Was ist ein Bootloader und wie funktioniert er?

Bootloader sorgen dafür, dass alle relevanten Daten des Betriebssystems bereits mit Gerätestart in den Arbeitsspeicher geladen werden. Während des Boot-Prozesses übermittelt die Firmware die hierfür erforderlichen Informationen.

Die Daten des Betriebssystems müssen direkt mit dem Gerätestart in den Arbeitsspeicher geladen werden. Möglich macht dies ein sogenannter Bootloader, auch Startprogramm oder Urlader genannt. Bootloader werden 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.

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.

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).

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 lädt der Bootloader den 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.

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