Współczesne systemy wbudowane i komputery opierają się na dwóch kluczowych elementach: oprogramowaniu układowym i oprogramowaniu.
Świat dynamicznie przechodzi transformację cyfrową, a komputery stały się narzędziem pracy w wielu dziedzinach. W kontekście tych urządzeń, dwa najczęściej spotykane terminy to właśnie oprogramowanie i sprzęt.
Wiele elementów składa się na współczesne urządzenia techniczne. Poza różnymi rodzajami oprogramowania i sprzętu, spotykamy się również z oprogramowaniem układowym.
W branży elektronicznej zarówno oprogramowanie układowe, jak i oprogramowanie zyskały na znaczeniu. Rozróżnienie między nimi bywa jednak kłopotliwe, ponieważ ich cele mogą się w pewnych aspektach pokrywać.
Przykładowo, podczas ręcznej instalacji aktualizacji systemu operacyjnego Android, termin „oprogramowanie układowe” może być stosowany. Oznacza to, że podczas procesu flashowania aktualizacji na telefonie z Androidem, instalowane oprogramowanie jest specyficzne dla danego urządzenia i jego sprzętu.
Jeśli powyższe informacje wydają się skomplikowane, przejdźmy do szczegółowego omówienia tego tematu.
W tym artykule przeanalizuję różnice, podobieństwa i specyficzne zastosowania oprogramowania oraz oprogramowania układowego.
Zaczynajmy!
Czym jest oprogramowanie układowe?
W świecie komputerów, oprogramowanie układowe to wyspecjalizowana kategoria oprogramowania, która zapewnia kontrolę nad konkretnym sprzętem urządzenia na niskim poziomie. Obejmuje podstawowe funkcje urządzenia i dostarcza warstwę abstrakcji sprzętu dla oprogramowania wyższego poziomu, takiego jak systemy operacyjne.
W przypadku mniej złożonych urządzeń, oprogramowanie układowe pełni rolę kompletnego systemu operacyjnego, kontrolującego, monitorującego i przetwarzającego dane. Jest przechowywane w nieulotnych nośnikach pamięci, takich jak EPROM, EEPROM, Flash i ROM.
Termin „Firmware” został stworzony w 1967 roku przez amerykańskiego naukowca Aschera Oplera. Opisał nim mikroprogram znajdujący się pomiędzy oprogramowaniem a sprzętem.
Aktualizacja oprogramowania układowego wymaga fizycznej wymiany pamięci ROM lub przeprogramowania EPROM za pomocą określonej procedury. Niektóre typy oprogramowania układowego nie mogą być zmienione po jego trwałej instalacji.
Aktualizacje oprogramowania są ważne, ponieważ pozwalają naprawiać błędy, dodawać nowe funkcje do urządzenia i wiele więcej. O oprogramowaniu układowym można myśleć jako o „oprogramowaniu dla sprzętu”. Choć oba terminy są powiązane, nie są tożsame.
Producenci urządzeń regularnie udostępniają aktualizacje, aby zapewnić sprawne działanie sprzętu i jego kompatybilność z nowymi technologiami. Producenci routerów sieciowych również udostępniają aktualizacje w celu poprawy wydajności sieci. Podobnie postępują producenci smartfonów, aparatów i innych urządzeń. W celu uzyskania aktualizacji, wystarczy odwiedzić stronę producenta.
Całe oprogramowanie układowe można podzielić na trzy główne kategorie w zależności od poziomu integracji ze sprzętem. Są to:
- Oprogramowanie układowe niskiego poziomu, które jest integralną częścią sprzętu urządzenia. Jest ono zapisane w nieulotnych chipach pamięci tylko do odczytu, takich jak ROM, co uniemożliwia jego modyfikację. Urządzenia wykorzystujące ten typ oprogramowania posiadają pamięć programowalną tylko raz.
- Oprogramowanie układowe wysokiego poziomu, które umożliwia aktualizacje, choć jest bardziej skomplikowane niż oprogramowanie niskiego poziomu. Jest ono zapisane w układach pamięci Flash.
- Oprogramowanie układowe podsystemu, które jest elementem systemu wbudowanego. Przykładem może być podsystem zasilania serwera, który działa częściowo niezależnie od serwera.
Przykłady: BIOS lub UEFI, dyski USB, czujniki, małe komputery, karty inteligentne itp.
Jak działają aktualizacje oprogramowania układowego?
Aktualizacje oprogramowania układowego są wprowadzane w celu zapobiegania atakom, poprawy bezpieczeństwa, naprawiania błędów, dodawania nowych funkcji i zapewniania kompatybilności z nowymi technologiami. Składają się z kodu, który modyfikuje sposób działania sprzętu.
Niektóre urządzenia połączone z Internetem automatycznie sprawdzają dostępność aktualizacji i same je instalują. Inne wymagają od użytkownika pobrania aktualizacji ze strony internetowej i ręcznej instalacji. Częstotliwość aktualizacji zależy od sposobu użytkowania urządzenia. Oprogramowanie układowe inteligentnych urządzeń nie zawsze wymaga częstych aktualizacji.
Smartfony często aktualizują oprogramowanie układowe wraz z aktualizacjami systemu operacyjnego, zapewniając ciągłość działania i unikając konieczności oddzielnej aktualizacji. Wiele urządzeń elektronicznych wymaga pozostawienia włączonych podczas procesu aktualizacji oprogramowania układowego.
Czym jest oprogramowanie?
Oprogramowanie to dane, programy lub instrukcje, które umożliwiają wykonywanie operacji komputerowych w celu realizacji określonych zadań. Jest ono przeciwieństwem sprzętu, który opisuje fizyczne elementy systemu komputerowego. Oprogramowanie jest niematerialne.
Termin „oprogramowanie” odnosi się do skryptów, programów i aplikacji uruchamianych na dowolnym urządzeniu. Oprogramowanie jest zmienną częścią komputera. Główne kategorie oprogramowania to:
- Oprogramowanie aplikacyjne, które zaspokaja konkretne potrzeby użytkownika komputera lub wykonuje określone zadania.
- Oprogramowanie systemowe, którego zadaniem jest uruchomienie sprzętu urządzenia. Zapewnia ono również platformę do uruchamiania aplikacji.
- Oprogramowanie do programowania, które dostarcza narzędzi programistycznych dla deweloperów. Obejmuje również oprogramowanie pośredniczące, które działa pomiędzy oprogramowaniem systemowym a aplikacyjnym. Dodatkowo, zawiera sterowniki urządzeń, obsługujące urządzenia komputerowe i peryferyjne.
Na początku lat 80. oprogramowanie było rozpowszechniane na dyskietkach. Później było dostępne na płytach CD i DVD. Obecnie większość oprogramowania jest kupowana lub pobierana bezpośrednio przez Internet. Różne rodzaje oprogramowania można znaleźć na stronach internetowych dostawców.
Poniżej przedstawiamy niektóre typy projektów oprogramowania:
- Projekt architektoniczny, który stanowi fundament oprogramowania. Określa strukturę systemu, jego główne komponenty i ich wzajemne zależności.
- Projekt wysokiego poziomu, który stanowi kolejny etap. Skupia się na wdrożeniu systemu i jego modułów, opisując relacje między nimi i przepływ danych.
- Warstwa szczegółowa, czyli ostatni etap procesu projektowania oprogramowania, który koncentruje się na szczegółach implementacji danej architektury.
Jakość oprogramowania można ocenić na podstawie cech takich jak dostępność, kompatybilność, funkcjonalność, wydajność, przenośność, łatwość instalacji, lokalizacja, wydajność, łatwość konserwacji, bezpieczeństwo, użyteczność, testowalność, niezawodność i inne.
Jak działa oprogramowanie?
Oprogramowanie przekazuje komputerowi dane i instrukcje potrzebne do działania i zaspokojenia potrzeb użytkowników. Oprogramowanie aplikacyjne i systemowe działają na różne sposoby.
Oprogramowanie aplikacyjne
Oprogramowanie aplikacyjne składa się z wielu programów, które pełnią konkretne funkcje dla użytkowników, takie jak przeglądanie stron internetowych czy tworzenie raportów. Wykonuje też zadania na rzecz innych aplikacji. Choć oprogramowanie użytkowe jest oprogramowaniem, nie może działać samodzielnie. Wymaga uruchomienia systemu operacyjnego komputera i innego pomocniczego oprogramowania systemowego.
Aplikacje desktopowe są instalowane na komputerze użytkownika i wykorzystują jego pamięć do wykonywania zadań. Zajmują miejsce na dysku twardym i nie potrzebują połączenia internetowego do pracy.
Aplikacje internetowe działają natomiast przy użyciu połączenia z Internetem. Nie polegają na oprogramowaniu systemowym ani sprzęcie. Urządzenia z przeglądarkami internetowymi umożliwiają użytkownikom szybkie uruchamianie aplikacji internetowych.
Oprogramowanie systemowe
Oprogramowanie systemowe znajduje się pomiędzy oprogramowaniem aplikacyjnym a sprzętem komputerowym. Działa w tle, obsługując podstawowe funkcje komputera. Oprogramowanie systemowe koordynuje działanie sprzętu, umożliwiając uruchamianie oprogramowania wyższego poziomu.
Oprogramowanie systemowe uruchamia się po włączeniu komputera i działa przez cały czas jego pracy. Jest ono napisane w kodzie maszynowym lub języku asemblerowym niskiego poziomu, dzięki czemu działa niezależnie i zapewnia prawidłowe funkcjonowanie systemu komputerowego.
Oprogramowanie układowe a oprogramowanie: podobieństwa
W kontekście systemów wbudowanych, terminy „oprogramowanie układowe” i „oprogramowanie” są często używane zamiennie. W branży systemów wbudowanych wykazują one pewne podobieństwa. Oprogramowanie układowe jest w istocie rodzajem oprogramowania niskiego poziomu.
Można spotkać oferty pracy z tytułem „Inżynier oprogramowania wbudowanego” lub „Inżynier oprogramowania układowego” z identycznym opisem stanowiska, ponieważ strona aplikacyjna systemu jest rozwijana razem ze stroną systemową.
Na przykład, podczas pracy z systemem „bare-metal” (bez systemu operacyjnego), mamy jedynie pliki specyficzne dla danego producenta mikrokontrolera (sterowniki, nagłówki) oraz sterowniki innych firm (do obsługi wyświetlacza i TCP/IP). Te pliki umożliwiają obsługę warstwy sprzętowej oprogramowania.
Przy użyciu sterowników i nagłówków, można tworzyć oprogramowanie użytkowe. Finalnie, wszystkie pliki są łączone w plik binarny. W przypadku korzystania z systemu operacyjnego, takiego jak FreeRTOS lub VxWorks, RTOS przejmuje odpowiedzialność za zarządzanie pamięcią i przełączanie kontekstu, jednak nadal trzeba pisać aplikacje za pomocą sterowników mikrokontrolera, sterowników innych firm i plików RTOS.
Oprogramowanie układowe a oprogramowanie: różnice
Przyjrzyjmy się bliżej różnicom między oprogramowaniem układowym a oprogramowaniem.
|Cecha| Oprogramowanie układowe | Oprogramowanie |
|—|—|—|
| Funkcja | Kontroluje sprzęt i regularnie go aktualizuje | Zbiór instrukcji dla systemu komputerowego |
| Poziom działania | Oprogramowanie niskiego poziomu, pośredniczy między systemem operacyjnym a sprzętem | Działa na systemie operacyjnym, nie wchodzi w bezpośrednią interakcję ze sprzętem |
| Rodzaje | Oprogramowanie układowe niskiego poziomu, oprogramowanie układowe wysokiego poziomu, oprogramowanie układowe podsystemu | Aplikacje, systemy operacyjne, oprogramowanie pośredniczące, sterowniki |
| Rozmiar | Zazwyczaj niewielki | Może być bardzo duży |
| Personalizacja | Programowane tylko raz, z niewielką możliwością modyfikacji | Można instalować i odinstalowywać wiele razy |
| Miejsce przechowywania | Pamięć flash sprzętu | Pamięć masowa systemu komputerowego |
| Język programowania | Niskopoziomowe | Wysokopoziomowe i niskopoziomowe |
| Nośnik | Działa bezpośrednio w układach pamięci, nieulotnej pamięci wtórnej, takiej jak EEPROM i Flash | Kopiowane z nośników, takich jak DVD, USB, i instalowane w pamięci masowej, na przykład SSD lub HDD |
| Przykłady | Oprogramowanie układowe UEFI i BIOS dostarczane przez producentów płyt głównych, oprogramowanie układowe routera OpenSource, takie jak OpenWrt i DD-WRT | Systemy operacyjne, takie jak Linux, Android, Windows, aplikacje, takie jak przeglądarki, gry, MS Office |
Oprogramowanie układowe a oprogramowanie: przypadki użycia
Zastosowania oprogramowania układowego
Oprogramowanie układowe jest obecne w wielu urządzeniach, w tym skomplikowanym sprzęcie komputerowym. Oto niektóre z jego zastosowań:
- Komputery osobiste: Oprogramowanie układowe jest wbudowane w mały układ pamięci. Urządzenia peryferyjne, takie jak karty graficzne, również posiadają oprogramowanie układowe.
- Sprzęt AGD: Pralki i zmywarki korzystają z oprogramowania układowego do komunikacji z komputerem, konfiguracji ustawień i sterowania.
- Urządzenia pamięci masowej: Dyski twarde, przenośne pamięci i dyski USB zawierają oprogramowanie układowe, które umożliwia im współpracę z systemem komputerowym.
- Karty inteligentne: Oprogramowanie układowe w kartach inteligentnych osadza instrukcje w chipie, umożliwiając oferowanie podstawowych funkcji, szyfrowania i uwierzytelniania.
- Motoryzacja: Pojazdy posiadają czujniki, małe komputery i wbudowane systemy z oprogramowaniem układowym, które wspomagają ich funkcjonowanie.
- Urządzenia mobilne: Laptopy, tablety, smartfony i inne urządzenia mobilne posiadają oprogramowanie układowe, które umożliwia działanie sprzętu w połączeniu z różnymi programami.
Zastosowania oprogramowania
Praktycznie każdy współczesny użytkownik komputerów spotkał się z oprogramowaniem. Wszystko, co instalujemy i pobieramy na swoje urządzenia, ma postać oprogramowania. Jest ono nieodłącznym elementem codzienności każdego użytkownika i ma szerokie zastosowanie.
Przykłady oprogramowania aplikacyjnego:
- Edytory tekstu: MS Word, Notatnik i Wordpad
- Arkusz kalkulacyjny: Microsoft Excel, Apple Numbers
- Bazy danych: MS Access i Oracle
- Oprogramowanie symulacyjne: Symulatory naukowe i symulatory lotu
- Oprogramowanie dla przedsiębiorstw: System zarządzania relacjami z klientami (CRM)
- Oprogramowanie multimedialne: Odtwarzacze multimedialne
- Oprogramowanie edukacyjne: Encarta, BritannicaMathematical, Google Earth, NASA World Wind
- Oprogramowanie do prezentacji: Keynotes i Microsoft Powerpoint
- Oprogramowanie do przetwarzania informacji: narzędzia do zarządzania zasobami, narzędzia do dokumentacji
- Pakiety biurowe: Microsoft Office, OpenOffice
- Oprogramowanie do dostępu do treści: przeglądarki internetowe, odtwarzacze multimedialne
Przykłady oprogramowania systemowego:
- Systemy operacyjne, takie jak Windows, macOS i Linux
- Sterowniki urządzeń
- Oprogramowanie układowe
- BIOS i UEFI
- Tłumacze języków programowania
- Narzędzia pomocnicze
Podsumowanie
Oprogramowanie układowe jest zwykle wykorzystywane do mikrokodowania systemów wbudowanych w sprzęcie, podczas gdy oprogramowanie odnosi się do programów wysokiego poziomu. Wymiana oprogramowania układowego jest skomplikowana, natomiast instalacja i odinstalowywanie oprogramowania nie sprawiają trudności.
Oprogramowanie układowe to oprogramowanie systemowe, które steruje sprzętem. Oprogramowanie jako całość to zbiór instrukcji, które pozwalają komputerom i innym urządzeniom wykonywać zadania. Mam nadzieję, że przedstawione różnice i podobieństwa między oprogramowaniem układowym a oprogramowaniem są już zrozumiałe.
Możesz być również zainteresowany tematem Internetu Rzeczy (IoT).