записать в регистры ES:DI указатель на структуру «$PnP».

MBR

Выбор загрузочного раздела и проверка целостности MBR:

• MBR копирует себя на другой адрес, чтобы освободить место для загрузчика ОС (к примеру, MBR фирмы Microsoft копирует себя на адрес 0000:0600).
• MBR просматривает по очереди все записи о разделах и ищет первую запись об «активном» («загрузочном») разделе (то есть ищет раздел, отмеченный как 80h).
• В случае успеха (раздел, помеченный как 80h — найден) MBR запоминает номер этого раздела. Если просмотрены все 4 записи и не найден раздел, помеченный как 80h, то вызывается INT 18h (отображается сообщение об ошибке посредством вызова BIOS программного прерывания 18h). Это возвращает управление обратно в BIOS, что может приводить либо к загрузке BASIC, либо к повторной попытке загрузить систему с диска, либо к перезагрузке компьютера — в зависимости от версии и реализации BIOS.
• MBR просматривает все оставшиеся записи и проверяет, что это единственный активный раздел (что больше разделов, помеченных 80h, на данном физическом диске не существует). Если находятся другие разделы, помеченные 80h (и/или хотя бы один раздел содержит неправильную метку), то MBR выводит сообщение об ошибке (обычно это что-то типа «Invalid partition table»), после чего система зависает в бесконечном цикле, из которого можно выйти только перезагрузкой компьютера. На этом заканчивается проверка MBR и начинается подготовка к загрузке ОС.
• MBR считывает первый сектор логического диска (VBR — Volume Boot Record, или Volume Boot Sector), помеченного как «загрузочный» (80h), и помещает этот сектор по физическому адресу 0x7C00.
• MBR проверяет, что данный сектор заканчивается сигнатурой 55AAh. Если этой сигнатуры в этом месте нет, то выводится сообщение «Missing operating system» и компьютер подвисает, требуется перезагрузка.
• MBR передаёт управление загрузочному сектору выбранного раздела диска.

Загрузочный сектор логического диска (VBR) (после MBR)

Загрузочный сектор зависит от типа файловой системы на логическом разделе диска и содержит код, выполняющий нахождение и загрузку собственно операционной системы на данном типе файловой системы.

Структура MBR

Классическая структура главной загрузочной записи (MBR)

Смещение	Длина, байт	Описание
0000h	446	Код загрузчика
01BEh	16	Раздел 1	Таблица разделов
01CEh	16	Раздел 2
01DEh	16	Раздел 3
01EEh	16	Раздел 4
01FEh	2	Сигнатура (55h AAh)

Код загрузчика

После завершения процедуры POST в ОЗУ по физическому адресу 0x7C00 записывается код загрузчика (первые 446 байт из нулевого сектора диска), после чего ему передаётся управление. Задача этого кода — проанализировать таблицу разделов жёсткого диска, затем передать управление второму загрузочному коду, который может находиться или в начале активного раздела, или на специальной области диска (эта область не занята файловыми системами и обычно является группой секторов № 1-№ 62, разделы на диске обычно начинаются с сектора № 63). Второй загрузчик уже умеет читать хотя бы одну файловую систему, и его задача — передать управление файлам из файловой системы ОС для запуска ОС.

Примеры:

• Загрузчик Windows поступает первым способом: он передаёт управление второму загрузчику NTLDR, который находится в начале активного Windows-раздела. Далее второй загрузчик обеспечивает поддержку файловой системы и запускает необходимые для дальнейшей загрузки ОС файлы.
• Загрузчик GRUB (нашедший популярность в Linux-дистрибутивах) использует второй способ: он передаёт управление второму загрузчику, который расположен в группе секторов № 1-№ 62. Второй загрузчик ищет корневой Linux-раздел, а на этом разделе ищет файлы конфигурации GRUB (и модули GRUB) для отображения GRUB-меню. При выборе какого-либо пункта в GRUB-меню GRUB действует согласно файлу конфигурации для этого пункта (например, в случае с дистрибутивами Linux в ОЗУ копируется Linux-ядро с initrd и управление передаётся ядру). Копия первого загрузчика GRUB (446 байт из нулевого сектора диска) находится в файле boot.img, а копия второго загрузчика GRUB (группа секторов № 1 — № 62) находится в файле core.img (собирается при установке GRUB с учётом файловой системы корневого раздела и других факторов).

Таблица разделов

В таблице разделов хранится информация о типе раздела и его расположении на жёстком диске.

Сигнатура

Последние два байта MBR называются сигнатурой. Значение этих байтов должно быть 55h AAh. В случае, если это не так, запись считается некорректной.

Структура описания раздела

Структура описания раздела

Смещение	Длина	Описание
00h	1	Признак активности раздела
01h	1	Начало раздела — головка
02h	1	Начало раздела — сектор (биты 0—5), цилиндр (биты 6, 7)
03h	1	Начало раздела — цилиндр (старшие биты 8, 9 хранятся в байте номера сектора)
04h	1	Код типа раздела
05h	1	Конец раздела — головка
06h	1	Конец раздела — сектор (биты 0—5), цилиндр (биты 6, 7)
07h	1	Конец раздела — цилиндр (старшие биты 8, 9 хранятся в байте номера сектора)
08h	4	Смещение первого сектора
0Ch	4	Количество секторов раздела

Признак активности раздела

Признак активности раздела показывает, возможно ли загрузить операционную систему с данного раздела. Для стандартных загрузчиков может принимать такие значения:

• 80₁₆ — раздел активен;
• 00₁₆ — раздел неактивен;
• другие значения запрещены.

Начало раздела / Конец раздела

Координаты начала и конца раздела в CHS-формате (цилиндр, головка, сектор). CHS не позволяет выполнять адресацию более чем к 7,8 ГБ данных, и для адресации к разделам, находящимся за пределами 7,8 ГБ, используется LBA-адресация.

Код типа раздела

Код файловой системы, используемой на данном разделе.

Коды типов разделов

Код	Тип раздела
00h	Пустая запись (свободное место)
01h	FAT-12 (если это логический раздел или раздел расположен в первых 32 мегабайтах диска, иначе используется код 06h)
02h	XENIX root
03h	XENIX usr
04h	FAT-16 до 32 Мбайт (если раздел первичный, то должен находиться в первых физических 32 Мб диска, иначе используется код 06h)
05h	Расширенный раздел
06h	FAT-16B, а также FAT-16, не попадающий под условия кода 04h и FAT-12, не попадающий под условия кода 01h
07h	IFS, HPFS, NTFS, exFAT (и некоторые другие — тип определяется по содержимому загрузочной записи)
08h	AIX
09h	AIX загрузочный
0Ah	OS/2 Boot-менеджер, OPUS
0Bh	FAT-32
0Ch	FAT-32X (FAT-32 с использованием LBA)
0Dh	Зарезервирован
0Eh	FAT-16X (FAT-16 с использованием LBA) (VFAT)
0Fh	Расширенный раздел LBA (то же что и 05h, с использованием LBA)
10h	OPUS
11h	Скрытый FAT (аналогичен коду 01h)
12h	Compaq, Сервисный раздел
14h	Скрытый FAT (аналогичен коду 04h)
15h	Скрытый расширенный раздел (аналогичен коду 05h)
16h	Скрытый FAT (аналогичен коду 06h)
17h	Скрытый раздел HPFS/NTFS/IFS/exFAT
18h	AST SmartSleep
19h	OFS1
1Bh	Скрытый раздел FAT-32 (см. 0Bh)
1Ch	Скрытый раздел FAT-32X (см. 0Ch)
1Eh	Скрытый раздел FAT-16X (VFAT) (см. 0Eh)
1Fh	Скрытый расширенный раздел LBA (см. 0Fh)
20h	OFS1
21h	FSo2
22h	Расширенный раздел FS02
24h	NEC DOS
25h	Windows Mobile IMGFS
27h	Скрытый NTFS (Раздел восстановления системы)
28h	Зарезервирован для FAT-16+
29h	Зарезервирован для FAT-32+
2Ah	AFS (AthFS)
35h	JFS
38h	THEOS 3.2
39h	Plan 9
3Ah	THEOS 4
3Bh	Расширенный раздел THEOS 4
3Ch	Partition Magic, NetWare
3Dh	Скрытый раздел NetWare
40h	Venix 80286, PICK R83
41h	Старый Linux/Minix, PPC PReP Boot
42h	Старый своп Linux, SFS, раздел на динамическом диске в Windows (Dynamic Disk)
43h	Старый Linux
4Ah	ALFS
4Ch	A2 (Aos)
4Dh	QNX4.x
4Eh	QNX4.x 2-я часть
4Fh	QNX4.x 3-я часть
50h	OnTrack DM (только чтение)
51h	OnTrack DM6 (чтение и запись)
52h	CP/M
53h	OnTrack DM6 Aux3
54h	OnTrack DM6 DDO
55h	EZ-Drive
56h	Golden Bow
56h	Novell VNDI
5Ch	Priam Edisk
61h	SpeedStor
62h	GNU HURD
63h	UNIX
64h — 69h	NetWare
77h	VNDI, M2FS, M2CS
78h	XOSL
7Fh	Данный код зарезервирован для исследовательских или учебных проектов
80h	MINIX (старый)
81h	MINIX
82h	Linux swap, Sun Solaris (старый)
83h	Linux
85h	Linux extended (расширенный)
86h	Раздел FAT-16 stripe-массива Windows NT
87h	Раздел NTFS/HPFS stripe-массива Windows NT
8Eh	Раздел LVM
93h	Amoeba, скрытый Linux (см. код 83h)
94h	Amoeba BBT
94h	ISO-9660
9Eh	ForthOS
A5h	Раздел гибернации
A5h	NetBSD (старый), FreeBSD, BSD/386
A6h	OpenBSD
A7h	NeXTSTEP
A8h	Apple Darwin, Mac OS X UFS
A9h	NetBSD
AFh	Mac OS X HFS и HFS+, ShangOS
B1h	QNX6.x
B2h	QNX6.x
B3h	QNX6.x
B6h	Зеркальный master-раздел FAT-16 Windows NT
B7h	Зеркальный master-раздел NTFS/HPFS Windows NT
BEh	Solaris 8 загрузочный
BFh	Solaris
C2h	Скрытый Linux
C3h	Скрытый своп Linux
C6h	Зеркальный slave-раздел FAT-16 Windows NT
C7h	Зеркальный slave-раздел NTFS Windows NT
CDh	Дамп памяти
D8h	CP/M-86
DAh	Данные — не файловая система
DBh	CP/M-86
DDh	Скрытый дамп памяти
DEh	Dell Utility
EBh	BFS
ECh	SkyOS
EDh	Гибридный GPT
EEh	GPT
EFh	Системный раздел UEFI
F7h	EFAT, SolidState
FBh	VMFS
FCh	Своп VMFS
FEh	LANstep, PS/2 IML
FFh	XENIX BBT

Основная статья: Расширенная загрузочная запись

В случае, если используется расширенный раздел, координаты начала раздела указывают на EBR.

Структура EBR

Смещение	Длина	Описание
1BEh	16	Указатель на раздел
1CEh	16	Указатель на следующий EBR
1DEh	32	Не используется (должно быть заполнено нулями)
1FEh	2	Сигнатура (55h AAh)

Формат указателей аналогичен MBR.

Смещение первого сектора

Координаты начала раздела в LBA-координатах. Позволяет выполнять адресацию до 2 ТБ данных.

Восстановление MBR

Если каким-либо образом была потеряна MBR, то её можно восстановить специальными утилитами (например, TestDisk), которая «просмотрит» весь носитель информации и создаст таблицу разделов.

Пример кода создания резервной копии MBR в unix-подобных системах для диска sda:

dd if=/dev/sda of=mbr.bin bs=512 count=1

Восстановление загрузчика и таблицы разделов:

dd if=mbr.bin of=/dev/sda bs=512 count=1

Восстановление только загрузчика:

dd if=mbr.bin of=/dev/sda bs=446 count=1

См. также

• Логический диск
• Файловая система
• Раздел диска
• Загрузчик операционной системы
• Загрузочный сектор
• Начальная загрузка компьютера
• GUID (таблица разделов)
• Расширенная загрузочная запись (EBR)

Ссылки

• KB114841  (неопр.). Microsoft Windows XP Support/ Windows NT Boot Process and Hard Disk Constraints. Microsoft Knowledge Base. Дата обращения: 27 декабря 2015.
• Главная загрузочная запись — Master Boot Record (MBR)
• Спецификация «BIOS Boot Specification» от Intel, Phoenix, Compaq (англ.)