Fabio Proietti (c) 2014 Licenza:

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1 Bootstrap In informatica bootstrap è il termine usato per indicare la sequenza delle operazioni per il caricamento del sistema operativo. L'etimologia della parola inglese riguarda il saper fare qualcosa (di difficile?) da soli, come infilare gli stivali (tirandoli) da soli. Prima di iniziare a leggere è necessario conoscere dove è memorizzato il sistema operativo. È necessario conoscere anche: il concetto di file system, BIOS, PC IBM compatibile, boot manager; la differenza tra Cilindri, Testine, Settori e Blocchi e la differenza tra indirizzamento CHS e LBA. Volume Boot Record Il cosiddetto Volume Boot Record (VBR) è il primo blocco della memoria di massa (una volta i blocchi avevano dimensione fissa di 512 B) e contiene il codice eseguibile necessario al bootstrap. Questo codice è caricato in memoria centrale dal codice firmware presente nella ROM del BIOS. A sua volta esso caricherà il sistema operativo. Questa sequenza "a catena" viene chiamata chain loading. Partizioni Negli anni '80 si utilizzano come memorie di massa dischi di capacità di 10 MB, e nasce la possibilità di dividere l'hard disk in aree indipendenti, chiamate partizioni. Questa divisione non richiede modifiche hardware, ma è effettuata solo tramite strumenti software. Nel primo blocco del disco, che sarebbe stato originariamente destinato al VBR, viene memorizzata una struttura chiamata Master Boot Record (MBR) che contiene, tra le altre cose, una specifica tabella (detta partition table) per definire al massimo quattro partizioni. Il sistema operativo, oggi, può leggere il MBR è visualizzare le partizioni come dei dispositivi hardware distinti tra loro, come se fossero diverse unità di memoria di massa, usando per ognuna di esse un nome logico diveso. Figura 1: qtparted e gparted sono programmi utili per partizionare un hard disk

2 Attività: sul tuo computer quante unità di memoria ci sono? Quante di queste sono veri dispositivi fisici oppure partizioni? Su MS Windows vengono usate in entrambi i casi delle lettere dell'alfabeto (C:, D:, E:, ecc.) ed è difficile scoprirlo. Sui sistemi POSIX vengono usati dei nomi composti da sole lettere dell'alfabeto per i dispositivi fisici (/dev/sda, /dev/sdb), mentre per le partizioni si aggiungono anche dei numeri (/dev/sdb1, /dev/sdb2, /dev/sdb5), quindi è facile scoprirlo. Si veda la Figura 1. Master Boot Record Il Master Boot Record (MBR) contiene, oltre alla partition table, anche del codice eseguibile utile al bootstrap. Poiché il primo blocco è occupato dal MBR, il VBR e il suo contenuto vengono spostati nel primo blocco relativo alla partizione che contiene effettivamente il sistema operativo. Mentre il VBR è obbligatorio, il MBR non lo è: se l'unità di memoria non è partizionata, non c'è nessun MBR, e al suo posto c'è solo il tradizionale VBR. Nella seguente tabella viene mostrata una possibile struttura del MBR, ma ne esistono alcune implementazioni con qualche variante. posizione (hex) dim. (byte) descrizione note bootstrap code (parte 1) (eseguibile) +0DA 6 disk timestamp (optional) +0E0 216 bootstrap code (parte 2) (eseguibile) +1B8 6 disk signature (optional) potrebbe essere usata per impostare un nome logico fisso all'unità +1BE 16 prima partizione 16 seconda partizione 16 terza partizione 16 quarta partizione partition table +1FE 2 boot signature termina in modo valido la struttura TOTALE 512 Purtroppo non esiste uno standard ufficiale per il MBR, che nei documenti di utilizzo non è nemmeno ben documentato in tutti i suoi dettagli, ma data la sua ampia diffusione esso è diventato uno standard de facto. Nella sua tabella ci sono quattro righe per quattro possibili partizioni. Di solito si chiamano partizioni primarie. Per poter avere più di quattro partizioni, è stata ammessa la presenza di un nuovo tipo di partizione, chiamata partizione estesa, che può essere a sua volta divisa in partizioni logiche (in tal caso si hanno tre partizioni primarie e una estesa). La tabella delle partizioni logiche si trova nel primo blocco della partizione estesa. La partizione estesa non può essere formattata con nessun tipo di file system, ma questa è solo un contenitore per le partizioni logiche (le definizioni delle dimensioni delle partizioni logiche non sono nel MBR ma sono specificate all'interno della partizione estesa). L'utente non si accorge della differenza tra partizioni primarie e logiche, ma, ad esempio, Windows si può avviare solo se installato all'interno di una partizione primaria, mentre Linux può avviarsi anche da partizioni logiche.

3 Se rappresentiamo la capacità di un hard disk con un unico rettangolo (nella prima figura è intero) disco non partizionato questi sono alcuni esempi di suoi possibili partizionamenti: prima partiz. primaria seconda p. primaria terza partiz. prima p. primaria seconda p. primaria spazio inutilizzato terza p. prima p. primaria p. estesa ( p.log. p.log. p.log. p.log. p.log. ) Non è facile comprendere i metodi di partizionamento solo osservando questi esempi, ma è necessario provare ad usare qualche strumento software (a volte sbagliando e riprovando). Ovviamente le prove vanno fatte su un disco vuoto, come una chiavetta USB, poiché partizionando si perderebbero tutti i dati del disco. Lo strumento software da usare sarà eseguito sempre su un sistema operativo, ma questo sarà installato su una memoria di massa diversa da quella che sta per essere partizionata (ad esempio, avvio un software su un CD per partizionare un hard disk). In base al sistema operativo scelto, esistono diversi software, con diverse caratteristiche: Alcuni sono utilizzabili solo da riga di comando, altri hanno una Graphic User Interface. Alcuni determinano la perdita dei dati, altri cercano di conservare i dati ridimensionando partizioni. Alcuni necessitano di lavorare sui singoli byte (numeri) che costituiscono la tabella, questo significa che l'utente deve sapere bene come è fatta questa tabella. Altri sono ad un livello di astrazione superiore e aiutano l'utente nelle operazioni. sistema op. software note MS DOS fdisk esiste un omonimo anche per Linux, ma è un programma diverso... MS Win XP MS Vista POSIX (CLI) recovery console recovery environment dd, fdisk, cfdisk, sdisk, parted POSIX (GUI) gparted, qtparted di solito gparted è presente in molti Live CD Linux Con il termine POSIX si intendono i sistemi operativi che adottano uno standard POSIX, come: Mac OS X, Linux, Unix, Solaris, FreeBSD, NetBSD ed altri.

4 Partition table Come visto, ogni partizione è descritta nella partition table tramite 16 Byte, che, a loro volta, si possono scomporre nei seguenti principali elementi descrittivi: status: ( 1 Byte) la partizione è attiva (si/no), Windows può essere avviato solo da partizioni "attive". first address: (3 Byte) è la posizione del primo blocco della partiz., secondo l'indirizzamento CHS. type: (1 Byte) last address: (3 Byte), ecc. Nota: di solito è preferibile (per compatibilità con i vecchi indirizzi CHS) che la partizione inizi e termini completamente all'interno di un intero cilindro. Cioè un cilindro non dovrebbe essere "spezzato" o condiviso parzialmente da due partizioni. Alcune limitazioni del MBR Le prime implementazioni del MBR erano definite utilizzando l'indirizzamento CHS a 24 bit (C:10+H:8+S:6), e in questo caso, usando blocchi di 512 B, si potevano indirizzare memorie di massa fino alla dimensione massima di circa 8 GB: 2^24 x 512 = x GB Col passare del tempo questo le memorie di massa raggiungono anche questo limite, e si passa ad un indirizzamento CHS a 28 bit (limite massimo della capacità di 128 GB). Parallelamente alla crescita dei bit di indirizzamento di tipo CHS, nasce anche lo standard di indirizzamento LBA a 48 bit (limite di 2 TB, dove 1T=2^40 b). LBA è definito nello standard ISO 9293:1987. Oggi, la tabella del MBR usa indirizzamento LBA e ha quindi il limite di 2 TB (2^40). Per poterlo superare si può usare un nuovo tipo di tabella chiamata GUID Partition Table (GPT) che usa un indirizzamento LBA a 64 bit (limite di 8 ZB, dove 1 ZB= 2^70 b). Chain loading Cosa accade all'accensione del computer? La CPU esegue il caricamento di codici eseguibili a catena: 1. la CPU esegue il firmware contenuto nella ROM del BIOS, 2. questo serve ad analizzare il primo blocco della prima unità di memoria di massa. 3. Se c'è un MBR, viene eseguito il codice in esso contenuto, che può avere diversi effetti: 1. avviare un solo sistema operativo (caricare il file immagine del kernel presente in una partizione); 2. caricare un boot manager e chiedere all'utente di scegliere quale sistema operativo avviare. 4. Nel caso più semplice, supponendo che venga avviato il sistema operativo Inizializzaz. hardware Caricamento ed esecuzione codice nel primo blocco del primo disco (MBR) Eventuale esecuzione codice nella zona vuota antecedente la prima partizione Esecuzione codice nel primo blocco della partizione contenente il s. o. (VBR) Caricamento dell'immagine del kernel ed esecuzione del primo processo

5 presente sulla prima partizione primaria, è necessario avere i driver necessari al tipo di file system presente su tale partizione. Il MBR può eseguire un secondo codice presente tra il MBR stesso e il primo blocco della prima partizione. All'interno della prima partizione sarà presente un VBR che a sua volta contiene un codice eseguibile. 5. Altrimenti, supponendo che ci siano più sistemi operativi, il codice eseguibile sarà più complesso, per consentire la scelta all'utente, ma dopo la sequenza di avvio sarà la stessa. Un esempio di boot manager che permette di scegliere il sistema operativo è GRUB 2, dove l'utente può selezionare una voce con le frecce della tastiera, oppure digitare dei comandi interattivi da una terminale per fornire eventuali opzioni al kernel prima dell'avvio. Figura 2: screenshot di GRUB (scelta tra Ubuntu e Windows) sta.png Chi scrive il codice eseguibile di un boot manager deve quasi sempre usare il linguaggio macchina, ma in futuro il programmatore potrebbe essere aiutato da un codice eseguibile preinstallato nella scheda madre. Oggi in una scheda madre, infatti, non si trova più un BIOS PC IBM compatibile, ma un Unified Extensible Firmware Interface (UEFI), uno standard nato per superare alcune delle limitazioni hardware del BIOS (funziona solo su CPU x86 a 16 bit, in real mode). Lo standard UEFI non utilizza un MBR ma un GPT, quindi, per poter comprendere come funziona UEFI è necessario comprendere prima come funziona GPT. GUID Partition Table La GPT è una tabella che fa uso di Global Unique Identifiers (GUID). GUID è un identificatore per le unità di memoria di massa definito dallo standard UEFI. Le unità di memoria potrebbero essere identificate in base al collegamento hardware, ma con i dispositivi esterni rimovibili il nome del dispositivo potrebbe cambiare, mentre questo non è desiderabile. Una GUID è un identificatore numerico espresso in esadecimale, composto da 16 Byte (32 simboli).

6 Le memorie di massa si dovrebbero identificare per quello che sono, non in base a quale collegamento del computer usano. A partire dal 2010 molti sistemi operativi supportano sia GUID che la GPT: Mac e Win possono avviare dischi con la GPT solo se si dispone anche di firmware UEFI Linux e *BSD possono avviare dischi con la GPT sia con BIOS che con UEFI. La GPT di un disco inizia sempre sul secondo blocco (LBA #1) del disco (GPT header), mentre il primo blocco del disco (LBA #0) contiene il vecchio MBR (MBR protettivo). Questo MBR consente di avviare il sistema anche su PC basati su BIOS, ma soprattutto di proteggere il contenuto della GPT. La tabella nel MBR è chiamata protettiva perché definisce solo una grande e unica partizione, di un tipo non noto ai vecchi software, ma che impedisce di danneggiare il suo contenuto con vecchi programmi come fdisk, che non saprebbero come interpretare la GPT e le sue partizioni. A partire dal terzo blocco si trova la Partition Table Array, che usa 128 Byte per definire ogni partizione, e nella quale possono essere definite ben 128 partizioni, per un totale di 128 x 128 = 16 kb. Se un blocco misura 512 Byte, ci vogliono 16 kb / 512 B = 32 blocchi per contenere la PTA e la prima partizione può iniziare solo dopo il 34-simo blocco (LBA #34). Per motivi di compatibilità con i vecchi sistemi che utilizzavano l'indirizzamento CHS con cilindri composti da 64 settori, per non "spezzare" un cilindro a cavallo di una partizione, di solito la prima partizione inizia solo dopo il blocco LBA #64 (invece che 34). Lo spazio vuoto non è sprecato perché spesso viene usato per contenere il codice del secondo stage del boot manger GRUB. Ridondanza: GPT prevede che l'intestazione e la PTA siano copiate anche alla fine del disco, in modo da poter ripristinarle in caso di perdita dei dati. La copia viene chiamata Secondary GPT. Figura 3: Diagramma dello schema GUID Partition Table. Ogni blocco logico (logical block in inglese) (LBA) ha una dimensione di 512 byte. Indirizzi negativi di LBA indicano le posizioni dalla fine del disco, essendo 1 l'ultimo blocco indirizzabile. Table_Scheme.svg Apple non ha mai adottato la MBR usata tradizionalmente solo dai PC IBM compatibili, ma da quando Apple è passata dall'architettura Power-PC a quella Intel, anche i Mac adottano la GPT. Lo stardard UEFI si basa proprio su GPT e Apple è quindi costretta ad adottare la GPT per poter usare UEFI.

7 EFI e UEFI Come si è detto, UEFI nasce da Intel per poter abbandonare il firmware del BIOS. BIOS è per PC IBM Compatibile (Apple usava ROM con openfirmware) Alla fine degli anni '90, Intel e Microsoft lavorano sulle specifiche dello standard EFI. Queste definizioni sono ereditate e riprese nello standard UEFI (Unified Extensible Firmware Interface), a cui Intel partecipa insieme ad altri enti. nel 2005 si passa da EFI 1.1 a UEFI 1.1 nel 2007 è definito UEFI 2.1 nel 2013 è definito UEFI 2.4 Attualmente (2013) UEFI 2.4 è utilizzabile solo per i seguenti processori: IA32/64, x86-64, ARM 32/64 (tutti processori little endian). Rispetto al firmaware BIOS, il firmware UEFI fornisce: il codice per il boot (del kernel o del boot manager) applicazioni utilizzabili dall'utente (senza dover avviare il s. o.) driver (API) per il boot manager indipendenti dall'architettura hardware di conseguenza si può sviluppare in linguaggio C (es: EDK2 application development kit) utilizzo della GPT per dischi superiori a 2 TB; Boot con UEFI A causa dell'introduzione dello standard UEFI, l'avvio di un PC IBM Compatibile non è più lo stesso degli anni '80, ma può essere di quattro tipi diversi. Ogni tipo di boot ha preso un nome diverso: BIOS-MBR: è il nome dato all'avvio dal vecchio firmware del BIOS PC Compatibile, su un disco contenente solo il vecchio MBR (4 partizioni primarie). BIOS-GPT: l'avvio da firmware BIOS PC Compatibile, su disco contenenete sia GPT che MBR. Questo tipo di avvio richiede la presenza di una partizione BBP (BIOS Boot Partition) che contiene il secondo stage del boot loader, assente nella GPT. La partizione BBP è identificata da uno speciale GUID. UEFI-MBR: l'avvio da firmware UEFI, su un disco contenente solo il vecchio MBR. Questo tipo di avvio non è supportato né da Windows 8 né da Mac OS X, ma solo da Linux e altri sistemi Unix. È possibile perché il firmware UEFI può attivare un modulo di compatibilità (detto Compatibility Support Module) che fa eseguire il boot alla vecchia maniera del BIOS. UEFI-GPT: l'avvio da firmware UEFI, su disco contenenete sia GPT che MBR. È la situazione che prevede l'avvio da una nuova scheda madre di un disco partizionato con GPT. Per farlo sarà necessario aggiungere un nuovo tipo di partizione ESP (EFI System Partition). Anche questo richiede attenzione perché è diverso dagli altri, perciò a questo tipo di boot sarà dedicato il prossimo paragrafo. In ogni caso, bisogna ricordare che l'utente spesso può configurare la scheda madre per attivare o disattivare il firmware UEFI e utilizzare il vecchio BIOS. Vediamo cosa accade se si attiva il firmware UEFI.

8 UEFI-GPT Per poter eseguire questa modalità di boot, il firmware UEFI esegue le seguenti azioni: controlla se nel disco c'è un MBR protective (con GPT): in caso affermativo viene avviato il boot UEFI-GPT, altrimenti, se c'è un MBR tradizionale, viene avviato il boot UEFI-MBR (cosa oggi possibile solo con Linux e altri sistemi Unix). Viene avviato il boot loader e i driver indispensabili. Per il boot UEFI-GPT è necessaria una partizione chiamata ESP, ma di tipo FAT32 per avere la massima compatibilità. Purtroppo, con tutti i problemi del vecchio FAT La partizione ESP deve avere dimensione minima di 512 MB ed è destinata a contenere, come file: il boot loader, i vari kernel e le applicazioni UEFI. Quindi, qui si possono aggiungere altri boot loader. Servizi UEFI I servizi offerti hanno la funzione di supporto ai software per l'utente o al sistema operativo, e possono appartenere a due categorie, che sono eseguite prima e dopo l'avvio del sistema operativo: boot service: sono utilizzabili durante l'esecuzione del firmware, come la console, il file system, runtime service: sono utilizzabili anche durante l'esecuzione del s.o., come la gestione della data e il protocollo grafico GOP. Le variabili dei servizi UEFI sono in memoria non volatile (NVRAM) quindi possono restituire un errore anche dopo un riavvio. Possono scambiare dati tra applicazioni e firmware I protocolli dei servizi UEFI sono interfacce utilizzate per la comunicazione tra eseguibili, usati anche dai driver per fornire dei servizi. I driver nei servizi UEFI possono dipendere dall'hardware usato, oppure possono essere indipendenti, scritti in bytecode (EBC), proprio come si faceva 20 anni fa sui sistemi che adottavano Open Firmware. Questo richiede la presenza di un interprete del bytecode. Il Graphic Output Protocol (GOP) è un servizio utilizzato da UEFI per rimuovere la dipendenza dall'hardware VGA. La UEFI Shell consente all'utente di avviare le applicazioni UEFI (memmap, bcfg, diskpart, edit) o il boot loader. Il codice della shell èedk2 (EFI Development Kit). L'eseguibile si trova nella partizione ESP. Come si avvia la shell? Secure boot è un servizio che (se presente e attivo) può impedire l'esecuzione di un boot loader, di un driver o di un kernel non riconosciuto come affidabile perché non firmati con un codice numerico (approfondimento su crittografia asimmetrica).

9 Secure Boot Secure boot (oltre allo stato "attivo" e "disattivo") può essere in tre stati: setup mode: quando la casa madre memorizza la chiave (platform key) nel firmware UEFI user mode: quando il firmware impedisce il caricamento di software non firmato custom mode: quando l'utente può aggiungere una propria chiave personale Attualmente solo i seguenti sistemi operativi si avviano correttamente in user mode: Windows 8, Windows Server 2012, Fedora, OpenSuse e Ubuntu. Siamo tutti obbligati a scegliere tra questi sistemi? Come fare per usare un altro sistema operativo?: comprare una vecchia scheda madre (usata?) con legacy BIOS comprare una scheda madre dove si può disattivare UEFI e/o secure boot (e/o user mode) comprare una scheda madre dove si può attivare il boot UEFI-MBR (solo per Linux/Unix) Risposte di alcuni sistemi operativi Red Hat ha risposto con SHIM boot loader precompilato e firmato Ubuntu (Canonical) usa SHIM con le proprie firme Fedora oltre a usare SHIM ha firmato anche il kernel e i moduli (sebbene UEFI non lo richieda e renda più difficile ricompilare il kernel) Critiche Il sistema UEFI è stato criticato e accusato: 1. perché impedisce di controllare la propria macchiana, impedendo l'avvio di alcuni sistemi operativi. Si ricorda che nel 2011 Microsoft, grazie alla presenza di UEFI, ha potuto aggiungere un vincolo ai propri fornitori hardware: si richiede di attivare UEFI con secure boot per poter vendere un computer che abbia certificazione Microsoft. Alle critiche Microsoft ha risposto che lascerà vendere UEFI in custom mode per i processori Intel, ma non per le architetture ARM, dove non sarà possibile usare altri sistemi operativi. 2. Perché non risolve ancora alcuni problemi che affliggevano il vecchio BIOS. Ad esempio, il firmware UEFI necessita ancora di driver diversi da quelli usati dal kernel del sistema operativo. 3. Coreboot? UEFI-aware Un sistema operativo è definito UEFI-AWARE (in italiano, "conosce" UEFI) se può essere avviato con un boot loader UEFI. Il boot loader sarà un file eseguibile nella partizione ESP (es: /efi/boot/bootia32.efi). Tra i boot loader per UEFI ci sono SHIM, ELILO e GRUB2. Si potrebbe usare come boot loader anche direttamente il kernel Linux che può essere compilato per essere avviato come un boot loader (usando l'opzione BOOTSTUB).