Главная загрузочная запись

Главная загрузочная запись () — 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 () 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

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, 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

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.

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

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)

Примечания

Ссылки 

 
 Главная загрузочная запись — Master Boot Record (MBR)
 Спецификация «BIOS Boot Specification» от Intel, Phoenix, Compaq

Разбиение носителя информации
Загрузка компьютера