組み込みソフトウェアとは？ 概要や開発のポイント、流れを解説

組み込みソフトウェアとは？

組み込みソフトウェア（Embedded Software）とは、ハードウェアそのものを制御するために機器内部に直接組み込まれる専用プログラムのことです。そして、組み込みソフトウェアを内蔵し、限られた用途・目的に特化して作られた機器（家電や自動車、医療機器など）を組み込み機器と呼びます。

組み込みソフトウェアと対比される概念に、汎用ソフトウェア（PCのアプリケーションなど）があります。汎用ソフトウェアはPCやスマートフォンなどの汎用コンピューター上で作動し、ユーザーがさまざまな目的で使用できるソフトウェアのことです。一方、組み込みソフトウェアはハードウェアを正確かつ長期間安定して制御することを目的としており、ユーザーが機器を購入した時点で必ず内蔵されているものです。特定の目的のために専用設計されており、組み込みソフトウェアがなくては、どんなに機能が単純な電子機器でも一切稼働しません。

組み込みソフトウェアの特徴

組み込みソフトウェアの主な特徴は以下の3つです。

• 用途の特化：「温度を下げる」「モーターを回す」といった、単一の用途・目的に特化して設計される。

• リソースの制約：組み込みソフトウェアは、サイズやコストなどの問題で搭載されるメモリ容量やCPUの性能に 物理的な制約が生じる。そのため、無駄のない軽量なコード設計と省電力なプログラミングが求められる。

• リアルタイム性と信頼性：特に医療機器や自動車のブレーキなどは、処理の遅れや誤作動が重大な事故に 直結するため、極めて高い信頼性と即時性が求められる。

これらの特徴は、機器側が組み込みソフトウェアに要求している内容ともいえます。組み込みソフトウェアはこの要求を実現するために、機器に直接内蔵されます。

組み込みソフトウェアが内蔵されている機器の例

組み込みソフトウェアは、以下のような身近な製品を動かすために多く使われています。

• 家電製品：エアコン、洗濯機、炊飯器、電子レンジ
• 自動車：エンジン、自動ブレーキ、カーナビ、EVのバッテリー
• 産業機器：工場のロボット、センサー
• インフラ：医療機器、信号機、自動販売機

このように、電気を使用する機器のほとんどに組み込みソフトウェアが内蔵されています。例えば、電子レンジは「食品を温めること」に特化した家電製品です。そのため、電子レンジの組み込みソフトウェアは、食品を温めるためのハードウェアを制御するための機能（温度調整、時間制御など）に特化しています。

組み込みソフトウェアを開発するステップ

組み込みソフトウェアを開発するステップは、主に以下の5つです。

① 要件定義 ② 設計 ③ 実装 ④ テスト ⑤ 保守

工程自体は前述した汎用ソフトウェア開発と同じですが、組み込みソフトウェア開発には「ハードウェアとの密接な連携が求められる」という特有の難しさがあります。そのため、組み込みソフトウェア開発では、各工程でこまめなテストが行える「V字モデル」を採用するのが一般的です。

V字モデルとは、「要件定義に対する総合テスト」「詳細設計に対する単体テスト」といったような、各設計工程にテスト工程を一対一で対応させた厳格な工程管理モデルです。これにより、手戻りや深刻なバグを防げます。

組み込みソフトウェア開発の特徴

組み込みソフトウェア開発には、ハードウェアとの密接な連携が求められます。そのため、汎用ソフトウェア開発とは異なる以下のような特徴があります。

• C言語を使って開発されることが多い
• 開発環境と動作環境が異なる

それぞれ、詳しく解説します。

C言語を使って開発されることが多い

組み込みソフトウェアは、使用できるリソース（メモリやCPUなど）の制約が厳しいにもかかわらず、高い即時性などを求められます。そのため、開発する際は「処理速度が速い」「ハードウェアに近い処理がしやすい」「メモリ管理がしやすい」といった特徴を持った言語を使用します。これらすべての特徴を併せ持つ言語が、C言語です。C言語はCPUやメモリ領域の管理など、ハードウェアを直接制御するプログラムの設計が行いやすいため、無駄なく、高速に動作します。また、C言語を拡張した「C++」も多く使用されます。

さらに近年は高度な組み込み機器が増えており、用途に応じてC言語以外の多様な言語が使い分けられています。例えば、ネットワーク通信機能を持つ機器の場合は「Java」が、画面（UI）を持つ機器の場合は「C#」が使用されます。

開発環境と動作環境が異なる

汎用ソフトウェアはPC上で動作するため、開発・テスト作業をPC上で完結できますが、一方、組み込みソフトウェアはPC上でプログラミングやデバッグを行いながらプログラムを作成し、家電などの機器に組み込みます。このような、開発環境と動作環境が異なる特殊な環境のことを「クロス環境」と呼びます。

クロス環境ではまず、PC上のテスト環境で動作テストを行います。問題がなければ開発したプログラムを組み込み機器に移設し、組み込み機器上で再度動作テストを行います。組み込み機器の動作・制御には、ICEやJTAGと呼ばれる機器を使用します。このように、組み込みソフトウェア独特の開発環境などについても学ぶ必要があります。

組み込みソフトウェア開発に求められるスキル・知識

組み込みソフトウェア開発に求められる主なスキル・知識は以下の3つです。

• プログラミングの知識（C言語やアセンブリ言語など）
• 開発環境に関する知識（LinuxやリアルタイムOS（RTOS）など）
• ハードウェアに関する知識（電子基板や電子機器そのものに関する知識など）

組み込みソフトウェアの開発には、高度で専門的な知識が幅広く求められます。これらの知識や技術を持った人材を、自社でゼロから育成・確保することは容易ではありません。そのため、すでに実績のある開発会社へ外注することも一つの手段です。

ただし、外注する際は、その外注先がどのような案件を得意としているのかを確認する必要があります。企業やエンジニアによって得意とする案件が異なるためです。自社のニーズに適した開発会社に外注することで、自社で開発するよりも高い費用対効果を得られます。

まとめ

今回は、組み込みソフトウェアの概要や開発の際のポイント、必要なスキルや知識などについてご紹介しました。組み込みソフトウェアは、私たちの身近にある電子機器ほぼすべてに内蔵されているソフトウェアです。機器の動きそのものを制御するため、ハードウェアと密接に連携を取れるように開発を進める必要があり、非常に専門的で高度な知識が多く要求されます。自社でシステムを内製するのではなく、外注を検討することも選択肢の一つです。

組み込みソフトウェア開発ならＳｋｙ株式会社

Ｓｋｙ株式会社は1985年の創業以来、デジタル複合機や携帯電話、カーナビゲーションシステムなど、各種メーカー様向けの「組み込み / 制御システム開発」に数多く携わってきました。組み込み機器のセンサーデータの収集・解析から、AWS / Microsoft Azureを用いたクラウドサーバー構築、スマートフォンのアプリまでをシームレスに連携できます。さらに、自社商品の開発で培った検証技術を生かし、第三者視点でバグの検出や品質向上を支援することも可能です。組み込みソフトウェア開発の外注をお考えの際は、Ｓｋｙ株式会社を候補の一つとしてご検討ください。