Výukový program vestavěných systémů: Co je to, historie a vlastnosti

Než se naučíme Embedded System, pojďme se naučit:

Co je to systém?

Systém je uspořádání, kde všechny jeho součásti fungují podle specificky definovaných pravidel. Je to metoda organizace, práce nebo provádění jednoho nebo více úkolů podle pevného plánu.

Příklad vestavěných systémů

Laserová tiskárna

Laserové tiskárny jsou jedním z příkladů vestavěných systémů, které používají vestavěné systémy pro správu různých aspektů tisku. Kromě provádění hlavního úkolu tisku musí přijímat uživatelské vstupy, řídit komunikaci s počítačovým systémem, odstraňovat závady a snímat papíry, které zůstaly na zásobníku atd.

Zde je hlavním úkolem mikroprocesoru rozumět textu a ovládat tiskovou hlavu tak, aby vypouštěla ​​inkoust tam, kde je potřeba.

K tomu potřebuje dekódovat různé soubory, které mu byly přiděleny, a pochopit písmo a grafiku. Zpracování dat zabere značný čas CPU a také musí přebírat uživatelské vstupy, ovládat motory atd.

Historie vestavěného systému

Zde jsou důležité milníky z historie vestavěných systémů:

• V roce 1960 byl embdded systém poprvé použit pro vývoj Apollo Guidance System Charlesem Starkem Draperem z MIT.
• V roce 1965 Autonetics vyvinul D-17B, počítač používaný v naváděcím systému střel Minuteman.
• V roce 1968 byl vydán první vestavěný systém pro vozidlo.
• Texas Instruments vyvinul první mikrokontrolér v roce 1971.
• V roce 1987 byl společností Wind River vydán první vestavěný operační systém VxWorks.
• MicrosoftJe Windows embedded CE v roce 1996.
• Koncem 1990. let se objevil první vestavěný linuxový systém.
• Vestavěný trh dosáhl v roce 140 hodnoty 2013 miliard dolarů.
• Analytici předpokládají, že do roku 40 bude embedded trh větší než 2030 miliard dolarů.

Vlastnosti vestavěného systému

Níže jsou uvedeny důležité vlastnosti vestavěného systému:

• Vyžaduje výkon v reálném čase
• Měl by mít vysokou dostupnost a spolehlivost.
• Vyvinuto kolem operačního systému v reálném čase
• Obvykle mají snadný a bezdiskový provoz, bootování z ROM
• Určeno pro jeden konkrétní úkol
• Pro připojení vstupních a výstupních zařízení musí být propojen s periferiemi.
• Nabízí vysokou spolehlivost a stabilitu
• Potřebné minimální uživatelské rozhraní
• Omezená paměť, nízká cena, nižší spotřeba energie
• Žádné nepotřebuje sekundární paměť v počítači.

Důležité terminologie používané ve vestavěných systémech

Nyní v tomto tutoriálu Embedded Systems pokryjeme některé důležité termíny používané ve vestavěném systému.

Spolehlivost

Tato míra pravděpodobnosti přežití systému, když je funkce kritická během doby běhu.

Odolnost proti chybám

Fault-Tolerance je schopnost počítačového systému přežít v přítomnosti poruch.

Reálný čas

Vestavěný systém musí splňovat různá časová a další omezení. Jsou mu vnuceny přirozeným chováním vnějšího světa v reálném čase.

Například oddělení letectva, které sleduje příchozí raketové útoky, musí přesně vypočítat a naplánovat svůj protiútok kvůli tvrdému termínu v reálném čase. Jinak se zničí.

Flexibilita

Vytváří systémy s vestavěnými možnostmi ladění, které umožňují vzdálenou údržbu.

Například stavíte kosmickou loď, která přistane na jiném plantážníku, aby shromáždila různé typy dat a odeslala shromážděné detaily zpět k nám. Pokud se tato kosmická loď zbláznila a ztratila kontrolu, měli bychom být schopni provést nějakou důležitou diagnostiku. Při navrhování vestavěného systému je tedy nezbytná flexibilita.

Přenositelnost

Přenositelnost je měřítkem jednoduchosti použití stejného vestavěného softwaru v různých prostředích. Vyžaduje zobecněné abstrakce mezi samotnou logikou aplikačního programu a nízkoúrovňovými systémovými rozhraními.

Co je mikrokontrolér?

Mikrokontrolér je jednočipová jednotka VLSI, která se také nazývá mikropočítač. Obsahuje všechna potřebná paměťová a I/O rozhraní, zatímco mikroprocesor pro všeobecné použití potřebuje další čipy, které nabízí tyto nezbytné funkce. Mikrokontroléry jsou široce používány ve vestavěných systémech pro aplikace řízení v reálném čase.

Co je to mikroprocesor?

Mikroprocesor je jednočipové polovodičové zařízení. Jeho CPU obsahuje programový čítač, ALU, ukazatel zásobníku, pracovní registr, časový obvod hodin. Zahrnuje také ROM a RAM, paměťový dekodér a mnoho sériových a paralelních portů.

Archivestavěného systému

Níže je uvedena základní architektura vestavěného systému:

1) Senzor

Senzor vám pomáhá měřit fyzikální veličinu a převádí ji na elektrický signál. Také ukládá naměřenou veličinu do paměti. Tento signál může být připraven pozorovatelem nebo jakýmkoliv elektronickým přístrojem jako je A2D převodník.

2) AD převodník

AD převodník (analogově-digitální převodník) umožňuje převést analogový signál odeslaný snímačem na digitální signál.

3) Paměť

Paměť slouží k ukládání informací. Embedded System obsahuje převážně dvě paměťové buňky 1) Volatilní 2) Nevolatilní paměť.

4) Procesor a ASIC

Tato součást zpracovává data pro měření výstupu a ukládá je do paměti.

5) DA převodník

DA převodník (digitálně-analogový převodník) vám pomůže převést digitální data přiváděná procesorem na analogová data.

6) Pohon

Akční člen umožňuje porovnat výstup daný DA převodníkem se skutečným výstupem v něm uloženým a schválený výstup uloží do paměti.

Typy vestavěných systémů

Tři typy vestavěných systémů jsou:

• Malé měřítko
• Střední měřítko
• Sofistikovaný

Malé vestavěné systémy

Tento vestavěný systém může být navržen s jedním 8 nebo 16bitovým mikrokontrolérem. Lze jej provozovat pomocí baterie. Pro vývoj malého vestavěného systému jsou nejdůležitější editor, assembler (IDE) a cross assembler programovací nástroje.

Středně velké vestavěné systémy

Tyto typy vestavěných systémů jsou navrženy pomocí 16 nebo 32bitových mikrokontrolérů. Tyto systémy nabízejí jak hardwarovou, tak softwarovou složitost. C, C++, Java, a nástroj pro inženýrství zdrojového kódu atd. se používají k vývoji tohoto typu vestavěného systému.

Sofistikované vestavěné systémy

Tento typ vestavěných systémů má mnoho hardwarových a softwarových složitostí. Můžete vyžadovat IPS, ASIPS, PLA, konfigurační procesor nebo škálovatelné procesory. Pro vývoj tohoto systému potřebujete hardware a software co-design & komponenty, které je třeba spojit do finálního systému.

Rozdíl mezi mikroprocesorem a mikrokontrolérem

Naučte se rozdíl mezi Mikroprocesor a mikrokontrolér

Mikroprocesor	Mikrokontrolér
Využívá funkční bloky jako registr, ALU, časování a řídicí jednotky.	Využívá funkční bloky mikroprocesorů jako RAM, časovač, paralelní I/O, ADC a DAC.
V mikroprocesoru je instrukce pro zpracování bitů méně, pouze jeden nebo dva typy.	Mikrokontrolér nabízí mnoho druhů instrukcí pro manipulaci s bity.
Nabízí rychlé přesuny kódu a dat mezi externí pamětí a mikroprocesorem.	Nabízí rychlé pohyby kódu a dat v mikrokontroléru.
Pomůže vám navrhnout univerzální digitální počítačový systém.	Pomáhá vám navrhovat specializované systémy pro konkrétní aplikace.
Umožňuje vám dělat multitasking najednou.	Je to systém zaměřený na jeden úkol.
V mikroprocesorovém systému můžete rozhodnout o počtu potřebné paměti nebo I/O portů.	V systému mikrokontrolérů je díky pevnému počtu paměti nebo I/O mikrokontrolér ideální pro dokončení konkrétního úkolu.
Nabízí podporu pro externí paměť a I/O porty, díky čemuž je systém těžší a dražší.	Tento typ systému je lehký a levnější ve srovnání s mikroprocesorem.
Externí zařízení potřebují více místa a jejich spotřeba energie je poměrně vyšší.	Tento typ systému spotřebovává méně místa a spotřeba energie je také velmi nízká.

Aplikace vestavěných systémů

Níže jsou uvedeny důležité aplikace vestavěného systému:

Robotická věda

• Pozemní vozidla
• trubci
• Podvodní vozidla
• Průmyslové roboty

Zdravotnictví

• Dialyzační stroj
• Infúzní pumpy
• Srdeční monitor
• Protetické zařízení

Automobilový průmysl

• Kontrola motoru
• Zapalovací systém
• brzdový systém

networking

• router
• náboje
• brány
• Elektronické nástroje

Domácí zařízení

• televizory
• Digital Alarm
• Klimatizace
• DVD Video přehrávač
• kamery

Auta

• Vstřikování paliva
• Systém osvětlení
• Dveřní zámky
• Airbagy
• Windows
• Systém parkovacího asistenta
• Alarmy proti krádeži Whippers Motion

Industrial Control

• Robotika
• Kontrolní systém
• Rakety
• Jaderné reaktory
• Vesmírné stanice
• Kyvadlová doprava

Výhody vestavěného systému

Zde jsou výhody/výhody používání vestavěného systému:

• Je schopen pokrýt širokou škálu prostředí
• Less pravděpodobně způsobí chyby
• Embedded System zjednodušil hardware, který snižuje celkové náklady.
• Nabízí zvýšený výkon
• Vestavěný systém je užitečný pro hromadnou výrobu.
• Vestavěný systém je vysoce spolehlivý.
• Má velmi málo propojení.
• Vestavěný systém má malou velikost.
• Má rychlý chod.
• Nabízí zlepšenou kvalitu produktu.
• Optimalizuje využití systémových prostředků.
• Má nízký výkon.

Nevýhody vestavěného systému

Zde jsou důležité nevýhody/nevýhody používání vestavěného systému.

• Vývoj vestavěného systému vyžaduje vysoké vývojové úsilí.
• Na uvedení na trh potřebuje dlouhou dobu.
• Vestavěné systémy dělají velmi specifický úkol, takže je nelze naprogramovat tak, aby dělaly různé věci.
• Vestavěné systémy nabízejí velmi omezené zdroje paměti.
• Nenabízí žádné technologické vylepšení.
• Zálohování vložených souborů je obtížné.

Shrnutí

• Systém je uspořádání, kde všechny jeho komponenty sestavené fungují podle specificky definovaných pravidel.
• Definice vestavěného systému: Vestavěné systémy znamenají kombinaci počítačového softwaru a hardwaru, která je buď pevně daná, nebo programovatelná.
• Příkladem vestavěných systémů je laserová tiskárna, která řídí různé aspekty tisku.
• V roce 1960 byl embdded systém poprvé použit pro vývoj Apollo Guidance System Charlesem Starkem Draperem z MIT.
• Vestavěný systém vyžaduje výkon v reálném čase
• Míra spolehlivosti pravděpodobnosti přežití systému, když je funkce kritická během doby běhu.
• Fault-Tolerance je schopnost počítačového systému přežít v přítomnosti poruch.
• Vestavěný systém musí splňovat různá časová a další omezení.
• Flexibilita je budování systémů s vestavěnými možnostmi ladění, které umožňují vzdálenou údržbu.
• Přenositelnost je měřítkem jednoduchosti použití stejného vestavěného softwaru v různých prostředích.
• Mikrokontrolér je jednočipová jednotka VLSI, která se také nazývá mikropočítač.
• Mikroprocesor je jednočipové polovodičové zařízení. Jeho CPU obsahuje programový čítač, ALU, ukazatel zásobníku, pracovní registr, časový obvod hodin.
• Architecture Embedded System zahrnuje: Senzor, AD převodník, paměť, procesor a ASIC, DA převodník a akční člen.
• Tři typy vestavěných systémů jsou: 1) Malé měřítko, 2) Střední měřítko a 3) Sofistikované.
• Hlavní rozdíl mezi mikroprocesorem a mikrokontrolérem je ten, že v mikroprocesoru je instrukce pro zpracování bitů menší, zatímco mikrokontrolér nabízí mnoho druhů instrukcí pro manipulaci s bity.
• Aplikace vestavěného systému zahrnuje: 1) robotickou vědu, 2) lékařství, 3) automobilový průmysl, 3) sítě, 4) domácí zařízení, 5) automobily a 6) průmyslové řízení.
• Hlavní výhodou vestavěného systému je, že je schopen pokrýt širokou škálu prostředí.
• Hlavní nevýhodou vestavěného systému je, že jeho uvedení na trh potřebuje dlouhou dobu.