«Существование» любой вычислительной системы представляет собой процесс последовательного выполнения главным вычислительным узлом (в миру – CPU) инструкций (операторов). И, как процесс «последовательный», он должен как-то начинаться. Со времен первых ЭВМ для определения этого начала используют специальное слово «boot», общепринятый русский перевод которого – «начальная загрузка», «загрузить». Спросите, зачем так «издалека»? А затем, что большинство пользователей никогда не задумывалось над тем, что представляют собой эти самые boot loader-ы (первичные загрузчики). Общепринятым заблуждением является то, что загрузчик – часть ОС, что, в принципе, не верно, хотя создаются они, как и любое другое ПО, в рамках той или иной операционной системы и ориентированы, обычно, на выполнение загрузки в первую очередь этой самой «материнской» ОС. Но «обычно» не означает «всегда». Прежде всего, это не относится к вычислительным системам, не использующим операционную систему вообще: многие однокристальные ЭВМ и все устройства на их основе, конечные автоматы и т.п. Эти системы не являются предметом нашего рассмотрения и упомянуты только для того, что бы проиллюстрировать, что загрузка (boot) – общее свойство вычислительных систем, а старт операционной системы IBM PC – частный случай загрузки. Возможно, в таком взгляде на IBM PC есть своя логика. Во всяком случае, Erich Boleyn, первый разработчик GRUB, по роду своей основной деятельности имел дело прежде всего с вычислительными устройствами, обеспечивающими высокоскоростную передачу в сетях, и только потом – с IBM PC.

Прежде чем продолжить рассказ о GRand Unified Bootloader-е (именно из этих трех слов составлена аббревиатура GRUB), несколько слов о том, для кого это может быть интересно. Если Вы используете ОДНУ операционную систему ОДНОГО производителя (хотите, угадаю – какого?), то Вам это не нужно. Во всех остальных случаях – может пригодиться. Хотите иметь несколько win'9x на одном диске? Вообще, несколько разных операционных систем? Загрузку с любого из физических дисков (без выхода в BIOS Setup)? Универсальную загрузочную дискету? Попробовать альтернативу LILO? Если хотя бы один из ответов был положительным – читайте дальше.

Итак, дальнейшее уже будет иметь отношение исключительно к IBM PC. Архитектура этого, без сомнения, самого многочисленного клона компьютеров предполагает загрузку в ОЗУ с нулевого адреса так называемой MBR (Master Boot Record) – первого (или нулевого, в зависимости от того, с чего начинать считать) блока загрузочного устройства, и передачу на него управления. Загрузочными устройствами могут быть FDD, HDD или CD ROM, определяется это обычно в BIOS Setup. Во всех случаях размер MBR – 512 байт. Для MBR жесткого диска стандартизированы также возможное количество разделов (четыре, причем только один – расширенный (extended), который может содержать логические диски), структура и местоположение Partition Table – таблицы разделов, описывающей их геометрию, тип файловой системы и признаки активности (загружаемости). Стандарт этот можно бы и игнорировать, но тогда никакое «чужеродное» ПО не сможет определить содержит ли диск хоть что-нибудь разумное. Поэтому и не игнорируют – даже MicroSoft, упорно «не замечающая» возможности существования нескольких первичных разделов. А вот содержимое MBR от «0» до Partition Table – не регламентировано. То есть, как раз исполняемые инструкции могут быть различными. И имеется под них всего-то 384 байта. Трудно разместить в таком объеме что–либо существенное – вместо этого размещают код очередного (в смысле очередности этапов загрузки) loader-a. В простейшем случае этот загрузчик загружает (уж простите за тавтологию) в память содержимое начального блока одного из primary (первичных), активного (bootable) раздела. Этот начальный блок, в отличие от начального блока диска называется уже не Master..., а просто – Boot Record). Так это делалось от MS DOS вплоть до win'9x. В более сложных случаях инструкции, считанные из MBR, служат для того, что бы загрузить первичный загрузчик ОС, будь то NTLoader, LILO и т.п. Такой специальный загрузчик нужен для многих целей: во-первых, сама загрузка ОС может быть достаточно сложной, чтобы не «умещаться» в одном блоке; во-вторых, сколько-нибудь серьезная система предполагает возможность загрузки нескольких ядер (в простейшем случае хотя бы один дополнительный, аварийный (failsave) вариант); в-третьих, «хорошим тоном» считается сохранение возможности загрузки предыдущей версии ОС; ну и в-четвертых, хорошо бы предоставить пользователю возможность использовать еще одну ОС, хотя и не все производители ПО так считают. Уже вышеприведенное описание показывает, что есть два принципиально различных способа загрузки. Первый – «тупой» или, выражаясь мягче, «аппаратный» – так называемая загрузка «цепочкой»: последовательная загрузка начальных блоков сначала диска в целом, а затем – активного раздела. Недостатком этого способа являются архитектурные ограничения (не более четырех первичных разделов), и трудность размещения в одном блоке (512 байт) более-менее сложного ПО, обеспечивающего, например, начальный диалог с пользователем. Альтернатива – «интеллектуальный» способ, предполагающий наличие специальной программы, имеющей доступ к файлам, расположенным на диске. Этот доступ позволяет вынести содержание и алгоритм работы меню загрузки в файлы, редактируемые пользователем, снимает все возможные ограничения на количество загружаемых систем или ядер одной и той же системы. Именно по этому пути и пошли разработчики всех современных менеджеров загрузки (из уважения, по-видимому, программы этого класса именуют уже не загрузчиками, а менеджерами).
Последний комментарий по поводу соотношения загрузчиков и ОС. Загрузчик не является частью ОС, поскольку не использует ее ресурсы (не может пока: ОС-то еще не загружена). Загрузчик зависим от ОС настолько, насколько его файлы «привязаны» к файловой системе данной ОС. Чем больше количество файловых систем, на которых могут находиться файлы загрузчика, тем больше его «вне-системность».

Обойдя ограничение четырех первичных разделов и невозможности загрузки разделов логических, разработчики менеджеров загрузки столкнулись с очередной трудностью – особенностями файловых систем, которые теперь уже были «небезразличны», и особенностями загрузки ядер различных ОС. Что касается файловых систем, то с этим «разобрались» быстро. Так, в исполнении авторов GRUB, программный «слой», обеспечивающий доступность файлов на томах 6-ти различных систем «уместился» в 6-ти файлах общим объемом чуть более 45-ти кбайт. А вот что касается загрузки ядер, то тут ожидать «консенсуса» не приходится. Но, на самом деле, такая цель и не ставилась.
В 1995 году, ядро Hurd (оригинальная ОС, включающая в себя множество инноваций, обсуждение которой выходит далеко за рамки данной статьи) достигло «готовности», когда нужно было уже задуматься о способе его загрузки. Вышеупомянутый Erich Boleyn в соавторстве с Brian Ford не стал «умножать» количество мало совместимых способов загрузки IBM PC, предложив вместо этого Multiboot Specification – спецификацию, обеспечивающую универсальный способ загрузки ядер ОС. Вряд ли молодые люди рассчитывали на то, что, например, MicroSoft Co. приведет загрузку Windows XP к упомянутой спецификации, но для ядер Hurd, FreeBSD, NetBSD, OpenBSD и Linux мы получили действительно унифицированный подход. Приверженцам MicroSoft расстраиваться не пришлось: загрузка систем и загрузчиков, не совместимых с Multiboot Specification возможна по алгоритму «цепочки». Собственно говоря, все ОС MicroSoft, кроме NT, только так и загружались. Что же касается NT, то по «цепочке» загружается NTLoader, выполняя после своей загрузки все возложенные на него функции. Дальше – больше. В 1999 году Gordon Matzigkeit и OKUJI Yoshinori представили GRUB как официальный пакет GNU. Круг участников проекта расширился, а функциональность пакета еще более возросла. Кроме изначально присущих уникальных возможностей, ориентированных, в основном, на разработчиков ядер ОС (и, как следствие, мало понятных большинству рядовых пользователей), на настоящий момент GRUB: принимает практически все форматы исполнимых файлов; обеспечивает загрузку ядер, совместимых и ограниченно совместимых со спецификацией Multiboot; поддерживает «цепочный» механизм для ОС и загрузчиков, не совместимых со спецификацией Multiboot; поддерживает загружаемые модули; поддерживает редактируемый текстовый конфигурационный файл; имеет меню-ориентированный и гибкий командный интерфейсы, удовлетворяющие, практически, любым запросам пользователя; поддерживает файловые системы: BSD FFS, DOS FAT16 и FAT32, Minix fs, Linux ext2fs, ReiserFS, и VSTa fs; обеспечивает автоматическую декомпрессию gzip-файлов; независим от геометрии дисков: переход к диску с другой трансляцией номеров блоков не потребует изменения конфигурации; определяет LBA-режим: если BIOS поддерживает LBA, GRUB пользуется этой поддержкой; поддерживает сетевую загрузку по TFTP-протоколу; поддерживает терминальный доступ по последовательному интерфейсу, т.е. может использоваться в без-консольных станциях.

Согласитесь: приведенный список – веская заявка на титул «GRand». Присмотримся поближе. Поскольку проект выполняется в рамках GNU, то информация о нем находится на http://www.gnu.org/software/grub/. Продукт и в настоящее время в стадии «alpha» (не пугайтесь, это определяется больше уровнем притязаний разработчиков, нежели работоспособностью уже сделанного), поэтому загрузить его можно только с ftp://alpha.gnu.org/gnu/grub. Там находится три файла. На декабрь 2001-го это:
grub-0.90.tar.gz – архив исходников, достаточных для построения GRUB в любой ОС клона unix;
grub-0.90-i386-pc.ext2fs – образ загружаемой дискеты со всеми необходимыми файлами;
grub-0.90-i386-pc.tar.gz – архив бинарных файлов, достаточных для загрузки (но не для инсталляции) в любой из поддерживаемых файловых систем.
Версия со временем, разумеется, изменится, но подход, будем надеяться, останется прежним.

Для unix систем, безусловно, нужно использовать первый архив. Выполнив стандартные для unix configure-make-make check-make install, получаем три исполняемых файла в .../sbin, три man-страницы в .../man/man8, исчерпывающее info в .../info и восемь бинарных файлов в .../share/grub/i386-pc, образующих в разных комбинациях собственно bootloader. Добавлять что-либо к info нет необходимости, но все это – только для unix. А где же «мультисистемность»? Оказывается – есть. Для инсталляции GRUB в любой из файловых систем на жестком или флоппи-диске нужно создать в корне этой файловой системы каталог /boot/grub (различия между прямым и обратным слэшем нивелируются) и перенести в него несколько файлов из архива grub-0.90-i386-pc.tar.gz: stage1 и stage2 – обязательно, а файлы с постфиксом stage1_5 – только те, которые обеспечат GRUB доступ к нужным файловым системам (которые – очевидно из их названий). Собственно инсталляцию, то есть запись кода загрузчика в MBR, выполнить тоже можно, но не нужно: разумнее последовать рекомендации авторов и выполнить инсталляцию непосредственно из grub, запущенного, например, с дискеты, созданной из grub-0.90-i386-pc.ext2fs. Под unix такая дискета делается командой:
dd if=./grub-0.90-i386-pc.ext2fs of=/dev/fd0
под DOS – с помощью известной утилиты rawrite.
под win – rawwrite

Загрузившись с дискеты, знакомимся с тем самым «гибким командным интерфейсом». Пользователи unix удивлены не будут: очень похоже на bash, остальным же, возможно, будет интересно познакомиться с памятью команд и авто-заполнением. Диалог начинается выводом перечня допустимых команд. Информацию по любой из команд можно получить, набрав help <имя команды>. В простейшем случае, для инсталляции GRUB потребуется всего две команды: root (hdn,m) и setup (hd0). Первая из команд указывает, где искать каталог /boot/grub с находящимися в нем файлами *stage*. Имя устройства всегда заключается в круглые скобки. n – номер диска, m – номер раздела Способ обозначения разделов аналогичен принятому в unix (только нумерация начинается не с единицы, а с нуля), но для пользователей других систем может показаться «неочевидным». На помощь придет авто заполнение команды: табуляция после root ( – выведет список допустимых устройств. Еще одна табуляция – и на экране список всех разделов выбранного диска. Может оказаться полезной команда find /boot/grub/stage1 – она-то уж точно укажет номер раздела, где создан искомый каталог. С помощью этой же команды можно искать любой файл на всех разделах диска и дискете. Не забывайте только, что path в данном случае – обязательный компонент имени. Поэтому, если файл должен быть в корневом каталоге раздела, не забудьте прямой слэш перед именем. Команда setup выполнит все необходимые для инсталляции действия. В качестве параметра – диск, с которого и будет происходить загрузка. Однако с setup можно и не торопиться. Почему бы не проверить себя еще раз? Для этого команды загрузки ОС вводятся непосредственно в командном режиме (впоследствии эти команды составят конфигурационный файл).
Для Linux это, например:
kernel (hd0,6)/boot/vmlinuz-up root=/dev/hda7
Команда загружает ядро, расположенное на третьем логическом диске расширенного раздела.

для win'98:
makeactive
chainloader +1
Первая команда делает активным (загружаемым) раздел, выбранный командой root, вторая – загружает в память начальный загрузчик этого раздела.
Команда boot передает управление загруженным ядру или загрузчику.
Если все в порядке – возвращаемся к setup и заканчиваем инсталляцию.

Вообще, перечень доступных команд достаточно обширен и всегда может быть выведен на экран нажатием <TAB>. Кроме команд, использование которых предполагает наличие специальных знаний (blocklist, debug, displayapm, displaymem, impsprobe, ioprobe, read, serial, setkey, terminal, testload, uppermem), имеются следующие группы команд: управления: boot – передать управление ядру, загруженному командой kernel или «чужому» загрузчику, загруженному командой chainloader, halt – выключить машину, help [команда] – выдать подсказку, quit – выйти из GRUB, reboot – перезагрузиться, pause – ждать нажатия клавиши; работы с файлами: cat – вывести на экран, cmp – сравнить содержимое двух файлов; управления доступом: password – обычно помещается в конфигурационном файле и при достижении ее требует ввода пароля, lock – блокировать выполнение команд для неидентифицированного пользователя; модификации разделов: partnew – создать первичный раздел, partype – изменить тип раздела; настройки внешнего вида: color – задать цвета меню, vbeprobe – определить и вывести доступные режимы видеоадаптера, testvbe MODE – тестировать режим MODE видеоадаптера.

Приведенный список команд не полон, но более подробное обсуждение было бы слишком объемным, тогда как еще не рассмотрены команды, с помощью которых, собственно, и выполняются варианты загрузки. Эти же команды являются основным содержанием конфигурационного файла. Файл этот называется menu.lst и располагается все в том же /boot/grub. В начале файла обычно размещаются команды задания цветов:
color light-gray/blue black/light-gray
первая пара цветов определяет основной и фоновый цвета для «не выбранных» позиций меню, вторая – для «выбранных».

Время (в секундах) от момента вывода меню до выполнения позиции, определенной, как «умолчание», задается командой:
timeout 10

Позиция «по умолчанию» задается, как:
default 0

Если загрузка «по умолчанию» по какой-либо причине не возможна, то будет предпринята попытка выполнить позицию, указанную в команде:
fallback 1

Цифры, определяющие позицию меню, могут быть, разумеется, любыми. Обратите внимание только на нумерацию – с нуля.

Описание каждой из позиций меню начинается с команды:
title text
где text – остаток строки от первого «непробельного» символа после title.

Группа команд одной позиции меню в обязательном порядке имеет уже упомянутую команду root. ОС, хотя бы частично соответствующие Multiboot Specification, загружаются командой kernel, причем в строке можно указывать дополнительные параметры. Так, команда
kernel (hd0,6)/boot/vmlinuz-up root=/dev/hda7 hdd=ide-scsi vga=788
загрузит Linux, корневым каталогом назначит /dev/hda7, включит эмуляцию ide-scsi, нужную для пишущего привода CD и переведет видеоадаптер в режим 800х600 графической консоли, для работы с так называемым frame buffer device (спасибо Алексею Федорчуку – я и не знал, что это так называется).

Для ОС, не соответствующих Multiboot Specification, сначала взводится бит «активности» раздела, выбранного командой root:
makeactive
а, затем, методом «цепочки» загружается собственный загрузчик данной ОС:
chainloader +1

Поскольку ОС семейства win'9x не могут быть загружены из соседних разделов (вне зависимости от флага активности грузится все равно первый из разделов), для их загрузки нужно использовать команды hide и unhide. Так, если первый и второй первичные разделы содержат win'9x, то для загрузки второй системы нужно включить в menu.lst следующие команды:
hide (hd0,0)
unhide (hd0,1)
root (hd0,1)
makeactive
chainloader +1

Аргументы hide, unhide и root для загрузки первой системы, думаю – очевидны.

Еще одна трудность с ОС от MicroSoft – неспособность грузиться со второго и последующих дисков. Для ее преодоления применяют технику «свопирования» (swapping technique), или, проще – «подмены».
Так же, собственно, поступает и BIOS Setup, но зачем же обращаться к нему, если всего две строки в menu.lst выполнят ту же операцию:
map (hd0) (hd1)
map (hd1) (hd0)

Во всех случаях не лишним будет сначала загрузиться с дискеты, запустить grub и проверить, соответствует ли результат выбранных команд ожидаемому. В командном режиме существует специальная команда, загружающая созданный menu-файл:
configfile FILE

Еще один совет – для начала инсталлировать GRUB на дискете. Скорость загрузки с дискеты радует, что, собственно, и не удивительно: общий объем загружаемых файлов – менее 100 кбайт.

Ну, и последняя рекомендация, содержащаяся в инструкциях абсолютно ко всем менеджерам загрузки: до инсталляции нового менеджера загрузки сохраните MBR! В unix это можно сделать командой:
dd if=/dev/hd0 of=your_file bs=512 count=1
в DOS – с помощью NortonDiskDoctor, например.

Сравнительный анализ различных менеджеров загрузки выходит за рамки данной статьи, но даже без такого анализа можно, наверное, согласиться, что «GRand» – вполне заслуженный титул для рассматриваемого пакета. GRUB – даже больше, чем «unified bootloader». Дискета с ним позволит проанализировать разделы потерявшего способность к загрузке винчестера, загрузить любой из первичных разделов или любое из ядер Hurd, FreeBSD, NetBSD, OpenBSD или Linux. Возможно и более «изощренное» вмешательство в структуру разделов диска, но это, пожалуй, уже другая тема.