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Firmware – alles Wissenswerte zusammengefasst

Firmware – eine wichtige Basis-Software

Zweifelsohne ist ein moderndes Betriebssystem wie Windows 11 die ideale Grundlage für die Verwendung der unterschiedlichsten Software. Betriebssysteme fungieren als zentraler Vermittler zwischen Nutzer, Hardware und Software. Doch es gibt eine weitere grundlegende Software, die nicht zu vernachlässigen ist. In diesem Blogbeitrag fassen wir die wichtigsten Informationen zu der sogenannten Firmware zusammen.

Was ist Firmware?

Firmware ist definiert als eine Kategorie von Software, die dauerhaft in den Nur-Lese-Speicher eines Geräts eingebettet ist, die Anweisungen zum Betrieb des Geräts bereitstellt und Sicherheitslücken auf Hardwareebene minimiert. Die Speicherung im ROM (Read-Only Memory) erfolgt, um einer versehentlichen Löschung vorzubeugen und eine schädliche Manipulation zu erschweren. Endbenutzer können Firmware nur mit speziellen Programmen löschen oder ändern. Firmware unterscheidet sich von Software und Middleware, da sie einen Mikrocode auf einer niedrigeren Ebene verwendet, der Maschinenanweisungen bereitstellt.

Wie funktioniert Firmware?

Firmware ist der erste Teil, der ausgeführt wird, wenn ein Gerät eingeschaltet wird. Es sendet Anweisungen zur Ausführung an den Prozessor des Geräts. Bei einfachen Geräten wie Fernbedienungen funktioniert die Firmware durchgehend, da es keine Software gibt, die sie ersetzt. In komplexeren Geräten wie Computern interagieren mehrere Firmware-Sätze, um ein gemeinsames Ziel zu erreichen, wie zum Beispiel das Laden des Betriebssystems. Zu den beliebtesten Betriebssystemen zählen Windows 10 und Windows 11 von Microsoft.

Die Arten von Firmware im Überblick

Grundsätzlich kann zwischen drei Arten von Firmware differenziert werden. Low-Level-Firmware kann nicht modifiziert oder geändert werden, da sie die Funktion eines integralen Hardwareelementes einnimmt. Die grundlegende Software wird auf nichtflüchtigen Speicherchips wie ROM und programmierbarem ROM (PROM) gespeichert.

Als Nächstes ist die High-Level-Firmware zu nennen. Diese Firmware-Formen haben oft eine höhere Befehlskomplexität als Low-Level-Firmware, wodurch sie näher an den Bereich der Software als an die Hardware heranrücken. Sie werden in Verbindung mit Flash-Speicherchips verwendet, um Upgrades zu ermöglichen.

Firmware-Subsysteme sind Teile eines umfassenderen Systems, das unabhängig arbeiten kann. Der Mikrocode für diese Firmware-Stufe ist in der Regel in die zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), die Flüssigkristallanzeigeeinheiten (LCD) und die Flash-Chips integriert. In Bezug auf den Betrieb ist ein Firmware-Subsystem wie eine High-Level-Firmware aufgebaut.

Die Firmware-Teile eines Personal Computers (PC) sind genauso wichtig wie das Betriebssystem (OS). Aber im Gegensatz zu einem Betriebssystem kann die Firmware Probleme, die nach der Auslieferung des Geräts gefunden werden, nicht automatisch beheben. Das Basic Input/Output System (BIOS) eines Computers ist ein Beispiel für eine Firmware-Komponente. Das BIOS lässt das Betriebssystem (OS) des PCs mit Tastaturen und anderen angeschlossenen Geräten kommunizieren.

Firmware in Autos macht es möglich, dass Systeme wie computergesteuerte Antiblockiersysteme und computergesteuerte Getriebesteuereinheiten gut funktionieren. Firmware-Updates für Verbraucherprodukte wie tragbare Musikplayer fügen neue Dateiformate hinzu, die abgespielt werden können. Andere erhalten bessere Funktionen, wie grafische Benutzeroberflächen (GUIs) oder eine längere Akkulaufzeit.

Was sind Firmware-Updates?

Ein Firmware-Update kann als Software-Patch angesehen werden, der die Funktionalität eines Geräts verbessert, ohne dass physische Änderungen erforderlich sind. Die Häufigkeit der Updates ist herstellerabhängig. Der Zweck der Aktualisierung der Firmware besteht darin, die Benutzererfahrung zu verbessern, ohne neue Funktionen hinzuzufügen, und Fehlerbehebungen und die Notwendigkeit von Gerätereparaturen zu minimieren. Man kann auch Sicherheitslücken in der Hardware durch Firmware-Updates beheben.

Die Komponenten einer Firmware

Die Firmware-Architektur enthält sechs wesentliche Komponenten: Das Betriebssystem, den Kernel, Gerätetreiber, den Chipsatz, das BIOS (Basic Input/Output System) und den Anwendungscode.

Ein Betriebssystem ist ein Programm, das Standarddienste für Computerprogramme bereitstellt sowie die Hardware- und Softwareressourcen verwaltet. Es ermöglicht die gemeinsame Nutzung von Ressourcen, damit mehrere Prozesse gleichzeitig ausgeführt werden können. Ein Boot-Programm hilft beim Laden auf einen Computer und führt dann seine Verwaltungsfunktionen aus. Beispiele für Betriebssysteme sind Windows 10 und Windows 11, die beide Firmware enthalten.

Ein Kernel ist ein Teil einer Betriebssystemsoftware mit vollständiger Kontrolle über das System. Es erleichtert die Kommunikation zwischen Hardware- und Softwarekomponenten. Es verwaltet Hardwareressourcen wie Speicher, CPU und Eingabe-/Ausgabegeräte. Darüber hinaus behandelt es Konflikte bezüglich der Ressourcenzuweisung.

Gerätetreiber sind Programme, die die Interaktion mit Hardwaregeräten ermöglichen. Ohne sie kann das Hardwaregerät nicht funktionieren. Gerätetreiber sind hardwareabhängig und betriebssystemspezifisch. Betriebssysteme und andere Programme können über diese Treiber mit der Hardware interagieren und als Übersetzer fungieren.

ROM- und Flash-Speicherchips enthalten die Firmware. Da sie nicht flüchtig sind, können Hersteller die Chips verwenden, um die permanenten Anweisungen der Firmware zu speichern. Diese Chips können umgeschrieben und aufgerüstet werden. Flash-Speicherchips werden während Updates neu programmiert. Demgegenüber müssen integrierte ROM-Schaltungen manuell ersetzt werden.

Die BIOS-Firmware (Basic Input/Output System) wird während der Produktion installiert und stellt dem Computer Anweisungen zum Ausführen grundlegender Aufgaben wie Tastatursteuerung und Booten zur Verfügung. Man kann es auch verwenden, um Hardware wie Computerfestplatten zu identifizieren und zu konfigurieren.

Ein Anwendungscode bezieht sich auf eine Reihe von Programmen, die dazu bestimmt sind, eine bestimmte Funktion auszuführen und auf einem Systemcode ausgeführt werden. Der Anwendungscode in der Firmware ermöglicht es, Anweisungen an Geräte zu senden, damit sie funktionieren oder grundlegende Aufgaben ausführen. Der Anwendungscode ermöglicht eine Low-Level-Steuerung.

Sicherheit und Firmware – das sollten Sie beachten

Im Jahr 2015 ereignete sich einer der bekanntesten Cyberangriffe, als die Equation Group Spyware in die Firmware der Festplatten der Opfer platzierte. Ein Mangel an Proaktivität bei der Überwachung und Durchführung regelmäßiger Firmware-Updates ist ein wesentlicher Faktor, der dazu beiträgt, dass Hacker immer mehr Angriffslust darauf ausüben.

Um einen reibungslosen Betriebsablauf zu gewährleisten, ist es für Benutzer unerlässlich, nicht nur ihre Betriebssysteme und Anwendungen auf dem neuesten Stand zu halten, sondern auch ihre Firmware zu aktualisieren. Benutzer sollten nur regelmäßige Firmware-Updates von offiziellen und vertrauenswürdigen Quellen installieren, um die Installation bösartiger Anwendungen oder Malware auf ihren Geräten zu vermeiden.

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