بدء التشغيل

كانت الحواسيب الأولى في أربعينيات وخمسينيات القرن العشرين جهودًا هندسية فريدة من نوعها، وقد يستغرق برمجتها أسابيع، وكان تحميل البرامج أحد المشكلات العديدة التي كان لا بد من حلها. لم يكن لدى حاسوب ENIAC ، وهو من أوائل الحواسيب ، أي برنامج مخزن في الذاكرة، بل كان يُجهز لكل مشكلة من خلال مجموعة من الكابلات المتصلة. لم يكن التمهيد الذاتي (Bootstrap) مُطبقًا على ENIAC، إذ كان تكوينه المادي جاهزًا لحل المشكلات بمجرد توصيل الطاقة.

استخدم نظام EDSAC ، وهو ثاني حاسوب ذي برنامج مخزن يتم بناؤه، مفاتيح متدرجة لنقل برنامج ثابت إلى الذاكرة عند الضغط على زر التشغيل. وكان البرنامج المخزن على هذا الجهاز، والذي أنجزه ديفيد ويلر في أواخر عام 1948، يقوم بتحميل تعليمات إضافية من شريط مثقوب ثم ينفذها. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

تضمنت أولى الحواسيب القابلة للبرمجة المخصصة للبيع التجاري، مثل UNIVAC I و IBM 701 ^{[ 10 ]} ، ميزاتٍ تُسهّل تشغيلها. وكانت تتضمن عادةً تعليماتٍ تُنفّذ عملية إدخال أو إخراج كاملة. ويمكن استخدام نفس منطق الأجهزة لتحميل محتويات بطاقة مثقبة (وهي الأكثر شيوعًا) أو وسائط إدخال أخرى، مثل الأسطوانة المغناطيسية أو الشريط المغناطيسي ، التي تحتوي على برنامج تمهيدي، وذلك بضغطة زر واحدة. وقد أُطلق على مفهوم التمهيد هذا أسماءٌ مختلفة لحواسيب IBM في خمسينيات وستينيات القرن العشرين، لكن IBM استخدمت مصطلح "تحميل البرنامج الأولي" مع IBM 7030 Stretch ^{[ 11 ]} ، ثم استخدمته لاحقًا لخطوط حواسيبها المركزية، بدءًا من System/360 في عام 1964.

كان حاسوب IBM 701 (1952-1956) مزودًا بزر "تحميل" يبدأ بقراءة أول كلمة من 36 بت إلى الذاكرة الرئيسية من بطاقة مثقبة في قارئ البطاقات ، أو شريط مغناطيسي في محرك الأشرطة ، أو وحدة أسطوانة مغناطيسية، وذلك بحسب وضع مفتاح اختيار التحميل. ثم تُنفَّذ نصف الكلمة المتبقية (18 بت) كتعليمات، والتي عادةً ما تقرأ كلمات إضافية إلى الذاكرة. ^{[ 12 ] [ 13 ] بعد ذلك ،} يُنفَّذ برنامج الإقلاع المُحمَّل، والذي بدوره يُحمِّل برنامجًا أكبر من تلك الوسيلة إلى الذاكرة دون أي تدخل إضافي من المُشغِّل البشري. كانت حواسيب IBM 704 [ ^{14 ]} وIBM 7090 [ ^{15 ]} و IBM 7094 ^{[ 16 ]} مزودة بآليات مماثلة، ولكن بأزرار تحميل مختلفة للأجهزة المختلفة. وقد استُخدم مصطلح "الإقلاع" بهذا المعنى منذ عام 1958 على الأقل ^{. [ 17 ]}

كانت حواسيب IBM الأخرى في تلك الحقبة تتمتع بميزات مماثلة. على سبيل المثال، استخدم نظام IBM 1401 (1959) قارئ بطاقات لتحميل برنامج من بطاقة مثقبة. تُقرأ الأحرف الثمانون المخزنة في البطاقة المثقبة إلى مواقع الذاكرة من 001 إلى 080، ثم ينتقل الحاسوب إلى موقع الذاكرة 001 لقراءة أول تعليمة مخزنة. كانت هذه التعليمة ثابتة: نقل المعلومات في مواقع الذاكرة الثمانين الأولى إلى منطقة التجميع حيث تُدمج المعلومات الموجودة في البطاقات المثقبة 2 و3 و4، وهكذا، لتكوين البرنامج المخزن. بمجرد نقل هذه المعلومات إلى منطقة التجميع، ينتقل الجهاز إلى تعليمة في الموقع 080 (قراءة بطاقة)، ​​ثم تُقرأ البطاقة التالية وتُعالج معلوماتها.

مثال آخر هو جهاز IBM 650 (1953)، وهو جهاز عشري، يحتوي على مجموعة من عشرة مفاتيح ذات عشرة أوضاع على لوحة التشغيل، يمكن الوصول إليها ككلمة ذاكرة (العنوان 8000) وتنفيذها كتعليمات. بالتالي، ضبط المفاتيح على 7004000400 والضغط على الزر المناسب لقراءة البطاقة الأولى في قارئ البطاقات إلى الذاكرة (رمز العملية 70)، بدءًا من العنوان 400، ثم الانتقال إلى 400 لبدء تنفيذ البرنامج على تلك البطاقة. ^{[ 18 ]} يحتوي جهازا IBM 7040 و7044 على آلية مماثلة، حيث يؤدي زر التحميل إلى تنفيذ التعليمات المُعدّة في مفاتيح الإدخال على اللوحة الأمامية، ويتم إعطاء القناة التي تُعدّها تلك التعليمات أمرًا بنقل البيانات إلى الذاكرة بدءًا من العنوان 00100؛ وعند اكتمال النقل، ينتقل المعالج إلى العنوان 00101. ^{[ 19 ]}

كما قدم منافسو شركة IBM إمكانية تحميل البرامج بضغطة زر واحدة.

• كان جهاز CDC 6600 (حوالي عام 1964) مزودًا بلوحة بدء تشغيل ثابتة تحتوي على 144 مفتاحًا تبديليًا؛ حيث يقوم مفتاح بدء التشغيل الثابت بإدخال 12 كلمة من 12 بت من المفاتيح التبديلية إلى ذاكرة المعالج الطرفي ( PP ) 0، ويبدأ تسلسل التحميل عن طريق جعل PP 0 ينفذ الكود المحمل في الذاكرة. ^{[ 20 ]} يقوم PP 0 بتحميل الكود اللازم في ذاكرته الخاصة، ثم يقوم بتهيئة المعالجات الطرفية الأخرى.
• كان جهاز GE 645 (حوالي عام 1965) مزودًا بزر "تحميل نظام التشغيل" الذي، عند الضغط عليه، يقوم أحد وحدات التحكم في الإدخال/الإخراج بتحميل برنامج مكون من 64 كلمة إلى الذاكرة من ذاكرة قراءة فقط تعمل بالصمامات الثنائية ، ويرسل إشارة مقاطعة لبدء تشغيل ذلك البرنامج. ^{[ 21 ]}
• كان النموذج الأول من PDP-10 يحتوي على زر "قراءة" يقوم، عند الضغط عليه، بإعادة ضبط المعالج وبدء عملية إدخال/إخراج على جهاز محدد بواسطة مفاتيح على لوحة التحكم، وقراءة كلمة 36 بت تعطي عنوانًا مستهدفًا وعددًا لقراءات الكلمات اللاحقة؛ عند اكتمال القراءة، يبدأ المعالج في تنفيذ التعليمات البرمجية المقروءة عن طريق الانتقال إلى آخر كلمة تمت قراءتها. ^{[ 22 ]}

يُعد جهاز Burroughs B1700 مثالًا بارزًا على هذا التباين ، حيث لا يحتوي على ذاكرة قراءة فقط للتمهيد (ROM) ولا على عملية إعادة تشغيل مدمجة (IPL). بدلًا من ذلك، بعد إعادة ضبط النظام، يقوم بقراءة وتنفيذ التعليمات الدقيقة بالتسلسل من محرك أشرطة الكاسيت المثبت على اللوحة الأمامية؛ مما يُهيئ مُحمِّل التمهيد في ذاكرة الوصول العشوائي (RAM)، والذي يتم تنفيذه بعد ذلك. ^{[ 23 ]} ومع ذلك، نظرًا لأن هذا لا يفترض الكثير عن النظام، فإنه يُمكن استخدامه أيضًا لتحميل أشرطة التشخيص (إجراء اختبار الصيانة) التي تعرض رمزًا مفهومًا على اللوحة الأمامية حتى في حالات تعطل وحدة المعالجة المركزية بشكل كبير. ^{[ 23 ]}

في نظام IBM System/360 وخلفائه، بما في ذلك أجهزة z/Architecture الحالية ، تُعرف عملية التمهيد باسم التحميل الأولي للبرنامج (IPL).

ابتكرت شركة IBM هذا المصطلح لجهاز 7030 (Stretch) ، ^{[ 11 ]} وأعادت استخدامه لتصميم نظام System/360، ولا تزال تستخدمه في تلك البيئات حتى اليوم. ^{[ 24 ]} في معالجات System/360، يبدأ مشغل الحاسوب عملية IPL باختيار عنوان الجهاز المكون من ثلاثة أرقام سداسية عشرية (CUU؛ حيث C = عنوان قناة الإدخال/الإخراج، وUU = وحدة التحكم وعنوان الجهاز ^{[ ملاحظة 3 ]} )، ثم يضغط على زر التحميل . في طرازات System/360 المتطورة ، ومعظم ^{[ ملاحظة 4 ]} System/370 وبعض الأنظمة اللاحقة، تتم محاكاة وظائف المفاتيح وزر التحميل باستخدام مناطق قابلة للتحديد على شاشة وحدة تحكم الرسومات، والتي غالبًا ^{[ ملاحظة 5 ]} تكون جهازًا مشابهًا لجهاز IBM 2250 أو جهازًا مشابهًا لجهاز IBM 3270 . على سبيل المثال، في جهاز System/370 طراز 158، ينتج عن تسلسل لوحة المفاتيح 0-7-X (صفر، سبعة، X، بهذا الترتيب) بدء تشغيل الجهاز (IPL) من عنوان الجهاز المُدخل في منطقة الإدخال. كانت وحدات المعالجة المركزية Amdahl 470V/6 وما شابهها تدعم أربعة أرقام سداسية عشرية في تلك الوحدات المزودة بوحدة القناة الثانية الاختيارية، ليصبح المجموع 32 قناة. لاحقًا، دعمت IBM أيضًا أكثر من 16 قناة.

تقوم وظيفة IPL في نظام System/360 والأنظمة اللاحقة له قبل IBM Z ، والأنظمة المتوافقة معه مثل Amdahl، بقراءة 24 بايت من جهاز يحدده المشغل إلى الذاكرة الرئيسية بدءًا من العنوان الحقيقي صفر. تُعامل المجموعتان الثانية والثالثة، كل منهما مكونة من ثمانية بايتات، ككلمات أوامر القناة (CCWs) لمواصلة تحميل برنامج بدء التشغيل (تتم محاكاة كلمة أوامر القناة الأولى دائمًا بواسطة وحدة المعالجة المركزية، وتتكون من أمر قراءة IPL، 02h ، مع تطبيق تسلسل الأوامر وإخفاء مؤشر الطول غير الصحيح). عند اكتمال أوامر قناة الإدخال/الإخراج، يتم تحميل المجموعة الأولى المكونة من ثمانية بايتات في كلمة حالة البرنامج (PSW) الخاصة بالمعالج، ويبدأ برنامج بدء التشغيل التنفيذ من الموقع المحدد بواسطة كلمة حالة البرنامج هذه. ^{[ 24 ]} عادةً ما يكون جهاز IPL محرك أقراص، ومن هنا تأتي الأهمية الخاصة لأمر القراءة 02h ، ولكن يُستخدم الإجراء نفسه تمامًا لـ IPL من أجهزة إدخال أخرى، مثل محركات الأشرطة، أو حتى قارئات البطاقات، بطريقة مستقلة عن الجهاز، مما يسمح، على سبيل المثال، بتثبيت نظام تشغيل على جهاز كمبيوتر جديد تمامًا من شريط مغناطيسي لتوزيع نظام التشغيل الأولي. بالنسبة لوحدات تحكم الأقراص، يتسبب الأمر 02h أيضًا في قيام الجهاز المحدد بالبحث عن الأسطوانة 0000h ، والرأس 0000h ، محاكاةً لأمر البحث عن الأسطوانة والرأس، 07h ، والبحث عن السجل 01h ، محاكاةً لأمر البحث عن مُعرّف مُساوٍ، 31h ؛ لا تتم محاكاة عمليات البحث والتصفح بواسطة وحدات تحكم الأشرطة والبطاقات، حيث أن أمر القراءة IPL لهذه الفئات من الأجهزة هو ببساطة أمر قراءة تسلسلي.

يجب أن يحتوي القرص أو الشريط أو بطاقة الذاكرة على برنامج خاص لتحميل نظام التشغيل الفعلي أو الأداة المساعدة المستقلة في وحدة التخزين الرئيسية، ولهذا الغرض المحدد، يتم وضع "نص IPL" على القرص بواسطة برنامج DASDI (تهيئة جهاز التخزين بالوصول المباشر) المستقل أو برنامج مكافئ يعمل تحت نظام تشغيل، على سبيل المثال، ICKDSF، ولكن عادة ما يتم توزيع الأشرطة وبطاقات الذاكرة القابلة لـ IPL مع وجود "نص IPL" هذا بالفعل.

أدخلت شركة IBM بعض التغييرات التطورية في عملية IPL، حيث غيرت بعض التفاصيل لنظام System/370 Extended Architecture (S/370-XA) وما بعده، وأضافت نوعًا جديدًا من IPL لـ z/Architecture.

سهّلت الحواسيب الصغيرة ، بدءًا من طرازي PDP-5 و PDP-8 من شركة Digital Equipment Corporation (DEC) عام 1965، تصميمها باستخدام وحدة المعالجة المركزية (CPU) للمساعدة في عمليات الإدخال والإخراج. وفّر هذا تكلفةً، لكنه جعل عملية التشغيل أكثر تعقيدًا من مجرد الضغط على زر واحد. عادةً ما كانت الحواسيب الصغيرة مزودة بآلية ما لتشغيل البرامج القصيرة عن طريق التحكم بمجموعة من المفاتيح على اللوحة الأمامية . ولأن الحواسيب الصغيرة الأولى كانت تستخدم ذاكرة ذات نواة مغناطيسية ، والتي لا تفقد بياناتها عند انقطاع التيار الكهربائي، فإن برامج تحميل الإقلاع هذه كانت تبقى موجودة ما لم تُمسح. أحيانًا كان المسح يحدث عن طريق الخطأ عندما يتسبب خطأ برمجي في حلقة تكرارية تُعيد الكتابة فوق جميع الذاكرة.

تشمل أجهزة الكمبيوتر الصغيرة الأخرى ذات الشكل البسيط للتشغيل سلسلة HP 2100 من شركة Hewlett-Packard (منتصف الستينيات)، وجهاز Data General Nova الأصلي (1969)، وجهاز PDP-4 (1962) وجهاز PDP-11 (1970) من شركة DEC .

بما أن عمليات الإدخال/الإخراج اللازمة لإجراء عملية قراءة على جهاز إدخال/إخراج للحاسوب المصغر كانت تختلف عادةً باختلاف وحدات التحكم في الأجهزة، فقد كانت هناك حاجة إلى برامج تمهيد مختلفة للأجهزة المختلفة.

أضافت شركة DEC لاحقًا، في عام 1971، ذاكرة قراءة فقط اختيارية لمصفوفة الثنائيات لجهاز PDP-11، تخزن برنامجًا تمهيديًا يصل إلى 32 كلمة (64 بايت). تتكون هذه الذاكرة من لوحة دوائر مطبوعة، M792، تُوصل بمنفذ Unibus وتحتوي على مصفوفة 32 × 16 من ثنائيات أشباه الموصلات. بوجود جميع الثنائيات الـ 512، تحتوي الذاكرة على جميع البتات التي قيمتها "واحد"؛ وتُبرمج اللوحة بفصل كل ثنائي يُراد أن تكون قيمة بتّه "صفر". كما باعت DEC نسخًا من اللوحة، سلسلة BM792-Yx، مُبرمجة مسبقًا للعديد من أجهزة الإدخال القياسية ببساطة عن طريق حذف الثنائيات غير الضرورية. ^{[ 25 ] [ 26 ]}

على غرار النهج القديم، احتوى جهاز PDP-1 الأقدم على مُحمِّل أجهزة، بحيث لا يحتاج المُشغِّل إلا إلى الضغط على مفتاح التحميل لتوجيه قارئ الشريط الورقي لتحميل برنامج مباشرةً إلى الذاكرة الرئيسية. أما أجهزة PDP-7 [ ^{27 ]} و PDP-9 [ ^{28 ] و} PDP -15 ^{[29 ] ، وهي} الأجهزة اللاحقة لجهاز PDP-4، فقد أُضيف إليها زر "قراءة" لقراءة برنامج من الشريط الورقي والانتقال إليه. واستخدم جهاز Data General Supernova مفاتيح اللوحة الأمامية لجعل الحاسوب يُحمِّل التعليمات تلقائيًا إلى الذاكرة من جهاز مُحدَّد بواسطة مفاتيح بيانات اللوحة الأمامية، ثم ينتقل إلى الكود المُحمَّل. ^{[ 30 ]}

لم تكن الحواسيب الصغيرة الأولى، مثل Altair 8800 (الذي صدر لأول مرة عام 1975) وجهاز مشابه أقدم منه (يعتمد على معالج Intel 8008)، مزودة بأجهزة تمهيد. ^{[ 31 ]} عند تشغيلها، كانت وحدة المعالجة المركزية ترى ذاكرة تحتوي على بيانات عشوائية. احتوت اللوحات الأمامية لهذه الأجهزة على مفاتيح تبديل لإدخال العناوين والبيانات، مفتاح واحد لكل بت من كلمة ذاكرة الحاسوب وناقل العناوين. سمحت إضافات بسيطة للأجهزة بتحميل موقع ذاكرة واحد في كل مرة من هذه المفاتيح لتخزين رمز التمهيد. في الوقت نفسه، مُنعت وحدة المعالجة المركزية من محاولة تنفيذ محتوى الذاكرة. بمجرد التحميل الصحيح، تم تمكين وحدة المعالجة المركزية من تنفيذ رمز التمهيد. كانت هذه العملية، المشابهة لتلك المستخدمة في العديد من الحواسيب الصغيرة السابقة، شاقة ويجب أن تكون خالية من الأخطاء. ^{[ 32 ]}

كان جهازا Data General Nova 1200 (1970) و Nova 800 (1971) مزودين بمفتاح تحميل برنامج، والذي، بالاشتراك مع خيارات توفر شريحتين من ذاكرة القراءة فقط (ROM)، يقوم بتحميل برنامج إلى الذاكرة الرئيسية من هاتين الشريحتين والانتقال إليه. ^{[ 30 ]} قدمت شركة Digital Equipment Corporation ذاكرات ROM المتكاملة القائمة على الدوائر المتكاملة، وهي BM873 (1974)، ^{[ 33 ]} وM9301 (1977)، ^{[ 34 ]} وM9312 (1978)، ^{[ 35 ]} وREV11-A وREV11-C، ^{[ 36 ]} و MRV11-C، ^{[ 37 ]} وMRV11-D ^{[ 38 ]} ، والتي يمكن استخدامها جميعًا كذاكرات ROM تمهيدية. تتضمن طرازات PDP-11/34 (1976)، ^{[ 39 ]} وPDP-11/60 (1977)، ^{[ 40 ]} وPDP-11/24 (1979)، ^{[ 41 ]} ومعظم الطرازات اللاحقة وحدات ذاكرة القراءة فقط للتمهيد.

احتوى حاسوب تحويل الهاتف الإيطالي، المسمى "Gruppi Speciali"، والذي حصل على براءة اختراع عام 1975 من قِبل ألبرتو سياراميلا ، الباحث في مركز CSELT ، ^{[ 42 ]} على ذاكرة قراءة فقط (ROM) خارجية. ومنذ عام 1975، أصبح Gruppi Speciali جهازًا يعمل بزر واحد فقط، حيث يتم تشغيل نظام التشغيل من ذاكرة ROM مكونة من أشباه موصلات، وليس من نوى الفريت. وعلى الرغم من أن جهاز ROM لم يكن مُدمجًا بشكل أساسي في حاسوب Gruppi Speciali، نظرًا لتصميم الجهاز، إلا أنه سمح أيضًا بتشغيل ROM بزر واحد في أجهزة أخرى غير مصممة لذلك (وبالتالي، كان "جهاز التمهيد" هذا مستقلًا عن بنية الجهاز)، مثل PDP-11. كما تم تخزين حالة الجهاز بعد إيقاف تشغيله، وهو ما كان ميزة حاسمة أخرى في مجال تحويل الهاتف. ^{[ 43 ]}

تتضمن بعض الحواسيب الصغيرة والحواسيب فائقة الصغر معالجًا منفصلاً لوحدة التحكم يقوم بتشغيل المعالج الرئيسي. كان جهاز PDP-11/44 مزودًا بمعالج Intel 8085 لوحدة التحكم؛ ^{[ 44 ]} أما جهاز VAX-11/780 ، وهو أول جهاز من سلسلة VAX من Digital للحواسيب فائقة الصغر ذات 32 بت، فكان مزودًا بمعالج LSI-11 لوحدة التحكم، ^{[ 45 ]} بينما كان جهاز VAX-11/730 مزودًا بمعالج 8085 لوحدة التحكم. ^{[ 46 ]} ويمكن لهذه المعالجات تشغيل المعالج الرئيسي من أجهزة تخزين متنوعة.

تقوم بعض الحواسيب الصغيرة الفائقة الأخرى، مثل VAX-11/750، بتنفيذ وظائف وحدة التحكم، بما في ذلك المرحلة الأولى من عملية الإقلاع، في التعليمات البرمجية الدقيقة لوحدة المعالجة المركزية. ^{[ 47 ]}

عادةً، يقوم المعالج الدقيق، بعد إعادة التشغيل أو بدء التشغيل، بعملية بدء تشغيل تتخذ عادةً شكل "بدء تنفيذ التعليمات البرمجية الموجودة بدءًا من عنوان محدد" أو "البحث عن تعليمات برمجية متعددة البايتات عند عنوان محدد والانتقال إلى الموقع المشار إليه لبدء التنفيذ". يحتوي النظام المبني باستخدام هذا المعالج الدقيق على ذاكرة قراءة فقط دائمة (ROM) تشغل هذه المواقع الخاصة، بحيث يبدأ النظام العمل دائمًا دون تدخل المشغل. على سبيل المثال، تبدأ معالجات Intel x86 دائمًا بتنفيذ التعليمات التي تبدأ من F000:FFF0، ^{[ 48 ] [ 49 ]} بينما في معالج MOS 6502 ، تبدأ عملية التهيئة بقراءة عنوان متجه ثنائي البايت عند $FFFD (بايت الأكثر أهمية) و$FFFC (بايت الأقل أهمية) والانتقال إلى هذا الموقع لتشغيل تعليمات التمهيد. ^{[ 50 ]}

كان أول حاسوب من إنتاج شركة أبل ، وهو Apple 1 الذي طُرح عام 1976، مزودًا برقائق PROM التي ألغت الحاجة إلى لوحة أمامية لعملية الإقلاع (كما كان الحال مع Altair 8800) في الحواسيب التجارية. ووفقًا لإعلان أبل الذي أعلن عنه، "لا مزيد من المفاتيح، لا مزيد من الأضواء... يُمكّنك البرنامج الثابت في ذاكرة PROM من إدخال البرامج وعرضها وتصحيح أخطائها (جميعها بنظام العد الست عشري) من لوحة المفاتيح." ^{[ 51 ]}

نظراً لارتفاع تكلفة ذاكرة القراءة فقط في ذلك الوقت، كان جهاز Apple II يُشغّل أنظمة تشغيل الأقراص باستخدام سلسلة من الخطوات الصغيرة المتدرجة، حيث تُنقل التحكم في كل خطوة إلى المرحلة التالية من عملية الإقلاع التي تزداد تعقيداً تدريجياً. (انظر: Apple DOS: مُحمّل الإقلاع ). ولأن نظام تشغيل القرص كان يعتمد بشكل ضئيل على ذاكرة القراءة فقط، فقد كان الجهاز يتمتع بمرونة فائقة، ودعم مجموعة واسعة من آليات حماية نسخ الأقراص المُخصصة . (انظر: اختراق البرامج: التاريخ ).

تتداخل بعض أنظمة التشغيل، ولا سيما أنظمة ماكنتوش من آبل التي صدرت قبل عام ١٩٩٥ ، بشكل وثيق مع مكوناتها المادية لدرجة أنه يستحيل تشغيل نظام تشغيل آخر غير النظام القياسي. وهذا يمثل النقيض التام للسيناريو الذي استخدمنا فيه مفاتيح التبديل المذكور سابقًا؛ فهو غير مرن إلى حد كبير، ولكنه مقاوم للأخطاء والمشاكل طالما أن جميع المكونات المادية تعمل بشكل طبيعي. يتمثل الحل الشائع في مثل هذه الحالات في تصميم برنامج تحميل إقلاع يعمل كبرنامج تابع لنظام التشغيل القياسي، حيث يستحوذ على النظام ويُحمّل نظام التشغيل البديل. وقد استخدمت آبل هذه التقنية في تطبيقها لنظام يونكس A/UX، وتم نسخها من قبل العديد من أنظمة التشغيل المجانية ونظام BeOS Personal Edition 5 .

كانت بعض الأجهزة، مثل حاسوب أتاري ST الصغير ، تعمل بنظام التشغيل الفوري، حيث يتم تشغيل نظام التشغيل من ذاكرة القراءة فقط (ROM). وبذلك، تم الاستغناء عن استرجاع نظام التشغيل من الذاكرة الثانوية أو الثالثة كإحدى العمليات الأساسية لعملية الإقلاع. وللسماح بتخصيصات النظام والملحقات وبرامج الدعم الأخرى بالتحميل تلقائيًا، كان محرك الأقراص المرنة في أتاري يقرأ المكونات الإضافية أثناء عملية الإقلاع. وكان هناك تأخير زمني يتيح إدخال قرص مرن يدويًا أثناء بحث النظام عن المكونات الإضافية. ويمكن تجنب ذلك بإدخال قرص فارغ. كما صُمم جهاز أتاري ST بحيث يوفر منفذ الخرطوشة إمكانية تشغيل البرامج مباشرةً لأغراض الألعاب، كإرث من تاريخ أتاري في صناعة الألعاب الإلكترونية؛ فبإدخال خرطوشة Spectre GCR التي تحتوي على ذاكرة القراءة فقط (ROM) لنظام ماكنتوش في منفذ اللعبة وتشغيل أتاري، كان بإمكانه تشغيل نظام تشغيل ماكنتوش مباشرةً بدلاً من نظام تشغيل أتاري الخاص .

كان حاسوب IBM الشخصي مزودًا ببرنامج ثابت قائم على ذاكرة القراءة فقط (ROM) يُسمى BIOS ؛ ومن وظائف هذا البرنامج الثابت إجراء اختبار ذاتي عند تشغيل الجهاز، ثم قراءة البرامج من جهاز الإقلاع وتنفيذها. ويُستخدم برنامج ثابت متوافق مع BIOS في حواسيب IBM الشخصية في الحواسيب المتوافقة مع IBM PC . أما UEFI ، فقد طورته شركة Intel، في الأصل للأجهزة التي تعمل بمعالجات Itanium ، ثم استُخدم لاحقًا كبديل لـ BIOS في الأجهزة التي تعمل بمعالجات x86 ، بما في ذلك أجهزة Apple Mac التي تستخدم معالجات Intel .

كانت محطات عمل يونكس في الأصل مزودة ببرامج ثابتة خاصة بكل مُصنِّع، تعتمد على ذاكرة القراءة فقط (ROM). لاحقًا، طوّرت شركة صن مايكروسيستمز برنامج OpenBoot ، الذي عُرف فيما بعد باسم Open Firmware، والذي تضمن مُفسِّر لغة فورث ، حيث كُتب جزء كبير من البرنامج الثابت بلغة فورث. وقد اعتمده معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) كمعيار IEEE 1275-1994 ؛ واستُخدم البرنامج الثابت الذي يُطبِّق هذا المعيار في أجهزة ماك التي تعمل بمعالجات PowerPC ، وبعض الأجهزة الأخرى التي تعمل بمعالجات PowerPC، بالإضافة إلى أجهزة صن الخاصة التي تعمل بمعالجات SPARC . وحددت مواصفات الحوسبة المتقدمة RISC معيارًا آخر للبرامج الثابتة، والذي طُبِّق على بعض الأجهزة التي تعمل بمعالجات MIPS و Alpha ، ومحطات عمل SGI Visual Workstation التي تعمل بمعالجات x86.

بمجرد أن يعثر نظام الإدخال والإخراج الأساسي (BIOS) على جهاز قابل للتشغيل، يقوم بتحميل قطاع الإقلاع إلى العنوان الخطي 7C00h (عادةً ما يكون المقطع : الإزاحة 0000h : 7C00h ، ^{[ 53 ] [ 55 ] : 29،} ولكن بعض أنظمة BIOS تستخدم خطأً 07C0h : 0000h )، ثم ينقل التنفيذ إلى رمز الإقلاع. في حالة القرص الصلب، يُشار إلى هذا باسم سجل الإقلاع الرئيسي (MBR). يتحقق رمز MBR التقليدي من جدول أقسام MBR بحثًا عن قسم مُحدد كقابل للتشغيل ^{[ ملاحظة 6 ]} (القسم الذي تم تعيين علامة التنشيط له ). إذا تم العثور على قسم نشط ، يقوم رمز MBR بتحميل رمز قطاع الإقلاع من ذلك القسم، المعروف باسم سجل إقلاع وحدة التخزين (VBR)، ثم يُنفذه. غالبًا ما يكون رمز إقلاع MBR خاصًا بنظام التشغيل.

يُعرَّف جهاز MBR القابل للتشغيل بأنه جهاز يمكن قراءته، ويحتوي على آخر بايتين من القطاع الأول على الكلمة الصغيرة AA55h ، ^{[ nb 7 ]} الموجودة كتسلسل بايت 55h ، AAh على القرص (المعروف أيضًا باسم توقيع تمهيد MBR )، أو حيث يتم إثبات أن الكود الموجود داخل القطاع قابل للتنفيذ على أجهزة الكمبيوتر x86.

يُعدّ رمز قطاع الإقلاع المرحلة الأولى من مُحمّل الإقلاع. وهو موجود على الأقراص الثابتة ومحركات الأقراص القابلة للإزالة ، ويجب أن يتسع في أول 446 بايت من سجل الإقلاع الرئيسي لإتاحة مساحة لجدول التقسيم الافتراضي ذي 64 بايت مع أربعة مداخل للتقسيم وتوقيع الإقلاع المكون من بايتين ، والذي يتطلبه نظام الإدخال والإخراج الأساسي (BIOS) لمُحمّل إقلاع سليم - أو حتى أقل من ذلك، عند الحاجة إلى دعم ميزات إضافية مثل أكثر من أربعة مداخل للتقسيم (حتى 16 مدخلًا، كل منها 16 بايت)، وتوقيع القرص (6 بايت)، والطابع الزمني للقرص (6 بايت)، والتقسيم النشط المتقدم (18 بايت)، أو مُحمّلات الإقلاع المتعددة الخاصة في بعض البيئات. في سجلات تمهيد وحدات التخزين المرنة والكبيرة ، يشغل قسم معلمات BIOS الموسع ما يصل إلى 59 بايتًا على وحدات تخزين FAT12 و FAT16 منذ نظام DOS 4.0، بينما يتطلب قسم معلمات BIOS الموسع في FAT32، الذي طُرح مع نظام DOS 7.1، 87 بايتًا، مما يترك 423 بايتًا فقط لبرنامج التمهيد بافتراض حجم قطاع 512 بايتًا. ولذلك، فرضت قطاعات التمهيد من مايكروسوفت قيودًا معينة على عملية التمهيد، على سبيل المثال، كان يجب أن يكون ملف التمهيد موجودًا في موقع ثابت في الدليل الجذر لنظام الملفات وأن يُخزن كقطاعات متتالية، ^{[ 67 ] [ 68 ]} وهي شروط تكفل بها الأمر وخُففت قليلاً في الإصدارات اللاحقة من نظام DOS. ^{[ 68 ] [ ملاحظة 8 ]} بعد ذلك، كان برنامج التمهيد قادرًا على تحميل القطاعات الثلاثة الأولى من الملف إلى الذاكرة، والتي تحتوي بدورها على برنامج تمهيد مضمن آخر قادر على تحميل باقي الملف إلى الذاكرة. ^{[ 68 ]} عندما أضافت مايكروسوفت دعم LBA وFAT32، انتقلت إلى مُحمِّل إقلاع يمتد على أكثر من قطاعين فعليين ويستخدم تعليمات 386 لأسباب تتعلق بالحجم. في الوقت نفسه، تمكن موردون آخرون من حشر وظائف أكثر بكثير في قطاع إقلاع واحد دون تخفيف القيود الأصلية على الحد الأدنى من الذاكرة المتاحة (32 كيلوبايت) ودعم المعالج ( 8088/8086 ). ^{[ ملاحظة 9 ]} على سبيل المثال، تستطيع قطاعات إقلاع DR-DOS تحديد موقع ملف الإقلاع في أنظمة الملفات FAT12 وFAT16 وFAT32 ، وتحميله إلى الذاكرة ككل عبر CHS.SYS أو LBA، حتى لو لم يكن الملف مخزنًا في موقع ثابت وفي قطاعات متتالية. ^{[ 69 ] [ 53 ] [ 70 ] [ 71 ] [ 72 ] [ ملاحظة 10 ] [ ملاحظة 9 ]}

غالبًا ما يكون VBR خاصًا بنظام تشغيل معين؛ ومع ذلك، فإن وظيفته الرئيسية هي تحميل وتنفيذ ملف مُحمِّل إقلاع نظام التشغيل (مثل bootmgrأو ntldr)، وهو مُحمِّل الإقلاع من المرحلة الثانية، من قسم نشط. ثم يقوم مُحمِّل الإقلاع بتحميل نواة نظام التشغيل من جهاز التخزين.

إذا لم يكن هناك قسم نشط، أو كان قطاع الإقلاع الخاص بالقسم النشط غير صالح، فقد يقوم سجل الإقلاع الرئيسي (MBR) بتحميل مُحمِّل إقلاع ثانوي، والذي بدوره سيختار قسمًا (غالبًا عبر إدخال المستخدم) ويُحمِّل قطاع الإقلاع الخاص به، والذي عادةً ما يُحمِّل نواة نظام التشغيل المُناسب. في بعض الحالات، قد يُحاول سجل الإقلاع الرئيسي (MBR) أيضًا تحميل مُحمِّلات إقلاع ثانوية قبل محاولة إقلاع القسم النشط. إذا فشلت جميع المحاولات، فيجب عليه إصدار استدعاء مقاطعة BIOS من نوع INT 18h ^{[ 55 ] [ 53 ]} (متبوعًا باستدعاء INT 19h تحسبًا لعودة INT 18h) لإعادة التحكم إلى BIOS، والذي سيُحاول بدوره الإقلاع من أجهزة أخرى، أو محاولة الإقلاع عن بُعد عبر الشبكة. ^{[ 53 ]}

تستخدم العديد من الأنظمة الحديثة ( أجهزة ماك من إنتل وأجهزة الكمبيوتر الشخصية الأحدث ) واجهة UEFI . ^{[ 73 ] [ 74 ]}

على عكس BIOS، فإن UEFI (وليس التمهيد القديم عبر CSM) لا يعتمد على قطاعات التمهيد، حيث يقوم نظام UEFI بتحميل محمل التمهيد ( ملف تطبيق EFI في قرص USB أو في قسم نظام EFI ) مباشرة، ^{[ 75 ]} ويتم تحميل نواة نظام التشغيل بواسطة محمل التمهيد.

قد يُظهر النظام حالته الخاطئة، على سبيل المثال، في حلقة إعادة تشغيل متكررة أو شاشة الموت الزرقاء ، قبل الإشارة إلى إمكانية الاستعادة. ^{[ 82 ]} قد يتطلب اكتشاف الحالة الخاطئة وجود مخزن أحداث موزع ومنصة لمعالجة البيانات المتدفقة لتشغيل النظام الموزع في الوقت الفعلي.

قد تؤدي حالة خاطئة إلى حلقات إعادة تشغيل متكررة؛ وقد تنجم هذه الحالة عن خلل في الإعدادات ناتج عن عمليات سابقة سليمة. ثم تبدأ محاولات الاستعادة من تلك الحالة الخاطئة بإعادة تشغيل الجهاز، في محاولة للعودة إلى حالة سليمة. في نظام التشغيل ويندوز، على سبيل المثال، كانت عملية الاستعادة تتطلب إعادة التشغيل ثلاث مرات، حيث كان من الضروري أن تعود قائمة النظام إلى وضع التشغيل. ^{[ 83 ] [ 84 ] [ 82 ]}

يمكن تحديد عملية الاسترداد باستخدام لغة تأشير تأكيدات الأمان (SAML)، والتي يمكنها أيضًا تطبيق تسجيل الدخول الموحد (SSO) لبعض التطبيقات؛ في نموذج أمان الثقة الصفرية ، تُعتبر الهوية والتفويض والمصادقة أمورًا منفصلة في جلسة تسجيل الدخول الموحد. عند الإشارة إلى ضرورة استرداد موقع ما (مثل ظهور شاشة الموت الزرقاء على شاشة صالة مطار)، ^{قد تتطلب} معالجة الموقف زيارات شخصية للموقع ^{. [ 81 ]}

• ويندوز إن تي 4.0 ^{[ 85 ]}
• ويندوز 2000 ^{[ 86 ]}
• ويندوز سيرفر ^{[ 87 ]}
• ويندوز 10 ^{[ 88 ]}
• نيكسوس 5X ^{[ 89 ]}
• في نظام أندرويد 10 : عند تعيين صورة معينة كخلفية للشاشة، تجاوزت قيمة الإضاءة الحد الأقصى البالغ 255، وذلك نتيجة خطأ في التقريب أثناء التحويل من sRGB إلى RGB . وقد تسبب هذا الخطأ في تعطل مكون واجهة المستخدم (SystemUI) عند كل عملية تشغيل للجهاز. ^{[ 90 ] [ 91 ]}
• جوجل نيست هب ^{[ 92 ]}
• مشاكل إعادة تشغيل هواتف إل جي الذكية
• في 19 يوليو 2024، تسبب تحديث لبرنامج فالكون التابع لشركة كراود سترايك في حادثة كراود سترايك لعام 2024، مما أدى إلى تعطل أنظمة مايكروسوفت ويندوز في جميع أنحاء العالم في حلقات إعادة التشغيل أو وضع الاسترداد . ^{[ أ ]}