Встроенное программное обеспечение — это специальный тип программного обеспечения, которое контролирует, отслеживает и управляет функциональностью аппаратных устройств и систем. В отличие от компьютерного программного обеспечения общего назначения, которое работает на ПК и мобильных устройствах, встроенное программное обеспечение работает ограниченным, специализированным образом и является неотъемлемой частью оборудования, которым оно управляет.
Генезис и эволюция встроенного программного обеспечения
Концепция встроенных систем и связанного с ними программного обеспечения восходит к 1960-м годам. Компьютер управления «Аполлоном», разработанный Чарльзом Старком Дрейпером из Массачусетского технологического института и использовавшийся в миссиях «Аполлона» по высадке на Луну, считается первой встроенной системой. Встраиваемое программное обеспечение совершило гигантский скачок в 1971 году, когда инженер Intel Тед Хофф создал первый микропроцессор Intel 4004, что позволило резко увеличить внедрение встраиваемых систем. Первые упоминания о встроенном программном обеспечении как таковом начали появляться в технической литературе в середине 1980-х годов, что совпало с ростом популярности приложений для микроконтроллеров.
Глубокое погружение во встроенное программное обеспечение
Встроенное программное обеспечение является неотъемлемой частью самых разных систем: от бытовой техники, медицинского оборудования, промышленных контроллеров до автомобилей и самолетов. Он предназначен для выполнения конкретной задачи или задач в рамках более крупной системы, часто с ограничениями по вычислительным ресурсам в реальном времени. Будучи «встраиваемым», он предъявляет строгие требования к надежности, эффективности и компактности.
В отличие от традиционных настольных приложений, которые позволяют запускать различные приложения на ПК, встроенные программные приложения обычно имеют уникальные функции. Они запускаются в момент включения устройства и монополизируют все ресурсы устройства.
Программное обеспечение часто пишется на языках высокого уровня, таких как C, C++ или Python, хотя язык ассемблера по-прежнему можно использовать для обеспечения скорости или реагирования в реальном времени. Обычно программное обеспечение кросс-компилируется в другой системе (хосте) для запуска на целевом встроенном устройстве.
Механизмы встроенного программного обеспечения
Встроенное программное обеспечение работает во взаимодействии со встроенными системами, микропроцессорами или микроконтроллерами, а также с периферийными устройствами. Микропроцессор или микроконтроллер запускает программное обеспечение и взаимодействует с физическим миром через периферийные устройства, такие как датчики, исполнительные механизмы и коммуникационные интерфейсы.
Программное обеспечение следует заранее определенной последовательности операций, закодированных при его создании. В зависимости от сложности он может использовать операционную систему реального времени (RTOS) или может работать без операционной системы.
Ключевые особенности встроенного программного обеспечения
Встроенное программное обеспечение имеет несколько важных характеристик, отличающих его от других типов программного обеспечения:
-
Работа в режиме реального времени: Многие встроенные системы предъявляют требования к работе в режиме реального времени. Программное обеспечение должно реагировать на события или вводимые данные в течение фиксированного времени.
-
Стабильность и надежность: Поскольку они часто выполняют критические функции, они должны работать без сбоев в течение длительного периода времени.
-
Эффективность памяти: Встроенные системы часто имеют ограниченный объем памяти, поэтому программное обеспечение требует экономного использования ресурсов.
-
Энергоэффективность: Многие встроенные системы питаются от батарей, что требует эффективного использования энергии.
-
Особая функциональность: Встроенное программное обеспечение предназначено для выполнения конкретных задач, в отличие от программного обеспечения общего назначения.
Типы встроенного программного обеспечения
Встроенное программное обеспечение можно широко классифицировать по различным аспектам. Вот табличное представление:
| По функциональности | В зависимости от сложности | На основе производительности |
|---|---|---|
| Программное обеспечение управления | Простой (одна задача) | В режиме реального времени |
| Программное обеспечение для мониторинга | Умеренный (многозадачный) | Не в режиме реального времени |
| Программное обеспечение для обработки данных | Комплекс (на базе ОСРВ) | – |
Использование, проблемы и решения встроенного программного обеспечения
Встроенное программное обеспечение имеет множество применений: от бытовой техники, развлекательных систем, медицинского оборудования, промышленной автоматизации, транспортных систем, телекоммуникаций до критически важных аэрокосмических приложений.
Однако проектирование и внедрение встроенного программного обеспечения сопряжено с рядом проблем, включая ограниченность ресурсов, зависимость от оборудования, требования реального времени и строгие стандарты безопасности. Чтобы смягчить эти последствия, инженеры используют такие стратегии, как тщательное проектирование системы, эффективные алгоритмы, тщательное тестирование и процессы проверки.
Сравнения с похожими терминами
| Срок | Описание |
|---|---|
| Прошивка | Тип встроенного программного обеспечения, хранящегося в энергонезависимой памяти, такой как ПЗУ или флэш-память. Он обеспечивает низкоуровневый контроль над конкретным оборудованием устройства. |
| Программное обеспечение систем реального времени | Программное обеспечение, гарантирующее определенные возможности в течение определенного периода времени. Это используется большинством критически важных встроенных систем. |
| Программное обеспечение | Программное обеспечение, отвечающее за управление компьютерным оборудованием и контроль над ним, включая прикладное программное обеспечение. В его состав входят операционные системы, драйверы устройств и утилиты. Оно шире, чем встроенное программное обеспечение, поскольку может быть как универсальным, так и встроенным. |
Будущие перспективы и технологии встроенного программного обеспечения
Будущее встроенного программного обеспечения формируется такими тенденциями, как IoT (Интернет вещей), искусственный интеллект и машинное обучение, киберфизические системы и периферийные вычисления. Достижения в этих областях приведут к появлению все более интеллектуальных, автономных и взаимосвязанных встроенных систем.
Прокси-серверы и встроенное программное обеспечение
Прокси-серверы могут взаимодействовать со встроенными системами разными способами. Они могут помочь встроенным устройствам безопасно подключаться к Интернету, защитить их от прямого воздействия внешних сетей, распределить нагрузку по трафику и кэшировать данные для более быстрого извлечения. Следовательно, встроенное программное обеспечение должно быть разработано с учетом этих аспектов, часто включая элементы сетевого программирования и кибербезопасности.
