Методическое пособие по выполнению практического занятия №1 "Исследование порядка запускакомпьютера. Работа программы POST" по дисциплине "Операционные системы" для специальности 230115 Программирование в компьютерных системах
методическая разработка по теме

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ ГОРОДА МОСКВЫ

Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение

Города Москвы

«Политехнический колледж им. Н.Н. Годовикова»

Дисциплина: ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

Методическое пособие по выполнению

ПРАКТИЧЕСКОГО ЗАНЯТИЯ № 1

Исследование порядка запуска компьютера.

Работа программы POST

(для специальности 230115 Программирование в компьютерных системах)

Москва 2014 г.

Практическое занятие № 1

Исследование порядка запуска компьютера. Работа программы POST

Цель работы: изучить содержание программы POST, последовательность выполнения тестов и их назначение.

Задание: выполнить программу POST компьютера, составить протокол ее работы.

1. Теоретические сведения

 После включения компьютера в течение примерно 0,3-0,5 секунды выполняется самотестирование блока питания. В случае, если все уровни напряжений питания находятся в допустимых пределах, на системную плату поступает сигнал Power Good.

Именно после этого события микропроцессор переходит к процедуре POST - Power On Self Test - самотестирование при включении питания компьютера. Она записана в системной ROM BIOS (Read Only Memory Basic Input Output System). Ее содержимое копируется в оперативную память компьютера, так же как и содержимое Video BIOS.

После поступления сигнала Power Good формируется сигнал Reset для микропроцессора. В первую очередь тестируется сам микропроцессор. Тесты включают выполнение базовых команд, работу с флагами, проверку регистров общего назначения.

Затем процедура POST тестирует сама себя, проверяя, правильно ли считываются инструкции из системного ROM BIOS. Далее POST тестирует микросхему CMOS RAM (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Random Access Memory – память с произвольной выборкой), которая запитывается от аккумулятора, обеспечивающего сохранность записанной информации даже при отключении сетевого электропитания. Эта микросхема хранит информацию и о системной конфигурации компьютера. На первом этапе процедура POST проверяет только работоспособность CMOS RAM, поскольку в дальнейшем использует ее свободные байты памяти для хранения своих промежуточных данных. Особое значение на этом этапе имеет правильность контрольных сумм ROM BIOS и CMOS RAM.

ЗНАЧЕНИЯ, изменять которые можно в BIOS Setup, хранятся в специальной микросхеме динамической памяти, которая называется CMOS (название технологии, по которой производится микросхема: Complementary Metal-Oxide-Semiconductor - комплементарный металлооксидный полупроводник или КМОП). Кроме настроек BIOS в CMOS хранятся параметры конфигурации компьютера. Суммарный объем памяти CMOS составляет всего 256 байт и потребляет она очень мало энергии. Стандартная батарейка, расположенная на системной плате питает CMOS в течение 5-6 лет, после чего необходимо производить ее замену.

При включении компьютера происходит тестирование оборудования, в процессе которого сравнивается его текущая конфигурация с данными в CMOS-памяти. Если обнаруживаются отличия, то происходит автоматическое обновление CMOS-памяти, либо вызывается BIOS Setup.

Если срок батарейки, питающей CMOS, подошел к концу, то при включении компьютера на экран будет выведено сообщение, например, "CMOS-checksum error". Для возобновления работы компьютера необходимо будет установить новую батарейку взамен вышедшей из строя.

После замены батарейки при первом включении компьютера заводские настройки, хранящиеся в BIOS, будут "сброшены" в CMOS-память. Это, кстати, один из способов устранить неисправность, если вы "перемудрили" с настройками BIOS. Для этого надо выключить компьютер, вынуть на 30 секунд батарейку из материнской платы, установить ее назад, и заводские настройки BIOS будут восстановлены, а компьютер снова заработает.

Батарейку обнаружить на материнской плате не составит большого труда, т.к. она довольно крупная. Как правило, рядом с ней располагается и микросхема CMOS. А вот BIOS-микросхема может находиться совершенно в другом месте платы - надо будет посмотреть паспорт на материнскую плату, там эта информация указана.

Далее следует проверка таймера, нулевой канал которого связан с процессором через программируемый контроллер прерываний, генерирующего прерывания примерно через каждые 18,2 миллисекунды. Первый канал таймера используется для запуска контроллера DMA - прямого доступа в память, передающего запрос для регенерации системной динамической памяти. Второй канал таймера служит для генерации звука через динамик компьютера или измерения временных интервалов. Первым делом POST тестирует первый канал таймера и инициализирует его на требуемую частоту регенерации и только затем инициализирует нулевой канал.

После инициализации таймера POST начинает выполнять тесты записи-чтения регистров контроллера DMA и, если не возникает ошибок, приступает к периодической регенерации системной памяти. В этой же фазе тестируется и контроллер клавиатуры, также расположенный на системной плате. Только после инициализации контроллера DMA начинается тестирование первых 64 Кбайт системной памяти, которая впоследствии также интенсивно используется в процессах тестирования в качестве рабочей области.

Еще два важнейших узла должны быть протестированы на системной плате - это контроллер прерываний и кэш-контроллер. Только когда все эти микросхемы работают нормально,   компьютер   может   выполнять   любые   внутренние   операции.   Поскольку   видеосистема компьютера в это время еще не инициализирована,  все сообщения об ошибках выдаются в виде сигналов спикера

ЗВУКОВЫЕ СИГНАЛЫ SPEAKER

На завершающей стадии POST осуществляется проверка и инициализация устройств, выполняющих связь компьютера с внешним миром, - видеосистемы, клавиатуры, дисков, последовательных и параллельных портов и т.д.

Важнейшей операцией POST на текущем этапе является инициализация видеосистемы компьютера. После выполнения этой работы POST уже может выдавать на экран различные сообщения. С этого же момента на экран могут выдаваться и диагностические сообщения об исправности периферии.

После инициализации видеосистемы POST тестирует оставшуюся оперативную память компьютера. Обычно эта работа сопровождается «щелчками» из динамика и визуализацией работоспособного количества проверенных килобайт. Если обнаружена неисправная микросхема, POST выдает на экран соответствующее сообщение. В зависимости от типа BIOS в этом сообщении тем или иным образом указывается адрес, где именно произошла ошибка. В процессе POST всегда проверяется содержимое ячейки памяти по адресу 0:0472. Если в ней содержится шестнадцатеричное число 1234h, то выполняется «теплый» рестарт, то есть процедура проверки всей оперативной памяти опускается. Это происходит обычно после нажатия трех клавиш Ctrl+Alt+Del при включенном компьютере.

После тестирования памяти процедура POST проверяет работоспособность клавиатуры. Если на экране появляется сообщение о том, что клавиатура отключена, то сначала необходимо выключить компьютер, затем подключить разъем шнура клавиатуры в соответствующее гнездо на системном блоке и только после этого снова можно включать компьютер. Если в этом случае появляется диагностическое сообщение, то возможно повреждение кабеля клавиатуры или нарушение контакта в разъеме.

 Проверка микросхем последовательных портов и контроллера жестких дисков происходит вслед за проверкой клавиатуры.

Нормальное завершение процедуры POST сопровождается одним коротким гудком динамика. После этого начинает работать не менее важная процедура системной ROM BIOS, которая обеспечивает подготовку начальной загрузки модулей операционной системы. Эту функцию осуществляет программа начальной загрузки (ROM Bootstrap Routine), хранящаяся в ROM BIOS. Иногда эту программу называют «начальный загрузчик». Эта программа первым делом пытается считать сектор 1 (головка 0, цилиндр 0) с устройства А: в оперативную память компьютера по адресу 0:7C00h. Если в накопитель вставлена несистемная дискета или вообще нет загрузочного устройства, выдается сообщение:

Non-System disk or disk error

Replace and press one key when ready

или

Disk boot failure

MBR или master boot record  - это главный загрузочный сектор, чаще всего первый физический сектор на диске, с чтения его содержимого начинается работа компьютера при включении или перезагрузке (необходим для загрузки операционной системы). MBR состоит из двух частей: в первой части записана программа IPL1- Initial Program Loading 1, при выполнении которой компьютер исследует содержимое второй части MBR- таблицу разделов диска Partition Table, в которой указаны номера первого и последнего секторов каждого из разделов диска. В Partition Table также хранится информация о типе файловой системы раздела и признак того - является раздел загрузочным или нет. Каждый из разделов жёсткого диска содержит сектор BR (Boot Record), две копии File Allocation Table (FAT ) - FAT1 и FAT2, корневой каталог Root Directory и область данных.

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.

Сектор BR (Boot Record) - это первый сектор раздела, в котором записана одноимённая программа Boot Record, являющаяся частью операционной системы и предназначенная для запуска на выполнение остальных программ операционной системы, хранящихся на диске. BR имеется во всех разделах жёсткого диска, хотя не все разделы содержат файлы операционной системы, т.е. не все разделы являются "системными".

Таблица FAT (File Allocation Table) – таблица размещения файлов, хранит записи длиной 16 или 32 бита, хранящие информацию о месторасположении кластеров, на которых записан каждый файл. Если FAT повреждается, то компьютер теряет доступ к файлу и на диске появляются "потерянные кластеры" - т.е. секторы с бесполезной информацией, которую невозможно прочесть.

Root Directory - корневой каталог диска, содержит записи с информацией о каждом файле – имя, тип, объём, дата и время создания, атрибут файла (системный, скрытый, только для чтения, архивный) и хранит указатель на первый кластер файла. Корневой каталог является самым «главным» каталогом в разделе диска, все остальные каталоги и файлы располагаются по иерархии ниже его.

Data Area - область для данных - основная область раздела диска, хранит сами файлы.

Если в оперативную память успешно считан с жесткого диска Boot-сектор, то управление передается программе IPL1. Эта программа сканирует содержание таблицы разделов диска в поисках активного раздела. Активный раздел в поле «Признак загрузки» содержит код 80h, а остальные разделы помечены кодом 00h. Программа IPL1 считывает сектор, номер которого находится в поле «Начало раздела», а именно в трех байтах, следующих за кодом 80h. В этих байтах находятся номера головки, сектора и цилиндра стартового сектора раздела. Выбранный таким образом сектор является Boot-сектором активного раздела жесткого диска, а его содержание аналогично содержанию Boot-сектора флоппи-диска.

Программа IPL1 может выдавать на экран три сообщения:

Invalid Partition Table - если Partition Table содержит более одного загружаемого раздела;

Error loading operation system - Boot-сектор не удается считать в память;

 Missing operation system- в Boot-секторе отсутствует сигнатура OAA55h.

Начальная инструкция в Boot-секторе выполняет переход на точку входа программы IPL2. Эта программа в свою очередь, используя информацию из блока параметров BIOS, определяет, являются ли два первых файла в корневом каталоге диска модулями IO.SYS и MSDOD.SYS. Затем IPL2 загружает эти файлы в младшие адреса памяти (70:0000h) и передает управление на IO.SYS. Далее следует процесс инициализации, выполняемый средствами самой операционной системы.

2. Порядок выполнения работы

1.  Изучить теоретические сведения
2.  Запустить программу POST и ознакомится с порядком проведения тестов в процессе выполнения программы
3.  Заполнить таблицы с протоколами работы программы POST
4.  Сделать вывод о проделанной работе

3. Контрольные вопросы

1. Что такое программа POST?
2. Каковы функции программы POST?
3. Опишите последовательность выполнения тестов программой POST.
4. Что такое MBR, какие функции она выполняет?
5. Что такое Boot Record, какие функции она выполняет?
6. Что такое FAT, какие функции она выполняет?
7. Что такое Root Directory, какие функции он выполняет?
8. Какие сообщения может выдавать на экран программа IPL1?