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BIOS und UEFI kurz erklärt

erschienen in der Kategorie Technik, am 22.02.2016
Schnatterente
Wenn man anfängt, sich mit Computern zu beschäftigen, kommt unweigerlich irgendwann der Tag, an dem man zum ersten Mal mit dem BIOS oder mit dessen Nachfolger UEFI zu tun hat.
Viele Leute haben schon einmal etwas im sogenannten BIOS-Setup eingestellt, wissen aber gar nicht so recht, was das BIOS eigentlich ist. Deshalb will ich in diesem Artikel mal ganz grundlegend erklären, was das BIOS ist und wofür es benötigt wird.

Wie das BIOS den Computer startet

Das Basic Input Output System, kurz BIOS, ist die Firmware eines PCs. Es ist also ein grundlegendes Stück Software, das dafür zuständig ist, die im Computer verbauten Hardwarebausteine, also zum Beispiel den Prozessor oder die Grafikkarte, nach dem Anschalten in einen betriebsbereiten Zustand zu versetzen. Es ist in der Regel auf einem kleinen separaten Speicherchip untergebracht, der auf dem Mainboard steckt und sich im Falle eines Defekts auch austauschen lässt.

Das BIOS stellt die Grundlagen dafür bereit, dass die Geräte des PCs funktionieren und untereinander Daten austauschen können. Zu diesem Zweck initialisiert das BIOS nach dem Anschalten als Erstes die CPU (den Prozessor). Danach führt das BIOS den sogenannten Power-On-Self-Test (POST) durch, bei dem überprüft wird, ob alle grundlegenden Komponenten des Computers funktionstüchtig sind. Nachfolgend werden die Geräte einzeln initialisiert, also betriebsbereit gemacht. Nach diesem Vorgang ertönt bei vielen Computern ein kurzer Piepton. Daran anschließend sucht das BIOS auf den erkannten Festplatten, USB-Sticks und sonstigen Datenträgern nach einem Master Boot Record (MBR).
Der MBR befindet sich immer ganz am Anfang des verfügbaren Speichers eines Datenträgers und enthält ein kleines Startprogramm für das Betriebssystem, welches man auch Bootloader nennt. Außerdem ist im Master Boot Record die Partitionstabelle gespeichert, die den Datenträger logisch in Bereiche (Partitionen) unterteilt. Beim Master Boot Record handelt es sich um eine Entwicklung, die extra für das BIOS geschaffen wurde, damit dieses weiß, auf welchem Datenträger sich ein ausführbares Betriebssystem befindet.

Wenn das BIOS die beschriebene Startroutine durchlaufen und einen Bootloader gestartet hat, gibt es die Kontrolle über die Hardware weitestgehend an das Betriebssystem, also zum Beispiel an Linux oder Windows, ab.

Das BIOS-Setup

Damit das BIOS weiß, in welcher Art und Weise es mit den verschiedenen Hardwarebausteinen umgehen soll, bedarf es einer Konfiguration. Das BIOS-Setup ist ein Einstellungsmenü, dass man direkt nach dem Anschalten des Computers aufrufen kann, indem man eine bestimmte Taste (diese wird in der Regel eingeblendet; meist die Entf-Taste, F2, F10, F11 oder F12) drückt. Es erscheint ein (meist blauer) Bildschirm mit einem textbasierten Menü, in dem man mithilfe der Tastatur Einstellungen vornehmen kann. So kann beispielsweise die Systemzeit festgelegt oder eingestellt werden, von welcher Festplatte das System gestartet werden soll, wenn es mehrere Datenträger mit einem Bootloader gibt.
BIOS Setup

UEFI - der BIOS-Nachfolger

Das BIOS, so wie ich es gerade beschrieben habe, ist eine sehr alte Entwicklung. Schon in den 1980er Jahren gab es die ersten BIOS-Varianten. Diese wurden immer weiter entwickelt und für neue Hardwarekomponenten mit entsprechenden Erweiterungen versehen. Das Grundgerüst des BIOS blieb aber immer das gleiche. So hat man noch bis vor wenigen Jahren in Sachen BIOS auf ein System gesetzt, dass in vielen Belangen stark veraltet ist.
Das herkömmliche BIOS ist den Herausforderungen moderner Hardware schon lang nicht mehr wirklich gewachsen. So gibt es schon seit vielen Jahren 64-Bit-Prozessoren, das BIOS startet aber immer noch im 16-Bit-Modus. Ein weiteres Problem sind verschiedene Größenbeschränkungen. So erkennt das althergebrachte BIOS nur Festplatten bis zu einer Größe von 2,2 Terabyte und darf selbst nicht größer als rund ein Megabyte sein, was in Anbetracht der Mächtigkeit neuerer Gerätetreiber ein großes Problem darstellt. Nur mit viel Aufwand und trickreichen Workarounds ist es den Herstellern über die Jahre überhaupt gelungen, neuartige Systemkomponenten und Standards über das BIOS verwaltbar zu machen.

Aus diesen und vielen weiteren Gründen werden neue PCs (zumindest diejenigen, die eine 64-Bit-Architektur aufweisen) inzwischen fast alle mit UEFI ausgeliefert. UEFI steht für Unified Extensible Firmware Interface und kann als offizieller BIOS-Nachfolger verstanden werden. Allerdings ist UEFI selbst genau genommen gar keine Firmware, sondern eine Spezifikation dafür, wie eine Firmware aufgebaut sein muss. Dies ermöglicht es den Hardwareherstellern, vollkommen unabhängig voneinander, eigene UEFI-Implementierungen zu entwickeln. Programmiert wird dabei zum allergrößten Teil in der Programmiersprache C und nicht mehr, wie früher üblich, in der für Menschen sehr schwer lesbaren Maschinensprache Assembler. Dies erleichtert die Weiterentwicklung von UEFI enorm.

UEFI: Vorteile gegenüber BIOS

Mit UEFI werden viele Probleme gelöst. Zum einen ist es schneller als ein herkömmliches BIOS, zum anderen unterliegen die Firmware-Implementierungen keinen Größenbeschränkungen mehr.
Festplatten werden bis zu einer Größe von 9,4 Zettabyte unterstützt, das entspricht einer Milliarde Terabyte. Um die Verwaltung größerer Datenträger zu ermöglichen, wurde auch das Konzept des Master Boot Record über den Haufen geworfen. Stattdessen kommen nun Global Unique Identifier Partition Tables (GPT) zum Einsatz. Diese sind wesentlich flexibler und dank eingebauter Backupfunktionalität auch robuster als die alten MBR-Partitionstabellen.

Und auch sonst ist UEFI einem herkömmlichen BIOS weit überlegen. Man kann es in seinen Möglichkeiten eher mit einem vollwertigen Betriebssystem, als mit einer einfachen Gerätefirmware vergleichen. So ist auch die UEFI-Setup-Oberfläche in der Regel wesentlich ansprechender und einfacher bedienbar als ein BIOS-Setup. Eingaben mit der Maus sind damit auch möglich.
UEFI Setup

UEFI kann auf sämtliche Geräte und auch auf Festplatteninhalte zugreifen und bringt zudem einen eigenen Netzwerkstack mit, der beispielsweise eine Fernwartung oder das direkte Herunterladen von Firmware-Updates aus dem Internet möglich macht. Was letzten Endes aber wirklich umgesetzt wird, obliegt den jeweiligen Firmware-Autoren (also den Herstellern).

UEFI: Nachteile

Wirkliche Nachteile hat UEFI gegenüber einem BIOS eigentlich nicht. Es kann alles, was auch ein BIOS kann, ist performanter und bringt darüber hinaus noch eine ganze Menge zusätzlicher Funktionen mit.

Allerdings sind mit diesen neuen Funktionen auch viele Kritikpunkte an UEFI verbunden. So sehen es viele Leute als potenziell gefährlich an, dass über UEFI ein Netzwerkzugriff möglich ist. Dies könnte missbraucht werden, um Viren oder Trojaner einzuschleusen. Vor einiger Zeit wurde bekannt, dass in Intels Referenzimplementierung, die auch von vielen anderen Herstellern als Entwicklungsgrundlage verwendet wird, eine Sicherheitslücke klafft, die genau dies ermöglicht. (Eine Anti-Viren-Software innerhalb von UEFI gibt es nicht.)
Und auch sonst gab es in der Vergangenheit mit UEFI schon einigen Ärger. Da das System so mächtig und erweiterbar ist, schleichen sich auch mehr Fehler ein, welche den Herstellern selbst oft erst auffallen, wenn sie von Konsumenten darüber informiert werden.
Die Leidtragenden sind in solchen Situationen oft jene Anwender, die Systeme benutzen, die so in den Testlaboren der Hersteller nicht vorkommen, z. B. Linux.

Ein weiteres Problem, insbesondere für die Open Source Bewegung, ist Secure Boot. Dabei handelt es sich um ein im Kern eigentlich sehr sinnvolles Protokoll innerhalb von UEFI, dass das Hochfahren des Betriebssystems überwacht, um zu verhindern, dass Schadsoftware geladen wird. Ist Secure Boot aktiviert, können nur Betriebssysteme gestartet werden, die mit bestimmten kryptografischen Methoden "signiert" wurden. Leider werden solche Signaturen nur von großen Firmen wie Microsoft erstellt und kosten Geld. Die Entwickler freier (und kostenloser) Software können diese Mittel oft nicht aufbringen. Das Problem lässt sich zwar mithilfe eigens generierter Signaturen (und Schlüssel) oder durch Deaktivieren von Secure Boot lösen, dennoch bleibt es aber ein sehr strittiger Punkt, weil insbesondere Microsoft die Hardwareproduzenten zwingt, Secure Boot bei der Auslieferung neuer Geräte zu aktivieren. Dies erschwert es Anwendern, die sich nicht mit dieser Thematik auskennen, alternative Software zu installieren.

Geschnatter

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