ブートローダー

ブートローダは、ブートローダ^{[1] [2]}とも綴られ、ブートストラップローダとも呼ばれ、コンピュータの起動を担当するコンピュータプログラムです。複数のブートオプションを備えた対話型メニューも提供する場合は、ブートマネージャと呼ばれることがよくあります。^[2]

コンピュータの電源を切ると、そのソフトウェア（オペレーティングシステム、アプリケーションコード、データなど）は不揮発性メモリに保存されたままになります。コンピュータの電源を入れると、通常、ランダムアクセスメモリ（RAM）にはオペレーティングシステムやそのローダーはありません。コンピュータはまず、ブート ROM （読み取り専用メモリ（ROM、後にEEPROM、NOR フラッシュ））に保存されている比較的小さなプログラムを必要なデータと共に実行し、RAM を初期化し（特に x86 システムの場合）、不揮発性デバイス（通常はブロックデバイス、たとえば NAND フラッシュ）またはオペレーティングシステムプログラムとデータを RAM にロードできるデバイスにアクセスします。

初期のコンピュータ システムの中には、人間のオペレータまたは周辺機器からブート信号を受信すると、ごく少数の固定命令をメモリの特定の場所にロードし、少なくとも 1 つの CPU を初期化してから、CPU を命令にポイントして実行を開始するものがありました。これらの命令は通常、何らかの周辺機器 (オペレータがスイッチで選択できるもの) からの入力操作を開始します。他のシステムでは、周辺機器または I/O コントローラにハードウェア コマンドを直接送信して、非常に単純な入力操作 (「システム デバイスのセクター 0 をメモリの 1000 番地から読み込む」など) を実行し、少数のブート ローダー命令をメモリにロードします。その後、I/O デバイスからの完了信号を使用して、CPU による命令の実行を開始します。

小型のコンピュータでは、柔軟性は劣るものの、より自動的なブートローダ機構が使用されることが多く、コンピュータがすばやく、所定のソフトウェア構成で起動するようにしています。たとえば、多くのデスクトップコンピュータでは、ブートストラッププロセスは、CPU が定義済みアドレスにある ROM ( IBM PCまたはIBM PC 互換機のBIOSなど) に含まれるソフトウェアを実行することから始まります (Intel x86 シリーズなどの一部の CPU は、リセット後に外部からの支援なしにこのソフトウェアを実行するように設計されています)。このソフトウェアには、ブートに参加できるデバイスを検索し、最も可能性の高いデバイスの特別なセクション (最も一般的にはブートセクター) から小さなプログラムをロードする基本的な機能が含まれており、通常はセクターの先頭などの 固定エントリポイントから開始します。

x86コンピュータでは、第 1 段階のブートローダは、マスター ブート レコード(MBR) に常駐し、コンピュータの起動時に実行されるコンパクトな 512 バイトのプログラムです。アドレス 0x7C00 で16 ビット リアル モードで実行され、最小限のハードウェア初期化を実行し、基本的な実行環境を設定し、第 2 段階のブートローダを見つけます。主な課題は、潜在的なハードウェア障害に対処しながら、厳しいサイズ制約内でこれらのタスクを達成することです。ブートローダは、ディスク構造をナビゲートし、多くの場合FAT ファイル システムサポートを実装し、BIOS スタートアップ状態から次のブート段階の安定した環境への繊細な移行を管理する必要があります。

ブートローダは、特にサイズに関して特殊な制約を受ける場合があります。たとえば、初期のIBM PCとその互換機では、ブートセクターは通常、510バイト（またはそれ以下）のコードと32KiB ^{[3] [4]}（後に64KiB ^[5]に緩和されました）のシステムメモリで動作し、オリジナルの8088 / 8086プロセッサでサポートされている命令のみを使用する必要があります。固定ディスクおよびリムーバブル ドライブ上にある PC ブート ローダーの第 1 段階 (FSBL、第 1 段階ブート ローダー) は、マスター ブート レコードの最初の 446バイトに収まる必要があります。これは、BIOS が適切なブート ローダーに必要とする、4 つのパーティション エントリと 2 バイトのブート署名を含むデフォルトの 64 バイトのパーティションテーブルのためのスペースを確保するためです。環境によっては、5 つ以上のパーティション エントリ (それぞれ 16 バイトで最大 16 個)、ディスク署名(6 バイト)、ディスク タイムスタンプ(6 バイト)、Advanced Active Partition (18 バイト)、または特殊なマルチブートローダーなどの追加機能もサポートする必要がある場合、このスペースはさらに少なくなります。

フロッピーおよびスーパーフロッピーの ボリューム ブート レコードでは、 DOS 4.0 以降、FAT12およびFAT16ボリューム上の拡張 BIOS パラメータ ブロック(EBPB)に最大 59 バイトが占有されていますが、DOS 7.1 で導入されたFAT32 EBPB では 87 バイトも必要なので、セクター サイズを 512 バイトと想定すると、ブート ローダーに残るのは 423 バイトだけです。そのため、Microsoft のブート セクターでは、従来、ブート プロセスに特定の制限が課されていました。たとえば、ブート ファイルは、ファイル システムのルート ディレクトリ内の固定位置に配置し、連続するセクター内に格納する必要がありましたが、^{[6] [7]}この条件はコマンドによって処理され、DOS のそれ以降のバージョンでは若干緩和されました。^{[7] [注 1]}その後、ブート ローダーはファイルの最初の 3 つのセクターをメモリにロードできましたが、そのメモリには、ファイルの残りをメモリにロードできる別の埋め込みブート ローダーが含まれていました。^{[7] Microsoft が}論理ブロック アドレス(LBA) と FAT32 のサポートを追加したとき、サイズ上の理由から 386 命令を使用して2 つの物理セクターを超えるブート ローダーに切り替えました。同時に、他のベンダーは、使用可能なメモリ (32 KiB) とプロセッサ サポート (8088/8086) の最小限の制約を緩和することなく、1 つのブート セクターにさらに多くの機能を詰め込むことに成功しました。^{[nb 2]}たとえば、DR-DOS ブート セクターは、FAT12、FAT16、および FAT32 ファイル システムでブート ファイルを検索し、ファイルが固定された場所や連続したセクターに格納されていない場合でも、 CHSまたは LBA を介して全体をメモリにロードできます。^{[8] [3] [9] [10] [11] [nb 3] [nb 2]}SYS

BIOSとUEFI は、不揮発性デバイスから 複数のオペレーティング システムをロードできるだけでなく、ロードされたオペレーティング システム用にシステム ハードウェアを初期化することもできます。

第一段階のブートローダの例としては、BIOS、UEFI、coreboot、Libreboot、Das U-Bootなどがあります。

x86 コンピュータでは、第 2 段階のブートローダは、第 1 段階のブートローダのような厳密な 512 バイトの制限を受けずに動作します。これらは、通常 8 KB から数メガバイトのサイズの、より洗練された環境で実行されます。この拡張されたスペースにより、複数のファイルシステムのサポート、ランタイム構成、ブートローダ メニュー インターフェイスなどの複雑な機能を実装できます。GNU GRUB、rEFInd、BOOTMGR、Syslinux、NTLDR 、 iBootなどの第 2 段階のブートローダは、それ自体はオペレーティング システムではありませんが、オペレーティング システムを適切にロードして実行を転送することができます。その後、オペレーティング システムは自身を初期化し、追加のデバイス ドライバをロードする場合があります。第 2 段階のブートローダは、自身の動作にドライバを必要とせず、代わりに BIOS やOpen Firmwareなどのシステム ファームウェアによって提供される汎用ストレージ アクセス メソッドを使用できますが、通常はハードウェア機能が制限され、パフォーマンスが低下します。^[12]

第 2 段階の実装には、対話型ユーザー インターフェイスを含めることができ、ブート オプションの選択とパラメーターの変更が可能です。initrd /initramfsイメージの処理を含むカーネルのロードを処理し、カーネルにブート パラメーターを渡すこともできます。多くは、追加機能のためにロード可能なモジュールをサポートするモジュラー設計を実装しています。これらの選択肢には、異なるオペレーティング システム (異なるパーティションまたはドライブからのデュアル ブートまたはマルチ ブート用)、同じオペレーティング システムの異なるバージョン (新しいバージョンで予期しない問題が発生した場合)、異なるオペレーティング システムのロード オプション (レスキュー モードまたはセーフ モードでのブートなど)、およびオペレーティング システムなしで機能できるスタンドアロン プログラム (メモリ テスター ( memtest86+など)、基本シェル (GNU GRUB など)、ゲーム ( PC ブート ゲームの一覧を参照) など) が含まれます。^[13]一部のブート ローダーは他のブート ローダーをロードすることもできます。たとえば、GRUB は Windows を直接ロードする代わりに BOOTMGR をロードします。通常、既定の選択肢が事前に選択されており、その間にユーザーはキーを押して選択を変更できます。この遅延の後、デフォルトの選択が自動的に実行されるため、対話なしで通常の起動が可能になります。また、圧縮、暗号検証、および他のブートローダーのチェーンロードも処理できます。コンピューターがユーザーと対話する準備ができたとき、またはオペレーティング システムがシステム プログラムまたはアプリケーション プログラムを実行できるときに、ブート プロセスが完了したと見なすことができます。

多くの組み込みシステムは、すぐに起動する必要があります。たとえば、デジタル テレビやGPS ナビゲーション デバイスが起動するまで 1 分も待つことは、一般的には許容されません。そのため、このようなデバイスでは、ROM またはフラッシュ メモリにソフトウェア システムが搭載されているため、デバイスはすぐに機能を開始できます。デバイスの製造時にロードを事前に計算して ROM に保存できるため、ロードはほとんどまたはまったく必要ありません。

大規模で複雑なシステムでは、複数のフェーズで進行するブート プロシージャがあり、最終的にオペレーティング システムとその他のプログラムがロードされて実行可能になります。オペレーティング システムは起動も停止も行われないように設計されているため、ブート ローダーはオペレーティング システムをロードし、そのシステム内の単なるプロセスとして自身を構成し、その後、制御をオペレーティング システムに永久に渡すことがあります。その後、ブート ローダーは他のプロセスと同様に正常に終了します。

ほとんどのコンピュータは、コンピュータ ネットワーク経由で起動することもできます。このシナリオでは、オペレーティング システムはサーバーのディスクに保存され、その特定の部分が TFTP ( Trivial File Transfer Protocol )などの単純なプロトコルを使用してクライアントに転送されます。これらの部分が転送された後、オペレーティング システムが起動プロセスの制御を引き継ぎます。

第 2 段階のブート ローダーと同様に、ネットワーク ブートは、ネットワーク インターフェイスのブート ROMによって提供される汎用ネットワーク アクセス メソッドを使用して開始されます。ブート ROM には通常、Preboot Execution Environment (PXE) イメージが含まれています。ドライバーは必要ありませんが、オペレーティング システム カーネルとドライバーが転送されて起動されるまで、システム機能は制限されます。その結果、ROM ベースのブートが完了すると、ネットワーク インターフェイスを使用する機能を持たないオペレーティング システムにネットワーク ブートすることが可能になります。

• ファームウェア
• 初期プログラムロード(IPL)
• ブートローダーの比較

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