ベアメタル

ベアメタル（）とは、計算機科学では、オペレーティングシステム (OS) を介さずに、ロジックハードウェア上で直接命令を実行するコンピュータを指す。ベアマシン（）とも呼ばれる。bareとは「裸」のことで、OS等の「衣」を纏っていない、という意味。
最新のOSは、初歩的なものから現在の複雑で感度の高いシステムまで、さまざまな段階を経て進化し、多くのサービスが組み込まれている。プログラム可能なコンピュータの開発後（異なるプログラムの実行に物理的変更を必要としない）、OSの開発前は、システムソフトウェアレイヤーなしで機械語を使用してコンピュータハードウェア上で直接順番に命令が実行された。このアプローチは、最新のOSの「ベアマシン」の前身と呼ばれている。今日では、ベアメタル方式はタイムクリティカルな遅延要件を持つ組み込みシステムとファームウェアで使われる。一方、従来のプログラムはOS上のランタイムシステムによって実行される。
長所.
ベアメタル実装はより高速に実行でき、使用するメモリが少なくなるため、電力効率が向上する。これは、他のプログラムと同様にOSを実行するには、実行時間とメモリスペースが必要であり、ベアメタルではこれらが不要であるためだ。たとえば、入力と出力を含むハードウェア機能は、ベアメタルでは直接アクセスするが、OSを使用する場合は、呼び出しをサブルーチンにルーティングする必要があり、そこで追加の実行時間とメモリを消費する。
短所.
ベアメタルプログラミングは、より多くの労力を必要とし、より複雑になる。通常は、OSがハードウェアとの間を取り持つため意識しなくても済んでいたサービスを、アプリケーション自身が再実装する必要があるためである。
実装すべきサービスには次のものがある。
ベアメタルプログラムのデバッグは、次の理由で困難である。
ベアメタルプログラミングは、一般に、C++ 、C言語、またはアセンブリ言語などのハードウェアに近い低級言語を使用して実行される。これらの言語は、一般的に習得が難しいと考えられている。以上により、ベアメタルプログラムの移植性は総じて低くなる。
例.
初期のコンピュータ.
PDP-11などの初期のコンピュータでは、プログラマはマシンコードで提供されるプログラムをRAMにロードしていた。プログラムの動作はLEDの点灯や、磁気テープ、印刷デバイス、またはストレージから得られる出力によって監視できた。
組み込みシステム.
ベアマシンプログラミングは、マイクロコントローラまたはマイクロプロセッサが、個別のOSをロードせずに、モノリシックな単一目的のソフトウェアで直接起動することが多い組み込みシステムでは、依然として一般的な方法である。このような組み込みソフトウェアは構造が異なる場合があるが、最も単純な形式は、入力のチェック、アクションの実行、および出力の書き込みを担当するサブルーチンの呼び出し、無限のメインループで構成されている。
進化.
ベアマシンを使用するというアプローチは、OS開発の進化を加速する新しいアイデアへの道を開いた。
このアプローチは、以下の必要性を浮き彫りにした。