June 02, 2022

STP020: Bootstrap

1 hour 7 minutes

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

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By Xyrillian Noises