組み込み系言語とは？拡大する組み込みシステムの用途についても解説！

組み込み系言語とは？

ここで言う言語とはプログラミング言語のことで、アプリケーションソフトウェアを記述するプログラミング言語のことを言います。家電や産業用システムにはコンピュータシステムが内蔵されており、アプリケーションソフトウェアによって補助機能や監視機能が実装されています。

組み込み言語は組み込みシステムで稼働する組み込みアプリケーションを記述するためのプログラミング言語を指します。ここでは、組み込み系言語がどのように用いられているのか見ていきましょう。

組み込み系言語を用いて開発するアプリケーションは、電子機器を制御したり動作監視をするソフトウェアとなります。そのアプリケーションは家電品や産業用システム・装置に組み込まれており、本体と独立して稼働することにより本体動作を自動化したり、機器の動作が正常か監視する役割を持ちます。

組み込み系言語はコンピュータのプログラミング言語となります。組み込みエンジニアが組み込み機器の設計・開発・実装を担当し、不足機能を必要に応じて組み込み系言語を用いてプログラム開発を行います。

組み込みシステムのプログラマーは開発工程のプログラミングを中心に対応します。同様に開発した組み込みソフトウェアのメンテナンスも担当します。

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組み込みシステムとは？

近年、スマート家電やスマート機器が市場に浸透しています。その家電製品や機器などの通常の機能に加えて、IoT等の情報通信機能や補助機能が一層充実してきました。

機器の内部では機械と独立してマイクロプロセッサーやLSI等が搭載されています。その機器本体とは独立した電子機器を制御するためのシステムを組み込みシステムと言います。

従来は白物家電と言われていましたが、現在はスマート家電として注目度が高まっています。具体的には電子レンジや炊飯器の自動調理機能、冷蔵庫の食品管理技術、洗濯機の水量調整・乾燥機能、エアコンの自動温度調整等があります。

これらは、機器本体の機能と独立して稼働を監視したり本体へ動作を指示するマイコンが内蔵されており、組み込みシステムの実装例の1つと言えます。

現在車の必需品となりつつあるカーナビゲーションシステムや渋滞予測は、内部搭載されているコンピュータシステムにより動作しています。同様に車自体も脱炭素社会に向けてEV化を進んでいきますので、装置の電子部品化が更に進み組み込みシステムの実装がさらに増えるでしょう。

交通監視システムや防犯システム等のセキュリティ機器への活用が広がっています。また、医療用機器の検査装置やモニターシステム内部には数多くの組み込みシステムが搭載されています。輸送用機器では自動車以外でも船舶や人工衛星・航空機とあらゆる機器に適応されています。

組み込み系言語の種類は？

組み込み系言語は多岐にわたりますが、C言語、C++、Java、アセンブラが代表的な言語となります。組み込みエンジニアは組み込みシステムの特性に合わせて稼働環境のOSと開発するソフトウェアモジュールのプログラミング言語を選択します。

組み込み系言語は既存システムを流用するのか、新規開発するのか等によって、選択する言語を検討していきます。

C言語は1972年登場以来50年近くにわたりUNIX/Linux系システムで活用されており、高速な動作とコード再利用性に特徴があります。長きにわたって使用されているために組み込み用ライブラリーの蓄積が多くメンテナンス性に優れています。

C++はC言語から派生したオブジェクト指向言語です。そのため、旧来からのアプリケーションメンテナンス性に強みを持つC言語に並び利用されています。C++はオブジェクト指向言語であり、数多くの開発環境でサポートされています。そのために、新規開発時の標準言語として採用されるケースが多くなっています。

Java、アセンブラはC言語やC++よりも特定領域に用いられます。Javaはコード再利用性が高いですが、動作速度が遅いのが難点となります。逆にアセンブラはCPU固有のマシン語記述により実行速度が高速ですが、CPU依存度が高く移植性が低いのが難点となります。

組み込み系言語の稼働環境は？

ここでは、組み込みシステムの稼働環境としてどのようなオペレーティングシステム(OS)が選ばれるのか見ていきましょう。ITRON、VxWorks、OS-9は聞きなれない人も多いかもしれませんが、組み込みシステム向けのOSとなります。

同様にWindows、Linux、AndroidはPCやサーバー、スマート機器に実装されている比較的目に触れることの多いOSで汎用的に利用されるOSです。

組み込みシステムの実装条件や稼働条件には多くの制約が求められます。そのため適合要件をクリアしたものが組み込みシステムとして実装されています。具体的には収納スペースに制限があり、フォームファクター（実装面積）が所定のサイズに入る必要があります。

同様に対環境性として稼働温度が保証される必要があります。具体的には車のダッシュボードは高温になりますし、調理器具も高温ですので耐熱性が求められます。また結果的にスペース効率の問題で消費電力を低減するために省電力CPUを選択したり、メモリー容量も制限を受けることが多くなります。

そのため、開発するアプリケーションは省電力CPUでも動作する速度とメモリー使用量が重視される傾向があります。

ITRON、VxWorks、OS-9は代表的な組み込み専用OSとなります。特徴は処理のリアルタイム性能が高くレスポンス時間の保証がしやすいこと、システムオーバーヘッドが少ないため処理完了時間が所定の想定範囲に収まり動作予測がしやすいことが挙げられるでしょう。

Windows、Linuxが代表的な汎用OSとなります。同様にAndroidはスマート機器での採用が増えています。特徴はターゲット環境を構築する際にも汎用OSですので、手軽に開発・デバッグが行えるメリットがあります。同時にネットワーク接続やGUIの実装も簡単にできますので今後適応領域が広がっていくでしょう。

組み込み言語を学ぶ際は、市販の書籍あるいはITプログラミングスクールを活用しましょう。実際の開発工程では、組み込みシステムの特性によってどの組み込み言語を使用するか選択していきます。そのため、稼働環境に合わせたプログラミングを行いますので、プログラミング能力とともに組み込みシステム特性を理解することが求められます。

組み込みOSとしては、LinuxやWindowsを用いるケースが多いです。そのため、Raspberry Piなど市販の組み込みシステムを用いてスキルアップを図ることができます。同様にスマート端末を活用する場合は、AppleのiOSやAndroidでアプリケーション開発を進めることが多いので、OSが対応する端末を利用してAPI学習を進めることができます。

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組み込み言語および組み込みシステムのスキルを高めてチャレンジ領域を広げよう

組み込みシステムは家電から医療機器・産業システムに至るまで、多くの機器に組み込まれています。特にIoTとしてモノのインターネットが情報共有による利用領域を拡大されており、今後も採用の幅が広がるでしょう。

その拡大する組み込みシステムを動作するアプリケーションは組み込み言語により開発・保全されています。特にIoTでは利便性に加えて不正アクセスに対する安全性に対するニーズが非常に求められます。

そのため、組み込みシステムの開発モジュールはより安全性が求められ、組み込み系言語の知識とプログラミング経験がさらに今後重要となるでしょう。