BIOS/UEFI

Das BIOS oder UEFI ermöglicht den Start des Computers und stellt später Schnittstellen für das Betriebssystem bereit. Ohne eines der beiden, wäre der Betrieb des Computers nicht möglich.

BIOS/UEFI

Beim Betätigen des Einschalters beginnt der sogenannte Bootvorgang. Als Bootvorgang werden die Abläufe des Computers bezeichnet, bis das Betriebssystem (OS, engl. für Operating System) vollständig geladen und bereit für Eingaben des Benutzers ist. Beim Booten unterscheidet man zwischen zwei Arten:

Mit Einschalten des Computers beginnt das BIOS/UEFI zu starten. Sofern eine Grafikkarte bzw. ein Grafik-Chip eingebaut ist, wird das Grafik-BIOS angesprochen und gestartet. Grund für ein eigenes BIOS bzw. eine eigene Firmware ist der spezielle Aufgabenbereich der Grafikkarte. Für die Berechnung und Verarbeitung werden spezielle Komponenten, Softwares und auch ein passgenaues BIOS benötigt.

Danach beginnt der sogenannte POST,  bei dem die Funktionen der Hardware überprüft werden. POST steht für Power-ON-Self-Test und bedeutet, dass alle verbauten und angeschlossenen Komponenten angesprochen werden und ihren aktuellen Status melden. Sofern ein Fehler auftritt, wird dies durch ein akustisches Signal und meist einen Fehlercode gemeldet. Anhand des Signals kann im Handbuch des Mainboard Herstellers nachgeschlagen und der Fehler damit leichter gefunden werden. Ein typisches Beispiel ist ein langer Piepton, für einen nicht vorhandenen Arbeitsspeicher. Lösung wäre hier, den Sitz des RAM-Riegels zu kontrollieren und es erneut zu versuchen.

Sofern es keine Fehlermeldung gab und dadurch ein erneuter Start des Systems ausbleibt, wird der CMOS bzw. Flash EEPROM gelesen. Diese sind nicht beschreibbar und können nur gelesen werden. ACHTUNG!: Im Falle eines BIOS/UEFI Updates kann er beschrieben werden! Bei Schreibfehlern oder Verbindungsabbrüchen droht die Gefahr, dass es zu einem irreparablen Schaden am BIOS/UEFI kommen kann!

Sofern die Konfiguration geladen ist, läuft die Hardware nach den Vorgaben. Ein klassisches Beispiel hierfür wären Lüfterdrehzahlen.

Nun wird nach dem OS, also dem Betriebssystem gesucht. Sofern keines vorhanden ist, wird eine Fehlermeldung angezeigt und es kann zu einer Bootschleife kommen. Bei einer Bootschleife spricht man von einem endlosen Booten des Computers. Falls aber ein OS installiert ist, differenzieren BIOS und UEFI. Das BIOS sucht im Bootsektor nach dem Master Boot Record (MBR), wärend das UEFI nach der GUID Partition Table (GPT) sucht. Der Grund für die verschiedenen Prozesse kann weiter unten gefunden werden.

Nach dem Finden des OS werden die benötigten Teile gestartet. Das OS beginnt nun seine Tätigkeit. Sobald sich das OS im hochgefahrenen Zustand befindet, übernimmt es die Steuerung und Verwaltung des Computers.

Der Bootvorgang ist abgeschlossen und der Computer steht bereit zur Benutzung.

BIOS:

BIOS steht für Basic Input Output System und ist die Firmware des Computers. Zu seinen Aufgaben gehören:

• Ansprechen BIOS anderer Erweiterungskarten (z.B. Grafik-BIOS)
• Starten, Überwachen und Auswerten des POST (Power-On-Self-Test)
• Initialisieren der Hardware
• Passwort abfragen, zum Setup oder Zugang zur Festplatte
• Darstellung Begrüßungsbildschirm
• Eruieren, von welchem Datenträger gebootet werden soll
• MBR finden, auswerten und OS starten

Ein BIOS findet man in 32-Bit (x86) Rechnern, auf einem nicht-flüchtigen Speicher (EPROM oder EEPROM). Da die Technik immer weiter wächst, kommt das einfache BIOS an seine Grenzen, Gründe hierfür waren:

• maximal 2 Terabyte Speicher
• maximal 4 primäre Partitionen
• durch lange Lebenszeit entstanden viele Erweiterungen, die weitere Fehler produzieren, Sicherheitslücken öffnen oder das System verlangsamen
• Laden der gesamten Hardware erfolgt nacheinander (hohe Wartezeiten)
• schwieriges Update durch Flashen (Überschreiben des Speichers mit neuem BIOS)
• kompliziertes Layout und Bedienung

Aufgrund der langen Lebenszeit des BIOS entschloss sich Intel zu einem neuen Konzept. 

UEFI:

UEFI steht für Unified Extensible Firmware Interface und  ist der Nachfolger vom BIOS. Es bietet neben der verbesserten grafischen Oberfläche und der Bedienung mit der Maus noch weitere Vorteile:

• 8192 Exabyte maximaler Speicher (das sind 10¹⁸ Byte, zum vergleich: Terrabyte sind 10¹² Byte)
• 16 Exabyte RAM maximal möglich
• schnelleres Booten, durch weniger zusätzliche Erweiterungen bei gleichem Funktionsumfang
• Laden der aktiven Hardware erfolgt parallel (nicht aktive wird ausgelassen)
• Installation von Updates direkt aus dem UEFI heraus
• Abwärtskompatibel zu 32-Bit

Über ein Compatibility Support Modul (CMS) ist das UEFI abwärtskompatibel zu Betriebssystemen, die auf einer 32-Bit (x86) Basis arbeiten. Dennoch muss ein UEFI auf einem 64-Bit System arbeiten, um dies zu ermöglichen. Als weitere Neuerung ist das Partitionssytem GUID Partition Table (kurz GPT) anzusehen, das mit dem Roll-Out von UEFI als Nachfolger für den MBR gilt..

MBR

Der Master Boot Record oder kurz MBR wird auf einer BIOS basierenden Partition erzeugt. Mit ihm wird auch eine BOOT-Datei erzeugt, deren Inhalt vom installierten Betriebssystem abhängig ist. Der MBR befindet sich bei x86 Prozessoren immer im Sektor 1 der Spur 0 der ersten Platte.

Inhalt des MBRs ist die Partitionstabelle und ausführbarer Code. An dieser Stelle liegt auch das Problem der 4 möglichen Partitionen. Die Partitionstabelle hat eine Gesamtgröße von 64 Byte, in der jeder einzelne Eintrag 16 Byte groß ist. Daraus ergibt sich die Limitierung auf 4 primäre Partitionen (4x16Byte = 64 Byte). Sofern weniger als 4 Partitionen erstellt wurden, werden 0 Werte in die entsprechenden nicht vorhandenen Partitionen eingetragen.

Der Inhalt wird in Felder aufgeteilt, welche für alle Partitionen existieren und spezifiziert sind. In den einzelnen Feldern sind die Eigenschaften der Partition beschrieben und werden bei Veränderungen wie dem Formatieren, Erstellen oder Löschen aktualisiert.

Mit dem Boot-Indikator wird eine Partition als aktiv markiert. Bei x86 Architekturen kann dieses Feld nur bei einer Partition aktiviert werden.

Im Feld System ID wird das verwendete logische Dateisystem eingetragen. Hierrüber kann das Betriebssystem bestimmen, welche Daten zu laden sind.

Um die Boot-Datei zu finden und in den Arbeitsspeicher zu laden, werden Informationen für den Code zum Ablageort benötigt. Diese Informationen sind die Felder erster/letzter Schreib-Lese-Kopf, erster/letzter Sektor und erster/letzter Zylinder. Über diese Koordinaten kann der Code dann die Boot-Datei finden und in den Arbeitsspeicher laden.

Das Feld relativer Sektor kennzeichnet auf einer Partition, den ersten Sektor. Es werden vom Anfang der Festplatte, bis zum Ersten der Partition alle Sektoren gezählt.

Die gesamte Anzahl der Sektoren innerhalb einer Partition, wird über das Feld Anzahl Sektoren gezählt.

Der ausführbare Code wird nach dem Starten des Computers nach der Partitionstabelle und Systempartition suchen. Nachdem der Anfang der Systempartition gefunden wurde, wird die BOOT-Datei in den Arbeitsspeicher geladen.

GPT

Das UEFI funktioniert selbst als Boot-Manager und kann ohne MBR auf die Partitionstabelle zugreifen. GPT steht für Global User Identifier Partition Table und stellt einen Standard für Partitionstabellen dar, die von einem UEFI angelegt und gelesen werden können.

Da UEFI Systeme abwärtskompatibel sind, bieten sie die Möglichkeit eine klassische BIOS Partitionierung vorzunehmen. Dabei ist aber zu beachten, dass dann nur maximal 2 Terrabyte große Partitionen möglich sind.

Beim Anwenden der UEFI Partitionierung wird zunächst eine primäre GPT angelegt. Diese kann auch als 1.GPT bezeichnet werden und enthält:

• MBR
• primärer GPT-Header
• Partitionseinträge

Um im Falle eines Fehlers eine Wiederherstellung zu ermöglichen, bietet ein UEFI die Möglichkeit einer Wiederherstellung, durch eine 2. GPT. Diese wird am Ende des Datenträgers angelegt und kann im Falle eines Prüfsummenfehlers wiederhergestellt werden.

Der MBR dient der Abwärtskompatibilität zu Systemen, welche nicht mit der GPT arbeiten können. Systeme die diesen dann nutzen, können zwar Veränderungen im MBR tätigen, sind aber auch auf diesen beschränkt. Die Teile des Datenträgers die nicht im MBR zu finden sind, werden als belegt angezeigt.

Über eine GPT lassen sich theoretisch 8291 Exabyte Festplattenkapazität mit 128 Partitionen verwalten. Es wird sogenanntes Logical Block Addressing (kurz LBA) genutzt. Diese logische Block Adressierung arbeitet mit 64-Bit und einer Sektorgröße von 512 Byte. Daraus resultieren bei 2⁶⁴ Bit und 512 Byte die 8291 Exabyte.

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