Wenn man den Einschaltknopf eines Computers drückt, dann will man dem Computer signalisieren: schalte dich bitte ein, damit ich mit dir Daten verarbeiten kann.
Den Vorgang zwischen dem Drücken des Einschaltknopfs und der Darstellung des Anmeldebildschirms zur Eingabe von Benutzername und Passwort nennt man Bootvorgang.
Einschub: Der Begriff booten ist abgeleitet vom Satz: "pull yourself up by your bootstraps" (deutsch: "Ziehe dich selbst an deinen Stiefelriemen hoch"). Die Stiefelriemen sind die Riemen am Schaft eines Stiefels, mit denen man den Stiefel festhält, während man den Fuss in den Stiefel zwängt. Im englischen Sprachraum zieht sich in der Legende von Baron Münchhausen der Baron an seinen Stiefelriemen (Bootstraps) selbst aus dem Sumpf. Nach dem Einschalten lädt ein Computer ein kleines Programm, mit welchem er sich selbst startet. Irgendjemand hatte die Idee das kleine Startprogramm als "bootstrap-program" und das Starten des Computers mit Hilfe des bootstrap-programs als Booten zu bezeichnen.
Ablauf des Bootvorgangs
Drückt man den Einschaltknopf eines Computers, wird das Netzteil des Computers eingeschaltet, so dass die Bauteile des Computers mit elektrischer Energie versorgt werden:
Das Netzteil arbeitet intern mit einer Spannung von 230 V, was bei Berührung absolut lebensgefährlich ist. Man darf ein Netzteil niemals öffnen!
Im Netzteil werden die lebensgefährlichen 230 V in ungefährliche Spannungen von 1,5 V, 3,3 V, 5 V und 12 V umgewandelt. Außerhalb des Netzteils arbeiten die Bauteile des Computers mit diesen ungefährlichen Spannungen.
Die offenliegenden Bauteile eines intakten Computers sind wegen der geringen Spannung auch bei einem eingeschalteten Computer ungefährlich, wenn man diese berührt. Trotzdem sollten im laufenden Betrieb keine Bauteile berührt werden, da man durch die Berührung Kurzschlüsse verursachen könnte, welche Bauteile schädigen könnten.
In einem fest eingebauten Speicherchip auf dem Mainboard ist das BIOS ("Basic Input Output System") gespeichert. Das BIOS enthält ein Computerprogramm, das den Computer bootet, wobei das BIOS nur aus einer Folge von "1" und "0" besteht.
Sobald das Netzteil elektrische Energie an die Bauteile des Computers liefert, kann der Bootvorgang beginnen. Dazu wird aus dem BIOS die BIOS-Bitfolge ausgelesen und damit der Computer gesteuert. :
Bei einer 1 wird in einer elektrischen Schaltung die Spannung eingeschaltet: z.B. 5 V (Strom fließt).
Bei einer 0 wird in einer elektrischen Schaltung die Spannung ausgeschaltet: 0 V (Strom fließt nicht).
Zusammenfassung des BIOS-POST
Beim Start des Boot-Vorgangs wird die BIOS-POST-Bitfolge an die elektrischen Schaltungen im Computer geschickt, welche dafür sorgen, dass ein Power-On-Self-Test (POST = Einschalt-Selbst-Test) abläuft. Dieser prüft, ob die angeschlossenen Bauteile funktionieren.
Wenn etwas im Computer nicht funktioniert, werden Fehlermeldungen als Information auf einem Monitor oder als Töne ausgeben.
Wenn alle angeschlossenen Bauteile funktionieren, wird der Boot-Vorgang fortgesetzt.
Nach einem erfolgreichen BIOS-POST (= Einschalt-Selbst-Test) wird die weitere BIOS-Bitfolge in den Arbeitsspeicher des Computers (= RAM) kopiert.
Bei einem Computer wird die BIOS-Bitfolge bei einer festgelegten Adresse abgelegt: z.B. wird bei einem x86-Computer das BIOS beginnend mit der Adresse FFFFFFF0 ≙ 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 0000 abgelegt.
Sobald die BIOS-Bitfolge im Arbeitsspeicher abgelegt wurde, kann der Bootloader des BIOS damit beginnen das Betriebssystem zu starten.
Das BIOS ist ein Mini-Betriebsystem, das nur den Zweck hat einen Computer zu starten. Ein großes Betriebssystem wie Windows, Linux oder iOS muss auf einem extra Datenträger (z.B. SSD) gespeichert sein.
Damit ein Betriebssystem gestartet werden kann, muss dem Computer mitgeteilt werden, wo die Bitfolge des Betriebssystems gespeichert ist. Dazu gibt es auf dem Datenträger, auf welchem das Betriebssystem gepeichert ist am Anfang des Datenträgers einen Bereich, in welchem nach bestimmten Regeln eine Bitfolge gespeichert ist, mit deren Hilfe man das Betriebssystem auf dem Datenträger findet.
Der Bereich am Anfang eines Datenträgers in welchem Informationen gespeichert sind, wo man auf dem Datenträger die Bitfolge des Betriebssystems findet nennt man den Master-Boot-Record = MBR.
Ein Datenträger ist ähnlich organisiert wie der Arbeitsspeicher:
Der Datenträger ist in Bereiche unterteilt, in welchen jeweils eine bestimmte Menge an Bits gespeichert werden kann.
Jedem dieser Bereiche ist eine Bitfolge als Adresse zugeordnet.
Das BIOS findet an einer festgelegten Stelle im MBR die Adresse auf der SSD, wo die Bitfolge des Betriebssystems zu finden ist:
Wenn an der angegebenen Adresse ein gültiger Betriebssystemkern gefunden wird, wird dieser geladen.
Wenn an der angegebenen Adresse kein gültiger Betriebssystemkern gefunden wird, gibt das BIOS eine Fehlermeldung aus und stoppt den Bootvorgang.
Nachdem das BIOS das Betriebssystem gefunden hat, wird der Betriebssystemkern und die für den weiteren Bootvorgang notwendigen Dateien in den Arbeitsspeicher geladen.
Der Betriebssystemkern führt die restlichen Schritte des Bootvorgangs aus:
Die Dateien des Betriebssystem werden eingebunden.
Die in den Computer eingebaute Hardware wird erkannt und notwendige Bitfolgen geladen, welche notwendig sind, damit die Hardware (Bildschirm, Tastatur, Maus, Netzwerkanschluss,...) funktioniert.
Grundlegende Programme werden geladen und gestartet, damit ein Anmeldebildschirm angezeigt und der Computer genutzt werden kann.
Sobald der Betriebssystemkern den Bootvorgang beendet hat, ist der Computer betriebsbereit.
Zusammenfassung des Boot-Vorgangs
Teste dich!
Ordne die folgenden Boot-Phasen in der Reihenfolge des Bootvorgangs! Ziehe dazu die blau gefärbten Begriffe in die richtigen Felder.
Computer einschalten → BIOS starten → POST ausführen → MBR laden → Betriebssystemkern laden und virtuelles Dateisystem anlegen → Dateisystem des Datenträgers einbinden → Hardware erkennen und einbinden → Betriebssystem starten → Computer ist betriebsbereit
