組込みシステムについて

組み込みシステムの一般的な定義は、特定の機能を実行するためにハードウェアとソフトウェアを統合した自己完結型のデバイスです。ユーザーからの入力を受け付けることもあれば、受動的な入力に反応するだけの場合もありますが、パソコンのようにユーザーがオペレーティングシステムやソフトウェアを自由に使用することはできません。

組み込みシステムの目的は、シンプルで特定のタスクを信頼性高く、迅速に処理することで、ユーザーが意識することなくスムーズに機能を提供することです。

組込みシステムの特長

組み込みシステムには多種多様な製品がありますが、以下のような共通の特長を持っています:

• ハードウェアとソフトウェア（多くはファームウェア）が1つの製品に自己完結的に組み込まれています。
• 他の組み込みシステムと連携して動作することができ、共通の通信プロトコルを使って制御システム間でタスクを分担します。
• 計算処理にはマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラを使用します。
• 入力に対してほぼ即時に応答します。
• 対象（例：暖房システム、医療機器、エンジンのバルブ位置など）を感知と制御するための機器を使用します。

組込みシステムは、本質的には他の電子機器と同じようなものですが、特定のタスクや機能に特化した装置です。その動作は以下のような流れで進みます:

押しボタンのような外部デバイスから入力を受け取ります。また、圧力計などからのアナログ信号をデジタル信号に変換する機能を備えていることがよくあります。

プロセッサ（通常はマイクロコントローラまたはマイクロプロセッサ）は、入力信号に基づいて動作します。この処理には、電子機器のメモリに保存された簡単なソフトウェアにアクセスすることが含まれます。このメモリは、マイクロコントローラに内蔵されている場合もあれば、プロセッサまたはCPUと接続された別のチップとして存在する場合もあります。

プロセッサは、ソフトウェアが入力信号をどのように評価したかに基づいて、出力信号を送信します。これらの出力は、他の外部デバイス（「アクチュエーター」）に送られ、目的とする制御動作を実現します。

組込みシステム用プログラミング

組み込みオペレーティングシステムは、組み込みシステムのメモリに格納されているソフトウェアであり、システムが入力を出力に処理するために使用するものです。埋め込みシステムのソフトウェアは、さまざまな高水準プログラミング言語で記述できますが、よく使用されている言語は以下の通りです。

C言語: これは組み込みシステムにとって優れた選択肢です。なぜなら、Cは低水準言語であり、ハードウェアを直接制御するソフトウェアに近いレベルで動作できるからです。これはまさに組み込みシステムが行うことです。

C++: これはC言語のオブジェクト指向バージョンで、メモリと情報量の面でとても効率的です。そのため、搭載するメモリや情報量が限られている、より複雑な組込みシステムに適しています。また、C++は組込みシステムソフトウェア開発者にとって、システム設計の拡張性や再利用性を高め、迅速な改良を可能にします。

Python: この言語は強力で、理解しやすく使いやすいため、さまざまな用途で人気が高まっており、組み込みシステムにも徐々に利用されるようになっています。

組込みシステムの構成要素

組込みシステムは、以下のような主要構成要素が含まれます:

プロセッサ: 組み込みシステムの「頭脳」として、プロセッサはメモリからソフトウェアを読み出し、入力を処理して出力を決定します。組み込みシステムのプロセッサは、一般的にマイクロコントローラまたはマイクロプロセッサのいずれかです。

メモリ: 組み込みシステムに搭載されているメモリには、読み出し専用メモリ（ROM）とランダムアクセスメモリ（RAM）の2種類があります。ROMにはシステムを動作させるためのファームウェアが格納されており、RAMには入力値などのデジタルデータが一時的に保存されます。マイクロコントローラはプログラムメモリを内蔵していますが、マイクロプロセッサは外部メモリを必要とし、組み込みシステムにパッケージされています。

入力デバイス: センサーは特定の状態を検知し、その信号を組み込みシステムに送信して処理させます。これらの装置は、環境条件の変化、液体や気体の圧力、機械的な動き、流体の流れなどを検出するためのものや、単にユーザーの入力を待つ押しボタンである場合もあります。

出力デバイス: デバイスは組み込みシステムが意図する機能を実行します。バルブ、モーター、ソレノイドなどを動かしたり、光、音、熱を発生させたりすることができます。

I/Oインターフェース: I/O（入力／出力）コネクタは、これらすべての構成要素を互いに通信させます。組み込みシステムは周囲の環境に反応し、影響を与えるため、物理的な信号（アナログ）を1と0（デジタル）に変換し、またその逆も行う必要があります。これらの変換や通信は、I²C（インター・インテグレーテッド・サーキット）、UART（ユニバーサル非同期受信送信）、SPI（シリアル・ペリフェラル・インターフェース）などの確立された通信プロトコルを使って行われます。

組み込みシステムのI/O接続は、物理デバイスをグローバルな通信ネットワークに接続できるため、IIoT（製造業における、モノのインターネット）を可能にします。組み込みシステムは、これまで家庭内の自己完結型機器において優れた性能を発揮してきましたが、その能力はさらに広がっており、日常的に身に着けたり使用したりする高度なデバイスから、製造業におけるIIoT対応の産業機器にまで及んでいます。

産業用ロボットに搭載された組み込みシステムは、エッジコンピューティングを実行できます。つまり、入力の近くにあるコンピュータでデータを処理と判断し、その状態に関する情報を広域ネットワークに送信します。そしてそのネットワークが、他のデバイスの組み込みシステムに新たな入力を提供します。これらすべてが、インダストリー4.0における接続性、効率性、そして高度な機能を可能にしているのです。