組み込みソフトウェアは、ハードウェア デバイスおよびシステムの機能を制御、監視、管理する専用のタイプのソフトウェアです。 PC やモバイル デバイス上で動作する汎用コンピュータ ソフトウェアとは異なり、組み込みソフトウェアは限定された専用の方法で動作し、制御するハードウェアに不可欠です。
組み込みソフトウェアの起源と進化
組み込みシステムと関連ソフトウェアの概念は 1960 年代にまで遡ります。アポロ ガイダンス コンピューターは、MIT のチャールズ スターク ドレイパーによって設計され、アポロ月面着陸ミッションで使用された、最初の組み込みシステムと考えられています。 1971 年にインテルのエンジニアであるテッド・ホフが最初のマイクロプロセッサーであるインテル 4004 を製造したとき、組み込みソフトウェアは大きな飛躍を遂げ、組み込みシステムの導入が急増しました。組み込みソフトウェア自体について初めて言及されたのは、マイクロコントローラー アプリケーションの増加と時を同じくして、1980 年代半ばに技術文献に登場し始めました。
組み込みソフトウェアの詳細
組込みソフトウェアは、家電製品、医療機器、産業用コントローラーから自動車、航空機に至るまで、さまざまなシステムに不可欠です。これは、大規模なシステム内で特定のタスクを実行するように設計されており、多くの場合、リアルタイム コンピューティングの制約があります。 「埋め込み」であるため、信頼性、効率、コンパクトさについて厳しい要件があります。
PC 上でさまざまなアプリケーションを実行できる従来のデスクトップ アプリケーションとは対照的に、組み込みソフトウェア アプリケーションは通常、機能が単一です。これらはデバイスの電源が入った瞬間に実行され、デバイスのすべてのリソースを独占します。
ソフトウェアは多くの場合、C、C++、Python などの高級言語で書かれていますが、速度やリアルタイム応答のためにアセンブリ言語を使用することもできます。通常、ソフトウェアは別のシステム (ホスト) 上でクロスコンパイルされ、ターゲットの組み込みデバイス上で実行されます。
組み込みソフトウェアの背後にある歯車
組み込みソフトウェアは、組み込みシステム、マイクロプロセッサ、またはマイクロコントローラー、および周辺デバイスと連携して動作します。マイクロプロセッサまたはマイクロコントローラーはソフトウェアを実行し、センサー、アクチュエーター、通信インターフェイスなどの周辺機器を介して物理世界と対話します。
ソフトウェアは、作成時にコーディングされた所定の操作シーケンスに従います。複雑さに応じて、リアルタイム オペレーティング システム (RTOS) を使用することも、オペレーティング システムなしでベアメタルで実行することもできます。
組み込みソフトウェアの主な機能
組み込みソフトウェアには、他の種類のソフトウェアと区別するいくつかの重要な特徴があります。
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リアルタイム操作: 多くの組み込みシステムにはリアルタイム要件があります。ソフトウェアは、一定時間内にイベントまたは入力に応答する必要があります。
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安定性と信頼性: 重要な機能を実行することが多いため、長期間故障することなく動作する必要があります。
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メモリ効率: 組み込みシステムではメモリが限られていることが多く、ソフトウェアはリソースを控えめに使用する必要があります。
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電力効率: 多くの組み込みシステムはバッテリーで駆動されており、電力を効率的に使用する必要があります。
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特定の機能：組み込みソフトウェアは、汎用ソフトウェアとは対照的に、特定のタスクを実行するように設計されています。
組み込みソフトウェアの種類
組込みソフトウェアはさまざまな観点から大きく分類できます。表形式で表すと次のようになります。
| 機能ベース | 複雑さに基づいて | パフォーマンスに基づく |
|---|---|---|
| 制御ソフトウェア | シンプル (単一タスク) | リアルタイム |
| 監視ソフトウェア | 中程度 (マルチタスク) | 非リアルタイム |
| データ処理ソフトウェア | 複雑 (RTOS ベース) | – |
組込みソフトウェアの活用と問題点と解決策
組み込みソフトウェアには、日常使用の家電製品、エンターテイメント システム、医療機器、産業オートメーション、輸送システム、電気通信から重要な航空宇宙アプリケーションまで、数多くのアプリケーションがあります。
ただし、組み込みソフトウェアの設計と実装には、限られたリソース、ハードウェアの依存関係、リアルタイム要件、厳しい安全性とセキュリティ基準など、いくつかの課題が伴います。これらを軽減するために、エンジニアは慎重なシステム設計、効率的なアルゴリズム、厳格なテスト、検証プロセスなどの戦略を採用します。
類似の用語との比較
| 学期 | 説明 |
|---|---|
| ファームウェア | ROM やフラッシュ メモリなどの不揮発性メモリに格納される組み込みソフトウェアの一種。デバイスの特定のハードウェアに対して低レベルの制御を提供します。 |
| リアルタイム システム ソフトウェア | 特定の制限時間内で特定の機能を保証するソフトウェア。ほとんどの重要な組み込みシステムはこれを使用します。 |
| システムソフトウェア | コンピュータ ハードウェアの管理と制御を担当し、アプリケーション ソフトウェアを有効にするソフトウェア。これには、オペレーティング システム、デバイス ドライバー、ユーティリティが含まれます。汎用または組み込みの両方であるため、組み込みソフトウェアよりも範囲が広くなります。 |
組込みソフトウェアの将来展望と技術
組み込みソフトウェアの将来は、IoT (モノのインターネット)、AI と機械学習、サイバーフィジカル システム、エッジ コンピューティングなどのトレンドによって形作られています。これらの分野の進歩により、ますますインテリジェントで自律的で接続された組み込みシステムが実現されるでしょう。
プロキシサーバーと組み込みソフトウェア
プロキシ サーバーは、さまざまな方法で組み込みシステムと対話できます。これらは、組み込みデバイスがインターネットに安全に接続し、外部ネットワークに直接さらされるのを防ぎ、トラフィックの負荷を分散し、データをキャッシュして高速に取得できるようにするのに役立ちます。したがって、組み込みソフトウェアは、多くの場合、ネットワーク プログラミングやサイバーセキュリティ要素を伴うこれらの側面を処理できるように設計する必要があります。
