Hardware, software e firmware a confronto: l’ecosistema tecnologico della telematica

La tecnologia controlla il mondo. Quasi tutto quello che facciamo si basa su dispositivi elettronici: dal tracciamento delle flotte alla gestione dei conti bancari, ai servizi di delivery online. Gli elementi fondamentali di questi dispositivi, ovvero hardware, software e firmware, creano l'ecosistema elettronico del mondo moderno. In questo articolo verrà illustrato ognuno di questi concetti, e come Geotab impiega tutti e tre gli elementi per fornire una soluzione telematica all’avanguardia.

Che cos'è l'hardware?

L'hardware è la parte fisica: è il dispositivo che  elabora le informazioni ed esegue le operazioni. L'hardware moderno è composto da circuiti integrati collegati insieme su una scheda elettronica. Un circuito integrato è un insieme di circuiti in uno spazio ridottissimo. Questo può contenere da un semplice circuito, miliardi di elementi diversi. 

Questa è una parte di un dispositivo Geotab GO4 : 

i piccoli rettangoli neri sono circuiti integrati, ovvero pezzetti di silicio realizzati con precisione. Ogni circuito è stato realizzato per un unico scopo specifico e si collega ad altri circuiti integrati in modi precisi. Spetta agli ingegneri hardware selezionare i circuiti integrati e progettare la scheda elettronica per ottenere la funzionalità richiesta. La scheda elettronica collega insieme tutti i circuiti integrati per consentire loro di ricevere energia e comunicare. 

Alcuni sistemi hardware sono costituiti da più schede elettroniche che comunicano tra loro. Le ragioni possono essere molteplici. Consentono di risparmiare spazio, permettono una maggiore modularità nella scelta dei componenti e rendono più facile la sostituzione delle schede malfunzionanti oppure obsolete. 

Come riparare e aggiornare l'hardware 

Per aggiornare o riparare l'hardware, è necessario sostituire fisicamente i componenti. Ciò può comportare la sostituzione di singoli circuiti integrati o la sostituzione di intere schede elettroniche. 

Questo metodo di riparazione manuale richiede un processo di progettazione più lungo.. L'hardware deve essere testato a fondo per assicurarsi che non vi siano problemi. Qualsiasi cambiamento nel design richiede ulteriori test. Eventuali problemi con il design possono significare un costoso processo di RMA per il produttore e tempi di inattività altrettanto costosi per i clienti. 

Il cervello dell'informatica moderna

Un tipo speciale di circuito integrato è il microprocessore . È il cervello di ogni computer moderno e ha il compito di ricevere ed eseguire istruzioni. Spesso rappresenta la parte centrale del progetto di una scheda elettronica, quella che controlla e invia segnali ad altri circuiti integrati.

I microprocessori sono disponibili in molti modelli diversi. Possono essere ottimizzati a livello di velocità, consumo energetico o costi. Alcuni sono progettati per temperature estreme o sono addirittura resistenti alle radiazioni. L'unica caratteristica comune dei processori è il loro uso generico. Il ruolo che svolgono è definito dalle istruzioni che eseguono. Questo è in contrasto con altri circuiti integrati, che sono progettati per un'attività specifica e che non possono essere programmati per fare altro.

Da dove riceve le istruzioni un microprocessore? È qui che entra in gioco il software. 

Principali tipi di software 

Il software, in senso stretto, è un insieme di istruzioni per il processore di un computer. Queste istruzioni descrivono un programma per computer. Scriviamo i programmi usando un linguaggio di programmazione. Tra i linguaggi più diffusi figurano Python, JavaScript e C. Le istruzioni che scriviamo nel linguaggio scelto sono il codice sorgente del programma. 

Eseguire un programma significa dare istruzioni al processore del computer affinché le segua. Considerata l'ampia gamma di processori disponibili, si tratta di un compito difficile. Microprocessori diversi hanno set di istruzioni diversi. Ciò significa che non possono essere programmati tutti allo stesso modo. Come ci assicuriamo che il programma funzioni, indipendentemente dall'hardware sottostante? A questo scopo ci rivolgiamo a un tipo speciale di programma detto sistema operativo. Il suo ruolo è quello di mediare e assegnare le risorse hardware a ogni programma che deve essere eseguito sul computer. 

Software applicativo

La maggior parte dei software con cui le persone ha dimestichezza si chiama software applicativo. È ciò che l'utente vede e con cui interagisce effettivamente. Gli esempi includono i browser Web, i programmi di elaborazione testo o i lettori musicali. Il ruolo del sistema operativo è quello di assegnare le risorse hardware a ogni applicazione che deve essere eseguita. Quando aprite un browser Web, il sistema operativo gli assegna parte della memoria per funzionare e si assicura che le istruzioni che descrivono il programma del browser Web vengono trasmesse al processore. 

Il software applicativo fornisce un livello di astrazione tra l'esperienza dell'utente e l'hardware sottostante. Ciò fornisce un netto vantaggio. Gli ingegneri che scrivono software applicativo possono puntare a sistemi operativi specifici invece che a microprocessori specifici. Ciò comporta una libertà molto maggiore nella progettazione del software perché l'ingegnere può essere sicuro che il suo programma verrà eseguito su qualsiasi hardware supportato dal sistema operativo stesso. Gli utenti possono installare programmi sul loro sistema operativo preferito senza doversi preoccupare delle specifiche dell'hardware. 

Aggiornamento del software 

Uno dei vantaggi principali del software è che non è fisico. È facile aggiungere correzioni e funzionalità al software una volta che è nelle mani del cliente. Una volta creato il software di base, gli ingegneri possono continuare a supportare e aggiornare il prodotto per tutto il ciclo di vita. Nel caso dell'hardware, invece, una volta che il dispositivo fisico viene assemblato e spedito ai clienti, gli ingegneri possono fare poco per aggiornarlo o ripararlo. 

Il software consente di fare cose incredibili con hardware potenti come smartphone, computer desktop, tablet e così via. Ma esiste una classe di dispositivi hardware completamente diversa che svolgono attività specifiche con un input umano limitato o nullo. Si tratta dei cosiddetti sistemi incorporati, dotati di firmware. 

Tipi di firmware

Il firmware è un tipo specifico di software. È progettato per funzionare a stretto contatto con l'hardware, invece di astrarlo dietro un sistema operativo. In realtà molti dispositivi con firmware eseguono un sistema operativo molto semplice o nessuno. Ciò comporta un maggiore controllo dell'hardware al costo di una maggiore complessità nell'implementazione.

Il firmware è inoltre implementato in un linguaggio di programmazione che usa il codice sorgente. 

Il vantaggio principale di questa configurazione è la capacità di controllare i sistemi in tempo reale. Questi sistemi devono ricevere ed elaborare i dati entro un determinato periodo di tempo, con conseguenze se non lo fanno. Gli ingegneri progettano firmware per sistemi incorporati per assicurarsi che questi requisiti di elaborazione siano soddisfatti. Il software applicativo solitamente non dà queste garanzie. I computer per uso generico eseguono troppi programmi per soddisfare sempre i requisiti temporali. Poiché solitamente il firmware è l'unico programma in esecuzione su un sistema incorporato, gli ingegneri possono garantire che le risorse fornite dal sistema siano sufficienti per svolgere la funzionalità del sistema. 

Molti sistemi incorporati sono progettati per funzionare per lunghi periodi con un'interazione umana minima. Il firmware ha un ruolo in questo ambito. Quando si verificano errori o condizioni impreviste, è inaccettabile che un firmware smetta di funzionare. Anche avvisare un utente spesso non è sufficiente. Il firmware deve essere in grado di eseguire il ripristino in seguito a condizioni di funzionamento anomale. 

Aggiornamento del firmware

Esistono miliardi di dispositivi con un firmware che non può essere aggiornato. Quando è stata l'ultima volta che avete aggiornato il firmware del microonde? Probabilmente mai. Con sistemi come questo, gli ingegneri devono fare particolare attenzione che il firmware sia corretto. Questo firmware è profondamente incorporato. Una volta programmato, non viene mai più modificato o aggiornato. 

L'aumento dei dispositivi connessi ha reso sempre più semplice trovare dispositivi che supportano gli aggiornamenti del firmware. Solitamente i dispositivi con connessioni Wi-Fi, cellulari, Bluetooth o di altro tipo possono essere aggiornati proprio come i sistemi software. In questo modo è possibile correggere i bug e implementare nuove funzionalità o miglioramenti. Esistono, tuttavia, altre considerazioni da fare oltre agli aggiornamenti. Poiché spesso questi dispositivi eseguono solo il firmware, un aggiornamento del firmware non valido può trasformare un componente hardware perfettamente funzionante in un mucchio di metallo costoso. È difficile farlo con il software applicativo perché, finché il sistema operativo funziona, un utente può risolvere i problemi degli aggiornamenti non riusciti. 

Come funziona in Geotab?

Geotab progetta hardware, software e firmware. 

MyGeotab è un software applicativo. In particolare è un'applicazione Web, che viene eseguita all'interno di un browser Web. Il team di sviluppo di Geotab mantiene il programma. Aggiunge nuove funzionalità, corregge i bug e apporta miglioramenti costanti. 

Il dispositivo GO è un hardware telematico. All'interno dell'elegante guscio ci sono delle schede sovrapposte, accuratamente progettate dal team automobilistico di Geotab per fornire la telematica del veicolo. Il dispositivo GO è un sistema incorporato, una soluzione telematica costruita appositamente. 

Il dispositivo GO esegue un firmware, anch'esso progettato dal team automobilistico di Geotab. Questo firmware deve soddisfare molti requisiti in tempo reale, per lo più legati alla comunicazione del motore. La mancanza di messaggi di un computer del motore non è accettabile quando il cliente fa affidamento su questi dati per scopi logistici o normativi. 

Sia MyGeotab che il firmware del dispositivo GO vengono aggiornati frequentemente con le ultime correzioni più importanti e le funzionalità nuove. L'hardware del dispositivo GO, tuttavia, viene aggiornato solo raramente. Di solito ciò comporta una revisione completa o l'implementazione di nuove caratteristiche importanti.

Conclusione

Hardware, software e firmware sono tutti elementi chiave dei moderni dispositivi elettronici. L'hardware è il cervello dei sistemi. Il software consente di usare applicazioni portatili flessibili con una vasta gamma di funzionalità. Il firmware alimenta l'hardware specifico dell'applicazione quando la tempistica è critica. Tutti questi componenti insieme costituiscono il fantastico mondo connesso in cui viviamo.