ハードウェアアーキテクチャ

工学において、ハードウェアアーキテクチャとは、システムの物理的なコンポーネントとそれらの相互関係を識別することを指します。この記述は、ハードウェア設計モデルと呼ばれることが多く、ハードウェア設計者はコンポーネントがシステムアーキテクチャにどのように適合するかを理解でき、ソフトウェアコンポーネント設計者にはソフトウェアの開発と統合に必要な重要な情報が提供されます。ハードウェアアーキテクチャを明確に定義することで、さまざまな従来の工学分野（電気工学や機械工学など）がより効果的に連携して、新しい機械、デバイス、コンポーネントを開発および製造できるようになります。^[1]

ハードウェアはまた、コンピュータ エンジニアリング業界で使用される表現で、(電子コンピュータ) ハードウェアと、その上で実行されるソフトウェアを明確に区別するために使用されています。しかし、自動化およびソフトウェア エンジニアリングの分野におけるハードウェアは、単に何らかのコンピュータである必要はありません。現代の自動車は、アポロ宇宙船よりもはるかに多くのソフトウェアを実行しています。また、現代の航空機は、航空機全体に埋め込まれて分散され、標準的なコンピュータ ハードウェアと、IC ワイヤード ロジック ゲート、アナログ デバイスとハイブリッド デバイス、その他のデジタル コンポーネントなどの特殊なハードウェア コンポーネントの両方に存在する数千万のコンピュータ命令を実行せずには機能しません。個別の物理コンポーネントがどのように組み合わされて複雑なシステムを形成するかを効果的にモデル化する必要性は、コンピュータ、携帯情報端末 (PDA)、携帯電話、外科用器具、衛星、潜水艦など、幅広いアプリケーションで重要です。

ハードウェアアーキテクチャとは、設計された（または設計される予定の）電子または電気機械ハードウェアシステムの表現であり、そのようなシステムの設計を効果的に実装するためのプロセスと規律です。通常、情報、ソフトウェア、デバイスのプロトタイピングを含む大規模な統合システムの一部です。^[2]

これは、ハードウェア システムを構成する関連要素、それらの要素間の関係、およびそれらの関係を管理するルールに関する情報を伝えるために使用されるため、 表現です。

これは、一連の制約内でハードウェア システムのアーキテクチャやそのアーキテクチャからの設計を作成または変更するための一連の手順が規定されているため、 プロセスです。

これは、一連の制約内でシステムを設計する最も効果的な方法について実務者に情報を提供するために一連の知識が使用されるため、 分野となっています。

ハードウェアアーキテクチャは、主にシステムのコンポーネントまたはサブシステム間の内部の電気的（および、まれに機械的）インターフェース、および システムと外部環境、特にユーザーが操作するデバイスやユーザーが見る電子ディスプレイとの間のインターフェースに関係しています。（この後者の特別なインターフェースは、コンピュータヒューマンインターフェース、別名ヒューマンコンピュータインターフェース、またはHCIと呼ばれています。以前はマンマシンインターフェースと呼ばれていました。）^[3]集積回路（IC）設計者は、現在の技術を新しい製品の革新的なアプローチに導いています。したがって、複数のレイヤーのアクティブデバイスが単一のチップとして提案されており、破壊的なマイクロエレクトロニクス、オプトエレクトロニクス、および新しいマイクロエレクトロメカニカルハードウェア実装の機会が開かれています。^{[4] [5]}

デジタル コンピュータが登場する前は、電子工学やその他の工学分野では、現在でも一般的に使用されているように、システムとハードウェアという用語が使用されていました。しかし、デジタル コンピュータが登場し、ソフトウェア エンジニアリングが独立した分野として発展するにつれて、エンジニアリングされたハードウェア成果物、ソフトウェア成果物、および複合成果物を区別する必要が生じることが多くなりました。

プログラム可能なハードウェアアーティファクト、つまりマシンは、コンピュータ プログラムがなければ無力です。同様に、ソフトウェア アーティファクト、つまりプログラムも、適切な (ハードウェア) マシンの連続状態を変更するために使用できない限り、同様に無力です。ただし、ハードウェア マシンとそのプログラミングは、ほぼ無限の数の抽象的および物理的なタスクを実行するように設計できます。そのため、コンピュータ エンジニアリングとソフトウェア エンジニアリングの分野 (および多くの場合、通信などの他のエンジニアリングの分野) では、ハードウェア、ソフトウェア、およびシステムという用語は、コンピュータ プログラムを実行するハードウェア、ソフトウェア、およびプログラムを備えたハードウェア デバイスを区別するようになりました。

ハードウェアは、ハードウェアコントローラと呼ばれる中間デバイスの助けを借りてソフトウェアから制御することができます。このハードウェアコントローラは、ハードウェアからさまざまな自動化タスクを実行するために使用できます。通常、ハードウェアコントローラはGPIO（汎用入出力）ピンで構成されており、これらのピンの動作はコードによって制御されます。^[6]

ハードウェアエンジニアまたはアーキテクトは (多かれ少なかれ) ハードウェア デバイスのみを扱います。ソフトウェアエンジニアまたはアーキテクトは (多かれ少なかれ) プログラムのみを扱います。システムエンジニアまたはシステム アーキテクトは、プログラミングがハードウェア デバイス内で適切に実行できること、および 2 つのエンティティで構成されるシステムが外部環境、特にユーザーと適切に対話して意図した機能を実行できることを検証する責任を負います。

ハードウェアアーキテクチャとは、固定または変更可能なプログラムを実行できる電子デバイスまたは電気機械デバイスの抽象的な表現です。^{[7] [8]}

ハードウェア アーキテクチャには通常、何らかの形式のアナログ、デジタル、またはハイブリッド電子コンピュータ、電子および機械センサーとアクチュエータが含まれます。ハードウェア設計は、「パーティショニングスキーム」またはアルゴリズムとして考えることができます。これは、システムの現在の要件と予測される要件をすべて考慮し、必要なハードウェア コンポーネントを、必要以上のパーツがない、明確に境界が定められた一連のサブシステムに配置します。つまり、これは排他的、包括的、かつ網羅的なパーティショニング スキームです。パーティショニングの主な目的は、ハードウェア サブシステム内の要素を配置して、それらの間の電気的接続と電子通信を最小限に抑えることです。ソフトウェアとハ​​ードウェアの両方で、優れたサブシステムは意味のある「オブジェクト」と見なされる傾向があります。さらに、ユーザー要件をアーキテクチャ (ハードウェアとソフトウェア) に明確に割り当てることで、構築済みシステムでユーザー要件の 検証テストを行うための効果的な基盤が提供されます。

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