Мікропрограмне забезпечення та програмне забезпечення – це два ключові поняття, які визначають функціонування сучасних вбудованих систем та комп’ютерних пристроїв.
Наш світ стрімко цифровізується, і більшість завдань виконуються за допомогою комп’ютерних технологій. Програмне та апаратне забезпечення є фундаментальними термінами, що використовуються в дискусіях про комп’ютери.
Безліч елементів об’єднуються для створення сучасних технічних пристроїв. Існує різноманітність видів як програмного, так і апаратного забезпечення, серед яких ви можете зустріти і мікропрограмне забезпечення (firmware).
В електронній промисловості мікропрограмне забезпечення та програмне забезпечення є однаково важливими. Розрізнити їх буває складно, оскільки інколи вони можуть мати схожу мету.
Наприклад, ручна установка оновлення операційної системи Android може стосуватися мікропрограми. Це означає, що під час оновлення ОС на вашому Android-смартфоні, програмне забезпечення адаптується до апаратного забезпечення або мікропрограми конкретного пристрою.
Якщо це звучить заплутано, давайте розглянемо цю тему більш детально.
У цій статті ми вивчимо відмінності, подібності та випадки використання як програмного забезпечення, так і мікропрограмного забезпечення.
Отже, почнемо!
Що таке мікропрограмне забезпечення?
У світі комп’ютерних технологій мікропрограмне забезпечення – це специфічний вид програмного забезпечення, який забезпечує низькорівневе управління конкретним апаратним забезпеченням будь-якого пристрою. Мікропрограмне забезпечення містить базові функції пристрою та надає послуги апаратної абстракції для програмного забезпечення вищого рівня, наприклад, операційних систем.
Для менш складних пристроїв, мікропрограмне забезпечення функціонує як повноцінна операційна система, виконуючи функції керування, моніторингу та обробки даних. Воно зберігається в енергонезалежній пам’яті, такі як EPROM, EEPROM, флеш-пам’ять та ROM.
Американський вчений Ашер Оплер у 1967 році вперше ввів термін “програмне забезпечення”. Він використовував його для опису мікропрограми, що знаходиться між програмним та апаратним забезпеченням.
Під час оновлення мікропрограми може знадобитися фізична заміна ПЗУ або перепрограмування EPROM за допомогою спеціальної процедури. Деякі типи пам’яті мікропрограми неможливо змінити після постійної установки.
Крім того, важливими причинами для оновлення мікропрограми є виправлення помилок, додавання нових функцій до пристрою та інше. Можна розглядати мікропрограму як “програмне забезпечення для апаратного забезпечення”. Хоча програмне забезпечення – це інший термін, вони пов’язані, але не є взаємозамінними.
Виробники пристроїв часто випускають регулярні оновлення для підтримки роботи апаратного забезпечення та забезпечення сумісності з новітніми технологіями. Виробники мережевих маршрутизаторів також випускають оновлення мікропрограми для покращення продуктивності мережі. Те саме стосується виробників смартфонів, фотокамер тощо. Вам потрібно лише відвідати веб-сайт виробника, щоб завантажити ці оновлення.
Вся мікропрограма поділяється на три основні категорії, в залежності від рівня інтеграції з апаратним забезпеченням. Це:
- Мікропрограма низького рівня: вважається невід’ємною частиною апаратного забезпечення пристрою. Мікропрограмне забезпечення низького рівня зберігається на мікросхемах ROM, які є енергонезалежними і доступні лише для читання. Отже, його неможливо перезаписати або змінити. Пристрої, які використовують мікропрограму низького рівня, мають лише одноразову програмовану пам’ять.
- Мікропрограма високого рівня: дозволяє оновлення, але процес є більш складним, ніж для мікропрограми низького рівня. Зберігається на мікросхемах флеш-пам’яті.
- Мікропрограма підсистеми: поставляється як частина вбудованої системи. Прикладом є підсистема живлення сервера. Підсистема живлення – це апаратне забезпечення сервера, яке працює напівнезалежно від решти сервера.
Приклади: BIOS або Unified Extensible Firmware Interface (UEFI), USB-накопичувачі, датчики, міні-комп’ютери, смарт-картки тощо.
Як працюють оновлення мікропрограми?
Оновлення мікропрограми часто пропонуються з метою запобігання злому, покращення безпеки, виправлення помилок, розгортання нових функцій та забезпечення взаємодії з новітніми носіями. Вони складаються з коду, що інструктує апаратне забезпечення поводитися по-новому або модифіковано.
Деякі пристрої, підключені до Інтернету, автоматично перевіряють наявність оновлень мікропрограми, завантажують та встановлюють їх. Інші вимагають від користувачів відвідування веб-сайту для завантаження та встановлення оновлень вручну. Частота оновлень може змінюватися залежно від інтенсивності використання пристрою. Мікропрограма в інтелектуальних пристроях може не потребувати частого оновлення.
Смартфони зазвичай оновлюють мікропрограму одночасно з оновленням програмного забезпечення, що дозволяє пристрою продовжувати працювати без потреби користувача самостійно оновлювати мікропрограму. Багато електронних пристроїв також вимагають залишатися увімкненими під час оновлення мікропрограми.
Що таке програмне забезпечення?
Програмне забезпечення – це дані, програми або інструкції, які використовуються для виконання комп’ютерних операцій для виконання конкретних завдань. Це протилежність апаратного забезпечення, яке представляє собою фізичні компоненти комп’ютерної системи. Програмне забезпечення є нематеріальним.
Термін “програмне забезпечення” також використовується для опису сценаріїв, програм та додатків, що працюють на будь-якому пристрої. Отже, програмне забезпечення є змінною частиною комп’ютера. Основні категорії програмного забезпечення:
- Прикладне програмне забезпечення: це програмне забезпечення, що відповідає специфічним потребам користувача або виконує важливі завдання.
- Системне програмне забезпечення: цей тип програмного забезпечення призначений для управління апаратним забезпеченням пристрою та забезпечує платформу для запуску інших програм.
- Програмне забезпечення для програмування: надає інструменти, необхідні розробникам для створення програмного забезпечення. Воно також може включати проміжне програмне забезпечення, яке знаходиться між системним і прикладним програмним забезпеченням. Крім того, є програмні драйвери, що керують пристроями та периферією вашого комп’ютера.
На початку 1980-х програмне забезпечення продавалося на дискетах, пізніше на компакт-дисках та DVD. Сьогодні більшість програмного забезпечення купується або завантажується безпосередньо через Інтернет. Різні види програмного забезпечення можна легко знайти на веб-сайтах постачальників.
Розглянемо деякі типи проектів програмного забезпечення:
- Архітектурний дизайн: це основна основа програмного забезпечення, що визначає структуру системи, її основні компоненти та їхні зв’язки за допомогою інструментів архітектурного проектування.
- Дизайн високого рівня: другий рівень проектування програмного забезпечення, що фокусується на реалізації системи разом з її компонентами у вигляді модулів, що підтримуються програмним стеком. Він також описує взаємозв’язки між різними модулями, функціями системи та потоком даних.
- Детальний рівень: третій рівень розробки програмного забезпечення, що концентрується на деталях реалізації визначеної архітектури програмного забезпечення.
Якість програмного забезпечення можна оцінити за такими характеристиками, як доступність, сумісність, функціональність, продуктивність, портативність, легкість інсталяції, локалізація, ефективність, ремонтопридатність, безпека, зручність використання, тестування, надійність тощо.
Як працює програмне забезпечення?
Будь-яке програмне забезпечення надає комп’ютеру дані та інструкції для роботи та задоволення потреб користувачів. Як було зазначено раніше, прикладне та системне програмне забезпечення можуть працювати по-різному.
Прикладне програмне забезпечення
Прикладне програмне забезпечення включає програми, які виконують конкретні ролі для кінцевих користувачів, наприклад, навігація веб-сайтами або написання звітів. Воно також виконує завдання для інших програм. Прикладне програмне забезпечення, хоч і є програмним забезпеченням, не може працювати самостійно. Для цього потрібна операційна система комп’ютера та інше допоміжне системне програмне забезпечення.
Це настільні програми, встановлені на комп’ютері користувача, які використовують пам’ять комп’ютера для виконання певних завдань. Вони займають місце на жорсткому диску і не потребують підключення до Інтернету для виконання завдань.
З іншого боку, для роботи веб-програм потрібне підключення до Інтернету. Вони не залежать від роботи системного або апаратного забезпечення. Пристрої з веб-браузерами дозволяють користувачам швидко запускати веб-програми.
Системне програмне забезпечення
Системне програмне забезпечення займає проміжне положення між прикладним програмним забезпеченням та апаратним забезпеченням комп’ютера. Воно працює у фоновому режимі, виконуючи основні функції комп’ютера. Воно координує роботу системного та апаратного забезпечення, що дозволяє запускати програми високого рівня для виконання специфічних завдань.
Системне програмне забезпечення починає працювати під час завантаження комп’ютера і функціонує безперервно, поки комп’ютерна система увімкнена. Воно написане низькорівневим машинним кодом або мовою асемблера. Отже, воно працює незалежно та забезпечує нормальне функціонування комп’ютерної системи.
Мікропрограмне забезпечення проти програмного забезпечення: подібності
Терміни “вбудоване програмне забезпечення” та “програмне забезпечення” часто використовуються взаємозамінно в контексті вбудованих систем. У галузі вбудованих систем вони мають деякі спільні риси. Інколи мікропрограма може розглядатися як різновид низькорівневого програмного забезпечення.
Ви можете навіть знайти вакансії, де згадується “Інженер вбудованого програмного забезпечення” або “Інженер програмного забезпечення вбудованих систем”, з однаковими посадовими обов’язками. Це відбувається тому, що прикладна сторона системи розробляється одночасно із системною.
Наприклад, працюючи з barebone-дизайном (без операційної системи), ви будете мати лише файли від виробника мікроконтролера (ЦП, що підтримує драйвери та заголовки) та кілька драйверів від сторонніх виробників (для дисплея та TCP/IP). Ці файли можуть взаємодіяти з апаратною частиною програмного забезпечення.
Використовуючи драйвери та заголовки, ви можете писати прикладне програмне забезпечення; згодом усі файли об’єднуються в двійковий файл. Якщо ви використовуєте операційну систему, наприклад FreeRTOS або VxWorks, RTOS бере на себе відповідальність за керування пам’яттю та перемикання контексту. Незважаючи на це, вам потрібно буде розробляти прикладне програмне забезпечення з використанням драйверів мікроконтролера, драйверів сторонніх виробників та файлів RTOS.
Мікропрограмне забезпечення та програмне забезпечення: відмінності
Детальніше розглянемо відмінності між мікропрограмою та програмним забезпеченням.
| Мікропрограмне забезпечення (Firmware) | Програмне забезпечення (Software) |
| Це тип програмного забезпечення, що керує апаратним забезпеченням і регулярно оновлюється. | Це набір інструкцій для комп’ютерної системи. |
| Програмне забезпечення низького рівня, розташоване між операційною системою та апаратним забезпеченням. | Програмне забезпечення розташоване над операційною системою і не взаємодіє безпосередньо з апаратним забезпеченням. |
| Містить низькорівневе вбудоване програмне забезпечення, високорівневе мікропрограмне забезпечення та мікропрограмне забезпечення підсистеми. | Включає в себе прикладні програми, системне програмне забезпечення, програмне забезпечення для програмування, проміжне програмне забезпечення та драйвери. |
| Має невеликий розмір. | Може мати значний розмір. |
| Його не можна змінювати. | Може налаштовуватися або змінюватися відповідно до потреб користувача. |
| Програмується лише один раз. | Можна встановлювати та видаляти неодноразово. |
| Зберігається у флеш-пам’яті апаратного забезпечення. | Зберігається на вторинних запам’ятовуючих пристроях комп’ютерної системи. |
| Розробляється з використанням низькорівневих мов програмування. | Розробляється з використанням як високорівневих, так і низькорівневих мов програмування. |
| Працює безпосередньо на мікросхемах пам’яті, що є енергонезалежною вторинною пам’яттю, таких як EEPROMS та флеш-пам’ять. | Копіюється зі знімних носіїв, таких як DVD, USB-диски, тощо, та встановлюється на запам’ятовуючі пристрої, як SSD або жорсткі диски. |
| Приклади: мікропрограма UEFI та BIOS, що надається виробниками материнських плат комп’ютерів; вбудоване програмне забезпечення OpenSource Router, наприклад OpenWrt та DD-WRT. | Приклади: операційні системи, такі як Linux, Android, Windows, а також програми, такі як браузери, ігри, MS Office тощо. |
Мікропрограмне забезпечення проти програмного забезпечення: випадки використання
Випадки використання мікропрограмного забезпечення
Мікропрограма зустрічається в різних обчислювальних пристроях, включно зі складними. Ось деякі реальні випадки використання мікропрограми:
- Персональний комп’ютер: програмне забезпечення комп’ютера вбудоване в невелику мікросхему пам’яті. Периферійні пристрої комп’ютера, такі як відеокарти, графічні адаптери тощо, також містять мікропрограми.
- Побутова техніка: пральні та посудомийні машини використовують мікропрограмне забезпечення. Це дозволяє машині взаємодіяти з комп’ютером, налаштовуючи параметри та елементи керування.
- Пристрої зберігання: жорсткі диски, портативні пристрої зберігання та USB-накопичувачі містять мікропрограмне забезпечення, яке дозволяє їм працювати з комп’ютерною системою.
- Смарт-картки: смарт-картки також містять вбудоване програмне забезпечення для впровадження інструкцій в чип, забезпечуючи базові функції, шифрування та автентифікацію.
- Автомобільна техніка: транспортні засоби містять датчики, невеликі комп’ютери та вбудовані системи з вбудованим програмним забезпеченням, яке допомагає їм виконувати свої функції.
- Мобільні пристрої: ноутбуки, планшети, смартфони та інші мобільні пристрої містять вбудоване програмне забезпечення, яке дозволяє апаратному забезпеченню працювати з різними програмними засобами.
Випадки використання програмного забезпечення
На сьогоднішній день, майже кожен користувач знає, що таке програмне забезпечення. Все, що вони встановлюють і завантажують на свій комп’ютер або інші пристрої, має форму програмного забезпечення. Воно стало невід’ємною частиною повсякденної роботи кожного. Програмне забезпечення має широкий спектр застосувань у всьому світі.
Щодо прикладного програмного забезпечення, приклади:
- Текстові редактори: MS Word, Блокнот та Wordpad
- Програми для роботи з електронними таблицями: Microsoft Excel, Apple Numbers тощо.
- Програмне забезпечення для баз даних: MS Access та Oracle тощо.
- Програмне забезпечення для моделювання: наукові та авіаційні симулятори
- Корпоративне програмне забезпечення: системи управління відносинами з клієнтами (CRM)
- Мультимедійне програмне забезпечення: медіа-програвачі
- Навчальне програмне забезпечення: Encarta, BritannicaMathematical, Google Earth, NASA World Wind
- Програмне забезпечення для презентацій: Keynotes та Microsoft Powerpoint
- Програмне забезпечення для інформаційних працівників: інструменти керування ресурсами, інструменти документування тощо.
- Пакети програм: Microsoft Office, OpenOffice та ін.
- Програмне забезпечення для доступу до контенту: веб-браузери, медіа-програвачі для доступу до мультимедійного контенту.
Щодо системної інженерії, приклади:
- Операційні системи, такі як Windows, macOS та Linux
- Драйвери пристроїв
- Мікропрограма
- BIOS та UEFI
- Транслятори мов програмування
- Утиліти
Висновок
Мікропрограмне забезпечення зазвичай використовується для мікрокодування вбудованої системи в більшості апаратних засобів, тоді як програмне забезпечення – це програми високого рівня. Заміна мікропрограми є складним процесом, тоді як з програмним забезпеченням таких проблем не виникає.
Проте, вбудоване програмне забезпечення – це системне програмне забезпечення, яке контролює апаратне забезпечення пристрою. Програмне забезпечення загалом – це набір інструкцій, які дозволяють комп’ютеру або іншим пристроям виконувати завдання. Сподіваюся, що ключові відмінності та подібності між мікропрограмою та програмним забезпеченням тепер зрозумілі.
Можливо, вам також буде цікаво дізнатися про Інтернет речей (IoT).