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ソフトウェア組み込み開発について知っておきたいこと
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ソフトウェア組み込み開発について知っておきたいこと

最初の組み込みシステムが開発されたのは50年以上前のことです。現在、組み込みシステムはあらゆる場面で存在しており、IoT(モノのインターネット)デバイスの開発においても重要な役割を果たしています。しかし、ソフトウェア組み込みの開発には独自の緻密性と複雑性があります。この記事を読めば、これらのシステムの概念と作り方がわかるでしょう。

目次

ソフトウェア組み込みとは何か?

ソフトウェア 組み込み のアプリケーションとは、マイクロチップの一部、またはチップに搭載される別のアプリケーションの一部として非PCデバイスの内部にあるプログラムのことです。これによって、デバイスの特定の機能が制御されています。PCのアプリケーションはさまざまなコンピュータシステムにインストールでき、さまざまなレベルの機能を提供するための変更が可能です。それとは異なり、ソフトウェア組み込みのハードウェアの要件や機能は固定されています。ソフトウェア組み込みは、実行するデバイス専用として作成され、そのデバイスの仕様に直結した処理とメモリの制限があります。この観点で言うと、ソフトウェア組み込みにはアプリケーションやファームウェア、ミドルウェア、オペレーティングシステムが含まれるでしょう。そして、単一のマイクロプロセッサ、または別のロジック内に「組み込まれた」マイクロプロセッサのクラスタ上で実行されます。

ソフトウェア組み込みの種類とその目的

オペレーティングシステム ― 最も一般的な意味で、オペレーティングシステム(OS)はユーザーがコンピュータデバイス上で他のアプリケーションを実行できるようにするソフトウェアです。OSは、キーボードやマウスなどの入力装置、ディスプレイやプリンターなどの出力装置、ネットワーク接続、ハードディスクドライブやメモリなどの記憶装置、そしてプロセッサのハードウェアリソースを管理します。OSは、ソフトウェア(アプリケーションプログラム)の効率的な実行と管理、メモリ割り当てを容易にするサービスも提供しています。

 ソフトウェア組み込み の種類とその目的

ファームウェア ― ファームウェアは、ハードウェアに対して直接記述される一種のソフトウェアです。APIやOS、デバイスドライバを介さずに動作します。ファームウェアは、デバイスが他のデバイスと通信し、一連の基本的なタスクや機能を意図した通りに実行するために必要な命令や指示を与えます。 ミドルウェア ― ミドルウェアは、アプリケーションとOSの間に位置するソフトウェア層です。ミドルウェアは分散システムで使用されることが多く、ソフトウェア開発を簡素化するために、以下のような機能を提供します。

・分散アプリケーションの複雑性を見えなくします
・ハードウェアやOS、プロトコルの不均一性を隠します
・相互運用性や再利用性、移植性の高いアプリケーションの作成に使用される、統一性を備えた高レベルインターフェースを提供します

作業の重複を最小限に抑え、アプリケーション間の連携を高める一連の共通サービスを提供します
アプリケーション ― エンドユーザーは、OS上で動作して、ミドルウェアやファームウェアを使用したり、やり取りしたりする最終的なソフトウェアアプリケーションを開発します。デバイスによってはOSとファームウェアが同一になる可能性がある一方で、エンドユーザーアプリケーションは独自なものです。

ソフトウェア組み込みと組み込みシステムの比較

ソフトウェア組み込みを実行しているデバイス内にあるハードウェアコンポーネントは、「組み込みシステム」と呼ばれます。組み込みシステムで使用されるハードウェアコンポーネントの例として挙げられるものは、電源回路や中央処理装置、フラッシュメモリデバイス、タイマ、シリアル通信ポートなどです。デバイスの初期設計の段階で、組み込みシステムを構成するハードウェアやデバイス内の構成が決定されます。そして、ソフトウェア組み込みは、まさにその構成を持ったハードウェア上でのみ動作するように、ゼロから開発されます。このため、ソフトウェア組み込み設計は、ハードウェアの機能とコンピュータプログラミングに関する深い知識を必要とする、非常に専門的な分野なのです。

ソフトウェア組み込みをベースにした機能の例|ソフトウェア組み込み搭載のデバイス

回路基板とコンピュータチップで作られたデバイスのほぼすべてがコンポーネントを備えており、ソフトウェア組み込みを実行するシステムに配置されています。その結果、ソフトウェア組み込みのシステムは日常生活のいたるところに存在しています。民生用、産業用、自動車用、航空宇宙用、医療用、商業用、電気通信用、軍事用技術などあらゆる分野で使用されています。

 ソフトウェア組み込み をベースにした機能の例

ソフトウェア組み込みをベースとする機能は、一般的に次のようなものです。
・医療用画像機器に使用される画像処理システム
・航空機に使用されるフライバイワイヤ制御システム
・セキュリティカメラに使用される動体検知システム
・信号機に使用される交通管制システム
・スマートホームデバイスに使用されるタイミングシステムまたは自動化システム

組み込みシステムの種類

パフォーマンスと機能要件に基づくと、組み込みシステムには主に下記の5つのクラスがあります。

・リアルタイム組み込みシステムは、決定論的かつ反復的にタスクを完了します。これは、OSの基本アーキテクチャとスケジューリングのみでなく、スレッドや分岐、割り込みレイテンシの性能に影響されます。汎用組み込みシステムはリアルタイム性を必要とせず、完了時間に依存せずに割り込みや分岐を管理できるシステムです。グラフィック表示やキーボードやマウスの管理は、汎用システムの良い例と言えます。

・スタンドアロン組み込みシステムは、ホストシステムや外部の処理リソースなしでタスクを完了できます。接続されたデバイスからデータを出力または受信できますが、タスクを完了するためにデバイスに依存することはありません。

・スタンドアロン組み込みシステムは、ホストシステムや外部の処理リソースなしでタスクを完了できます。接続されたデバイスからデータを出力または受信できますが、タスクを完了するためにデバイスに依存することはありません。

・ネットワーク組み込みシステムは接続されたネットワークに依存して、割り当てられたタスクを実行します。

・システムのハードウェアアーキテクチャの複雑性に基づくと、組み込みシステムには主に下記の3タイプがあります:ネットワーク組み込みシステムは接続されたネットワークに依存して、割り当てられたタスクを実行します。

組み込みシステム用の一般的なプログラミング言語

開発者が組み込みシステムでよく使うプログラミング言語には重要なメリットがいくつかあります。ほとんどの言語にはデメリットもあります。ここでは、一般的な組み込みプログラミング言語のメリットと制約について説明します。

 組み込みシステム用の一般的なプログラミング言語

C言語
メリット:C言語は効率的で広く使われているプログラミング言語です。業界の推定では、組み込みシステムの80%でC言語が使用されています。
デメリット:開発者は、複雑な場合が多い専門的なコーディング技術を理解して使用する必要があります。

C++
メリット:C++は、C言語と同様に効率的です。標準ライブラリが備わっており、プログラマーがコードを書く時間を短縮できます。
デメリット:複雑な言語であるため、習得が難しいです。

Python
メリット:この言語はオープンソースであるため無料で使用可能です。また、習得や読み書きが容易にできます。
デメリット:この言語は決定論的ではないため、リアルタイムオペレーティングシステム(RTOS)には適していません。

MicroPython
メリット:MicroPythonもオープンソースであるため無料で使用でき、習得が容易です。
デメリット:コードの実行時間はさほど早くなく、C言語やC++と比較してメモリの消費量が多くなる可能性があります。

Java
メリット:一度組み込みシステムで書かれたコードは他のデバイスに移植でき、信頼性が非常に高いです。
デメリット:この言語は複雑であるため、GUI(グラフィカル・ユーザー・インターフェース)などでパフォーマンスの問題が起こる場合があります。また、Javaはリアルタイムシステムでは使用できません。

JavaScript
メリット:システムがHTML5ベースで、大規模なネットワーキングとグラフィックを必要とする場合に適しています。
デメリット:実行時の効率が悪く、保守が難しい場合があります。

Rust
メリット:Rustはバグが少ないセキュアなコードを記述しやすいです。
デメリット:Rustはコンパイルに時間がかかります。この言語は標準化されておらず、まだあまり使われていません。

組み込みシステムの特性と特徴

組み込みシステムには多くの種類がありますが、どのシステムにも同じような役立つ機能や設計上の特性があります。
組み込みシステムはすべて、タスクに特化しています。組み込みシステムは使用可能な期間を通じて、事前にプログラムされた機能を実行します。そして、システムを変更することができません。

組み込みシステムはすべて、効率性が高いです。ソフトウェア組み込みのリソース要件は、インストールされるハードウェアの能力を超えてはいけません。また、ハードウェアの仕様もソフトウェア組み込みの必要最低限の要件を越えてはいけません。
組み込みシステムはすべて、高い信頼性と安定性を持つように設計されています。一定の応答時間でタスクを実行し、搭載デバイスの使用期間を通して機能する必要があります。

ソフトウェア 組み込み 開発の課題

ソフトウェア組み込みは、人気が高く急速に進化するIoTデバイスの中核をなすものです。しかし、ソフトウェア組み込み開発とIoTにも特有の課題があります。

安定性 ― ユーザーなどの生命を脅かす可能性のあるデバイスに関しては、予期せぬ動作は許されません。そのため、このようなシステムを作成する際には、標準化された手段に従う必要があります。

安全性 ― 組み込みシステムを搭載したデバイスは安全でなければいけません。危機的な環境下でも救命機能に問題がないようにシステムを開発する必要があります。

セキュリティ ― ソフトウェア組み込みは特定のデバイスと直結しており、モバイルアプリケーションがデバイスを制御することもあります。これが組み込みソリューションのボトルネックとなるため、データ乗っ取りの可能性がないことを保証する必要があります。

プロセスの概要|組み込みシステムのソフトウェア開発

ソフトウェア組み込みシステムは、それが動作するハードウェアと密接に結びついています。通常は非常に特殊なルーチンやドライバ、プロシージャを伴います。効果的なソフトウェア組み込みシステムの開発のために、チームは主要な以下のベストプラクティスに従う必要があります。

・プロジェクトの要件をレビューする。
・コンポーネントを構築し、可能ならば再利用する。
・徹底的なバリデーションを行う。
・テストを行う。
・製品を発売する ― ハードウェアとソフトウェアのファイルをメーカーに送付する。

組み込みエンジニアに必要なスキルは何か?

組み込みエンジニアには、さまざまな技術力が求められます。例えばコンピュータのハードウェアやソフトウェアの専門知識、C言語やC++のようなプログラミング言語などです。また、エンジニアには、コミュニケーション能力や問題解決能力などの対人能力も必要です。

 組み込みエンジニアに必要なスキルは何か?

「組み込みエンジニア」は、「ソフトウェア組み込みエンジニア」または「システム組み込みエンジニア」のいずれかを指すことが多いです。どちらのエンジニアでも、取り組む製品や、そのプロジェクトの一部であるモジュールによって求められるスキルが異なります。

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