Beágyazott rendszerek bemutatója: Mi az, története és jellemzői

Mielőtt megtanulnánk a beágyazott rendszert, tanuljuk meg:

Mi az a rendszer?

A rendszer egy olyan elrendezés, amelyben minden összetevője meghatározott szabályok szerint működik. Ez egy olyan módszer, amellyel egy vagy több feladatot fix terv szerint szervezünk, dolgozunk vagy végzünk.

Példa a beágyazott rendszerekre

Lézeres nyomtató

A lézernyomtatók a beágyazott rendszerek egyik példája, amelyek beágyazott rendszereket használnak a nyomtatás különféle aspektusainak kezelésére. A fő nyomtatási feladat elvégzése mellett felhasználói beviteleket kell fogadnia, kezelnie kell a kommunikációt a számítógépes rendszerrel, kezelnie kell a hibákat, érzékelnie kell a tálcán hagyott papírokat stb.

Itt a mikroprocesszor fő feladata a szöveg megértése és a nyomtatófej vezérlése úgy, hogy az ott ürítse ki a tintát, ahol szükséges.

Ennek végrehajtásához dekódolnia kell a neki adott különböző fájlokat, és meg kell értenie a betűtípust és a grafikát. Jelentős CPU-időt vesz igénybe az adatok feldolgozása, valamint felhasználói bemeneteket, vezérlőmotorokat stb.

A beágyazott rendszer története

Íme, a beágyazott rendszerek történetének fontos mérföldkövei:

• 1960-ban Charles Stark Draper használta először a beágyazott rendszert az Apollo útmutatási rendszer fejlesztéséhez az MIT-n.
• 1965-ben az Autonetics kifejlesztette a D-17B-t, a Minuteman rakétairányító rendszerben használt számítógépet.
• 1968-ban adták ki az első beágyazott rendszert egy járműhöz.
• A Texas Instruments 1971-ben fejlesztette ki az első mikrokontrollert.
• 1987-ben a Wind River kiadta az első beágyazott operációs rendszert, a VxWorks-t.
• Microsoft'S Windows beágyazott CE 1996-ban.
• Az 1990-es évek végén megjelent az első beágyazott Linux rendszer.
• A beágyazott piac 140-ban elérte a 2013 milliárd dollárt.
• Az elemzők 40 milliárd dollárnál nagyobb beágyazott piacot jósolnak 2030-ra.

Egy beágyazott rendszer jellemzői

A beágyazott rendszer legfontosabb jellemzői a következők:

• Valós idejű teljesítményt igényel
• Magas rendelkezésre állásúnak és megbízhatónak kell lennie.
• Valós idejű operációs rendszer köré fejlesztették ki
• Általában egyszerű és lemez nélküli művelet, ROM rendszerindítás
• Egy adott feladatra tervezték
• A bemeneti és kimeneti eszközök csatlakoztatásához perifériákkal kell összekötni.
• Nagy megbízhatóságot és stabilitást kínál
• Minimális felhasználói felület szükséges
• Korlátozott memória, alacsony költség, kevesebb energiafogyasztás
• Nem kell hozzá másodlagos memória számítógépben.

A beágyazott rendszerekben használt fontos terminológiák

Ebben a beágyazott rendszerek oktatóanyagában bemutatunk néhány fontos, a beágyazott rendszerekben használt kifejezést.

Megbízhatóság

Ez a rendszer túlélési valószínűségének mértéke, amikor a funkció kritikus a futási idő alatt.

Hibatűrés

A hibatűrés egy számítógépes rendszer azon képessége, hogy túlélje a hibákat.

Real-Time

A beágyazott rendszernek különféle időzítési és egyéb megkötéseknek kell megfelelnie. A külső világ valós idejű természetes viselkedése kényszeríti rá őket.

Például egy légierő-osztálynak, amely nyomon követi a beérkező rakétatámadásokat, pontosan ki kell számítania és meg kell terveznie az ellentámadást a nehéz, valós idejű határidő miatt. Ellenkező esetben megsemmisül.

Rugalmasság

Olyan beépített hibakeresési lehetőségekkel rendelkező rendszereket épít, amelyek lehetővé teszik a távoli karbantartást.

Például Ön egy űrhajót épít, amely egy másik vetőgépen fog leszállni, hogy különféle típusú adatokat gyűjtsön, és az összegyűjtött részleteket visszaküldje nekünk. Ha ez az űrszonda megőrül, és elveszíti az irányítást, akkor képesnek kell lennünk néhány fontos diagnosztikára. Tehát a rugalmasság létfontosságú a beágyazott rendszer tervezésekor.

Hordozhatóság.

A hordozhatóság annak mértéke, hogy mennyire könnyű használni ugyanazt a beágyazott szoftvert különböző környezetekben. Ez általános absztrakciókat igényel maga az alkalmazási program logikája és az alacsony szintű rendszer interfészek között.

Mi az a mikrokontroller?

A mikrokontroller egy egychipes VLSI egység, amelyet mikroszámítógépnek is neveznek. Tartalmazza az összes szükséges memóriát és I/O interfészt, míg egy általános célú mikroprocesszornak további chipekre van szüksége ahhoz, hogy ezeket a szükséges funkciókat kínálja. A mikrokontrollereket széles körben használják beágyazott rendszerekben valós idejű vezérlési alkalmazásokhoz.

Mi az a mikroprocesszor?

A mikroprocesszor egy chipes félvezető eszköz. CPU-ja tartalmaz egy programszámlálót, egy ALU-t egy veremmutatót, egy munkaregisztert, egy órajel-időzítő áramkört. Ez is magában foglalja ROM és RAM, memóriadekóder, valamint számos soros és párhuzamos port.

Archia beágyazott rendszer struktúrája

Alább látható a beágyazott rendszer alapvető architektúrája:

1) Érzékelő

Az érzékelő segít a fizikai mennyiség mérésében és elektromos jellé alakításában. A mért mennyiséget a memóriában is eltárolja. Ezt a jelet egy megfigyelő vagy bármilyen elektronikus eszköz, például A2D konverter készítheti elő.

2) AD átalakító

Az AD konverter (analóg-digitális konverter) lehetővé teszi az érzékelő által küldött analóg jel digitális jellé alakítását.

3) Memória

A memória információ tárolására szolgál. A beágyazott rendszer főként két memóriacellát tartalmaz: 1) Illékony 2) Nem felejtő memória.

4) Processzor és ASIC

Ez a komponens feldolgozza az adatokat a kimenet mérésére és a memóriában való tárolására.

5) DA konverter

A DA konverter (digitális-analóg konverter) segít a processzor által betáplált digitális adatok analóg adatokká alakításában.

6) Működtető

Egy aktuátor lehetővé teszi a DA konverter által adott kimenet és a benne tárolt tényleges kimenet összehasonlítását, és a jóváhagyott kimenetet a memóriában tárolja.

A beágyazott rendszerek típusai

A beágyazott rendszerek három típusa:

• Kis méret
• Közepes léptékű
• Kifinomult

Kisméretű beágyazott rendszerek

Ez a beágyazott rendszer egyetlen 8 vagy 16 bites mikrokontrollerrel tervezhető. Akkumulátor segítségével működtethető. Kisméretű beágyazott rendszerek fejlesztéséhez a szerkesztő, assembler, (IDE) és cross assembler a legfontosabb. programozási eszközök.

Közepes méretű beágyazott rendszerek

Az ilyen típusú beágyazott rendszereket 16 vagy 32 bites mikrokontrollerekkel tervezték. Ezek a rendszerek hardveres és szoftveres összetettséget is kínálnak. C, C++, Java, és forráskód-mérnöki eszköz stb. használatos az ilyen típusú beágyazott rendszer fejlesztésére.

Kifinomult beágyazott rendszerek

Az ilyen típusú beágyazott rendszerek sok hardver és szoftver bonyolultsággal rendelkeznek. Szükség lehet IPS-re, ASIPS-re, PLA-kra, konfigurációs processzorra vagy méretezhető processzorokra. A rendszer fejlesztéséhez hardver és szoftver közös tervezésre és komponensekre van szükség, amelyeket a végső rendszerben kell kombinálni.

A mikroprocesszor és a mikrokontroller közötti különbség

Tanuld meg a különbséget Mikroprocesszor és mikrokontroller

mikroprocesszor	Mikrovezérlők
Olyan funkcionális blokkokat használ, mint a regiszter, ALU, időzítés és vezérlőegységek.	Olyan mikroprocesszorok funkcionális blokkjait használja, mint a RAM, időzítő, párhuzamos I/O, ADC és DAC.
Mikroprocesszorban a bitkezelési utasítás kevesebb, csak egy vagy két típus.	A mikrokontroller sokféle bitkezelési utasítást kínál.
Gyors kód- és adatmozgatást biztosít a külső memória és a mikroprocesszor között.	Gyors kód- és adatmozgatást tesz lehetővé a mikrokontrollerben.
Segít általános célú digitális számítógépes rendszer tervezésében.	Segít az alkalmazás-specifikus dedikált rendszerek tervezésében.
Lehetővé teszi, hogy egyszerre több feladatot végezzen.	Ez egy egyetlen feladat-orientált rendszer.
Mikroprocesszoros rendszerben meghatározhatja a szükséges memória vagy I/O portok számát.	A mikrokontroller rendszerben a memória vagy I/O rögzített száma ideálissá teszi a mikrokontrollert az adott feladat elvégzésére.
Támogatja a külső memóriát és az I/O portokat, ami nehezebbé és költségesebbé teszi a rendszert.	Ez a fajta rendszer könnyű és olcsóbb a mikroprocesszorhoz képest.
A külső eszközök több helyet igényelnek, és az energiafogyasztásuk is jóval magasabb.	Ez a fajta rendszer kevesebb helyet foglal, és az energiafogyasztás is nagyon alacsony.

A beágyazott rendszerek alkalmazásai

A beágyazott rendszer legfontosabb alkalmazásai a következők:

Robottudomány

• Földi járművek
• Drónok
• Víz alatti járművek
• Ipari robotok

orvosi

• Dialízis gép
• Infúziós pumpák
• Szívfigyelő
• Protetikai eszköz

Autóipari

• Motorvezérlő
• Gyújtási rendszer
• Fékrendszer

hálózatépítés

• router
• Hub
• átjárók
• Elektronikai eszközök

Otthoni eszközök

• TV
• Digital Riasztó
• Légkondicionáló
• DVD videó lejátszó
• fényképezőgépek

Automobiles

• Üzemanyag befecskendezés
• Világító rendszer
• Ajtózár
• Légzsákok
• Windows
• Parkolási asszisztens rendszer
• Lopásgátló riasztók Whippers Motion

Ipari ellenőrző

• Robotika
• Ellenőrzési rendszer
• Rakéták
• Atomreaktorok
• Űrállomások
• Shuttles

A beágyazott rendszer előnyei

Íme, a beágyazott rendszer használatának előnyei/előnyei:

• Sokféle környezetet képes lefedni
• Less valószínűleg hibákat okoz
• Beágyazott rendszer egyszerűsített hardver, amely csökkenti a költségeket.
• Fokozott teljesítményt kínál
• A beágyazott rendszer hasznos a tömeggyártáshoz.
• A beágyazott rendszer rendkívül megbízható.
• Nagyon kevés kapcsolat van benne.
• A beágyazott rendszer kis méretű.
• Gyors működésű.
• Jobb termékminőséget kínál.
• Optimalizálja a rendszererőforrások felhasználását.
• Alacsony teljesítményű működése van.

A beágyazott rendszer hátrányai

Itt vannak a beágyazott rendszer használatának fontos hátrányai/hátrányai.

• A beágyazott rendszer fejlesztése nagy fejlesztési erőfeszítést igényel.
• Hosszú idő kell a piacra kerüléshez.
• A beágyazott rendszerek nagyon specifikus feladatot látnak el, ezért nem programozható különböző dolgokra.
• A beágyazott rendszerek nagyon korlátozott erőforrásokat kínálnak a memória számára.
• Nem kínál semmiféle technológiai fejlesztést.
• Nehéz biztonsági másolatot készíteni a beágyazott fájlokról.

Összegzésként

• A rendszer olyan elrendezés, amelyben minden összeállítása a meghatározott szabályok szerint működik.
• Beágyazott rendszer meghatározása: A beágyazott rendszerek olyan számítógépes szoftverek és hardverek kombinációját jelentik, amelyek vagy rögzített képességűek, vagy programozhatók.
• A beágyazott rendszerek példája a lézernyomtató, amely a nyomtatás különböző aspektusait kezeli.
• 1960-ban Charles Stark Draper használta először a beágyazott rendszert az Apollo útmutatási rendszer fejlesztéséhez az MIT-n.
• A beágyazott rendszer valós idejű teljesítményt igényel
• A rendszer túlélési valószínűségének megbízhatósági mérőszáma, ha a funkció kritikus a futási idő alatt.
• A hibatűrés egy számítógépes rendszer azon képessége, hogy túlélje a hibákat.
• A beágyazott rendszernek különféle időzítési és egyéb megkötéseknek kell megfelelnie.
• A rugalmasság a beépített hibakeresési lehetőségekkel rendelkező rendszerek kiépítése, amely lehetővé teszi a távoli karbantartást.
• A hordozhatóság annak mértéke, hogy mennyire könnyű használni ugyanazt a beágyazott szoftvert különböző környezetekben.
• A mikrokontroller egy egychipes VLSI egység, amelyet mikroszámítógépnek is neveznek.
• A mikroprocesszor egy chipes félvezető eszköz. CPU-ja tartalmaz egy programszámlálót, egy ALU-t egy veremmutatót, egy munkaregisztert, egy órajel-időzítő áramkört.
• ArchiA beágyazott rendszer szerkezete a következőket tartalmazza: érzékelő, AD konverter, memória, processzor és ASIC, DA konverter és működtető.
• A beágyazott rendszerek három típusa: 1) kis léptékű, 2) közepes méretű és 3) kifinomult.
• A fő különbség a mikroprocesszorban és a mikrokontrollerben az, hogy a mikroprocesszorban a bitkezelési utasítás kevesebb, míg a mikrokontroller sokféle bitkezelési utasítást kínál.
• A beágyazott rendszer alkalmazása a következőket tartalmazza: 1) Robottudomány, 2) Orvosi, 3) Autóipar, 3) Hálózatkezelés, 4) Otthoni eszközök, 5) Gépkocsik és 6) Ipari vezérlés.
• A beágyazott rendszer fő előnye, hogy sokféle környezetet képes lefedni.
• A beágyazott rendszer fő hátránya, hogy hosszú időre van szüksége a forgalomba hozatalhoz.