Bootstrap

Zustand bei frühen Rechenmaschinen und Computern

• kein Bootstrap: Strom an -> Programm starten, Programm beenden -> Strom aus (siehe Konrad-Zuse-Clip)
• Programme waren spezifisch für die Hardware, auf der sie laufen
• siehe auch: damals (TM) Podcast
• und ChaosRadioExpress193 Old School Computing

Zustand bei heutigen Computern

• Programme benötigen Funktionen des Betriebssystems, Betriebssystem muss sich mit der Hardware vertraut machen -> separate Startphase notwendig
• Bootstrap (oder kurz Boot): sich selbst an den Schnürsenkeln aus dem Sumpf ziehen; aus einem einfachen System heraus ein komplexeres System aktivieren
• Konzept taucht mehrmals in verschiedenen Kontexten auf ("Wie stellt man einen Hobel her, wenn man keinen Hobel hat?"), siehe z.B. Bootstrapping von Programmiersprachen
• Hardware-Bootvorgang meist in mehreren aufeinanderfolgenden Phasen

Phase 1: Firmware

• minimales Startprogramm
• in einen separaten Flash-Speicher im Chip fest verbaut
• Aufgabe: Hardware in einen definierten Zustand bringen (z.B. interne Speicher initialisieren), nächste Stufe finden und laden
• heute mitunter alles andere als minimal: siehe UEFI und Intel ME/AMD PSP
• bei x86 früher BIOS; heute ersetzt durch UEFI, dessen definierter Endzustand modernen Konventionen folgt

Phase 2: Bootloader

• immer noch ziemlich minimal
• liegt auf einem Massenspeicher (Festplatte, USB-Stick)
• Aufgabe: Massenspeicher nach Betriebssystemen durchsuchen, Auswahldialog anbieten, gewähltes Betriebssystem starten
• unter Linux meistens GRUB oder systemd-boot

Alternativen zum klassischen Bootloader

• UEFI-Firmware kann direkt das Betriebssystem starten, sofern keine interaktive Auswahl erforderlich ist
• Netzwerk-Boot (entweder durch die Firmware oder als Option in Bootloadern wie GRUB)

Phase 3: Betriebssystem

• Erinnerung (siehe STP019): Kernel = Betriebssystemteile in höchster Privilegenstufe, Userspace = alle Programme in niedrigerer Privilegienstufe
• Bootloader lädt und startet den Basisteil des Kernels
• Kernel erkennt die verfügbare Hardware, lädt von der Festplatte die benötigten Kernel-Module nach und startet den System-Manager

Phase 4: System-Manager

• unter Unix meist als "PID 1" benannt, weil dieser erste Prozess mit der Prozess-ID (PID) 1 läuft

• klassischerweise sysvinit, heute unter Linux meist systemd

• startet alle Userspace-Programme, die als Teil des Betriebssystems aufgefasst werden können (im Unix-Sprech "Daemons": Disk And Execution MONitors)

• auf Systemebene z.B. Druckwarteschlange, Bluetooth-Dienst, Netzwerk-Konfigurationsdienst, Zeitsynchronisation

• auf der Ebene einer grafischen Sitzung z.B. Dienste zum Auswählen von Tastaturlayout/Netzwerk, Einstellen der Lautstärke, Screen-Reader

• ChaosRadioExpress209 Das Linux System

Phase 5: Display-Manager

• bietet auf grafischen Systemen den Anmeldedialog
• im Prinzip selbst eine komplette grafische Sitzung (Anekdote: GDM vs. LightDM)
• startet nach erfolgreicher Anmeldung die entsprechende grafische Sitzung

Phase 6: grafische Sitzung

• Strukturierung je nach Desktopoberfläche
• immer mit dabei: ein Window-Manager, der die einzelnen Fenster in ein Gesamtbild zusammensetzt (heutzutage auf der GPU, dann heißt der Window-Manager "Compositor")
• unter Windows ist der Window-Manager aus historischen Gründen Teil von explorer.exe
• wie besprochen: unter Linux Bootvorgang visualisieren mit systemd-analyze plot > output.svg