組み込みシステム

マイクロプロセッサとマイクロコントローラの起源は、1960年代初頭に開発されたMOSFET（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）から作られた集積回路チップであるMOS集積回路に遡ることができます。1964年までに、MOSチップはバイポーラチップよりも高いトランジスタ密度と低い製造コストを達成しました。MOSチップはムーアの法則で予測された速度でさらに複雑化し、1960年代後半には1つのMOSチップ上に数百個のトランジスタを持つ大規模集積回路（LSI）につながりました。MOS LSIチップのコンピューティングへの応用は、エンジニアが完全なコンピュータプロセッサシステムを複数のMOS LSIチップに収めることができると認識し始めたことから、最初のマイクロプロセッサの基礎となりました。^{[ 5 ]}

最初のマルチチップマイクロプロセッサは、 1969年のFour-Phase Systems AL1と1970年のGarrett AiResearch MP944で、複数のMOS LSIチップを使用して開発されました。最初のシングルチップマイクロプロセッサは、1971年にリリースされたIntel 4004です。これは、 Federico Fagginが自身のシリコンゲートMOS技術を使用して、 IntelのエンジニアであるMarcian HoffとStan Mazor、およびBusicomのエンジニアである島正敏とともに開発しました。^{[ 6 ]}

現代の組み込みシステムとして認識できる最初のものの1つは、1965年頃にMIT計測研究所のチャールズ・スターク・ドレイパーによって開発されたアポロ誘導コンピュータ^{[ 7 ]}でした。プロジェクト開始当初、アポロ誘導コンピュータは、コンピュータのサイズと重量を削減するために当時新しく開発されたモノリシック集積回路を使用していたため、アポロ計画の中で最もリスクの高いものと考えられていました。

初期の量産型組み込みシステムとしては、 1961年に発売されたミニットマンミサイル用のオートネティクス社製D-17誘導コンピュータが挙げられる。1966年にミニットマンIIの生産が開始されると、D-17は集積回路を初めて大量生産に採用した新型コンピュータに置き換えられた。

1960年代の初期のアプリケーション以来、組み込みシステムの価格は下がり、処理能力と機能は劇的に向上しました。初期のマイクロプロセッサであるIntel 4004（1971年発売）は、電卓などの小型システム向けに設計されましたが、それでも外部メモリとサポートチップが必要でした。1980年代初頭には、メモリ、入出力システムコンポーネントがプロセッサと同じチップに統合され、マイクロコントローラが形成されました。マイクロコントローラは、汎用コンピュータではコストが高すぎる用途で使用されています。マイクロプロセッサとマイクロコントローラのコストが下がるにつれて、組み込みシステムの普及が進みました。

比較的低コストのマイクロコントローラは、多数の個別部品と同じ役割を果たすようにプログラムできます。マイクロコントローラの登場により、高価なポテンショメータや可変コンデンサなどのノブ式アナログ部品を、マイクロプロセッサで読み取る上下ボタンやノブで置き換えることが可能になり、民生品においてもその代替が可能になりました。このような組み込みシステムは、従来型のソリューションよりも複雑になる傾向がありますが、その複雑さの大部分はマイクロコントローラ自体に集約されています。必要な追加部品はごくわずかで、設計作業の大部分はソフトウェアに集中します。組み込みプロセッサを使用しない新しい回路の設計・構築と比較すると、ソフトウェアのプロトタイプ作成とテストはより迅速に行えます。

組み込みシステムは、単一のタスクに特化したシステムのようにユーザーインターフェースがまったくないものから、現代​​のコンピュータのデスクトップオペレーティングシステムに似た複雑なグラフィカルユーザーインターフェースを備えたものまで多岐にわたります。シンプルな組み込みデバイスは、ボタン、発光ダイオード（LED）、グラフィックまたは文字液晶ディスプレイ（LCD）とシンプルなメニューシステムを使用します。タッチセンシング機能や画面端のソフトキーを備えたグラフィカル画面を使用するより高度なデバイスは、使用スペースを最小限に抑えながら柔軟性を提供します。ボタンの意味は画面に合わせて変更でき、選択は目的のものを指差すという自然な動作で行えます。

システムによっては、シリアル接続（ RS-232など）やネットワーク接続（イーサネットなど）を利用して、リモートでユーザーインターフェースを提供するものがあります。このアプローチにより、組み込みシステムの機能が拡張され、ディスプレイのコストが削減され、ボードサポートパッケージ（BSP）が簡素化され、設計者はPC上でリッチなユーザーインターフェースを構築できるようになります。その好例として、組み込みデバイス（ IPカメラやネットワークルーターなど）上で動作する組み込みHTTPサーバーの組み合わせが挙げられます。ユーザーインターフェースは、デバイスに接続されたPCのWebブラウザに表示されます。

汎用コンピュータと比較した場合、一般的な組み込みコンピュータの特性としては、低消費電力、小型サイズ、堅牢な動作範囲、そして低コストなどが挙げられます。ただし、その代償として処理能力は限られています。

組み込みシステム向けに数多くのマイクロコントローラが開発されてきた。汎用マイクロプロセッサも組み込みシステムで使用されるが、一般的にマイクロコントローラよりも多くのサポート回路を必要とする。

組み込みシステムは、以下のような周辺機器を介して外部と通信します。

• シリアル通信インターフェース（SCI）：RS-232、RS-422、RS-485など。
• 同期シリアルインターフェース：I2C、SPI、SSC、ESSI（拡張同期シリアルインターフェース）
• ユニバーサル・シリアル・バス（USB）
• メディアカード（SDカード、コンパクトフラッシュなど）
• ネットワークインターフェースコントローラ：イーサネット、WiFiなど
• フィールドバス：CANバス、LINバス、PROFIBUSなど
• タイマー：位相同期ループ、プログラマブルインターバルタイマー
• 汎用入出力（GPIO）
• アナログ-デジタル変換器およびデジタル-アナログ変換器
• デバッグ：JTAG、インシステムプログラミング、バックグラウンドデバッグモードインターフェースポート、BITP、およびDB9ポート。

他のソフトウェアと同様に、組み込みシステム設計者はコンパイラ、アセンブラ、デバッガを使用して組み込みシステムソフトウェアを開発します。ただし、より具体的なツールを使用する場合もあります。

• 回路デバッガまたはエミュレータ（次のセクションを参照）。
• プログラムにチェックサムまたはCRCを追加するユーティリティ。これにより、組み込みシステムはプログラムが有効かどうかをチェックできます。
• デジタル信号処理を使用するシステムの場合、開発者は計算ノートブックを使用して数学的なシミュレーションを行うことができます。
• システムレベルのモデリングおよびシミュレーションツールは、設計者がプロセッサ、メモリ、DMA、インターフェース、バスなどのハードウェアコンポーネントと、構成可能なライブラリブロックを使用した状態図またはフロー図としてのソフトウェア動作フローを含むシステムのシミュレーションモデルを構築するのに役立ちます。シミュレーションは、電力とパフォーマンスのトレードオフ、信頼性分析、ボトルネック分析を実行することで、適切なコンポーネントを選択するために実施されます。設計者がアーキテクチャの決定を下すのに役立つ典型的なレポートには、アプリケーションのレイテンシ、デバイスのスループット、デバイスの使用率、システム全体の消費電力、およびデバイスレベルの消費電力などがあります。
• モデルベース開発ツールは、デジタルフィルタ、モータコントローラ、通信プロトコルのデコード、マルチレートタスクなどのコンポーネントのグラフィカルなデータフロー図とUML状態図を作成し、シミュレーションします。
• 専用コンパイラやリンカは、特殊なハードウェアを最適化するために使用される場合がある。
• 組み込みシステムは、独自の特別な言語や設計ツールを持つ場合もあれば、ForthやBasicなどの既存の言語に機能拡張を追加する場合もある。
• 別の選択肢としては、RTOSまたは組み込みオペレーティングシステムを追加する方法がある。
• モデリングおよびコード生成ツールは、多くの場合ステートマシンに基づいています。

ソフトウェアツールは、さまざまな供給元から入手できます。

• 組み込み市場に特化したソフトウェア企業
• GNUソフトウェア開発ツールから移植されました
• 組み込みプロセッサが一般的なPCプロセッサと近縁である場合、パーソナルコンピュータ向けの開発ツールを使用できる場合がある。

組み込みソフトウェアの開発には、 C++、Rust、Pythonなどのプログラミング言語や、 Qtなどのグラフィカルインターフェース用フレームワークといった、多様な開発ツールが必要となることがよくあります。これらのツールを用いることで、開発者は組み込みシステムの特定の要件に合わせた、効率的で拡張性が高く、機能豊富なアプリケーションを作成できます。ツールの選択は、リアルタイム性能、ハードウェアとの統合性、エネルギー効率といった要素によって左右されます。

組み込みシステムの複雑化に伴い、より高度なツールやオペレーティングシステムが、適切な機器へと移行しつつあります。例えば、携帯電話、PDA（携帯情報端末）、その他の民生用コンピュータでは、電子機器メーカー以外の第三者が購入または提供する重要なソフトウェアが必要となることがよくあります。こうしたシステムでは、サードパーティのソフトウェアプロバイダーが幅広い市場に製品を販売できるよう、Linux、NetBSD、FreeBSD、OSGi 、組み込みJavaといったオープンなプログラミング環境が不可欠です。

リアルタイムオペレーティングシステムは、多くの場合、オペレーティングシステムイベントのトレースをサポートしています。システム動作の記録に基づいて、ホスト PC ツールによってグラフィカル ビューが表示されます。トレース記録は、ソフトウェア、RTOS、または専用のトレース ハードウェアによって実行できます。RTOS トレースにより、開発者はソフトウェア システムのタイミングとパフォーマンスの問題を理解し、高レベルのシステム動作を十分に理解できます。組み込みシステムでのトレース記録は、ハードウェアまたはソフトウェア ソリューションを使用して実現できます。ソフトウェア ベースのトレース記録は、特別なデバッグ ハードウェアを必要とせず、展開されたデバイスでトレースを記録するために使用できますが、CPU と RAM の使用に影響を与える可能性があります。^{[ 14 ]} RTOS 環境で使用されるソフトウェア ベースのトレース方法の 1 つは、コード内の戦略的な場所でオペレーティングシステムによって呼び出され、フックとして機能するように実装できる空のマクロの使用です。

組み込みシステムは、多くの場合、何年もエラーなく連続稼働することが求められる機器に搭載され、場合によってはエラーが発生した場合でも自己復旧する機能も備えています。そのため、ソフトウェアは通常、パーソナルコンピュータ向けソフトウェアよりも綿密に開発・テストされ、ディスクドライブ、スイッチ、ボタンといった信頼性の低い機械的な可動部品は避けられます。

具体的な信頼性の問題としては、以下のようなものが挙げられます。

• システムを安全に停止させて修理することができない、あるいは修理するにはアクセスが困難すぎる場合。例としては、宇宙システム、海底ケーブル、航行標識、掘削孔システム、自動車などが挙げられる。
• 安全上の理由から、システムは常に稼働させておく必要があります。故障時に機能が低下することは許容できない場合があります。多くの場合、バックアップシステムはオペレーターによって選択されます。例としては、航空機の航法システム、原子炉制御システム、安全上重要な化学工場の制御システム、列車の信号システムなどが挙げられます。
• システムが停止すると、電話交換機、工場制御、橋梁およびエレベーター制御、資金移動および市場形成、自動販売およびサービスなど、多額の損失が発生する。

メモリリークなどのソフトウェアバグやハードウェアのソフトエラーなど、エラーからの復旧には、さまざまな技術が、時には組み合わせて使用​​されます。

• ウォッチドッグタイマーは、ソフトウェアが定期的にウォッチドッグサブシステムに通知しない限り、システムをリセットして再起動します。
• 信頼できるコンピューティングベース（TCB）アーキテクチャで設計すると、非常に安全で信頼性の高いシステム環境が保証されます^{[ 15 ]。}
• 組み込みシステム向けに設計されたハイパーバイザは、あらゆるサブシステムコンポーネントに対して安全なカプセル化を提供できるため、侵害されたソフトウェアコンポーネントが他のサブシステムや特権レベルのシステムソフトウェアに干渉することができません。^{[ 16 ]}このカプセル化により、障害がサブシステム間で伝播するのを防ぎ、信頼性が向上します。また、障害検出時にサブシステムを自動的にシャットダウンして再起動することも可能になります。
• 耐性を考慮したプログラミングは、エンジニアがより信頼性の高い組み込みシステムコードを作成するのに役立ちます。^{[ 17 ] [ 18 ]} MISRA C/C++などのガイドラインとコーディング規則は、さまざまな方法で開発者が信頼性が高く移植性の高いファームウェアを作成できるように支援することを目的としています。通常、実行時エラーにつながる可能性のあるコーディング手法 (メモリ リーク、無効なポインタの使用) を推奨または禁止し、実行時チェックと例外処理 (範囲/健全性チェック、ゼロ除算とバッファ インデックスの有効性チェック、ロジック チェックのデフォルト ケース) を使用し、ループの境界を定め、人間が読みやすく、コメントが適切に付けられ、構造化されたコードを作成し、コンパイラによる不整合や副作用につながる可能性のある言語の曖昧さ (式の評価順序、再帰、特定の種類のマクロ) を回避することによって支援します。これらの規則は、機能検証の目的でコード静的チェッカーや境界付きモデルチェックと組み合わせて使用​​されることが多く、コードのタイミング特性の決定にも役立ちます。^{[ 17 ]}

携帯電話のような大量生産システムでは、コスト削減が設計上の最優先事項となるのが一般的です。エンジニアは通常、必要な機能を実装するのに十分な性能を持つハードウェアを選択します。

少量生産または試作型の組み込みシステムの場合、汎用コンピュータを改造するには、プログラムを制限したり、オペレーティングシステムをRTOSに置き換えたりする必要がある。

この設計では、ソフトウェアは入力デバイスを監視するループのみを持ちます。このループはサブルーチンを呼び出し、各サブルーチンはハードウェアまたはソフトウェアの一部を管理します。そのため、これは単純な制御ループ、あるいはプログラム入出力と呼ばれます。

Some embedded systems are predominantly controlled by interrupts. This means that tasks performed by the system are triggered by different kinds of events; an interrupt could be generated, for example, by a timer at a predefined interval, or by a serial port controller receiving data.

This architecture is used if event handlers need low latency, and the event handlers are short and simple. These systems run a simple task in a main loop also, but this task is not very sensitive to unexpected delays. Sometimes the interrupt handler will add longer tasks to a queue structure. Later, after the interrupt handler has finished, these tasks are executed by the main loop. This method brings the system close to a multitasking kernel with discrete processes.

Cooperative multitasking is very similar to the simple control loop scheme, except that the loop is hidden in an API.^[3][1] The programmer defines a series of tasks, and each task gets its own environment to run in. When a task is idle, it calls an idle routine, which passes control to another task.

The advantages and disadvantages are similar to those of the control loop, except that adding new software is easier, by simply writing a new task, or adding to the queue.

In this type of system, a low-level piece of code switches between tasks or threads based on a timer that invokes an interrupt. This is the level at which the system is generally considered to have an operating system kernel. Depending on how much functionality is required, it introduces more or less of the complexities associated with managing multiple tasks running conceptually in parallel.

As any code can potentially damage the data of another task (except in systems using a memory management unit) programs must be carefully designed and tested, and access to shared data must be controlled by some synchronization strategy such as message queues, semaphores or a non-blocking synchronization scheme.

Because of these complexities, it is common for organizations to use an off-the-shelf RTOS, allowing the application programmers to concentrate on device functionality rather than operating system services. The choice to include an RTOS brings in its own issues, however, as the selection must be made prior to starting the application development process. This timing forces developers to choose the embedded operating system for their device based on current requirements and so restricts future options to a large extent.^[20]

組み込みシステムの複雑さは、シリアル通信、USB、TCP/IP、Bluetooth、無線LAN 、トランク無線、マルチチャネル、データおよび音声通信、高度なグラフィックス、マルチステート、マルチスレッド、多数の待機状態など、周辺機器やタスクの管理が求められるにつれて、絶えず増大しています。こうした傾向により、RTOSに加えて組み込みミドルウェアの採用が進んでいます。

マイクロカーネルはメモリを割り当て、CPUを異なる実行スレッドに切り替えます。ユーザーモードプロセスは、ファイルシステムやネットワークインターフェースなどの主要な機能を実装します。

エクソカーネルは、通常のサブルーチン呼び出しによって効率的に通信します。システム内のハードウェアとすべてのソフトウェアは、アプリケーションプログラマが利用可能であり、拡張可能です。

モノリシックカーネルとは、組み込み環境に適した高度な機能を備えた、比較的規模の大きなカーネルのことです。これにより、プログラマーはLinuxやMicrosoft Windowsのようなデスクトップオペレーティングシステムに似た環境を利用できるため、開発効率が非常に高くなります。一方で、ハードウェアリソースをかなり多く必要とし、価格も高くなることが多く、カーネルの複雑さゆえに予測可能性や信頼性に欠ける場合があります。

組み込みモノリシックカーネルの一般的な例としては、組み込みLinux、VXWorks、Windows CEなどが挙げられる。

ハードウェアのコスト増加にもかかわらず、この種の組み込みシステムは、特に無線ルーターやGPSナビゲーションシステムなどの高性能な組み込み機器において、人気が高まっている。

コアとなるオペレーティングシステムに加え、多くの組み込みシステムには上位層のソフトウェアコンポーネントが搭載されています。これらのコンポーネントには、CAN、TCP/IP、FTP、HTTP、HTTPSなどのネットワークプロトコルスタックや、 FATやフラッシュメモリ管理システムなどのストレージ機能が含まれます。組み込みデバイスにオーディオおよびビデオ機能が搭載されている場合は、適切なドライバとコーデックがシステムに含まれています。モノリシックカーネルの場合、これらのソフトウェア層の多くはカーネル内に含まれています。RTOSの場合、追加のソフトウェアコンポーネントの有無は、製品によって異なります。

自動車分野において、AUTOSARは組み込みソフトウェアの標準アーキテクチャである。