B.3. Das Innenleben eines Rechners: die verschiedenen beteiligten Schichten
Ein Rechner wird häufig als etwas ziemlich Abstraktes angesehen, und die äußerlich sichtbare Schnittstelle ist wesentlich einfacher als seine interne Komplexität. Diese Komplexität ergibt sich zum Teil aus der Zahl der beteiligten Teile. Diese Teile können jedoch in Form von Schichten betrachtet werden, wobei eine Schicht nur mit der unmittelbar darüber- und darunterliegenden interagiert.
Ein Endbenutzer kann zurechtkommen, ohne diese Einzelheiten zu kennen... solange alles funktioniert. Wenn man einem Problem wie „Das Internet geht nicht!“ gegenübersteht, besteht der erste Schritt darin herauszufinden, aus welcher Schicht das Problem herrührt. Funktioniert die Netzwerkkarte (Hardware)? Wird sie vom Rechner erkannt? Sieht sie der Linux-Kernel? Sind die Netzwerkparameter richtig eingestellt? All diese Fragen grenzen die zutreffende Schicht ein und richten das Augenmerk auf die mögliche Quelle des Problems.
B.3.1. Die unterste Schicht: Die Hardware
Lassen Sie uns mit der grundlegenden Erinnerung beginnen, dass ein Rechner in erster Linie eine Zusammenstellung von Hardwareelementen ist. Es gibt im Allgemeinen eine Hauptplatine (das Motherboard) mit einem (oder mehreren) Prozessor(en), etwas RAM, Gerätesteuerungen und Erweiterungssteckplätze für Optionskarten (für weitere Gerätesteuerungen). Von diesen Steuerungen sind vor allem das IDE (paralleles ATA), das SCSI und das serielle ATA zum Anschluss von Speichergeräten wie Festplatten beachtenswert. Zu den weiteren Steuerungen gehören das USB, das eine große Vielfalt an Geräten (von Webkameras zu Thermometern, von Tastaturen zu Systemen für die Hausautomation) aufnehmen kann, und das IEEE_1394 (Firewire). Diese Steuerungen ermöglichen es häufig, mehrere Geräte anzuschließen. Daher wird das vollständige Subsystem, für das eine Steuerung zuständig ist, gewöhnlich als „Bus“ bezeichnet. Zu den Optionskarten gehören Grafikkarten (an die Bildschirme angeschlossen werden), Soundkarten, Netzwerkschnittstellenkarten und so weiter. Bei einigen Hauptplatinen sind diese Bestandteile bereits fest eingebaut, so dass sie keine Optionskarten benötigen.
B.3.2. Der Starter: das BIOS oder UEFI
Hardware ist für sich genommen ohne entsprechende Software, die sie steuert, nicht in der Lage, sinnvolle Tätigkeiten auszuführen. Der Zweck des Betriebssystems und der Anwendungen besteht darin, die Hardware zu kontrollieren und mit ihr zu interagieren. Ihrerseits benötigen sie funktionierende Hardware, um zu laufen.
This symbiosis between hardware and software does not happen on its own. When the computer is first powered up, some initial setup is required. This role is assumed by the BIOS or UEFI, a piece of software embedded into the main board that runs automatically upon power-up. Its primary task is searching for software it can hand over control to. Usually, as you may have learned in
Abschnitt 9.1, „Systemstart“, in the BIOS case, this involves looking for the first hard disk with a boot sector (also known as the
master boot record or
MBR), loading that boot sector, and running it. From then on, the BIOS is usually not involved (until the next boot). In the case of UEFI, the process involves scanning disks to find a dedicated EFI partition containing further EFI applications to execute.
Der Bootsektor (oder die UEFI Partition) enthält seinerseits Software, Boot-Loader genannt, dessen Zweck darin besteht, ein Betriebssystem zu finden und auszuführen. Da dieser Boot-Loader nicht auf der Hauptplatine eingebettet ist, sondern von einer Platte geladen wird, kann er intelligenter als das BIOS sein, woraus sich erklärt, warum nicht das BIOS selbst das Betriebssystem lädt. Zum Beispiel kann der Boot-Loader (auf einem Linux-System häufig GRUB) die verfügbaren Betriebssysteme auflisten und den Benutzer bitten, eines auszuwählen. Normalerweise ist dies mit einem Zeitlimit und einer voreingestellten Auswahl versehen. Manchmal kann der Benutzer auch zusätzliche Parameter zur Weiterleitung an den Kernel angeben und so weiter. Schließlich wird ein Kernel gefunden, in den Speicher geladen und ausgeführt.
Das BIOS/UEFI ist auch dafür zuständig, eine Anzahl von Geräten zu finden und zu initialisieren. Offensichtlich gehören hierzu die IDE/SATA-Geräte (normalerweise Festplatten und CD/DVD-ROM-Laufwerke) aber auch PCI-Geräte. Erkannte Geräte werden häufig während des Hochfahrens auf dem Bildschirm angezeigt. Falls diese Liste zu schnell vorbeiläuft, können Sie die Pause-Taste drücken, um sie zum Lesen anzuhalten. PCI-Geräte, die installiert sind, aber nicht angezeigt werden, sind ein schlechtes Zeichen. Im schlimmsten Fall ist das Gerät defekt. Im besten Fall ist es nur nicht mit der aktuellen Version des BIOS oder der Hauptplatine kompatibel. PCI-Spezifikationen entwickeln sich weiter, und bei alten Hauptplatinen ist nicht gewährleistet, dass sie mit neueren PCI-Geräten umgehen können.
Sowohl das BIOS/UEFI als auch der Boot-Loader laufen jeweils nur für einige Sekunden; wir gelangen nun zur ersten Software, die länger läuft: dem Betriebssystem-Kernel. Dieser Kernel nimmt die Rolle eines Orchesterdirigenten ein und gewährleistet die Koordination zwischen Hardware und Software. Zu dieser Rolle gehören mehrere Aufgaben, unter anderem: Hardware betreiben, Prozesse verwalten, Benutzer und Berechtigungen, das Dateisystem und so weiter. Der Kernel stellt eine gemeinsame Grundlage für alle anderen Programme des Systems zur Verfügung.
B.3.4. Die Anwendungsebene
Obwohl alles, was außerhalb des Kernels geschieht, unter dem Begriff „Anwendungsebene“ zusammengefasst werden kann, können wir sie dennoch in verschiedene Software-Ebenen unterteilen. Ihr Zusammenwirken ist jedoch komplexer als zuvor, und die Unterteilungen sind manchmal nicht gerade einfach. Eine Anwendung verwendet normalerweise Bibliotheken, die wiederum den Kernel einbeziehen, die Kommunikation kann aber auch andere Programme einbeziehen, oder zahlreiche Bibliotheken können sich sogar gegenseitig aufrufen.
