Booten

Booten (anglisierende Aussprache [ˈbuːtən]; von englisch to boot), Hochfahren, Starten oder auch Urladen bezeichnet das Laden des Betriebssystems eines Computers, wie es in der Regel nach dem Einschalten erforderlich ist. Das Wort booten ist eine Kurzform von bootstrap loading, sinngemäß laden per Bootstrap.

Der Bootprozess eines Computers verläuft in mehreren Stufen. Nach dem Einschalten wird zunächst ein einfaches Programm aus einem kleinen Festwertspeicher (ROM) gelesen. Dieses Programm erlaubt das Starten eines komplexeren Programms, das dann beispielsweise ein Betriebssystem startet. Bei frühen Computern (vor den 1970er Jahren) war oftmals kein Festwertspeicher (ROM) vorhanden, hier musste die erste Stufe des Bootprozesses mittels Maschinenkonsole (Tastatur) von Hand in den Speicher geschrieben werden, damit das Betriebssystem dann von externen Speichergeräten eingelesen werden konnte. Auf allen aktuell gebräuchlichen Computern und computergesteuerten Geräten/Anlagen beginnt der Bootprozess automatisch nach dem Einschalten.

Da ein Computer während des Bootvorgangs schon ein Programm lädt, das er zum Funktionieren benötigt, zieht er sich bildlich gesprochen wie Münchhausen an den eigenen Haaren aus dem Sumpf. Im Englischen sind es die Stiefelschlaufen (englisch bootstraps), daher kommt der Begriff Booten.

Großrechner

Auf Großrechnern der Firma IBM wird der Bootvorgang traditionell Initial Program Load (IPL) genannt. Der Gebrauch dieses Begriffs ist allerdings mittlerweile überholt, denn man ist dazu übergegangen, Initial Program Load rein für die erste Stufe der Ausführung eines mehrstufigen Bootladeprogramms zu verwenden.

Personal Computer

Beim Booten eines PCs beginnt der Prozessor mit der Abarbeitung der an einer festgelegten Speicheradresse im ROM abgelegten Systemfirmware. Im Allgemeinen führt diese einen Test der angeschlossenen Geräte durch (POST) und prüft Speichergeräte wie Diskettenlaufwerke, Festplatten oder optische Laufwerke (wie CD-/DVD-Laufwerke) etc., ob diese startfähige Medien sind bzw. enthalten. Je nach konkreter Firmware-Implementierung kann die Suchreihenfolge, nach der auf diese Geräte zugegriffen wird, z. B. per Firmware-Setup oder per Bootmenü verändert werden.

Bei IBM-PC-kompatiblen Computern bis in die 2010er Jahre ist diese Firmware üblicherweise das BIOS, zur Unterscheidung von anderer ebenfalls BIOS genannter Software auch mit „PC-BIOS“ bezeichnet. Bei PCs nach ca. 2010 wurde es zunehmend vom (Unified) Extensible Firmware Interface, kurz EFI oder UEFI, abgelöst.

ARM-basierte Macs, bei denen Apple selbst produzierte Prozessoren verwendet und deswegen auch „Apple Silicon“ nennt, verwenden eine proprietäre Firmware. Intel-Macs, die bis 2023 verkauft wurden, verwenden seit der Markteinführung 2006 ein Apple-spezifisches EFI, das den UEFI-Spezifikationen entspricht. Auf den zwischen 1994 und 2006 produzierten PowerPC-basierten Macs (daher teils auch als „Power Macintosh“ vermarktet) verwendete Apple die von Sun entwickelte Open Firmware. In den 1980er und 1990er Jahren waren essentielle Teile des Macintosh-Betriebssystems „System“ (später „Mac OS“) im ROM, die daher als Macintosh-Baukasten bezeichnet werden.

Ein startfähiges Medium benötigt auf einem IBM-PC-kompatiblen Computer mit BIOS, wie es mit dem originalen IBM PC Modell 5150 von 1981 eingeführt wurde, einen gültigen Bootsektor. Auf größeren Datenspeichern wie Festplatten ist dies üblicherweise der Master Boot Record (MBR), der auch die Partitionstabelle enthält. Der Prozess des Bootens (bzw. deutsch: Startens) beginnt, wenn der Bootsektor vom BIOS geladen und ausgeführt wird. Da der Bootsektor auf eine Blockgröße von 512 Byte limitiert ist, enthält er in der Regel einen Bootloader, der weitere Daten nachlädt, etwa indem er auf dem Speichermedium nach speziellen Dateien sucht und diese anschließend lädt und ausführt, bis z. B. der Kernel und schließlich das ganze Betriebssystem gestartet wurde. Dieser Vorgang, bei dem ein Programm das nächste lädt, wird auch als Chain-Loading bezeichnet (englisch chain für Kette, wie in Befehlskette bzw. chain of command). Mit Bootmanagern, die sich früh in diese Kette einklinken, ist es möglich, den Bootvorgang zu verändern und z. B. ein zusätzliches Boot Menü für Multi-Boot-Systeme zu implementieren.

Beim PC-BIOS-Nachfolger Extensible Firmware Interface (EFI), das von Intel Ende der 1990er Jahre eingeführt wurde und das seit 2005 als „Unified EFI“ (UEFI) von mehreren Herstellern aus dem Bereich Hard- und Software gemeinsam weiterentwickelt wird, wird ein EFI-Loader von einer speziellen Partition, der EFI System Partition (ESP), direkt geladen. Per Spezifikation ist die ESP eine mit dem Dateisystem FAT formatierte Partition beliebiger Größe, die in einer GUID-Partitionstabelle definiert ist. Der EFI-Loader ist ein ausführbares Programm der jeweiligen Prozessorarchitektur, das entweder direkt durch eine Eintragung im NVRAM des (U)EFI, eventuell inklusive Startparamenter, spezifiziert wurde (bei internen Speichermedien), oder auf einem gemäß der Bootreihenfolge durch die Firmware eingebundenen Datenspeicher gefunden wurde. Als Nachfolger des BIOS besaßen viele (U)EFI-Implementierungen bis rund 2020 zusätzlich ein Kompatibilitätsmodul, das Compatibility Support Module (CSM), das ein PC-BIOS emuliert und damit weiterhin IBM-PC-kompatible Bootsektoren starten kann. Steht dieses Modul zur Verfügung und ist die Funktion entsprechend konfiguriert (aktiviert), so lädt UEFI das CSM automatisch, wenn ein Datenträger mit MBR gefunden wird und per Vorgabe im Firmware-Setup oder Auswahl im Bootmenü davon gestartet werden soll. Bei aktiviertem Secure Boot ist das CSM nicht verfügbar.

Der EFI-Loader wird, wie der Bootcode in einem Bootsektor, ebenfalls als Bootloader bezeichnet. Bootloader sind Computerprogramme, deren Aufgabe es ist, den Bootvorgang voranzubringen. In wenigen Fällen ist der Bootloader bereits die letzte Stufe im Bootprozess, beispielsweise bei PC-Bootern.

Bei der Installation eines Betriebssystems wird zuerst von einem startfähigen Medium wie einer CD oder DVD in einem optischen Laufwerk oder von einem USB-Stick gebootet. Die Firmware muss diese Art eines startfähigen Mediums jedoch unterstützen.

Auf diesem befindet sich meist selbst eine angepasste Version des zu installierenden Betriebssystems – ist der Startvorgang dieses Installationsmediums erfolgreich, lädt dieses automatisch das Installationsprogramm des Betriebssystems. Dieses richtet auf dem ausgewählten Installationsziel, einem Datenspeicher wie z. B. einer Festplatte, eine funktionierende Boot-Konfiguration für das jeweilige System ein, etwa Bootsektoren und Startdateien auf den entsprechenden Partitionen.

Intel hat mit PXE eine Methode spezifiziert, um PCs (IA-32, x64) und Itanium-Rechner (IA-64) über ein Rechnernetz booten zu können.

Da Linux quelloffen ist kann dessen Boot-Prozess genaustens nachvollzogen werden.

Varianten des Bootens

Man unterscheidet zwischen:

Kaltstart: (englisch cold boot), bei dem der Rechner wie nach dem Einschalten der Betriebsspannung „von Null an“ hochgefahren wird (siehe auch Reset)
Warmstart: (englisch warm boot), bei dem insbesondere die Routinen zur Hardware-Initialisierung nicht ausgeführt werden. Je nach Rechnerarchitektur und Betriebssystem kann sich die Ausführung des Warmstarts stark unterscheiden. Beispielsweise bietet das Betriebssystem AmigaOS die Möglichkeit, aktuelle Daten in einer „resetfesten RAM-Disk“ über einen Warmstart zu erhalten. Bei PCs der x86-Architektur bedeutet dagegen jedes Booten den Verlust aller zu diesem Zeitpunkt im (flüchtigen) RAM befindlichen Daten.

Moderne Betriebssysteme bieten die Möglichkeit, den Startvorgang zu beschleunigen. Je nach Art des Herunterfahrens des Rechners lassen sich folgende Methoden unterscheiden:

Suspend to disk: Wird auch Ruhezustand oder Hibernating (englisch für „überwintern“) genannt. Vor dem Abschalten wird der gesamte Speicherinhalt auf die Festplatte geschrieben und während des Bootvorgangs wieder in den Speicher zurückgeschrieben.
Suspend to RAM: Verwirrenderweise auch Standby-Modus genannt. Der Rechner wird nicht ausgeschaltet, aber alle Bufferinhalte werden in den RAM geschrieben, und die meisten Geräte und ein Großteil der CPU werden stillgelegt.

Die Beschleunigung basiert darauf, dass ein Neustart, wie bei einem vollständigen Herunterfahren, vermieden wird und ausschließlich der zuvor gesicherte Speicherinhalt geladen wird, also eine Art warm Boot mit Speichererhalt möglich wird.

Fehler beim Booten

Wenn ein Computer nicht bootet (nicht mehr hochfährt), kann das diverse Ursachen haben. Fehlerquellen sind neben fehlerhaften Einstellungen in der Firmware

die Hardware oder
der zum Starten verwendete Datenspeicher:
- der Bootsektor,
- die Partitionierung oder einzelne Partitionen,
- der Prüfzustand des Bootsektors, der Partition, oder des Dateisystems darauf,
- der aktive Bootloader,
- die Installation des Betriebssystems,
- die Startparameter des Betriebssystems.

Wenn der Computer erstmals nach einer Konfigurationsänderung gestartet wird, sollte zum Beispiel geprüft werden, ob Kabel fehlen oder falsch angeschlossen sind, ob Komponenten mit Steckverbindungen (zum Beispiel Arbeitsspeicher) richtig Kontakt haben und, nur bei älterer Hardware: ob etwaige Jumper der IDE- oder SCSI-Festplatten richtig gesetzt sind.

Wenn keine Bildschirmanzeige erscheint, so kann auf x86-Rechnern die Anzahl der vom BIOS ausgegebenen Pieptöne einen Hinweis auf den Fehler geben (siehe unter Liste der BIOS-Signaltöne).

Bei manchen Herstellern wie ASUS werden auch kleine LED Lämpchen benutz um Fehler zu identifizieren

Teilweise werden durch das BIOS Fehlertexte, wie z. B. DISK BOOT FAILURE, INSERT SYSTEM DISK AND PRESS ENTER auf dem Bildschirm angezeigt. Zur Fehlersuche kann ein Live-System wie Knoppix oder UBCD eingesetzt werden.

Literatur

x86:
- Pete Dice: Quick Boot: A Guide for Embedded Firmware Developers. 2. Auflage, Walter de Gruyter, Boston/Berlin 2018, ISBN 978-1-5015-1538-5.
- Werner Almberger: Booting Linux: The History and the Future. 25. Juni 2000 (PDF; 234 kB).