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Der große Wechsel zu UEFI-Motherboards

08.06.2014 | 08:45 Uhr |

Über den Startvorgang des PCs will man nicht nachdenken: Der soll schlicht funktionieren. Da hier aber nach Jahrzehnten ein Umbruch stattfindet, ist der Einblick in den Mechanismus und seine Veränderungen ein aktuelles Gebot.

Ein startender PC muss immer ganz von vorne anfangen. Er weiß nichts über sich selbst. Und es ist gar nicht so trivial, alle Informationen einzusammeln, um das Betriebssystem laden zu können. Die weitaus meisten PCs und Notebooks besitzen noch ein klassisches Bios (Basic Input Output System), das diese ersten Schritte erledigt, und auch neuere UEFI-Firmware bootet heute noch weit überwiegend im alten Legacy-Bios-Modus. Wie das funktioniert und was der moderne UEFI-Modus am Boot-Vorgang ändert, lesen Sie hier.

Vom Bios zum Master-Boot-Sektor

Beim Einschalten eines Rechners ist die Bios- Firmware auf dem nichtflüchtigen Mainboard- Chip zunächst die einzig verfügbare Software. Sie vollzieht standardmäßig einen kompletten Peripherie-Check, bei dem zuallererst die Grafikkarte gesucht wird. Anschließend werden der Arbeitsspeicher, ferner die Mainboard-Komponenten und Erweiterungskarten initialisiert.

Danach kennt das Bios alle angeschlossenen Datenträger. Wie es diese bei Verfügbarkeit zu priorisieren hat, verwaltet das Bios in einer Liste von Datenträgern, die für den Start des Ladevorganges eines Betriebssystems in Frage kommen. Diese Liste können Sie bekanntlich im Bios-Setup selbst anpassen, indem Sie die Reihenfolge umstellen oder bestimmte Datenträger als Boot-Medium deaktivieren.

Entsprechend der aktuell hinterlegten Boot-Reihenfolge durchsucht das Bios Festplatten und Wechselmedien nach einem Master Boot Record (MBR) mit Boot-Loader. Der MBR befindet sich zuverlässig im allerersten Sektor eines Datenträgers (Zylinder 0, Kopf 1, Sektor 1) und umfasst – wie jeder Sektor – lediglich 512 Bytes. Das Bios ist bei seiner Suche auf diese genau definierte Stelle auf roher Sektorebene angewiesen, weil es zu diesem Zeitpunkt kein Betriebssystem und kein Dateisystem gibt, das so etwas Flexibles wie einen Pfad oder einen Dateinamen ermöglichen würde. Das Bios sucht dabei prinzipiell nur so lange, bis es Erfolg hat: Wenn außer der Festplatte ein weiterer bootfähiger Datenträger vorliegt und dieser in der Bios-Reihenfolge vor der Festplatte steht, startet dieses Medium. Die Festplatte bleibt dann unberücksichtigt. In den 512 Bytes des MBR kann nur ein winziges Programm hinterlegt werden, zumal der Master Boot Record auch noch die Partitionstabelle des Datenträgers enthält (Partitionen 1 bis 4) und eine kleine MBR-Sicherheitssignatur, von deren Check die erfolgreiche Fortsetzung des Ladevorgans anhängt. Letztlich bleiben ganze 446 Bytes für das Startprogramm.

Alle Details zu UEFI-FIrmware

Vom Bios zum Kernel: der Weg beim herkömmlichen Bios führt über den Master Boot Record der Festplatte (MBR) und den Boot-Sektor der aktiven Partition (PBR).
Vergrößern Vom Bios zum Kernel: der Weg beim herkömmlichen Bios führt über den Master Boot Record der Festplatte (MBR) und den Boot-Sektor der aktiven Partition (PBR).

Über den MBR und PBR zum Boot-Loader

Das kleine Ladeprogramm im MBR erfährt aus der Partitionstabelle (ebenfalls im MBR) die aktive Partition des Datenträgers und ihren exakten Startsektor. Nur eine Partition auf einem Datenträger kann „aktiv“, also bootfähig sein. Folglich kann es nun an dieser Stelle den Boot-Sektor (PBR, Partition Boot Record) laden. Eine Festplatte kann nur einen MBR, aber mehrere PBRs haben, je einen pro Partition. Der PBR wird oft auch als VBR bezeichnet (Volume Boot Record).

Der Boot-Sektor (PBR) und – im Falle von Windows – die direkt anschließenden acht NT-Boot-Sektoren enthalten nun die Sektor-Angaben, wo der systemspezifische Boot- Loader zu suchen ist, und er startet diesen. Für den Fehlerfall sehen alle Betriebssysteme im Boot-Sektor eine winzige Fehlerbehandlung vor, so etwa der Windows-Boot-Sektor mit der Meldung „BOOTMGR is missing“.

Spätestens hier, wo genau, ist Definitionssache, übernimmt das Betriebssystem das Kommando. Das vom Boot-Sektor gestartete Programm, der Boot-Loader, ist unter jüngeren Windows-Versionen die Datei „bootmgr“ im Root-Verzeichnis der jeweiligen Partition. Unter Linux ist es heute meist der Grub2-Bootloader („core.img“). Diese Boot-Loader laden einen Dateisystem-Treiber und haben damit bereits Kenntnis vom Dateisystem – sie können also Pfade und Dateinamen verarbeiten. Der Windows-Boot-Loader liest dann die Boot-Konfigurationsdaten auf seiner eigenen Partition im Pfad „\Boot\BCD“ ein. Mit dieser Kenntnis zeigt er dann entweder ein Boot-Menü zur Auswahl des gewünschten Systems oder lädt sofort das einzig verfügbare. Danach kann der Kernel des Systems starten.

Die Uefi-Firmware zeigt zwei Modi, das ATAPI-DVD-Laufwerk zu booten. Eine im Uefi-Modus gestartete Installation ist Voraussetzung, dass die Festplatte statt im klassischen MBR in die moderne GPT eingetragen wird.
Vergrößern Die Uefi-Firmware zeigt zwei Modi, das ATAPI-DVD-Laufwerk zu booten. Eine im Uefi-Modus gestartete Installation ist Voraussetzung, dass die Festplatte statt im klassischen MBR in die moderne GPT eingetragen wird.

Uefi-Firmware und GPT

Das klassische Bios ist, wie beschrieben, seit Jahrzehnten auf den Master-Boot-Sektor (MBR) fixiert, um ein Betriebssystem laden zu können. Der MBR wiederum kann mit seiner Partitionstabelle eine maximale Festplattengröße von „nur“ circa 2,2 Terabyte verwalten. Der einfache Grund dafür ist, dass diese Partitionstabelle vier Bytes, also 32 Bit, für die Sektorenanzahl einer Festplatte vorsieht. Ein Sektor enthält 512 Bytes, somit ergeben sich als Maximum (2^32 x 512) jene 2 199 023 255 552 Bytes (circa 2,2 TB).

Inzwischen gibt es aber längst erschwingliche Festplatten mit drei und vier Terabyte. Das Booten über diese Festplatten mit klassischem MBR bedeutet den Verzicht auf 0,8 oder 1,8 TB. Der Einsatz nur für Daten ist hingegen kein ernstes Problem, sofern ein neueres 64-Bit-Windows (Vista, 7 oder 8) oder ein Linux genutzt wird – allesamt Systeme, welche die neue GPT-Partitionierung erlauben (GUID Partition Table) und damit mühelos die gesamte Kapazität adressieren.

Ein Booten auf Festplatten dieser Größe setzt hingegen notwendig den Bios-Nachfolger UEFI voraus. UEFI-Firmware beginnt den Weg zum Boot-Loader nicht mehr zwingend beim alten Master Boot Record, sondern kann auch eine GUID Partition Table (GPT) verwenden. Voraussetzung ist die Installation eines 64-Bit-Systems im UEFI-Modus auf der betreffenden Festplatte. Das klingt einfacher, als es tatsächlich ist, da aktuelle UEFI-Mainboards meist im abwärtskompatiblen Legacy-Bios-Modus arbeiten und zum Booten eines Installationsmediums im UEFI-Modus explizit angewiesen werden müssen.

Hardware-Kniffe: Prozessor übertakten - so geht's

Ist ein Betriebssystem im UEFI-Modus erst einmal installiert, vereinfacht sich der Boot-Vorgang. Anders als beim Bios und MBR erfolgt die Auswahl des zu bootenden Systems nicht mehr über einen Boot-Loader wie Bootmgr oder Grub. Diese Aufgabe übernimmt UEFI. Bei der Installation legt das jeweilige Betriebssystem einen Eintrag in einem nichtflüchtigen Speicher (NVRAM) auf der Hauptplatine an. Alle weiteren notwendigen Daten über die echten Boot-Loader werden auf Festplatte gespeichert: Unter Windows entsteht eine EFI-Systempartition (ESP) ohne Laufwerkskennung mit ziemlich genau 100 MB. Um die Daten dort lesen zu können, bringt die UEFI-Firmware einen Dateisystem-Treiber mit.

Der Nutzer kann nach dem PC-Start seine Auswahl über das UEFI-Boot-Menü treffen. Dieses lässt sich meist über die Taste Esc oder F8 aufrufen. Standardmäßig startet das System von dem ersten Boot-Gerät, das in der UEFI-Firmware eingestellt ist.

Ein weiterer Vorteil bei diesem Verfahren: Bei der Installation eines neuen Windows wird der MBR nicht mehr überschrieben. Damit ist die friedliche Koexistenz mehrerer Systeme auf einer Festplatte gewährleistet.

Ein MBR ist übrigens neben der GUID Partition Table auch noch vorhanden, er dient aber nur als Dummy: Der „Protective MBR“ mit klassischer Partitionstabelle soll nur älteren Partitionierungs-Tools eine gültige Tabelle vorgaukeln und dadurch von Eingriffen fernhalten.

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