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Geheimes Windows-Wissen für Profis

Ratgeber: So wird Ihr System besser

Windows startet. Sie melden sich an, Sie starten Programme, gehen ins Web, speichern Daten. Vieles bietet sich intuitiv an, anderes ist antrainiert. Was unter der Oberfläche wirklich geschieht, wissen die wenigsten. Das lässt sich ändern – hier!

Von Hermann Apfelböck, Andreas Kroschel |

Datum: 14.08.2010

Ohne solides Basiswissen verlieren sich Einzelfakten schnell in einem zusammenhanglosen Nebeneinander und lösen sich umgehend in Nichts auf. Diese Erfahrung wird jeder Ex-Gymnasiast, der später andere Wege beschritt, bei Fragen zur Biologie oder Geographie achselzuckend bestätigen. Beim Umgang mit dem PC ist es nicht viel anders: Eine neue Software mit einer deutlich geänderten Oberfläche bringt einen Anwender trotz einiger Alltagserfahrung schnell in orientierungsloses Stochern. Die empirischen Erfahrungen stimmen nicht mehr, und wenn das Basiswissen fehlt, muss man sich die neuen Mauswege wieder ganz neu antrainieren.

Systematisches Wissen schafft Zusammenhänge und verbindet die Einzelfakten. Nun gilt aber der Erwerb von Grundlagenwissen weder als aufregend noch vergnüglich. Wir hoffen, dieses Vorurteil auf den nachfolgenden Seiten zu widerlegen. Wir illustrieren einige grundlegende (nicht alle!) Prinzipien von Windows mit Schaubildern und Tabellen, die Ihnen einen raschen Überblick verschaffen. Der nebenstehende Text kommentiert die wichtigsten Fakten. Einige Punkte (über Netzwerk, Architektur, Ringstruktur, Prozesse) gelten prinzipiell, wenn auch nicht identisch, für alle modernen PC-Betriebssysteme.

Die erste Windows-Minute

Bis zur Anmeldung des Users hat der Windows-PC eine Reihe von Aufgaben zu durchlaufen. Die Tabelle zeigt die wesentlichen Schritte unter Angabe der jeweiligen Komponente. Sie skizziert nicht nur theoretisch den Bootprozess, sondern gibt auch Hinweise auf mögliche Fehlerquellen und Bremsen: Ein sehr große Registry („System“) kann den NT-Loader (Ntldr) aufhalten, sehr große oder fehlerhafte Festplatten die Checkdisk-Phase. Nach Updates benötigt das System beim Start länger, weil es einige Dateiaktionen (Pending Operations) nachzuholen hat. Das Fehlen einer dieser Basiskomponenten führt zwangsläufig zum frühen Aus. Sollte ein NT-System eine fehlende HAL.DLL melden, ist das fast immer irreführend und sagt vielmehr, dass die Windows-Partition nicht gefunden wird.

Unter Vista hat sich der Startvorgang in einigen Details, aber nicht grundlegend geändert.

Vista bootet anders

Die Komponenten Ntldr und Boot.INI gibt es unter Vista nicht mehr. Der Vista-Bootsektor startet (statt Ntldr) den Windows Boot Manager Bootmgr. Dieser stellt das Bootmenü bereit und bezieht dafür seine Informationen (statt aus der einfachen Boot.INI) aus den Boot Configuration Data unter \Boot\BCD. Die nachfolgenden Aufgaben, die unter XP nach wie vor der Ntldr übernommen hatte, besorgt dann das Programm Winload.EXE. Das entspricht dann weitestgehend dem XP-Startvorgang.

Modulare Architektur mit Subsystemen

Seit die DOS-Ära vorbei ist, darf kein Programm mehr direkt mit der Hardware reden - etwa um einen Ausdruck zu starten oder etwas auf den Bildschirm zu bringen. Windows XP und Vista sind Bestandteile der NT-Linie von Windows und besitzen einen modularen Aufbau. Die unterste Ebene ist der Hardware Abstraction Layer (HAL). Er bildet die Schnittstelle zwischen Hardware und dem eigentlichen Betriebssystem-Kern, der sich um Speicher- und CPU-Zuordnung kümmert.
Darauf bauen die Subsysteme auf. Das wichtigste davon ist das Win32-Subsystem, das alle Windows-Prozesse verwaltet: Anmeldung und grafische Benutzeroberfläche inklusive Fensteraufbau sind Windows-Anwendungen und könnten ohne Win32-Subsystem nicht laufen.

Ein weiteres Subsystem sind die Microsoft Windows Services for UNIX, die Sie für Windows 2000 und XP nachrüsten können (ca. 218 MB). In Vista ist es nur in den Varianten Business und Ultimate enthalten, für die anderen ist es nicht verfügbar. Das auch Irix genannte Subsystem ermöglicht die Ausführung von Unix-Programmen, von denen ein großer Teil dem Installationspaket bereits beiliegt. Bis zur Version Windows 2000 gab es auch ein OS/2-Subsystem, allerdings nur für 16-Bit-OS/2-Programme im Textmodus.

Ringstruktur: Kernel und User

Je nachdem, welche Befehle der CPU und welchen Speicherbereich ein Prozess nutzen darf, spricht man von einer Privilegien- oder Sicherheitsstufe, die er innehat. Die CPU muss diese Sicherheitsstufen unterstützen, was bei Intel-Prozessoren seit dem 80286 fehlerbehaftet, seit dem 80386 komplett der Fall ist. Prozesse im Ring 0 laufen im Kernel-Modus, alle anderen in Ring 3, dem Benutzer-Modus. Die Ringe 1 und 2 gibt es zwar auch, doch benutzt Windows sie nicht, da NT ursprünglich als Multiprozessor-System konzipiert war und nicht alle Prozessoren vier Ringe anboten.

Unprivilegierte Prozesse laufen eingeschränkt, so dass sie nicht auf Hardware zugreifen können. Den Zugriff auf den Speicherbereich anderer Prozesse verhindert die CPU mittels der Memory Management Unit (MMU), die für jeden Prozess die physischen Speicheradressen in virtuelle Adressen und dann wieder zurückübersetzt. Virtualisierungslösungen wie XEN verwenden auch Ring 1, indem sie selbst Ring 0 belegen und in Ring 1 die verschiedenen Betriebssystem-Kernel verwalten.

Bei Windows NT bis Version 3.51 lief das Grafiksystem (GDI) zusammen mit den anderen Subsystemen auf Ring 3. Unter Windows NT 4, 2000 und XP verlagerte Microsoft das Grafik-System aus Geschwindigkeitsgründen in Ring 0, wodurch Bugs in Grafiktreibern das komplette System zum Absturz bringen können. Windows Vista verwendet nun wieder ein neues Grafiktreiber-Modell, bei dem das Grafik-System in Ring 3 läuft.