Oprogramowanie wbudowane to dedykowany rodzaj oprogramowania, który kontroluje, monitoruje i zarządza funkcjonalnością urządzeń i systemów sprzętowych. W przeciwieństwie do oprogramowania komputerowego ogólnego przeznaczenia, które działa na komputerach stacjonarnych i urządzeniach mobilnych, oprogramowanie wbudowane działa w ograniczony i dedykowany sposób i jest integralną częścią kontrolowanego przez siebie sprzętu.
Geneza i ewolucja oprogramowania wbudowanego
Koncepcja systemów wbudowanych i związanego z nimi oprogramowania sięga lat 60. XX wieku. Za pierwszy system wbudowany uważa się komputer naprowadzający Apollo, zaprojektowany przez Charlesa Starka Drapera z MIT i używany w misjach Apollo na Księżycu. Ogromny postęp w zakresie oprogramowania wbudowanego nastąpił w 1971 r., kiedy inżynier Intela Ted Hoff wyprodukował pierwszy mikroprocesor, Intel 4004, umożliwiając gwałtowny wzrost liczby zastosowań systemów wbudowanych. Pierwsza wzmianka o oprogramowaniu wbudowanym jako takim zaczęła pojawiać się w literaturze technicznej w połowie lat 80. XX wieku, zbiegając się z rozwojem zastosowań mikrokontrolerów.
Głębokie zanurzenie się w oprogramowaniu wbudowanym
Wbudowane oprogramowanie jest integralną częścią szerokiej gamy systemów, począwszy od sprzętu gospodarstwa domowego, sprzętu medycznego, sterowników przemysłowych, aż po samochody i samoloty. Jest przeznaczony do wykonywania określonego zadania lub zadań w większym systemie, często z ograniczeniami obliczeniowymi w czasie rzeczywistym. Ponieważ jest „wbudowany”, ma rygorystyczne wymagania dotyczące niezawodności, wydajności i zwartości.
W przeciwieństwie do tradycyjnych aplikacji komputerowych, które umożliwiają uruchamianie różnych aplikacji na komputerze PC, aplikacje wbudowane mają zazwyczaj pojedynczą funkcję. Uruchamiają się w momencie włączenia urządzenia i monopolizują jego wszystkie zasoby.
Oprogramowanie jest często pisane w językach wysokiego poziomu, takich jak C, C++ lub Python, chociaż język asemblera może być nadal używany w celu zapewnienia szybkości lub odpowiedzi w czasie rzeczywistym. Zazwyczaj oprogramowanie jest kompilowane krzyżowo w innym systemie (hoście) w celu uruchomienia na docelowym urządzeniu wbudowanym.
Oprogramowanie wbudowane Gears
Oprogramowanie wbudowane działa w synergii z systemami wbudowanymi, mikroprocesorami lub mikrokontrolerami, a także urządzeniami peryferyjnymi. Mikroprocesor lub mikrokontroler uruchamia oprogramowanie i wchodzi w interakcję ze światem fizycznym za pośrednictwem urządzeń peryferyjnych, takich jak czujniki, siłowniki i interfejsy komunikacyjne.
Oprogramowanie realizuje z góry określoną sekwencję operacji zakodowaną podczas jego tworzenia. W zależności od złożoności może korzystać z systemu operacyjnego czasu rzeczywistego (RTOS) lub może działać na platformie bare-metal bez systemu operacyjnego.
Kluczowe cechy oprogramowania wbudowanego
Oprogramowanie wbudowane posiada kilka kluczowych cech odróżniających je od innych typów oprogramowania:
-
Operacja w czasie rzeczywistym: Wiele systemów wbudowanych ma wymagania dotyczące czasu rzeczywistego. Oprogramowanie musi reagować na zdarzenia lub dane wejściowe w ustalonym czasie.
-
Stabilność i niezawodność: Ponieważ często pełnią funkcje krytyczne, muszą działać bezawaryjnie przez dłuższy czas.
-
Wydajność pamięci: Systemy wbudowane często mają ograniczoną pamięć, co wymaga od oprogramowania oszczędnego korzystania z zasobów.
-
Efektywność energetyczna: Wiele systemów wbudowanych jest zasilanych bateryjnie, co wymaga efektywnego wykorzystania energii.
-
Specyficzna funkcjonalność: Oprogramowanie wbudowane jest przeznaczone do wykonywania określonych zadań, w przeciwieństwie do oprogramowania ogólnego przeznaczenia.
Rodzaje oprogramowania wbudowanego
Oprogramowanie wbudowane można ogólnie klasyfikować na podstawie różnych aspektów. Oto przedstawienie tabelaryczne:
| Oparte na funkcjonalności | Oparty na złożoności | Na podstawie wydajności |
|---|---|---|
| Oprogramowanie sterujące | Proste (pojedyncze zadanie) | Czas rzeczywisty |
| Oprogramowanie monitorujące | Umiarkowany (wielozadaniowy) | Nie w czasie rzeczywistym |
| Oprogramowanie do przetwarzania danych | Złożony (oparty na RTOS) | – |
Wykorzystanie, problemy i rozwiązania oprogramowania wbudowanego
Wbudowane oprogramowanie ma wiele zastosowań, od urządzeń codziennego użytku, systemów rozrywki, sprzętu medycznego, automatyki przemysłowej, systemów transportowych, telekomunikacji, po krytyczne zastosowania lotnicze.
Jednak projektowanie i wdrażanie oprogramowania wbudowanego stwarza kilka wyzwań, w tym ograniczone zasoby, zależności sprzętowe, wymagania dotyczące czasu rzeczywistego oraz rygorystyczne standardy bezpieczeństwa. Aby temu zaradzić, inżynierowie stosują takie strategie, jak staranne projektowanie systemu, wydajne algorytmy, rygorystyczne testowanie i procesy walidacji.
Porównania z podobnymi terminami
| Termin | Opis |
|---|---|
| Oprogramowanie sprzętowe | Rodzaj wbudowanego oprogramowania przechowywanego w pamięci nieulotnej, takiej jak pamięć ROM lub pamięć flash. Zapewnia kontrolę niskiego poziomu dla określonego sprzętu urządzenia. |
| Oprogramowanie systemów czasu rzeczywistego | Oprogramowanie gwarantujące określone możliwości w określonym terminie. Korzysta z tego większość krytycznych systemów wbudowanych. |
| Oprogramowanie systemowe | Oprogramowanie odpowiedzialne za zarządzanie i kontrolowanie sprzętu komputerowego, umożliwiające oprogramowanie użytkowe. Obejmuje systemy operacyjne, sterowniki urządzeń i narzędzia. Jest szerszy niż oprogramowanie wbudowane, ponieważ może być zarówno ogólnego przeznaczenia, jak i wbudowane. |
Przyszłe perspektywy i technologie oprogramowania wbudowanego
Przyszłość oprogramowania wbudowanego kształtują trendy takie jak IoT (Internet rzeczy), sztuczna inteligencja i uczenie maszynowe, systemy cyberfizyczne i przetwarzanie brzegowe. Postęp w tych dziedzinach doprowadzi do powstania coraz bardziej inteligentnych, autonomicznych i połączonych systemów wbudowanych.
Serwery proxy i oprogramowanie wbudowane
Serwery proxy mogą współdziałać z systemami wbudowanymi na wiele sposobów. Pomagają urządzeniom wbudowanym w bezpiecznym łączeniu się z Internetem, chronią je przed bezpośrednim kontaktem z sieciami zewnętrznymi, ruchem związanym z równoważeniem obciążenia i buforowaniem danych w celu szybszego wyszukiwania. W związku z tym oprogramowanie wbudowane musi być zaprojektowane pod kątem obsługi tych aspektów, często obejmujących programowanie sieciowe i elementy cyberbezpieczeństwa.
