Bootarea sistemului de operare și UEFI

• Cursul 2 este despre Sisteme de Operare (SO).

Cuprinsul Cursului

• Introducere în SO.
• Rolul și componentele SO.
• Initializarea Sistemelor de Operare - BIOS.
• Caracteristici ale SO.
• Clasificări ale SO.

Introducere in SO

• O imagine cu ecranul arătând o eroare de disc non-sistem sau de disc.
• Reprezentare pe niveluri ale utilizatorului, software și hardware.
• Nivelurile includ Utilizator, limbaj de nivel înalt (C++, Java, FORTRAN etc.), Limbaj de asamblare, Software de sistem, Mașină, Control, Logică digitală.
• Programe executabile, Codul de asamblare, Sistem de operare, Arhitectură set de instrucțiuni, Microcod sau Hardwired, Circuite, Porți etc.
• O schemă piramidală din Utilizator la Hardware, cu Aplicații și Sistem de Operare între ele.

BIOS

• BIOS înseamnă Basic Input/Output System (Sistem de bază de intrare/ieșire).
• Un sistem compus dintr-un cip miniatural de memorie (situat pe placa de bază) și un software minimal.
• Principalii producători includ American Megatrends (AMI) și Award Software/Phoenix Technologies.
• A apărut în 1975 inclus în sistemul de operare CP/M.

Funcțiile BIOS-ului

• Controlul primar al diverselor componente HW, inclusiv tastatura, monitorul, discurile și porturile (serial, paralel, PS2, USB).
• Determinarea încărcării sistemului de operare la pornirea sistemului (Bootstrap loader).
• Setarea parametrilor sistemului precum ora, data și caracteristicile funcționale pentru diverse componente.
• Testarea sumară a principalelor componente HW (POST = Power-On Self Test).

Caracteristici BIOS

• Conținutul BIOS-ului nu este afectat în cazul unei probleme cu discurile magnetice.
• Este posibilă modificarea valorilor și salvarea preferințelor.
• Setările din BIOS revin la valorile inițiale în cazul unei probleme generate de lipsa alimentării cu energie electrică și descărcarea acumulatorului.

Secvența de operațiuni a BIOS

• BIOS execută următoarea secvență:
  • Power-on self-test (POST).
  • Detectează dispozitivele Plug & Play.
    • Detectează BIOS placa video și execută inițializarea video, apoi detectează alte dispozitive BIOS.
  • Afișează ecranul de start-up.
  • Efectuează un test scurt de memorie.
  • Configurează memoria și dispozitivele.
  • Identifică dispozitivul de boot.
  • Încarcă blocul de boot 0 (Master Boot Record).

Componente BIOS

• POST (Power On Self Test):
  • Rutine de diagnoză.
    • Inițializare HW intern și dispozitive periferice, inclusiv placa video, memoria principală, procesorul, tastatura etc.
    • Verificare funcționării corecte.
    • Afișare mesaje de eroare pe ecran dacă este cazul, altfel, indică o defecțiune printr-un mesaj sonor.
• Plug and Play:
  • Căutare dispozitive de tip Plug and Play (placă video, placă de sunet).
    • Partea din BIOS este înlocuită cu funcții specifice dacă există astfel de dispozitive.
    • Afișează mesaje pe ecran dacă au apărut modificări de HW sau disfuncționalități.
• Bootstrap Loader:
  • BIOS accesează primul sector al HDD și pornește programul capabil să recunoască structura dispozitivului de stocare și să lanseze/pornească sistemul de operare.
• Operating System Kernel (Nucleul Sistemului de Operare):
  • Kernel-ul este încărcat în memoria principală, SÓ preia controlul dispozitivelor HW.
  • Comunicarea dintre SO și dispozitivele HW este realizată prin drivere.
• Actualizare:
  • BIOS-urile actuale permit actualizarea prin scrierea de informații.

Arhitectura Fluxului de Execuție

• Framework-ul UEFI (Unified Extensible Firmware Interface).

Interfața Extensibilă Unificată Firmware (Unified Extensible Firmware Interface)

• (UEFI) este succesorul BIOS.
• Caracteristici preluate din BIOS:
  • Gestionarea alimentării (Advanced Configuration & Power Interface, ACPI).
  • Gestionarea sistemului.
• UEFI suportă discuri de dimensiuni mari:
  • Permite 4 partiții per disc până la 2.2 TB per partiție (BIOS) sau 9.4 ZB per partiție (EFI).
• Include drivere de dispozitiv și un boot manager pentru selectarea și încărcarea sistemului de operare.
• Nu necesită un boot loader separat și este extensibil.
• Dezvoltat în limbajul C, fiind independent de CPU și OS.
• Oferă suport pentru rețele prin IPv4 și IPv6.
• Permite recuperarea datelor și diagnosticul independent de OS.

Tabel comparativ Legacy BIOS vs UEFI Firmware

• Limbajul de programare: Assembly vs C.
• Procesoare suportate: Intel Architecture vs Intel Architecture, Itanium, ARM.
• Modul procesor: 16 biți vs Native (64 sau 32 biți).
• Expansion Card Firmware: Legacy Option ROMs vs UEFI Drivers sau UEFI Option ROMs.
• Servicii furnizate: Interrupts vs Protocols.
• Video Support: Int10h & VBIOS vs Graphics Output Protocol (GOP).
• Storage Support: Master Boot Record (MBR) Partitioning vs GUID Partition Table (GPT) și Master Boot Record (MBR) Partitioning.
• Peripheral and Feature Setup: F2 Setup, Ctrl-M, Ctrl-A, No Industry Standard vs UEFI Human Interface Infrastructure (HII) Protocol as Industry Standard.
• OS Boot Loader: Incarcă sectorul de boot vs UEFI încarcă fișiere executabile(e) cu priorități definite de UEFI Spec.
• OS Handoff: Nu există definiție clară vs ExitBootServices () funcție definită de UEFI Spec

Rolul și Componentele SO

• Sistem de Operare:
  • Este cel mai important set de programe care rulează pe un calculator.
  • Controlează și comunică direct cu toate componentele calculatorului.
  • Permite și gestionează executarea aplicațiilor utilizator.
  • Intermediază legătura dintre aplicații și componentele hardware.
• Arhitectura set de instrucțiuni este setul de instrucțiuni în limbaj mașină executate de computer, reprezentând o graniță între hardware și software.
• ISA utilizator (user) sunt accesate de SO sau API și ABI.
• ISA sistem (system): accesate doar de SO pentru gestionarea resurselor sistemului.

Nivele de limbaj de programare

• Limbaj de nivel înalt, limbaj assembly și limbaj mașină.

Relația dintre Aplicație, Sistem de Operare și Hardware

• Aplicația interacționează cu Sistemul de Operare, care face apel la Arhitectura unui Set de Instrucțiuni care accesează componentele Hardware.

Interfața Binară între Aplicații (ABI – Application Binary Interface)

• Definește un standard pentru transferul între programe la nivel binar.
• Definește interfața de apelare a SO și ansamblul resurselor hardware și serviciilor disponibile prin intermediul ISA utilizator.

Interfața de Programare a Aplicațiilor (API – Application Programming Interface)

• Asigură accesul unui program la resursele hardware și la serviciile disponibile prin ISA utilizator.
• Permite transferul facil al aplicațiilor software către alte sisteme ce suportă același API, prin recompilare.

Aplicațiile SO

• Necesită lămuriri pentru următoarele întrebări: care este rolul lor, cine le-a dezvoltat, unde se găsesc, cum pot fi executate, cine le poate executa, pot fi șterse?

Kernel (Nucleul)

• Cea mai importantă componentă a SO.
• Este prima componentă care se încarcă în memorie după pornirea calculatorului și rămâne acolo.
• Gestionează memoria internă, procesele și discurile (memorie externă).
• Deține privilegii mari (maxime) în comparație cu aplicațiile utilizator.
• Dicționar Oxford: “The central or most important part of something.”

Model Kernel Simplificat

• Model cu programe și aplicații divizate cu kernel modulare sistem call și modul utilizator.

Kernel Monolitic

• Structură stratificată cu apeluri de sistem, drivere, sistem de fișiere și managementul memoriei interne.

Microkernel

• Servicii minime, printre care comunicarea între componentele software și gestionarea memoriei.

Kernel Hibrid

• Similar cu microkernel, dar cu servicii suplimentare/extensii dinamice.

Mașina Virtuală

• Diferența dintre executarea aplicațiilor direct pe hardware versus pe mașină virtuală.

Caracteristici ale Sistemelor de Operare

• Funcții ale SO:
  • Gestiunea memoriei, procesorului, dispozitivelor I/O.
  • Gestiunea fișierelor de pe dispozitivele de stocare.
  • Gestiunea utilizatorilor și a proceselor/thread-urilor.
  • Tratarea erorilor.
  • Interfață grafică prietenoasă cu utilizatorul.
  • Set minim de programe/aplicații pentru asistență.

Servicii Furnizate de SO

• Dezvoltarea de programe (editoare, debugger-e etc.).
• Execuția programelor (planificarea execuției, încărcarea datelor și inițializarea dispozitivelor).
• Accesul la dispozitivele de tip I/O (interfață pentru accesarea dispozitivelor cu comenzi predefinite).
• Accesul controlat la fișiere (identificarea dispozitivelor I/O, structura stocării datelor și gestionarea accesului).
• Accesul la sistem (protecție față de utilizatorii neautorizați, limitarea accesului la componente).
• Detectarea/corectarea erorilor (erori hardware și software, mecanisme de gestiune).
• Monitorizare (statistici privind utilizarea resurselor, parametrii de funcționare, scop îmbunătățirea performanțelor).

Proprietăți de Sisteme Operare

• Facilitate, Portabilitate (independenta de HW), Caracter evolutiv, Permanenta, Actualizare si Eficienta

Clasificări ale SO

• În funcție de numărul de utilizatori:
  • Single user (ex: MS-DOS, Windows 3.1, Windows CE).
  • Multi user (ex: Linux, Solaris).
• În funcție de tipul interacțiunii cu utilizatorul:
  • Seriale (sisteme depășite).
  • Interactive (controlul programelor proprii de către utilizator).
• În funcție de numărul de procese:
  • Single tasking: execută un singur proces la un moment dat.
  • Multi tasking: execută mai multe procese.
    • Real: necesita capabilitati de procesare paralela (procesor cu mai multe nuclee)
    • Simulat: bazată pe un mecanism de divizare a timpului de acces la procesor (time sharing)
• După tipul prelucrărilor:
  • SOTR (execuția programelor cu garanții conform algoritmilor de planificare; utilizat în domenii critice).
  • SO batch processing (deservire secvențială a cererilor).
  • SO time-sharing (deservire alternativă a cererilor, execuția fiecărui task durează puțin).
• După tipul și configurația HW:
  • Pentru calculatoare mici, mainframe, dispozitive portabile, embedded, smart-card-uri.
• După arhitectura kernel:
  • Monolitice, stratificate, bazate pe micro-kernel.

Testează-ți cunoștințele despre procesul de bootare, rolul UEFI, și interacțiunea dintre hardware și software. Identifică componentele esențiale și funcțiile lor în sistemele de operare moderne. Explorează pașii cheie de la pornire până la încărcarea sistemului.