Beim Einschalten eines Computers durchläuft dieser einen Startvorgang, oft auch „Boot-Up“ genannt. Dieser Begriff leitet sich vom englischen Wort „Bootstrap“ ab. Unabhängig davon, ob Sie ein Windows-, Mac- oder Linux-System verwenden, laufen im Hintergrund ähnliche Prozesse ab.
Die Aktivierung der Hardware
Nach dem Betätigen des Netzschalters versorgt die Stromversorgung die einzelnen Komponenten mit Energie. Dazu zählen das Motherboard, die CPU (Central Processing Unit), Festplatten, Solid-State-Drives (SSDs), Grafikkarten und alle anderen im Computer verbauten Teile.
Das Netzteil, welches für die Stromzufuhr zuständig ist, ist bei einem Desktop-PC in der Regel als separates Gehäuse (siehe gelbes Bauteil im Bild oben) am Rande des Computergehäuses angebracht und dort wird das Netzkabel angeschlossen.
Die CPU lädt UEFI oder BIOS
Sobald die CPU mit Strom versorgt ist, initialisiert sie sich selbst und sucht nach einem kleinen Programm, welches meist auf einem Chip auf dem Motherboard gespeichert ist.
Früher luden PCs das sogenannte BIOS (Basic Input/Output System). Heutzutage verwenden moderne PCs stattdessen die UEFI-Firmware (Unified Extensible Firmware Interface). UEFI ist quasi der Nachfolger des älteren BIOS. Um die Sache etwas komplizierter zu machen, nennen einige PC-Hersteller ihre UEFI-Software weiterhin „BIOS“.
UEFI oder BIOS: Hardwaretest und Initialisierung
Die BIOS- oder UEFI-Firmware lädt Konfigurationseinstellungen von einer speziellen Stelle auf dem Motherboard. Früher wurden diese in einem Speicherbereich, der durch eine CMOS-Batterie gesichert wurde, gespeichert. Wenn Sie Einstellungen in Ihrem BIOS- oder UEFI-Setup ändern, werden die benutzerdefinierten Einstellungen hier gespeichert.
Die CPU führt das UEFI oder BIOS aus, welches die Hardware Ihres Systems testet und initialisiert, einschließlich der CPU selbst. Sollte beispielsweise kein Arbeitsspeicher vorhanden sein, gibt der Computer einen Piepton aus und zeigt einen Fehler an, der den Startvorgang abbricht. Dieser Vorgang wird als POST (Power On Self Test) bezeichnet.
Während dieses Vorgangs kann es sein, dass das Logo des PC-Herstellers auf dem Bildschirm angezeigt wird und Sie haben oft die Möglichkeit eine Taste zu drücken, um zum BIOS- oder UEFI-Einstellungsbildschirm zu gelangen. Viele moderne PCs führen diesen Vorgang jedoch so schnell aus, dass sie kein Logo mehr anzeigen. Der Zugriff auf die UEFI-Einstellungen erfolgt dann über das Windows-Startoptionen-Menü.
UEFI kann weit mehr als nur Hardware initialisieren. Es ist im Grunde ein kleines Betriebssystem. Intel-CPUs verfügen beispielsweise über die Intel Management Engine, die diverse Funktionen bietet, darunter die Unterstützung der Intel Active Management Technology, welche die Fernverwaltung von Business-PCs ermöglicht.
Die Übergabe von UEFI oder BIOS an ein Boot-Gerät
Nachdem die Hardware getestet und initialisiert wurde, übergibt das UEFI oder BIOS die Verantwortung für das Hochfahren des Computers an den Bootloader des Betriebssystems.
UEFI oder BIOS suchen nach einem „Boot-Gerät“, von dem das Betriebssystem geladen werden soll. Dies ist in der Regel die Festplatte oder SSD des Computers, kann aber auch eine CD, DVD, ein USB-Stick oder ein Netzwerkspeicherort sein. Das Boot-Gerät kann über das UEFI- oder BIOS-Setup konfiguriert werden. Wenn mehrere Boot-Geräte vorhanden sind, versucht UEFI oder BIOS, den Startvorgang in der angegebenen Reihenfolge an diese zu übergeben. Wenn sich zum Beispiel eine bootfähige DVD im optischen Laufwerk befindet, wird möglicherweise versucht, von dieser zu starten, bevor auf die Festplatte zugegriffen wird.
In der Vergangenheit nutzte das BIOS den MBR (Master Boot Record), einen speziellen Bootsektor am Anfang einer Festplatte. Der MBR enthält Code, der den Rest des Betriebssystems (den Bootloader) lädt. Das BIOS führt den Bootloader aus, der dann den eigentlichen Bootvorgang des Betriebssystems – zum Beispiel Windows oder Linux – startet.
Computer mit UEFI können diese ältere MBR-Boot-Methode noch zum Starten eines Betriebssystems verwenden, nutzen aber meist eine sogenannte ausführbare EFI-Datei. Diese muss nicht am Anfang der Disk gespeichert sein, sondern wird auf einer sogenannten „EFI-Systempartition“ abgelegt.
Das Grundprinzip bleibt gleich: BIOS oder UEFI untersucht ein Speichergerät auf dem System, um nach einem kleinen Programm zu suchen (entweder im MBR oder auf einer EFI-Systempartition) und führt es aus. Wenn kein bootfähiges Gerät gefunden wird, schlägt der Bootvorgang fehl und eine entsprechende Fehlermeldung erscheint auf dem Bildschirm.
Auf modernen PCs ist die UEFI-Firmware meist für „Secure Boot“ konfiguriert. Dies soll sicherstellen, dass das zu startende Betriebssystem nicht manipuliert wurde und keine Malware auf niedriger Ebene geladen wird. Wenn Secure Boot aktiviert ist, prüft UEFI, ob der Bootloader ordnungsgemäß signiert ist, bevor er gestartet wird.
Der Bootloader lädt das vollständige Betriebssystem
Der Bootloader ist ein kleines Programm, das die Aufgabe hat, den Rest des Betriebssystems zu starten. Windows verwendet den Windows Boot Manager (Bootmgr.exe), die meisten Linux-Systeme GRUB und Macs boot.efi.
Wenn ein Problem mit dem Bootloader auftritt, zum Beispiel durch beschädigte Dateien auf der Festplatte, wird eine Fehlermeldung angezeigt und der Startvorgang wird angehalten.
Der Bootloader ist nur ein kleines Programm, welches den Startvorgang nicht komplett alleine durchführt. Unter Windows findet und startet der Windows Boot Manager den Windows OS Loader. Der OS Loader lädt wichtige Hardwaretreiber, welche für die Ausführung des Kernels, dem Kernstück des Windows-Betriebssystems, benötigt werden und startet ihn dann. Der Kernel lädt die Systemregistrierung in den Speicher und weitere Hardwaretreiber die mit „BOOT_START“ markiert sind, also beim Booten geladen werden sollen. Der Windows Kernel startet den Sitzungsmanagerprozess (Smss.exe), der die Systemsitzung startet und weitere Treiber lädt. So wird fortgefahren bis Windows Hintergrunddienste sowie den Anmeldebildschirm lädt.
Unter Linux lädt der GRUB-Bootloader den Linux-Kernel. Dieser startet das Init-System – bei den meisten modernen Linux-Distributionen systemd. Das Init-System ist verantwortlich für das Starten von Diensten und anderer Benutzerprozesse bis zur Anzeige einer Anmeldemaske.
Dieser komplizierte Prozess ist wichtig, um sicherzustellen, dass alle Komponenten in der richtigen Reihenfolge geladen und ausgeführt werden.
Übrigens werden sogenannte „Startprogramme“ tatsächlich erst geladen, wenn Sie sich in Ihr Benutzerkonto einloggen, nicht beim Systemstart selbst. Einige Hintergrunddienste (unter Windows) oder Daemons (unter Linux und macOS) werden jedoch schon beim Systemstart geladen.
Auch der Herunterfahrprozess ist komplex. Hier erfahren Sie, was genau passiert, wenn Sie einen Windows-PC herunterfahren oder sich abmelden.
Bildnachweise: Suwan Waenlor/Shutterstock.com, DR-Bilder/Shutterstock.com,