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組み込み技術とは
組み込みソフトウェア(組込みソフトウェア)は、家電製品や自動車、産業機器など、私たちの暮らしや社会インフラのあらゆる場面で使われています。本記事では、組み込みソフトウェアの基礎から、開発の流れ、主な言語・OS、品質・安全性、さらに自動車分野での活用や市場動向まで、組み込み開発に長年携わってきた富士ソフトの視点でわかりやすく解説します。
組み込みソフトウェアとは、組み込み機器に搭載されて動作する専用ソフトウェアのことを指します。組み込み機器とは、特定用途向けに特化し、C言語などの組み込みシステム開発に適した言語を使って、限定された機能を果たすことを目的とした機器のことで、携帯電話やデジタルカメラ、家電製品、産業機器などが代表例です。
一般的なパソコンにインストールして使うアプリケーションソフトウェアは、WindowsやmacOS、Linuxなどの汎用OSの上で、多目的に利用されることを前提としています。一方、組み込みソフトウェアは、組み込み機器に最初から組み込むことを前提に作られ、
といった条件のもとで動作する点が大きな違いです。
私たちの身の回りには、非常に多様な組み込みシステムや組み込み機器が存在しています。 例えばデジタル時計の場合、現在時刻を表示することが主な役割です。内部では、水晶振動子の信号を処理したり電波を受信したりすることで現在時刻を読み込み、その情報を液晶パネルに表示させています。 このとき、「現在時刻を読み込むハードウェア」と「時刻を表示させるハードウェア」が組み合わさることでデジタル時計という組み込みシステムが成り立ち、それらを統合・制御しているのが組み込みソフトウェアであるというわけです。
もう一つ、より日常生活に密着した例として洗濯機を見てみましょう。洗濯機は単にモーターを回すだけの装置ではなく、
など、複雑な制御ロジックが詰まった組み込みシステムです。センサーからの水位や重量の情報を読み取り、CPUがその情報をもとに最適な運転制御を行います。この一連の処理を支えているのが、まさに組み込みソフトウェアです。
近年ではスマート家電として進化し、スマートフォンとの連携やエラー通知、最適な洗濯プログラムの提案なども実現されています。単に「動かす」だけではなく、「状況に応じて適応する」知的な動作が求められるようになった点は、組み込みソフトウェアの進化を象徴しています。 主に電話するものであった携帯電話やスマートフォンが、ハードウェアや組み込みソフトウェアの進化にあわせ、ブラウザやデジタルカメラ、GPS地図などその機能を広げてきているのもその典型例といえます。
エアコン、冷蔵庫、洗濯機、電子レンジ、テレビ、ゲーム機など、多くの家電・コンシューマ機器に組み込みソフトウェアが搭載されています。
といった付加機能も、組み込みソフトウェアの高度化によって実現されています。
自動車には数十〜数百個のECU（Electronic Control Unit）が搭載され、それぞれに組み込みソフトウェアが動作しています。エンジンや自動変速機、ブレーキ、ステアリング、エアバッグ、カーナビゲーション、マルチメディア、ADAS（先進運転支援システム）など、多様な制御を担っています。
これらの制御は単独ではなく、お互いに連携しながら動作する必要があります。例えば、安全性を確保するためには、
など、複数の組み込みソフトウェアが密に連携した設計が求められます。
工場の生産ラインを制御する産業用ロボットやPLC（プログラマブルロジックコントローラ）、工作機械、検査装置、医療機器、基地局やネットワーク機器、電力・交通・通信インフラなどにも組み込みソフトウェアが利用されています。
これらの分野では、停止や誤動作が生産ラインの停止や事故、インフラ障害に直結するため、高い信頼性・長期安定稼働・保守性が強く求められます。
組み込みソフトウェアは、そのハードウェアとなる組み込み機器を制御するものです。時計や家電機器における利用に加えて、より大規模な機械として代表的なのが自動車です。 ここでは、組み込みソフトウェア分野で中心的な存在である自動車分野について詳しくご説明します。
自動車では、
など、多数の機能が組み込みソフトウェアによって制御されています。これらの制御機構は、小さなマイコンを集積したECUにソフトウェアとして組み込まれていますが、それぞれの制御は単独で完結するものではなく、車両全体として高度に連携しながら動作しなければなりません。
例えばセキュリティ面では、自動車本体が盗難されないようにするだけでなく、カーナビゲーションや通信機能を通じて扱われるプライバシー情報が外部に漏洩しないようにする必要があります。
こうした要求に対応するため、自動車業界では、開発プロセスの標準化（AUTOSAR(AUTomotive Open System ARchitecture)、A-SPICE（Automotive SPICE）など）や、マイコンを集積したECU間連携を円滑にするためのアーキテクチャ整備が進められています。
富士ソフトは車載分野においても、多数のECU開発・HMI開発・テスト自動化などの実績を持ち、システム全体を見据えた組み込みソフトウェア開発支援を提供しています。
組み込みソフトウェア開発の現場では、組み込みシステムを効率的に設計・検証するために、C言語やC++、Javaなどのプログラミング言語が使われます。特にC言語はハードウェア寄りの記述が可能であり、組み込みシステムに最適な言語とされています。CPUのレジスタ操作やメモリ管理など、低レベルな制御が必要な場面でも扱いやすいことがC言語が特に好まれる理由です。
近年は、オブジェクト指向設計を取り入れる目的でC言語に加え、C++を採用する事例も増えています。また、Javaはポータビリティの高さから一部の組み込み環境で活用されてきましたが、最近ではスクリプト言語やRustなど新しい選択肢も登場しC言語以外の言語の存在感が増してきています。
組み込みシステムでは、一般的なWindowsやLinuxなどのOSではなく、リアルタイムOSと呼ばれる組み込み機器専用のOSが使われることが一般的です。
リアルタイムOS（RTOS）とは、決められた時間内に確実に処理を完了させることを保証するオペレーティングシステムです。一般的なLinuxなどの汎用OSとは異なり、処理の優先順位管理やタスクスケジューリングが厳密に制御され、ミリ秒単位での応答性を実現します。
組み込みシステムにおいて、リアルタイムOSは極めて重要な役割を果たします。自動車のエンジン制御や医療機器、産業用ロボットなど、タイミングのずれが致命的な結果を招く分野では必須の技術です。近年のIoT機器でも、センサーデータのリアルタイム処理やクラウドとの通信制御において重要性が増しています。開発に使われるプログラミング言語としては、ハードウェアに近い制御が可能なC言語が主流ですが、JAVAのリアルタイム拡張版も登場しています。
リアルタイムOSは「ハードリアルタイム」と「ソフトリアルタイム」に分類され、前者は絶対的な時間制約を必ず守り、後者は時間制約を統計的に満たすが遅延を許容します。
最近では組み込みシステムでもOSとしてLinuxが使われるケースが増えてきており、LinuxベースのリアルタイムOS拡張も存在し、IoTゲートウェイなどで活用されています。
以上のようにリアルタイムOSは現代の組み込みシステムとIoTの信頼性を支える基盤技術となっています。
次に、組み込みソフトウェア開発・設計の流れについて解説します。
組み込みソフトウェアの開発と、パソコン上で動作する一般的なソフトウェアの開発との最も大きな違いは、開発環境と動作環境が異なるという点にあります。一般的なソフトウェアでは、WindowsやLinux上で開発したプログラムをそのまま同じPC上で動作させることができますが、組み込み機器の場合、作成を行うハードウェアと実際に動作させるハードウェアが別々です。
そのため、ソフトウェアのプログラムをターゲット機器側で実行させ、その結果を開発用PC側に表示させる、といった通信・制御の作業が必要になります。いわゆるクロス開発環境での開発が前提となります。 典型的な開発プロセスは次の通りです。
1. 要求分析・要件定義 自社製品として実現したい機能・性能、安全性、コスト、スケジュールなどを整理し、ハードウェア仕様とあわせてソフトウェア要件を定義します。
2. アーキテクチャ設計・詳細設計 どの機能をどのマイコンやプロセッサで実装するか、OSやミドルウェア構成、タスク分割、通信インターフェースなどを設計します。リアルタイム性とリソース制約を考慮した設計が重要です。
3. 実装（プログラミング） C言語やC++などを用いてプログラムを実装します。ハードウェア依存部（デバイスドライバなど）とアプリケーションロジックを分離し、保守性と流用性を高めます。
4. ビルド・クロスコンパイル 開発PC上の統合開発環境（Visual Studioや各種IDEなど）でコンパイルし、ターゲットCPU向けの実行ファイルを生成します。ここで構文エラーや型の不整合といった文法エラーを取り除きます。
5. デバッグ・実機検証 ICEやJTAGといった機器を使用して、組み込み機器と開発環境間の通信を行いながらデバッグします。ブレークポイントを設定し、ステップ実行やメモリの状態を確認することで、ターゲット上での動作を検証します。近年はMILS/SILS/HILSなどのシミュレーション・システムも組み合わせ、早期に不具合を検出する手法が一般的になっています。
6. 量産・保守 量産時のファームウェア書き込み方法、出荷後のアップデート（OTAなど）、障害対応・脆弱性対応といった運用・保守も含めた設計が必要です。
言語選定という点では、組み込みソフトウェアの制約のもとでは、C++やJava、C#などの高レベル言語が利用できないケースもかつては多く、アセンブラ言語を用いる必要がありました。最近では高性能なマイコンやSoCの普及により、高レベル言語のみでプログラミングできるケースが増えてきましたが、依然として開発言語の選択はパソコン向け以上に慎重な判断が求められる領域です。
組み込みソフトウェア開発の対象となる組み込みシステムでは、前述のように限られたリソース内での処理最適化が求められます。これが一般的なデスクトップ向けソフトウェアとは大きく異なる点です。特に電子機器の性能向上やネットワーク対応により、ソフトウェア開発の難易度は年々増しています。電子回路や電子基板、CPUの選定からリソース管理まで、あらゆる設計判断が品質に直結します。
そのため、C言語などソフトウェア開発の知識はもちろん、それを組み込む電子回路や電子基板、CPUなどハードウェアに関する組み込み技術に関して高度な知識やスキルを持つエンジニアは、企業で貴重な人材と見なされます。 なお組み込みに関する資格として、エンベデッドシステムスペシャリストやETECなどがあります。組込み技術者を対象とした資格の試験勉強をすることで、組み込み技術や知識を体系的に習得できます。
組み込みソフトウェアは、個々の機能に特化した処理をする機構であると同時に、近年では複数機能を連携させる統合的な役割が求められるようになってきています。自動車の例でも見たように、センサー・制御・通信・セキュリティ・クラウド連携など、多数の機能が連動することが前提になりつつあります。
市場動向としては、
といったトレンドを背景に、組み込みソフトウェアの需要は今後も高まり続けると予想されています。これに伴い、組み込みシステム開発の市場規模は拡大を続け、組み込みを専門とするエンジニアへの求人も増加傾向にあります。
一方で、ソフトウェアボリュームの増大や安全・セキュリティ要求の高度化により、開発難易度や品質管理の負荷も年々上昇しています。モデルベース開発（MBD）やソフトウェアテスト自動化、OSS活用とSBOM管理など、開発プロセス全体を見直す取り組みも不可欠になっています。
自社製品の組み込みソフトウェア開発を外部に委託する場合、次のような観点で開発パートナーを選定することが重要です。
1. 対象分野での実績 自動車、産業機器、医療機器、コンシューマ機器など、自社が属する業界での開発実績があるか。
2. 対応可能なプラットフォーム 想定しているマイコン／SoC、OS（リアルタイムOS／組み込みLinuxなど）、通信プロトコルへの知見や実績を持っているか。
3. 品質・安全規格への対応力 ISO 26262やIEC 62304など、各種業界規格に基づく開発経験があり、品質保証・ソフトウェアテスト・セキュリティを含めた体制が整っているか。
4. 上流工程〜量産・保守までの対応範囲 要件定義・アーキテクチャ設計から試作機での検証、組み込みソフトウェアテスト、製品量産立ち上げ、出荷後のアップデート支援まで一貫して対応できるか。
5. コミュニケーションとプロジェクトマネジメント 仕様変更や課題発生時に、柔軟かつ透明性のあるコミュニケーションができるか。PMO的な立場で複数ベンダーや関係部門を束ねる力があるか。
富士ソフトでは、これらの観点を満たす体制を整え、長年培ってきた組み込みソフトウェア開発のノウハウをもとに、お客様の製品開発をトータルに支援しています。
富士ソフトは、組み込みソフトウェア・組み込みシステム開発のパートナーとして、以下のような強みを活かした支援を提供しています。
新規製品の企画段階から、既存製品の機能追加、性能改善、品質向上、セキュリティ強化まで、組み込みソフトウェアに関する課題がございましたら、ぜひ富士ソフトへご相談ください。
A1. 組み込みシステムは、ハードウェアとソフトウェアを含めた「機器全体の仕組み」を指し、その中で機器を制御するプログラム部分が組み込みソフトウェアです。
A2. 最も広く使われているのはC言語で、ハードウェアに近い制御と高い効率が両立できます。近年はC++やJava、用途によってはスクリプト言語やRustなども併用されています。
A3. IoTや自動運転、エッジAI、スマートファクトリーなどの広がりにより、組み込みソフトウェアの需要は今後も高い水準で継続すると見込まれています。
A4. IoT機器やエッジデバイスでは、センサー情報の収集や前処理、AI推論などを端末側で行う必要があります。その処理を担うのが組み込みソフトウェアであり、クラウドと連携しながら動作するケースも増えています。
A5. 対象分野での実績、対応プラットフォーム、組み込みシステムにおけるソフトウェアテストの知見など、品質・安全規格への対応力、上流〜量産・保守までの対応範囲、プロジェクトマネジメント力などを総合的に確認することが重要です。
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