STP020: Bootstrap

Schlüsseltechnologie

Strom an und Ohren auf! In dieser Episode nähern wir uns Computern im Dornröschenschlaf. Genauer sehen wir uns an, was beim Erwachen geschieht.

Shownotes

• 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