MBR (Master Boot Record) – so startet ein PC

Der Master Boot Record ist ein Relikt aus der Anfangszeit der PC-Technik. Er wurde erstmals 1983 mit IBM PC DOS 2.0 eingeführt und spielt seitdem vor allem bei Windows-Rechnern eine wichtige Rolle. Wir zeigen, wie der kleine Sektor am Anfang formatierter Datenträger in der Lage ist, hochkomplexe Betriebssysteme zu starten. Und wir erklären darüber hinaus, was zu tun ist, wenn ein Master Boot Sektor seine Funktion als Starthelfer nicht mehr erfüllen kann.

Was ist ein MBR?

Der MBR ist der physikalisch erste Sektor eines Datenträgers (z. B. Festplatte, USB-Stick), der zum Booten (Starten) von Computern verwendet wird. Hierfür muss der Rechner mit einem BIOS und einem x86er-Betriebssystem ausgestattet sein.

Hinweis

x86 bezieht sich auf eine spezifische Prozessorarchitektur, die 1976 von Intel eingeführt wurde. Sie verarbeitet unter anderem bei der Steuerung des Betriebssystems spezielle Befehlsätze, die beispielsweise von den Chipherstellern Intel und AMD entwickelt werden. Zunächst dominierten x86er-Prozessoren mit einer 32-Bit-Architektur (Verarbeitungsbreite: 32 Bit), heutige Systeme laufen mit leistungsfähigeren 64-Bit-x86-Prozessoren (Verarbeitungsbreite: 64 Bit). Der 64-bittige x86-Standard wird auch als x64 bezeichnet.

Der MBR hat auf einem Datenträger immer dieselbe Standardadresse: Zylinder 0, Kopf 0, Sektor 1. Er ist normalerweise 512 Byte groß, was der Größe eines Sektors auf einem Speichermedium entspricht.

Ein MBR findet sich auf nahezu allen externen Speichermedien (z. B. USB-Sticks), die kompatibel mit PC-Technik sind (x64er/x86er-Architektur) und mit Windows zusammenarbeiten können. Bei Datenträgern, die nicht zum Starten eines PCs gedacht sind, wird der MBR nicht operativ eingebunden, sondern dient nur als auslesbare Informationsquelle. So finden etwa Abspielgeräte von Audiodateien dort Infos über die Lage und Größe von Partitionen, auf denen sich abzuspielende MP3-Dateien befinden.

Aufbau und Aufgaben des MBR

Der Master Boot Sektor besteht immer aus mindestens vier 4 Komponenten:

  • Startprogramm (Bootloader)
  • Datenträger-, Disk-Signatur (ab Windows 2000)
  • Master-Partitionstabelle
  • MBR- oder Boot-Signatur (Magic Number)

Das Startprogramm befindet sich auf den ersten 446 Bytes des MBR. Die nicht sehr umfangreiche Software wird beim Hochfahren des PCs aktiv und initiiert auf operativer Ebene den Bootvorgang. Eine umfangreichere Routine mit standardisierten Verarbeitungsschritten wird in Gang gesetzt, die mit einem einsatzbereiten Betriebssystem (z. B. Windows) endet. Um diesen Ablauf abwickeln zu können, wird der im Rechner verbaute Arbeitsspeicher adressiert. Er ist ansprechbar, wenn der Computer nach dem Einschalten elektrische Energie für die notwendigen Verarbeitungsprozesse nutzen kann.

Über die Datenträger- oder Disk-Signatur identifizieren Windows-Rechner (ab Windows 2000) einen Datenträger mit Partitionstabelle.

Die Partitionstabelle dokumentiert die Aufteilung eines Datenspeichers in separate Speichersektionen. Dafür verwendet sie vier Einträge à 16 Byte, die Auskunft über die Lage und die Größe jeder Partition geben. So wird angegeben, wo eine C:\-Partition oder eine D:\-Partition anfängt und endet. Die Tabelle enthält zudem Informationen über den Typ des Datenträgers, beispielsweise „FAT32“, „LINUX Native“ oder „Dynamischer Datenträger“. Die Reihenfolge der Partitionen in der Partitionstabelle entspricht nicht immer der physikalischen Reihenfolge auf der Festplatte.

Die MBR- oder Boot-Signatur enthält in zwei Bytes die Zeichenfolgen „55“ und „AA”. Durch die charakteristische Kodierung, die immer am Ende des MBR-Sektors zu finden ist, wird ein Master Boot Record als solcher eindeutig erkannt. Fehlt diese Information, wird der Master Boot Sektor nicht identifiziert und der Bootvorgang wird mit einer Fehlermeldung abgebrochen.

Die Aktivitäten des MBR benötigen einen Anstoß, der nach dem Anschalten des PCs durch das BIOS (Basic Input/Output System) erfolgt. Das BIOS ist eine besondere Software, die auch als Firmware (englisch firm: „fest“) bezeichnet wird. Sie findet sich auf dem Mainboard eines PCs mit x86er-Architektur, wo sie in einen speziellen Chip (z. B. EPROM-Chip, Flash-Speicher) eingebettet ist. Das BIOS bleibt als fixe Komponente dauerhaft erhalten, auch wenn der Rechner ausgeschaltet ist.

Das BIOS selbst muss keine genaue Kenntnis von der Partitionierung eines Datenträgers haben. Es sorgt lediglich dafür, dass der Bootloader des MBR in den Speicher geladen und ausgeführt wird. Ist der Master Boot Sektor ausgelesen und dessen Bootloader im Arbeitsspeicher aktiv, wird zunächst anhand der Partitionstabelle die aktive (= bootfähige) Partition einer unterteilten Festplatte ermittelt.

Wird diese gefunden, läuft eine Kettenreaktion nach dem Chain Loading-Prinzip ab: Der identifizierte Bootsektor der adressierten Partition wird operativ eingebunden und der partitionseigene Bootloader übernimmt im Arbeitsspeicher die Kontrolle. Es folgen umfangreichere Abläufe und Routinen, die den eigentlichen Start des Betriebssystems abwickeln. Da der partitionseigeneBootloader komplexere Aufgaben übernimmt, ist er in der Regel größer als das Startprogramm des MBR.

Befinden sich auf dem Rechner mehrere Betriebssysteme, stoppt das Hochfahren frühzeitig, bis der Anwender eine Auswahl trifft (etwa zwischen Windows 7 und Windows 10). Solche speziellen Bootmanager arbeiten in der Regel zeitbasiert: Bleibt eine Eingabe von außen aus, wird am Ende eines Zeitlimits automatisch das bevorzugte Betriebssystem gestartet.

Der MBR ist beschädigt - was ist zu tun?

Fährt ein x86er-PC plötzlich nicht mehr hoch, so liegt das nicht selten an einem defekten Master Boot Sektor. Dabei reicht es schon, wenn das BIOS die beiden Bytes der MBR-Signatur nicht mehr auslesen kann. Für solche Fälle gibt es verschiedene Strategien der Problembehandlung, die vor allem vom installierten Betriebssystem abhängen. Heutigen Windows-Anwendern stehen grundsätzlich zwei Verfahren zur Verfügung:

  • Automatische Systemreparatur mit einem Notfallmedium (CD, DVD, USB-Stick)
  • Manuelle Reparatur via Eingabeaufforderung

Bei der automatischen Methode muss zunächst im BIOS das primäre Bootmedium geändert werden. Ansonsten bricht die Startroutine immer wieder ab, wenn sie auf der aktiven Partition der eingebauten Festplatte vergeblich nach einem intakten MBR sucht. Bootet der Rechner nach der BIOS-Modifikation beispielsweise von einer Windows-7-DVD, kann nach einigen Zwischenschritten die Option „Computerreparaturoptionen“ ausgewählt werden. Nach weiteren Zwischenschritten gelangt man schließlich zur Systemreparatur, die dann automatisch den MBR wiederherstellt.

Bei der manuellen Methode muss man den Master Boot Record mit dem Kommandozeilenwerkzeug der Windows-Eingabeaufforderung (cmd.exe) reparieren und dort Reparaturroutinen mit standardisierten Befehlen in Gang setzen (bootrec/fixmbr, bootrec/fixboot). Wie man zur Eingabeaufforderung gelangt, hängt maßgeblich vom installierten Betriebssystem ab. Außerdem ist das jeweilige Vorgehen davon abhängig, ob Windows noch startet oder gar nicht mehr aufgerufen wird.

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Ein defekter Master Boot Sektor ist nicht der einzige Grund für Reparaturen. Auch ein Bootvirus, der sich im Bootsektor eingenistet hat und schon beim Hochfahren des Rechners aktiv wird, kann solche Eingriffe erforderlich machen. MBR-Reparaturen sollten nach Möglichkeit nur erfahrene Anwender durchführen, da die Gefahr eines Datenverlusts besteht. Ein Backup des Systems und wichtiger Nutzerdaten sollte man also in der Hinterhand haben. Führt die Wiederherstellung der MBR-Partition nicht zum gewünschten Erfolg oder bricht sie frühzeitig ab, liegt möglicherweise ein irreparabler Schaden der Hardware vor.

Alternativen zum Master Boot Record

Der Master Boot Record hat einige Schwächen, wie fehlende Mechanismen zur Fehlerbehebung (beispielsweise bei Beschädigungen des MBR), Einschränkungen bei der Festplattengröße oder beim Umgang mit Partitionen. So werden nur MBR-Partitionen bis zu einer Speicherkapazität bis 2TB unterstützt, in unveränderter Form kann das klassische Partitionierungsschema nur mit 4 Partitionen umgehen.

Die Limitierungen werden in der Praxis teils durch Tricks und Umwege kompensiert. So kann der Bootsektor modifiziert und eine erweiterte Partition eingerichtet werden, die dann wiederum in kleinere logische Partitionen unterteilt wird. Solche „Kunstgriffe“ sind aber eher Notlösungen, die kaum noch mit der aktuellen Entwicklung der Computertechnik Schritt halten können.

Heutige Systeme ersetzen den MBR zunehmend durch eine zeitgemäße Festplattenpartitionierung im GPT-Format. GPT überzeugt mit verbesserter Datensicherheit, kann mit größeren Festplatten und vielen Partitionen umgehen. GPT-formatierte Datenträger arbeiten eng mit einer Firmware-Schnittstelle zusammen, die sich seit einiger Zeit als Nachfolger des BIOS etabliert. So ist es ab Windows Vista Service Pack 1 (64-bit x86-Version) möglich, mit Hilfe der Unified Extensible Firmware (UEFI) zu starten. Die neuere Boottechnik ist eine Art „Miniatur-Betriebssystem“, das nativ ab Werk 64-Bit-Prozessoren unterstützt.

Tipp

Sie wollen tiefer in das Thema einsteigen? Erfahren Sie mehr zu den Unterschieden zwischen MBR und GPT in unserem weiterführenden Artikel.

Aufgrund flexiblerer und leistungsfähigerer Alternativen hat der MBR in letzter Zeit an Bedeutung verloren. Kommt ein Master Boot Sektor heute noch als Starthelfer zum Einsatz, werden damit vor allem Rechner mit betagter Hardware hochgefahren. Zudem ist die MBR-Technik aus Kompatibilitätsgründen vor allem in der Windows-Welt noch weit verbreitet.


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