Bootloader: Alle Informationen zum Manager des Systemstarts

Damit ein Computerprozessor Anwendungen ausführen kann, greift er auf die Dienste des Arbeitsspeichers, der auch als Hauptspeicher bekannt ist, zurück. Zu diesem Zweck werden die jeweils benötigten Daten in den Arbeitsspeicher geladen, weshalb dessen Kapazität, Übertragungsrate und Zugriffsgeschwindigkeit auch einen entscheidenden Einfluss auf die maximale Leistungsfähigkeit des gesamten Rechners haben.

Eines der wichtigsten Programme, dessen Daten sich im Arbeitsspeicher befinden, ist das Betriebssystem. Mit einer passenden Funktion zur Prozessverwaltung ausgestattet, regulieren Windows, macOS und Co. nämlich u. a. den Prozessorzugriff auf den Hauptspeicher. Konsequenterweise müssen die relevanten Daten der Systemsoftware bereits mit dem Start des Geräts in den Arbeitsspeicher geladen werden, wo sie sich im Übrigen auch während der gesamten Laufzeit befinden. Möglich macht dies ein sogenannter Bootloader, der in den meisten modernen Betriebssystemen standardmäßig fest integriert ist.

Was ist ein Bootloader?

Ein Bootloader, auch Startprogramm oder Urlader genannt, ist eine spezielle Software, die das auf einem Computer installierte Betriebssystem in den Arbeitsspeicher lädt. Zu diesem Zweck wird ein Bootloader für gewöhnlich direkt nach dem Start eines Geräts von einem start- bzw. bootfähigen Medium wie einem Festplattenlaufwerk, einer CD/DVD oder einem USB-Stick ausgeführt. Die Information darüber, wo sich der Bootloader befindet, erhält das Boot-Medium dabei von der jeweiligen Firmware des Computers (z. B. BIOS). Der gesamte Vorgang wird allgemein auch als „Booten“ bezeichnet.

Hinweis

Bei dem Begriff „Bootloader“ handelt es sich um eine verkürzte Form der beiden englischen Wörter „bootstrap loader“ (wörtl. Stiefelschlaufen-Lader). Hintergrund dieses Begriffs ist die Tatsache, dass der Boot-Manager die entscheidende Komponente für das Hochfahren des Computers ist und damit gleichermaßen wie die Stiefelschlaufe beim Anziehen eines Stiefels als Stütze dient.

Wie funktioniert ein Bootloader?

Wenn Sie den Startknopf eines Computers drücken, erhalten Sie auf dessen Bildschirm zuallererst einige Informationen über die eingebaute Hardware. Die verantwortliche Software für diese Meldung ist dabei zunächst noch die bereits erwähnte Firmware des Geräts, die von Herstellern in der Regel in einem Flashspeicher auf dem Mainboard, also der Hauptplatine des Computers, implementiert wird. Bei den meisten Desktop-PCs und Notebooks wird dabei auf das altbewährte BIOS (Basic Input/Output System) bzw. das modernere UEFI (Unified Extensible Firmware Interface) gesetzt. Beide Anwendungen sammeln verschiedenste Hardware-Daten und erstellen in der Folge u. a. eine vollständige Auflistung aller verfügbaren Laufwerke des Geräts.

Ist dieser Prozess abgeschlossen, überprüft die Firmware die gefundenen Datenträger der Reihe nach auf einen Bootloader, wobei sie nach einer speziellen Signatur – der sogenannten Boot-Signatur (auch „Boot Record“) – Ausschau hält. Gestartet wird die Suche dabei immer auf den angeschlossenen bzw. eingelegten Wechselmedien (CD/DVD, USB-Stick, externe Festplatten etc.), anschließend sind die fest eingebauten Festplatten an der Reihe. Bei Letzteren liegt der Bootloader bzw. dessen Signatur meistens im Master Boot Record (MBR), der auch die Partitionstabellen des Datenträgers enthält. Ist ein Bootloader gefunden, wird er geladen und der Systemstart initiiert. Bleibt die Suche erfolglos, wirft die Firmware eine Fehlermeldung aus.

Tipp

Sobald Sie ein Betriebssystem ordnungsgemäß installiert haben, startet es über einen Bootloader, der typischerweise auf der Hauptpartition liegt. Ist das System jedoch beschädigt und eine Neuinstallation erwünscht, sind Sie auf die bereits erwähnten bootfähigen Wechselmedien angewiesen – das gilt natürlich auch, wenn noch gar kein Betriebssystem vorhanden ist. Wie Sie einen gewöhnlichen USB-Stick in ein vollfunktionales Boot-Medium umwandeln, erfahren Sie in unserem Ratgeber.

Wo genau sind Bootloader gespeichert?

Hinsichtlich des Speicherorts von Bootloadern haben sich zwei Varianten etabliert:

  1. Der Bootloader wird im ersten Block des bootfähigen Mediums gespeichert.
  2. Der Bootloader wird auf einer spezifischen Partition des Boot-Mediums gespeichert.

Die erste Variante ist eng an das Prinzip der Master Boot Records geknüpft, die nämlich nicht nur den von der Firmware benötigten Verweis auf den Bootloader, sondern auch die Startsoftware selbst enthalten. Für den Record wird immer der erste verfügbare Speicherblock bzw. -sektor des Mediums reserviert, den man aufgrund dieser wichtigen Funktion auch als Boot-Block bzw. Boot-Sektor bezeichnet.

Im zweiten Fall nutzt das Betriebssystem eine ausgewählte Partition als Speicherort für den Bootloader, wobei das zugrundeliegende Dateisystem und die eingesetzten Partitionstabellen ganz unterschiedlich ausfallen können. Entscheidender Faktor ist dabei immer die Firmware, die bei diesem Bootloader-Speicher-Modell immer auch ein spezifisches Dateiformat für den Startmanager vorsieht. Bei Geräten mit UEFI handelt es sich dabei beispielsweise um das Format PE/COFF (Portable Executable / Common Object File Format).

Hinweis

Bootloader können auch auf mehrere, aufeinander aufbauende Stufen verteilt sein. Diese Multistage Bootloader (dt. mehrstufige Bootloader) umfassen bis zu drei unterschiedliche Stufen, die der Reihe nach ausgeführt werden. Sie kommen typischerweise dann zum Einsatz, wenn das Startprogramm zu groß für den Boot-Sektor ist.

Die Aufgaben eines Bootloaders in der Zusammenfassung

Bootloader dienen als Vermittlungsinstanz zwischen Hardware und Betriebssystem. Sobald ein Bootloader von der jeweiligen Firmware initialisiert wurde, erhält er die Systemverantwortung, um den Boot-Prozess ins Rollen bringen zu können. Die erste Aufgabe besteht dabei darin, den Hauptspeicher zu laden, der für die Funktionalität des Prozessors unerlässlich ist.

Im zweiten Schritt lädtder Bootloaderden Kernel des Betriebssystems, also die elementare Komponente der Systemsoftware, die sämtliche Speicher- und Prozessorzugriffe steuert und alle wichtigsten Treiber enthält. Zusätzlich arbeitet der Urlader verschiedene Routineaufgaben und -befehle ab, z. B. die Einbindung des Datenspeichers. Einige Bootloader führen außerdem Aufgaben aus, die über den eigentlichen Sinn der Startsoftware hinausgehen. Dazu zählen beispielsweise folgende Funktionen:

  • Erkennen und Starten weiterer, verfügbarer Bootloader
  • Ausführen von Anwendungsprogrammen (wurde in den 1980er-Jahren häufig genutzt, um Computerspiele direkt von einer Diskette zu starten)
  • Korrektur falscher bzw. Ergänzung fehlender Funktionen und Einträge in der Firmware
  • Laden einer alternativen Firmware

Nach erfolgreichem Abschluss aller Aufgaben gibt der Bootloader im letzten Schritt die Systemverantwortung an den Kernel weiter.

Welche bekannten Bootloader gibt es?

Damit haben wir die wichtigsten Fakten zum Thema Bootloader zusammengefasst. Die folgende Tabelle listet abschließend die bekanntesten und wichtigsten Bootloader auf:

Name des Bootloaders Beschreibung
Bootmgr Boot-Programm von Microsoft-Systemen seit Windows Vista bzw. Windows Server 2008
NT-Loader (NTLDR) Boot-Programm von Microsoft-Systemen bis Windows XP bzw. Windows Server 2003
barebox Bootloader für eingebettete Systeme in Druckern, Kameras, Autos, Flugzeugen und Co.
boot.efi EFI-Bootloader, der seit 2006 auf Mac-Geräten zum Einsatz kommt
BootX ehemaliger Bootloader von Mac-Betriebssystemen
Grand Unified Bootloader (GRUB) freies Startprogramm für unixoide Betriebssysteme wie Linux
ARM Core Bootloader Bootloader für Mikrocontroller (u. a. in iPhones genutzt)
OpenBIOS freier, portabler Startmanager unter GNU-GPL-Lizenz

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