Bootvorgang und Systemstart

Ein frisch eingeschalteter Rechner weiß zunächst nichts von Dateien, Fenstern oder Benutzern. Bei typischen PCs und vielen klassischen Rechnern beginnt der Prozessor an einer fest vorgegebenen Stelle mit der Ausführung von Programmcode aus einem Festwertspeicher; andere Architekturen regeln diesen ersten Schritt anders. Von dort aus wird der Start in Stufen aufgebaut: Jede Stufe bereitet die nächste vor und übergibt ihr die Kontrolle.

Ein häufig beschriebenes Muster lautet: Firmware oder ROM prüft und initialisiert die Hardware, ein Startprogramm (Bootloader) lädt den Systemkern, der Kern bindet Treiber ein und startet Dienste, zuletzt erscheint eine Anmeldung oder direkt die Oberfläche. Dieses Muster ist eine Orientierungshilfe, kein universeller Ablauf. Historische Systeme weichen teils deutlich davon ab, manche Stufen fallen zusammen oder fehlen ganz.

Der Bootvorgang ist deshalb ein gutes Beispiel dafür, dass ein Betriebssystem nicht aus einem einzigen Programm besteht, sondern aus mehreren Schichten, die nacheinander aktiv werden.

Firmware ist Software, die fest mit der Hardware ausgeliefert wird. Auf klassischen PCs übernahm das BIOS diese Rolle, heute meist UEFI-Firmware. Sie testet grundlegende Komponenten, macht Arbeitsspeicher und einige Geräte nutzbar und sucht dann nach einem startfähigen Medium - etwa einer Diskette, Festplatte oder CD. Welche Medien in welcher Reihenfolge geprüft werden, legt die Firmware-Konfiguration fest.

Einige Systeme gingen einen anderen Weg und lieferten wesentliche Systembestandteile direkt im ROM mit. Bei RISC OS 3.7 und Atari TOS 2.06 ist das ein kennzeichnendes Merkmal: Ein großer Teil des Systems stand nach dem Einschalten ohne Laden von einem Datenträger zur Verfügung. Datenträger dienten dort eher für Programme, Daten und Erweiterungen.

Wie Firmware, Treiber und Prozessorarchitektur zusammenhängen, beschreibt der Artikel Hardware, Treiber und Systemarchitektur.

Hat die Firmware ein Startmedium gefunden, liest sie einen kleinen Startbereich und führt den dort liegenden Code aus. Dieser Code ist oft ein Bootloader: ein Programm, dessen einzige Aufgabe darin besteht, den eigentlichen Systemkern zu finden, in den Arbeitsspeicher zu laden und ihm die Kontrolle zu übergeben. Manche Bootloader bieten ein Menü, um zwischen mehreren installierten Systemen oder Startoptionen zu wählen.

Nicht jedes historische System nutzte einen Bootloader im heutigen Sinn. Bei MS-DOS 6.22 lädt ein kurzer Startcode die Systemdateien, danach folgen Konfigurationsdateien und der Befehlsinterpreter. Bei Linux-Distributionen wie Ubuntu 10.04 LTS übernimmt dagegen ein eigenständiger Bootloader die Auswahl und das Laden des Linux-Kernels.

Mit der Übergabe an den Kern wechselt die Verantwortung: Ab jetzt verwaltet der Kernel Speicher, Prozesse und Geräte.

Nach dem Kern werden Treiber für die vorhandene Hardware geladen, Dateisysteme eingebunden und Hintergrundprogramme gestartet. Solche Hintergrundprogramme heißen je nach System Dienste, Dämons oder Startobjekte. Sie kümmern sich zum Beispiel um Netzwerk, Druck, Protokollierung oder Zeitsynchronisation. Auf UNIX-artigen Systemen wie Solaris 8 oder IRIX 6.5 übernehmen Startskripte und Konfigurationsdateien diese Aufgabe; wie sie genau organisiert sind, unterscheidet sich je nach System und Version.

Bei MS-DOS war dieser Abschnitt deutlich schlichter. Konfigurationsdateien legten fest, welche Treiber und speicherresidenten Programme geladen werden. Mehrere gleichzeitig laufende Dienste in einem geschützten Mehrbenutzersystem gab es dort nicht. Grafische Systeme wie Windows 95 bauten auf einem solchen Start auf und luden anschließend ihre eigenen Komponenten.

Welche Programme dabei als eigene Prozesse laufen, erklärt Prozesse und Arbeitsspeicher.

Am Ende des Starts steht die Umgebung, mit der Menschen arbeiten. Auf Mehrbenutzersystemen folgt zuerst eine Anmeldung: Das System prüft, wer arbeiten möchte, und startet eine Sitzung mit den passenden Rechten und Einstellungen. Erst danach erscheinen Desktop, Menüs und Programme. Bei Windows XP, Mac OS X 10.4 oder Ubuntu ist dieser Schritt je nach Konfiguration sichtbar oder läuft automatisch ab.

Nicht jedes System hatte eine Anmeldung. Viele Heim- und Einzelplatzsysteme starteten direkt in eine Befehlszeile oder einen Desktop. Die Anmeldung ist also kein Naturgesetz des Bootvorgangs, sondern Teil eines Benutzer- und Rechtemodells.

Die Simulationen im Portal zeigen bei einigen Systemen nachgebildete Start- und Anmeldebildschirme. Sie laufen vollständig im Browser und starten kein echtes System.

Wenn ein Rechner nicht richtig startet, hilft das Stufenmodell bei der Einordnung. Zeigt sich schon vor jeder Systemmeldung ein Fehler, liegt das Problem eher bei Hardware, Firmware oder dem Startmedium. Bricht der Start ab, nachdem der Kern geladen wurde, sind häufig Treiber, Dateisysteme oder Dienste beteiligt. Startet das System, aber die Oberfläche oder die Anmeldung funktioniert nicht, liegt die Ursache oft in der Benutzerumgebung.

Diese Einteilung ist eine Denkhilfe und keine Reparaturanleitung. Eingriffe in Firmware-Einstellungen, Startbereiche oder Systemdateien können Daten gefährden und sollten nur mit Sachkenntnis und Sicherung erfolgen. Wie Software nach dem Start hinzukommt, beschreibt Softwareinstallation und Paketverwaltung.