Booten

Grundidee und Ablauf

Booten, auch Hochfahren, Starten oder Urladen genannt, bezeichnet das Laden des Betriebssystems eines Computers. Es ist in der Regel nach dem Einschalten nötig, damit der Computer von einfacher Startlogik zu einem vollständig laufenden Betriebssystem gelangt.

Der Bootprozess verläuft in mehreren Stufen. Nach dem Einschalten wird zuerst ein einfaches Programm aus einem kleinen Festwertspeicher, dem ROM, gelesen. Dieses Programm startet ein komplexeres Programm, das dann zum Beispiel ein Betriebssystem lädt. Bei frühen Computern vor den 1970er Jahren gab es oft noch kein ROM; dort musste die erste Stufe des Bootprozesses von Hand über eine Maschinenkonsole in den Speicher geschrieben werden. Bei heutigen Computern und computergesteuerten Geräten beginnt der Bootprozess automatisch nach dem Einschalten.

Das Bild hinter dem Begriff ist, dass ein Computer während des Bootvorgangs ein Programm lädt, das er selbst zum Funktionieren benötigt. Er bringt sich also schrittweise selbst in einen arbeitsfähigen Zustand.

Booten bei Großrechnern

Auf Großrechnern der Firma IBM wird der Bootvorgang traditionell Initial Program Load, kurz IPL, genannt. Dieser Begriff gilt in dieser allgemeinen Bedeutung inzwischen als überholt. Heute wird Initial Program Load eher für die erste Stufe der Ausführung eines mehrstufigen Bootladeprogramms verwendet.

Booten beim Personal Computer

Beim Booten eines PCs beginnt der Prozessor mit der Ausführung der Systemfirmware, die an einer festen Speicheradresse im ROM liegt. Diese Firmware führt normalerweise einen Test der angeschlossenen Geräte durch, den POST, und prüft Speichergeräte wie Diskettenlaufwerke, Festplatten oder optische Laufwerke darauf, ob sie startfähige Medien enthalten. Die Reihenfolge, in der solche Geräte geprüft werden, kann je nach Firmware zum Beispiel über ein Firmware-Setup oder ein Bootmenü geändert werden.

Bei IBM-PC-kompatiblen Computern war diese Firmware bis in die 2010er Jahre meist das BIOS, genauer PC-BIOS. Bei PCs nach etwa 2010 wurde es zunehmend durch das Extensible Firmware Interface, EFI oder UEFI, ersetzt. Macs verwenden je nach Prozessorplattform unterschiedliche Firmware: ARM-basierte Macs mit Apple-Silicon-Prozessoren nutzen proprietäre Firmware; Intel-Macs, die bis 2023 verkauft wurden, verwenden seit 2006 ein Apple-spezifisches EFI nach UEFI-Spezifikationen; PowerPC-basierte Macs von 1994 bis 2006 nutzten Open Firmware. In den 1980er und 1990er Jahren lagen wichtige Teile des Macintosh-Betriebssystems „System“, später „Mac OS“, im ROM.

Bei einem IBM-PC-kompatiblen Computer mit BIOS benötigt ein startfähiges Medium einen gültigen Bootsektor. Auf größeren Datenspeichern wie Festplatten ist das gewöhnlich der Master Boot Record, MBR, der auch die Partitionstabelle enthält. Der Bootvorgang beginnt, wenn das BIOS den Bootsektor lädt und ausführt. Weil der Bootsektor auf 512 Byte begrenzt ist, enthält er meist einen Bootloader, also ein Programm, das weitere Daten nachlädt. Dieser kann nach speziellen Dateien suchen und weitere Programme laden, bis schließlich der Kernel und danach das ganze Betriebssystem gestartet sind. Wenn dabei ein Programm das nächste lädt, spricht man von Chain-Loading. Bootmanager können früh in diese Kette eingreifen und zum Beispiel ein Bootmenü für Multi-Boot-Systeme bereitstellen.

Bei EFI oder UEFI wird ein EFI-Loader von der EFI System Partition, kurz ESP, geladen. Die ESP ist laut Spezifikation eine mit FAT formatierte Partition beliebiger Größe, die in einer GUID-Partitionstabelle definiert ist. Der EFI-Loader ist ein ausführbares Programm der jeweiligen Prozessorarchitektur. Er kann durch einen Eintrag im NVRAM des UEFI, eventuell mit Startparametern, angegeben sein oder auf einem Datenträger entsprechend der Bootreihenfolge gefunden werden. Viele UEFI-Implementierungen hatten bis etwa 2020 zusätzlich ein Compatibility Support Module, CSM, das ein PC-BIOS emuliert und IBM-PC-kompatible Bootsektoren starten kann. Bei aktiviertem Secure Boot ist das CSM nicht verfügbar.

Auch der EFI-Loader wird wie Bootcode in einem Bootsektor als Bootloader bezeichnet. Bootloader haben allgemein die Aufgabe, den Bootvorgang voranzubringen. In wenigen Fällen ist der Bootloader bereits die letzte Stufe des Bootprozesses, zum Beispiel bei PC-Bootern.

Installation und Netzwerkstart

Bei der Installation eines Betriebssystems wird meist zuerst von einem startfähigen Medium gebootet, etwa von einer CD, DVD oder einem USB-Stick. Die Firmware muss diese Art von startfähigem Medium unterstützen. Auf dem Installationsmedium befindet sich normalerweise eine angepasste Version des zu installierenden Betriebssystems. Wenn der Startvorgang dieses Mediums gelingt, lädt es automatisch das Installationsprogramm.

Das Installationsprogramm richtet auf dem ausgewählten Installationsziel, zum Beispiel einer Festplatte, eine funktionierende Boot-Konfiguration ein. Dazu gehören je nach System Bootsektoren und Startdateien auf den passenden Partitionen.

Intel hat mit PXE eine Methode spezifiziert, um PCs der Architekturen IA-32 und x64 sowie Itanium-Rechner der Architektur IA-64 über ein Rechnernetz booten zu können. Beim quelloffenen Betriebssystem Linux lässt sich der Bootprozess besonders genau nachvollziehen.

Varianten und beschleunigtes Starten

Beim Kaltstart, englisch cold boot, wird der Rechner wie nach dem Einschalten der Betriebsspannung „von Null an“ hochgefahren. Dazu gehört auch der Bezug zum Reset.

Beim Warmstart, englisch warm boot, werden insbesondere Routinen zur Hardware-Initialisierung nicht ausgeführt. Wie ein Warmstart genau abläuft, hängt stark von Rechnerarchitektur und Betriebssystem ab. AmigaOS kann aktuelle Daten in einer „resetfesten RAM-Disk“ über einen Warmstart erhalten. Bei PCs der x86-Architektur bedeutet dagegen jedes Booten den Verlust aller Daten, die sich zu diesem Zeitpunkt im flüchtigen RAM befinden.

Moderne Betriebssysteme können den Startvorgang beschleunigen, indem sie einen vollständigen Neustart vermeiden. Bei Suspend to disk, auch Ruhezustand oder Hibernating genannt, wird vor dem Abschalten der gesamte Speicherinhalt auf die Festplatte geschrieben und beim Booten wieder in den Speicher zurückgeschrieben. Bei Suspend to RAM, auch Standby-Modus genannt, wird der Rechner nicht vollständig ausgeschaltet; Bufferinhalte werden in den RAM geschrieben, und die meisten Geräte sowie ein großer Teil der CPU werden stillgelegt.

Die Beschleunigung entsteht dadurch, dass kein vollständiges Herunterfahren mit anschließendem kompletten Neustart nötig ist. Stattdessen wird der zuvor gesicherte Speicherinhalt geladen, sodass eine Art Warmstart mit Speichererhalt möglich wird.

Fehler beim Booten

Wenn ein Computer nicht bootet, kann das viele Ursachen haben. Neben falschen Einstellungen in der Firmware kommen Hardwareprobleme oder Fehler am verwendeten Startdatenspeicher infrage. Betroffen sein können der Bootsektor, die Partitionierung oder einzelne Partitionen, der Prüfzustand des Bootsektors, der Partition oder des Dateisystems, der aktive Bootloader, die Installation des Betriebssystems oder die Startparameter des Betriebssystems.

Wenn der Computer nach einer Konfigurationsänderung erstmals wieder gestartet wird, sollte geprüft werden, ob Kabel fehlen oder falsch angeschlossen sind und ob Komponenten mit Steckverbindungen, zum Beispiel Arbeitsspeicher, richtig Kontakt haben. Bei älterer Hardware können auch falsch gesetzte Jumper von IDE- oder SCSI-Festplatten eine Ursache sein.

Erscheint keine Bildschirmanzeige, kann bei x86-Rechnern die Anzahl der BIOS-Pieptöne Hinweise auf den Fehler geben. Manche Hersteller, zum Beispiel ASUS, verwenden außerdem kleine LED-Lämpchen zur Fehleridentifikation. Teilweise zeigt das BIOS Fehlermeldungen auf dem Bildschirm an, zum Beispiel „DISK BOOT FAILURE, INSERT SYSTEM DISK AND PRESS ENTER“. Zur Fehlersuche kann ein Live-System wie Knoppix oder UBCD eingesetzt werden.