組込みシステム特論（1回目） ―...

組込みシステム

― 概論 ―

福田晃

九州大学大学院システム情報科学研究院

2

■定義

各種の機械や機器に組み込まれて，その制御を行うコンピュータシステム．

または，上記のコンピュータシステムをその一部として，機械・機器全体．

特定用途に特化されたシステム

範囲が広い，多様化している．

電子炊飯器から，原子力発電，人工衛星まで

■曖昧な部分あり．

ＰＣは，組込みシステムではない．

目的：汎用（特化された目的ではない）

ゲーム機は，組込みシステムか？

組込みシステムとは？

みんな組込みシステム

組込みソフトウェアとは？

3

組込みシステム（携帯電話，家電製品，自動車など）のコンピュータに予め内蔵されたプログラム携帯電話にタウンロードするＪＡＶＡプログラムは，組込みソフトウェアか？

組込みソフトウェアとは，言いがたい．

マイクロコンピュータ

ボード

4

多様な組込みシステム

★自動車用ソフトウェア（エンジン制御）

★工業制御・ＦＡ機器・産業機器

★運輸・建設機器

★設備機器

★交換機、基地局★医療機器

★コンピュータ周辺・ＯＡ機器

★テレビ、DVD

★家電機器

★携帯電話★カーナビ

★教育・娯楽機器

★個人用情報機器

一般利用

産業利用

制御中心情報処理中心

出展：「情報処理」２００５年６月

5

組込みシステム／ソフトウェアの特徴

専用化されたシステムシステム全体が，１つの目的のために専用化されて設計される．

激しいリソース制約制約

コストダウン要請消費エネルギー軽量化動作環境

制約の厳しさは，分野によって異なる．

高い信頼性システムの誤動作が人命に直結する分野もある．

プラント，クルマ，．．．

リアルタイム性システムが定めた時間制約に従って動作．単に，「処理が速い」ではない．

ビジネスモデルがＰＣとは異なる．とくに，バグ発生時．誰が責任を負うのか

ＰＣ：Ｗｉｎｄｏｗｓ，バグだらけ？－＞パッチの案内だけ？組込みシステム：開発者？

携帯電話，クルマ，．．．

6

組込みソフトウェア開発の特徴（１／３）

主に，ＰＣ開発と比較して．

ハードウェアに密着したプログラミング組込みシステムは，システムごとに，ハードウェア構成，周辺デバイスが異なる

ため，ハードウェアを直接扱う比率が高い．

ハードウェア性能を最大限に引き出す．

ハードウェアの知識が必要．

ノウハウが必要．

教育方法：従来は，徒弟制度的．

これでいいのか？

ハードウェアとの並行開発と協調設計ハードウェア，ソフトウェアの同時開発

ハードウェアの完成を待っては，遅い．

ソフトウェアの開発環境をどうするか？

バグが特定しにくい

ハードウェアのバグなのか？ソフトウェアのバグなのか？

7

組込みソフトウェア開発の特徴（２／３）

開発環境の特殊性ハードウェアが完成していない段階での開発

ターゲットシステムと開発環境が分離している．

クロス開発環境やリモートデバッグが必要．

多様なプラットフォーム組込みシステムの多様性に伴い，プラットフォーム（ハードウェア構成，

ＯＳ）が多様化．

移植が困難．

検証にコストがかかる．高い信頼性への要求．

事象再現が難しい．

タイミングに起因する非決定性

8

組込みソフトウェア開発の特徴（３／３）

通常処理以外の処理（例外処理）が占める割合が多い．例外処理

定義が曖昧

通常処理とは？

（定義１）：組込みシステムの使われ方に沿った処理

（定義２）：（定義１）＋仕様書に記載されている処理

ユーザは，開発者が思ってもみない，使い方をする．

バグが一度に顕在化．

外部からのアタックを考慮していない．ネットワークの普及に伴い，外部からのアタックが多くなる．

そこまで，考慮できていない．－＞大きな問題！

9

組込みシステム産業とその現状

12

組込みソフトウェア技術者数の指数的増大

2004 2006 年2005 2007 2008 2009

60

40

20

技術者数（万人）

不足数

技術者供給

技術者需要

開発手法改善

出典：経済産業省組込みソフトウェア産業実態調査(2006年度版)

100M

50M

1995 2000

オブジェクトサイズ

年

情報家電：ＴＶ

携帯電話

出典: 組込みソフトウェア開発力強化推進フォーラム(2004年6月)

日経エレクトロニクス 2000 9-1(no.778) をベース

組込みソフトウェア開発量の指数的増大

自動車：カーナビ

100M

50M

1995 2000

オブジェクトサイズ

年

情報家電：ＴＶ

携帯電話

出典: 組込みソフトウェア開発力強化推進フォーラム(2004年6月)

日経エレクトロニクス 2000 9-1(no.778) をベース

組込みソフトウェア開発量の指数的増大

自動車：カーナビ

組込みソフトウェア開発の危機

携帯電話の組込みソフトウェアの推移

13

1M

2M

4M

8M

16M

32M

64M

500K

●携帯電話のフラッシュ容量

（Byte）

1996～97

▲

▲

▲▲

▲▲

■■

■

■

■

●

●

●

1998～99 2000 2001 2002～03 （年）

Voice Phone

Internet Phone

Multimedia Terminal

Java■●

■

●MPEG-4

Audio

EEPROM

Function Voice Memo

Phone Book

Mail

Browser-Cache

Still-images

Ring-Melody

Koji Abe, SEMICON JAPAN 2000（Dec, 2000）

製品出荷後の不具合原因の割合

出典：経済産業省「2008年度版組込みソフトウェア産業実態調査報告書」

不具合装置名状況

エアバッグエアバッグ装置のエアバッグコントロールユニットにおいて、当該ユニットのプログラムが不適切であったため、前面オフセット衝突時の状態等により減速センサーの信号処理が遅れることがある。そのため、衝突時にエアバッグの展開が遅れ、最悪の場合、乗員が過度の障害を受けるおそれがある。

エンジンECUエンジンコントロールユニットのソフトウェアのプログラムが不適切なため、イグニッションスイッチを断った後も燃料ポンプが作動しつづけることがある。そのため、燃料パイプ内の圧力が高くなり、最悪の場合、燃料タンクとパイプの接続部から燃料がもれるおそれがある。

燃料計燃料計の制御コンピュータのプログラムが不適切なため、燃料の残量が正しく表示されず、また、残量警告灯が作動しないことがある。そのため、そのまま走行を続けると、最悪の場合、原動機が停止するおそれがある。

コンピュータイグニッションスイッチのキーレススタートシステムにおいて、スタートコントロールユニットのプログラムが不適切なため、イグニッションキーの役割をする携帯機との電波交信範囲外において施錠されない場合がある。そのため、その状態で運転者以外の者が、イグニッションスイッチを操作すると、エンジンを始動できるおそれがある。

Ａ／Ｔ

トランスミッションを制御するコントロール・ユニットのプログラムが不適切なため、ギヤ変速用シフト・シリンダに規定値を超える高い圧縮空気が供給されるため、ピストンがシリンダヘッドに強く接触することがある。そのため、そのままの状態で使用を続けると、接触の際の振動によりコントロール・ユニット基板内で接触不良が生じ、正常な変速制御が行われなくなり、最悪の場合、走行不能となるおそれがある。

方向指示器前面方向指示器の作動を制御するコントロール・ユニットのプログラムが不適切なため、当該方向指示器の点灯状態を認識しないものがある。そのため、当該方向指示器が故障した場合、運転者に作動状態を表示する装置が作動しないおそれがある。

燃料ホース/パイプ燃料噴射制御プログラムが不適切なため、中速回転域において噴射パイプに共振が発生し、パイプに亀裂が発生するものがある。そのため、そのまま使用を続けると、燃料が漏れてエンジンオイルに混入して、シリンダ内で燃焼されるため、出力不足となる又は振動が発生し、最悪の場合、エンストし再始動できなくなるおそれがある。

ABS４輪駆動車のＡＢＳ（アンチロックブレーキシステム）の制御プログラムが不適切なため、凹凸路面等でＡＢＳの作動を制限する制御が不十分になる場合がある。そのため、低速走行時に凹凸の続く下り坂の路面においてブレーキ操作した場合に、運転者の予測より制動停止距離が伸びるおそれがある。

2006年度の自動車リコール・改善対策ソフトウェアが影響しているもの（例）・・・・国交省HPより抽出

引用元：IPA 門田氏提供資料

18

ソフトウェア不具合による自動車リコール・改善対策事例

出展：国土交通省のリコール届出ＤＢより抜粋

ここ数年ソフトウェアに起因するリコール・改善対策が急激に増加


ソフトウェアが影響している失敗事例

19

名古屋空港で中華航空140便エアバスA300-600Rが着陸に失敗炎上操縦乗員の自動操縦装置の誤操作＋操縦システム設計の不備

操縦権をシステムとパイロットで取り合うゴーアラウンド指示

UIの設計不備パイロットの習熟不足

50億円の損害賠償

アリアン5型ロケット打ち上げ直後に爆発炎上(1996/6) 飛行制御システムのバグ

64ビット浮動小数点から16ビット整数への変換時に桁あふれ 2系統ともにダウン

アリアン4型ロケットと同様のシステムだったが・・・ 80億USD

首都圏の自動改札トラブル (2007/10) 首都圏の各駅(660以上)において自動改札が起動しなくなる

ICカード処理のバグサーバとの通信 ← 従来なかったような機能

260万人に影響

20

製品出荷後の設計品質問題の発生率

出典：2007年版組込みソフトウェア産業実態調査（経営者・事業責任者向け調査報告書）

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

2005年

2006年

2007年

なし 10％未満 10～20％未満 20～30％未満 30%以上


21

Q4-1 組込みソフトウェア開発の課題

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80%

設計品質の向上

新製品の開発

開発期間の短縮

開発能力（量）の向上

生産性の向上

開発コストの削減

市場の拡大

新技術の開発

製品安全性の確保

製品品質の向上

その他

1番目 2番目 3番目

出典：2007年版組込みソフトウェア産業実態調査（経営者・事業責任者向け調査報告書）引用元：IPA 門田氏提供資料

22

Q4-2 組込みソフトウェア開発課題解決の有効手段

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70%

技術者のスキル向上

技術者の確保

プロジェクトマネージャのスキル向上

開発手法・開発技術の向上

プロジェクトマネ－ジャの確保

管理手法・管理技術の向上

新技術の開発・導入

開発環境の整備・改善

開発製品数・開発費の削減・最適化

経営者・投資家の理解

委託先の確保･能力向上

その他

有効度1 有効度2 有効度3


23

組込みシステム／ソフトウェアの課題

設計品質・信頼性・安全性の確保／向上設計／開発プロセス，設計／開発手法，コーディング，テスト／検証手法全体に

渡っての見直し．

設計／開発資産の再利用の促進再利用可能な設計／開発手法の確立が必要．資産の標準化

社内／業界レベル

ハードウェアとソフトウェアの協調設計評価関数は何か？

コスト，消費エネルギー，．．．

技術者の不足とくに，組込みソフトウェア

その他の多くの課題：例低消費エネルギー開発技術安全性保証技術：機能安全セキュリティ技術

24

組込みソフトウェアに必要な技術

25

組込みソフトの知識体系

マイコンハード

プログラミング

組込みマイコン

機器制御

センサー

アクチュエータ

開発方法論

電気電子の基礎

機能安全･信頼性

通信方式無線回路プロトコル

ＯＡ機器

家電製品

車載ＬＡＮ車載機器制御

安全制御

ＦＡ機器

ネットワーク

組込みソフト

共通技術

組込みシステム

関係技術・周辺知識

応用分野

固有の知識

開発ツール

組込み用Ｃ言語

通信機器自動車

組込みＯＳ

引用元：「福岡システムＬＳＩカレッジテキスト組込みソフトウェア技術者養成講座ー入門コースー」

システム構成

機械

RUNLOOP:

CALL INPUT

BIT 7, C

JP Z, NEXT2

LD A, (STATE)

LD B, A

XOR A

SUB B

LD (STATE), A

LD A, SECCNTMAX

LD (SECCNT), A

NEXT2: BIT 6, C

JP Z, NEXT3

CALL REQREV

LD A, SECCNTMAX

LD (SECCNT), A

電気電子ソフト

PCB LSI筐体機構

26

27

組込みソフト共通技術

マイコンチップ

内部バス

ＣＰＵコア

（命令実行）

ＲＡＭ

（一時データ）

ＲＯＭ

（プログラム

保存データ）

入力インターフェース

出力インターフェース


28

組込みシステム関係技術・周辺知識

PX.CR.BYTE = 0x30;

PX.CCR = 0xFF;

for(i = 0; i < 8; i++) {

AcmSet[i].ON = FALSE;

AcmSet[i].CY = 0;

AcmSet[i].TR = 0;

}

ISU.DSTR.BIT.PTR3 = 0;

ISU.DSTR.BIT.PTR4 = 0;

機械制御ネットワーク

組込み向けＣ言語

電気電子の基礎

開発ツール


29

応用分野（ドメイン）の知識

自動車通信機器家電品

ＯＡ機器ＦＡ機器


30

カーエレクトニクス

31

クルマの中の組込みシステム

32

クルマの加速するIT化～ロボット化するクルマ～

コーディング５９％

ハード設計１５％

ハード仕様２％

ソフト設計１２％

ソフト仕様１２％

・電子制御ユニット（ECU）：約１００個（トヨタレクサスLS460）・国内クルマ関連のソフトウェア開発費

１０００億円/年－＞2014年１兆円/年（経済産業省）

ECU開発工数の内訳（業界調べ）

33

ﾅﾋﾞ制御系

（ｴﾝｼﾞﾝ・ﾌﾞﾚｰｷ）

ボデー系

ROM容量メガのオーダーメガ未満キロのオーダー

RAM容量キロからメガ１～１０数キロキロのオーダー

時間制約 100msec程度～数msec 100msec程度

浮動小数点演算 ○ ×～△ ×

扱う演算 GUI

状態遷移系

物理モデル

数値マップ参照

状態遷移

状態遷移系

数値マップ参照

使用言語 C, C++,JAVA C, アセンブラ C, アセンブラ

特徴パソコン並み変数のほとんどはグローバル変数

安いが命のシステム多数

出展：2007年1月15日第四回QUESTセミナー

車載組込みソフトウェアの特徴

34

車載IT化の問題点

スペースの問題 ECUを搭載する場所がない．

ケーブル，電源ワイヤが太くなり，通せない，曲げられない．

コストの問題箱が多いと箱代がかかる．

ハーネス代増加

重量の問題ハーネスだけでも数十キロ

ソフトウェアの比重が増大開発コストの４割

鍵は，ソフトウェア！

35

Ａ社の電子制御式ﾌﾞﾚｰｷｼｽﾃﾑ（ＥＣＢ）用ＥＣＵ

Ｔ社の車両運動制御ｼｽﾃﾑ（ＶＤＩＭ）用ＥＣＵ

Ｄ社のＣＡＮ通信ゲートウェイ（Ｇ／Ｗ）用ＥＣＵ

Ａ社の電子制御式ﾌﾞﾚｰｷｼｽﾃﾑ（ＥＣＢ）用ＥＣＵ

標準ソフトウェア・プラットフォーム

Ａ社ＥＣＢ用ｿﾌﾄｳｪｱ

Ｔ社ＶＤＩＭ用ｿﾌﾄｳｪｱ

Ｄ社Ｇ／Ｗ用ｿﾌﾄｳｪｱ

出展：日経エレクトロニクス 2006年12月18日号

部品供給からソフトウェア供給へ

車載ソフトウェアの部品化

36

車載ソフトウェア開発の課題と解決方法

典型的な摺り合わせ型開発

大規模，複雑化従来：

電子部品の付録的存在主に，車種ごとの開発

ソフトの再利用再利用はコードレベルボトムアップ型再利用

ECUの統合化に伴う課題個別ソフト同士がつながらない．インタオペラビリティの保証

クルマの価値は，今後，ソフトウェアで決まる．

高品質保証安全性の確保

派生車種の開発方法論ソフトウェア・プロダクトライン開発方法

上流での設計・検証技術モデル駆動開発

検証技術モデリングモデルチェッキング技術

ソフトウェア開発の破綻

37

以上

組込みシステム特論（1回目） ―...

Documents