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Firmware

Was ist eine Firmware?

Firmware (FW) ist eine Klasse von Software, die grundlegende Voraussetzungen zur Nutzung eines Computers legt. Bei Kleincomputern kann sie darüber hinaus auch die vollständige Steuerung des Geräts übernehmen. Der Begriff (von engl. firm = “fest”) leitet sich dadurch her, dass die Firmware funktional fest mit der Hardware verbunden ist. Ohne Firmware ist die Hardware nicht nutzbar.

Für Personal Computer

Die Firmware kann bei vielfältig nutzbaren Systemen (z.B. bei PCs, Tablets und Smartphones) eine standardisierte Grundlage bereitstellen, um das Betriebssystem (wie Windows, Linux, Android oder iOS) und Treiber auf dem Computer auszuführen. Die Firmware, wie das BIOS (Basis Input/Output System) im ROM (Read Only Memory) eines Personal Computers, stellt hardwarenahe Funktionen für Treiber und das übergeordnete Betriebssystem bereit.

Für eingebettete Systeme

Bei stärker spezialisierten Geräten (eingebettete Systeme) kann die Firmware die gesamte Funktionalität des Geräts bereitstellen. Die Firmware ist dann das einzige Programm, das auf dem System ausgeführt wird. Eingebettete Systeme treten im Alltag in technischen Geräten der Büroelektronik (Computer-Peripherie), Unterhaltungselektronik, in Waschmaschinen, Kraftfahrzeugen und Mobiltelefonen auf, aber auch z.B. in Chipkarten (Geld-, Telefonkarten). Es handelt sich dabei häufig um Ein-Chip-Computersysteme. Das sind Mikrocontroller, deren Software als Firmware bezeichnet wird. Mikrocontroller sind leistungsmäßig auf die jeweilige spezifische Anwendung angepasst und nicht für Allround-Systeme wie PCs gedacht. Daher haben Mikrocontroller-Systeme gegenüber größeren Systemen Kosten- und Stromverbrauchsvorteile.

Zweck

Gründe für das Aktualisieren der Firmware umfassen das Beheben von Fehlern und das Hinzufügen von Funktionen zum Gerät.
Bei Smartphones können Updates z.B. verbessertes Energiemanagement und damit längere Akkulaufzeit betreffen, oder auch eine bessere Empfangsqualität.
Moderne Automobile verwenden heute einen Bordcomputer und zahlreiche Mikrocontroller. Dazu gehören Antiblockiersysteme (ABS) und Getriebesteuergeräte (TCUs), Airbags, Klimaanlage, Einparkhilfe, Radio und Tachometer. Sensoren messen verschiedene Daten, um Werte wie Kraftstoffverbrauch, Außentemperatur und Reifendruck anzuzeigen und mechanische Probleme zu erkennen. Lokale Händler können die meiste Fahrzeug-Firmware aktualisieren.

Technik

Die Firmware wird meist auf nichtflüchtigen Speichermedien wie ROM, EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) oder Flash-Speicher gespeichert. Im Falles eines ROM-Festspeichers kann eine Aktualisierung nur durch Austausch des Speicherbauteils erfolgen. Es können dann ohne Eingriff in die Hardware während der Lebensdauer keine Updates am Gerät durchgeführt werden. Wiederbeschreibbare Festspeicher wie Flash und EEPROMs können mittels spezieller Verfahren (“Flashen”) gelöscht und neu beschrieben werden.

Typischerweise stammt die Firmware vom Hersteller des zugehörigen Gerätes. Odin ist beispielsweise ein Programm, um die FW von Android-Geräten von Samsung zu ersetzen und z.B. ein heruntergeladenes Update von Samsung zu installieren.
Für manche Geräteklassen wie z.B. Tablets, Smartphones und Spielkonsolen gibt es auch alternative Varianten von Drittanbietern. Diese können Beschränkungen der ursprünglichen FW umgehen, um verborgene Funktionen freizugeben und es z.B. zu ermöglichen, ein Gerät mit freier Software auszustatten. Dies wird als benutzerdefinierte Firmware bezeichnet. Solche “Hacks” nutzen normalerweise die FW-Aktualisierungsfunktion der Geräte, um sich selbst zu installieren und auszuführen.

Dies kann im Negativen auch dazu genutzt werden, Malware in Geräte wie Smartphones zu injizieren.
Ein USB-Geräte-Firmware-Hack namens BadUSB demonstrierte auf einer IT-Sicherheits-Konferenz in den USA 2014, wie der Mikrocontroller eines USB-Flash-Laufwerks neu programmiert werden kann, um die Kontrolle über einen Computer zu übernehmen, Daten zu filtern oder den Benutzer auszuspähen. Derartige Erkenntnisse helfen zur Verbesserung der Sicherheitsstandards.

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