ディスクの構造とOSの起動！

OSの起動プロセスは、BIOSのロードから始まって、kernelのロード及びデバイスドライバーのロードまでを考えるとHDD上のデータ配置と密接に関係する。したがって、ディスクの構造も含め考えてみたい。

１．ディスクパーティション
PC/AT互換機の元々の仕様では、１つのハードディスクには、最大４つの基本パーティションを作ることが出来、さらに、基本パーティションの１つを拡張パーティションとして、その中を論理パーティションとしていくつでも区切ることが出来る。つまり、５つ以上パーティションが必要な場合は、必然的に拡張パーティションを利用することになる。例えば、Windowsを考えてみると、基本パーティションはCドライブのシステム領域で、アクティブにするブートパーディション（ブートセクター）もCドライブとなるので、基本パーティションを一つ作り、その他は拡張パーティションにして論理パーティションで複数に区切った方が効率的だ。
これらの基本・拡張パーティション情報は、ハードディスクの先頭セクターへ記録される。このセクターのことをMBR（Master Boot Record）と呼び、CD-ROMやFloppyDiskには無い構造である。
このMBRは１セクター（５１２バイト）の領域を有しており、MBRの後は６２セクターの空きがあり、その後に基本パーティションが始まっている。
基本パーティションの先頭には、ブートセクター（１セクター分）が必ず配置される。さらに、拡張パーティションは、その中を論理パーティションに区切った、その先頭にEPBR（Extended Partition Boot Record）と言う論理パーティションの情報が記録されてる領域が作られる（図１参照）。

２．MBRはディスクの管理人
MBRの構造は、どうなってるのだろうか？実際に、Debina GNU/Linuxが入っているホストで検証してみる。

１）プログラム領域（４４６バイト）
ブートに関するプログラムが記録されている。インストールされているOSによって異なったブートプログラムが書き込まれている。

２）パーティションテーブル（６４バイト）
ここには、基本・拡張パーティションに関する情報が記録されていて４つのエントリ構成になっている。
■パーティションの位置
■パーティションの種類
■アクティブフラグ（このパーティションからブートするかの判断フラグ）

３）ブートシグネチャ（２バイト）
これは、このMBRが正しい情報かの判断するための情報が書き込まれている。通常 0xAA55 になっていて、これ以外の値だと、BIOSはこのMBRを無効と判断する。

実際に、ハードディスクのMBRをファイルに保存してのぞいてみることにする。以下は、Debian GNU/LinuxのMBRをファイルへ保存して、そのファイルを１６進ダンプしたものである。

wirehork:~# df -m
Filesystem 1M-blocks Used Available Use% Mounted on
/dev/hdc1 13782 1727 11356 14% /
tmpfs 126 0 126 0% /lib/init/rw
udev 10 1 10 1% /dev
tmpfs 126 0 126 0% /dev/shm

wirehork:~# fdisk -l -u /dev/hdc

Disk /dev/hdc: 15.3 GB, 15377080320 bytes
255 heads, 63 sectors/track, 1869 cylinders, total 30033360 sectors
Units = sectors of 1 * 512 = 512 bytes

Device Boot Start End Blocks Id System
/dev/hdc1 * 63 28676024 14337981 83 Linux
/dev/hdc2 28676025 30025484 674730 5 Extended
/dev/hdc5 28676088 30025484 674698+ 82 Linux swap / Solaris

wirehork:~# cd /tmp/

wirehork:/tmp# dd if=/dev/hdc bs=512 count=1 > mbr.dat
1+0 records in
1+0 records out
512 bytes (512 B) copied, 0.000214844 seconds, 2.4 MB/s

省略

00000160 7c be 85 7d e8 40 00 eb 0e be 8a 7d e8 38 00 eb　 ||小}萓.覡小}荼.譛
00000170 06 be 94 7d e8 30 00 be 99 7d e8 2a 00 eb fe 47 　|.小}莪.小}茯.譫G|
00000180 52 55 42 20 00 47 65 6f 6d 00 48 61 72 64 20 44 　|RUB .Geom.Hard D|
00000190 69 73 6b 00 52 65 61 64 00 20 45 72 72 6f 72 00 　|isk.Read. Error.|
000001a0 bb 01 00 b4 0e cd 10 ac 3c 00 75 f4 c3 00 00 00 　|皿.堪柚・.u??…|
000001b0 00 00 00 00 00 00 00 00 90 90 90 90 90 80 80 01 　|…………….|
000001c0 01 00 83 fe ff ff 3f 00 00 00 7a 8f b5 01 00 fe 　　　|…????…z.貴.??
000001d0 ff ff 05 fe ff ff b9 8f b5 01 54 97 14 00 00 00 　　　|??.????.貴T…..|
000001e0 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00　 |…………….|
000001f0 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 55 aa 　|…………..U・

上のデータで、初めの４４６バイトまで（０ｘ００００～０ｘ０１ＢＤ迄）がプログラム領域で、ここを見るとこのLinuxシステムのブートローダーはGRUBが使われていることがわかる。しかし、初めの方でLILOと書き込まれているのは、更新前のブートローダーがLILOを使っていて、その残骸のようだ。

↓データの抜粋

000001b0 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　80 01　　　|…………….|
000001c0 01 00 83 fe ff ff 3f 00 00 00 7a 8f b5 01 00 fe 　　　|…????…z.貴.??
000001d0 ff ff 05 fe ff ff b9 8f b5 01 54 97 14 00 00 00 　　　|??.????.貴T…..|
000001e0 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 　|…………….|
000001f0 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 55 aa 　|…………..U・

上のデータで、先頭が０ｘ８０なので、この場合はアクティブパーティションになっている。次にパーティションテーブルのエントリー１の開始位置がリトルインディアン（数値データを１バイト単位で区切ったとき、会の桁から読み書きする方式）読みで０ｘ０００１０１（０１０１００）は、シリンダ０、セクター１、ヘッド１、つまり第２トラックとなる。

80 01 01 00　83　fe ff ff　　 3f 00 00 00　7a 8f b5 01　　→　　　エントリー１
00 fe ff 　ff　05　fe ff ff　　 b9 8f b5 01　54 97 14 00　　→　　　エントリー２
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 55 aa　　→　　　ブートシグネチャ

元々、MBRはシリンダ０、セクター１、ヘッド０の１セクターのみの領域であるため、残りのシリンダ０、ヘッド０の領域（セクター２～セクター６３迄）は何も使われてない空き領域となる。何だかもったいない気もするが、PC/AT互換機の仕様では、第１パーティションは第２トラックから始まらなければいけない仕様になっているようだ。さらに、パーティションタイプは、上記のエントリー１に０ｘ８３が書き込まれているので、第１パーティションはLinux Native（ext3）、エントリー２に０ｘ０５が書き込まれているので、第２パーティションは拡張パーティションを表している。
また、同じく上記のエントリーに対して、LBAアドレッシングでのパーティション開始位置とパーティションの総セクター数を見てみると、第１パーティションの開始位置は０ｘ００００００３Ｆ（６３）、総セクター数は０ｘ０１Ｂ５８Ｆ７Ａ（２８６７５９６２）、第２パーティション開始位置は０ｘ０１Ｂ５８ＦＢ９（２８６７６０２５）、総セクター数は０ｘ００１４９７５４（１３４９４６０）となっている。
最後に、０ｘＡＡ５５でブートシグネチャで、このMBRは正しいものである、と言っている。
上記のMBR情報では、基本パーティション（MAX４つ）だけしか記録されない。と言うのも、拡張パーティション内の論理パーティション（いくつでも作れる）情報はMBRではわからない。そこで、論理パーティション情報を知るために、EPBR（Extended Partition Boot Record）と言う拡張パーティション内の先頭１セクターの情報を見てみよう。構造的には、MBRと全く同様である。

wirehork:/tmp# dd if=/dev/hdc2 bs=512 count=1 > ebr.dat
1+0 records in
1+0 records out
512 bytes (512 B) copied, 0.0189323 seconds, 27.0 kB/s

wirehork:/tmp# hexdump -C ebr.dat
00000000 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 　|…………….|
*
000001b0 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 fe 　|……………??
000001c0 ff ff 82 fe ff ff 3f 00 00 00 15 97 14 00 00 00 　　　|??.????………|
000001d0 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 　|…………….|
*
000001f0 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 55 aa 　|…………..U・
00000200

↓データ抜粋

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 00 fe 　　　|……………??
000001c0 ff ff 82 fe ff ff 3f 00 00 00 15 97 14 00 00 00 　　　|??.????………|
000001d0 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00　 |…………….|
*
000001f0 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 55 aa 　|…………..U・

00 fe ff ff　82　fe ff ff　3f 00 00 00　15 97 14 00　　　→　　エントリ１
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 55 aa　　　→　　ブートシグネチャ

上のデータで第１論理パーティションタイプが０ｘ８２が書き込まれているので、LinuxSwap・Solarisを表している。さらに、パーティション開始位置は０ｘ００００００３Ｆ（拡張パーティションの先頭から６３）で、総セクター数は０ｘ００１４９７１５（１３４９３９７）となる。そして、最後にブートシグネチャがあって、このEPBRは正しいものである、と言っている。

３．BIOSのお仕事
図２は、BIOSの仕事の流れである。PC/AT互換機では、電源を入れてから、まず初めに起動させるプログラムが有る。それは、BIOS（Basic Input/Output System）である。BIOSは、PCの中にあらかじめ用意されている。BIOSは必要最小限の小さなプログラムだ。当たり前だが、BIOSでは自分がどのようなOSでどんなファイルシステムであるかまではわらないが、デバイスへの物理的なアクセスは出来るので、セクター番号を指定して、有るセクターのデータをメモリへロードすることは可能である。つまり、デバイスというデバイス全てに対して、BIOSのプログラムだけでセクターリードが可能だ。
では、早速、BIOSの仕事を見てみよう。まず、BIOS自体をメインメモリへロードする。ロードしたBIOSが実行される。BIOSが実行されたら、CPU周りのメモリ、IO等の自己診断テストを行う（例えば、メモリではあるデータを全ての番地へ書き込み・読み込みを繰り返す）。
次に、ハードディスク・FDD・ストレージ・グラフィックボード・キーボード等のデバイスの初期化を行う。例えば、起動デバイスにハードディスクが設定されている場合などは、ハードディスクの先頭セクター（MBR）をリードして、５１０　バイト目のブートシグネチャをチェックしに行く。前項で説明したように、ブートシグネチャが正しい値（０ｘＡＡ５５）だった場合、先頭セクターに書き込まれている起動プログラムをキックする。また、そうでなければ、次に設定された起動ドライブをリードしに行く。さらに、全てのドライブでリードが行えないとすると、エラーとなりPCはHALT（停止）状態になる（図２参照）。

ハードディスクからの起動の場合、MBRのプログラム領域に書き込まれているプログラムは、ブートストラップと言いLinuxで言うとGRUBのようなプログラムを言う。通常ブートストラップは、ドライブのアクティブなパーティションの先頭番地からロードするようになっている。パーティションの先頭にはIPL（Initial Program Loader）が設置してあり、OSのコアシステムをロードする。つまり、Linuxで言うとカーネルがロードされるわけである。
以上

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