組込みシステムチュートリアル: とは何か、歴史と特徴

組み込みシステムを学ぶ前に、次のことを学びましょう。

システムとは

システムとは、そのすべてのコンポーネントが特定の定義されたルールに従って動作する配置です。 これは、固定計画に従って XNUMX つ以上のタスクを組織し、作業し、実行する方法です。

組み込みシステムの例

レーザープリンタ

レーザー プリンターは、組み込みシステムを使用して印刷のさまざまな側面を管理する組み込みシステムの一例です。印刷という主なタスクを実行する以外に、ユーザー入力の取得、コンピューター システムとの通信の管理、障害の処理、トレイに残っている用紙の検知などを行う必要があります。

ここで、マイクロプロセッサの主なタスクは、テキストを理解し、必要な場所にインクを吐出するようにプリント ヘッドを制御することです。

これを実行するには、与えられたさまざまなファイルをデコードし、フォントとグラフィックを理解する必要があります。 データの処理にかなりの CPU 時間を消費するだけでなく、ユーザーの入力やモーターの制御なども必要になります。

組込みシステムの歴史

ここでは、組み込みシステムの歴史における重要なマイルストーンを示します。

• 1960 年、MIT の Charles Stark Draper によって、Apollo Guide System の開発に初めて組み込みシステムが使用されました。
• 1965 年、オートネティクス社は、ミニットマン ミサイル誘導システムに使用されるコンピューター D-17B を開発しました。
• 1968 年に、最初の車両用組み込みシステムがリリースされました。
• テキサス・インスツルメンツは 1971 年に最初のマイクロコントローラーを開発しました。
• 1987 年に、最初の組み込み OS である VxWorks が Wind River によってリリースされました。
• Microsoftさん Windows 1996年にCEを埋め込みました。
• 1990 年代後半までに、最初の組み込み Linux システムが登場しました。
• 組み込み市場は140年に2013億ドルに達します。
• アナリストは、組み込み市場が 40 年までに 2030 億ドルを超えると予測しています。

組み込みシステムの特徴

組み込みシステムの重要な特性は次のとおりです。

• リアルタイムのパフォーマンスが必要
• 高い可用性と信頼性が必要です。
• リアルタイムオペレーティングシステムを中心に開発
• 通常、簡単でディスクレス操作、ROMブート
• 特定のタスク向けに設計
• 入出力デバイスを接続するには、周辺機器を接続する必要があります。
• 高い信頼性と安定性を実現
• 必要最小限のユーザーインターフェイス
• 限られたメモリ、低コスト、少ない電力消費
• 何も必要ありません 二次記憶 コンピューターで。

組み込みシステムで使用される重要な用語

この組み込みシステムのチュートリアルでは、組み込みシステムで使用されるいくつかの重要な用語について説明します。

信頼性の向上

実行時に機能がクリティカルになった場合のシステムの生存確率の尺度。

フォールトトレランス

フォールトトレランスは、障害が存在してもコンピュータ システムが存続できる能力です。

リアルタイム

組み込みシステムは、さまざまなタイミングやその他の制約を満たす必要があります。 それらは、外界のリアルタイムの自然な動作によってそれに課せられます。

たとえば、ミサイル攻撃の追跡を行っている空軍部門は、厳しいリアルタイムの期限があるため、反撃を正確に計算して計画する必要があります。そうしないと、破壊されてしまいます。

柔軟性

リモート メンテナンスを可能にするデバッグ機能が組み込まれたシステムを構築しています。

たとえば、別のプランターに着陸してさまざまな種類のデータを収集し、収集した詳細を私たちに送り返す宇宙船を構築しているとします。 もしこの宇宙船が狂って制御を失ったとしたら、私たちは重要な診断を下せるはずだ。 したがって、組み込みシステムを設計する際には柔軟性が不可欠です。

携帯性

移植性は、さまざまな環境で同じ組み込みソフトウェアを使用することの容易さを評価する尺度です。 アプリケーション プログラムのロジック自体と低レベルのシステム インターフェイスの間に一般化された抽象化が必要です。

マイクロコントローラとは

マイクロコントローラは、マイクロコンピュータとも呼ばれるシングルチップのVLSIユニットです。 これには必要なメモリと I/O インターフェイスがすべて含まれていますが、汎用マイクロプロセッサにはこれらの必要な機能を提供するために追加のチップが必要です。 マイクロコントローラーは、リアルタイム制御アプリケーションの組み込みシステムで広く使用されています。

マイクロプロセッサとは何ですか？

マイクロプロセッサはシングルチップの半導体デバイスです。 その CPU には、プログラム カウンタ、ALU、スタック ポインタ、作業レジスタ、クロック タイミング回路が含まれています。 また、 ROMとRAM、メモリ デコーダ、および多くのシリアル ポートとパラレル ポート。

Archi組み込みシステムの構造

以下は組み込みシステムの基本的なアーキテクチャです。

1）センサー

センサーは物理量を測定し、それを電気信号に変換します。また、測定された量をメモリに保存します。この信号は、観察者または A2D コンバーターなどの電子機器によって読み取ることができます。

2) ADコンバータ

AD コンバータ (アナログ - デジタル コンバータ) を使用すると、センサーから送信されたアナログ信号をデジタル信号に変換できます。

3）メモリ

メモリは情報を保存するために使用されます。 組み込みシステムには主に 1 つのメモリ セル、2) 揮発性メモリ、XNUMX) 不揮発性メモリが含まれています。

4) プロセッサーと ASIC

このコンポーネントはデータを処理して出力を測定し、メモリに保存します。

5) DAコンバーター

DA コンバーター (デジタル - アナログ コンバーター) は、プロセッサーから供給されたデジタル データをアナログ データに変換するのに役立ちます。

6) アクチュエーター

アクチュエータを使用すると、DA コンバータによって与えられる出力と、それに保存されている実際の出力を比較し、承認された出力をメモリに保存できます。

組み込みシステムの種類

組み込みシステムには次の XNUMX つのタイプがあります。

• 小規模
• 中規模
• 洗練された

小規模組み込みシステム

この組み込みシステムは、8ビットまたは16ビットのマイクロコントローラXNUMXつで設計できます。バッテリーで動作させることができます。小規模の組み込みシステムを開発するには、エディタ、アセンブラ（IDE）、クロスアセンブラが最も重要です。 プログラミングツール.

中規模組み込みシステム

これらのタイプの組み込みシステムは、16 ビットまたは 32 ビットのマイクロコントローラを使用して設計されています。これらのシステムは、ハードウェアとソフトウェアの両方の複雑さを備えています。C、 C++, Javaこのような組み込みシステムの開発には、ソースコードエンジニアリングツールなどが使用されます。

洗練された組み込みシステム

このタイプの組み込みシステムには、ハードウェアとソフトウェアの複雑さが伴います。IPS、ASIPS、PLA、構成プロセッサ、またはスケーラブル プロセッサが必要になる場合があります。このシステムの開発には、最終システムで組み合わせるハードウェアとソフトウェアの共同設計とコンポーネントが必要です。

マイクロプロセッサとマイクロコントローラーの違い

の違いを学びましょう マイクロプロセッサーとマイクロコントローラー

マイクロプロセッサ	マイクロコントローラ
レジスタ、ALU、タイミング、制御ユニットなどの機能ブロックを使用します。	RAM、タイマー、パラレル I/O、ADC、DAC などのマイクロプロセッサの機能ブロックを使用します。
マイクロプロセッサではビット処理命令は少なく、XNUMX～XNUMX種類のみです。	マイクロコントローラーはさまざまな種類のビット処理命令を提供します。
外部メモリとマイクロプロセッサ間でのコードとデータの迅速な移動を実現します。	マイクロコントローラー内のコードとデータの高速な移動を実現します。
汎用デジタル コンピュータ システムの設計に役立ちます。	アプリケーション固有の専用システムの設計に役立ちます。
一度にマルチタスクを実行できるようになります。	これはシングルタスク指向のシステムです。
マイクロプロセッサ システムでは、必要なメモリまたは I/O ポートの数を決定できます。	マイクロコントローラー システムでは、メモリまたは I/O の数が固定されているため、マイクロコントローラーは特定のタスクを完了するのに最適です。
外部メモリと I/O ポートのサポートを提供するため、システムが重くなり、コストが高くなります。	このタイプのシステムは、マイクロプロセッサに比べて軽量で安価です。
外部デバイスにはより多くのスペースが必要であり、消費電力も非常に高くなります。	このタイプのシステムは、消費するスペースが少なく、消費電力も非常に低くなります。

組み込みシステムのアプリケーション

組み込みシステムの重要なアプリケーションは次のとおりです。

ロボット科学

• 地上車両
• ドローン
• 水中車両
• 産業用ロボット

医療

• 透析機
• 輸液ポンプ
• 心臓モニター
• 補綴装置

自動車

• エンジン制御
• 点火システム
• ブレーキシステム

ネットワーキング

• ルータ
• ハブ
• ゲートウェイ
• 電子機器

ホームデバイス

• テレビ
• Digiタルアラーム
• エアコン
• DVDビデオプレーヤー
• カメラ

自動車

• 燃料噴射
• 照明装置
• ドアロック
• エアバッグ
• Windows
• 駐車支援システム
• 盗難防止アラーム ホイッパーモーション

産業用制御

• ロボット工学
• 制御システム
• ミサイル
• 原子炉
• 宇宙ステーション
• シャトル

組込みシステムのメリット

組み込みシステムを使用する利点と利点は次のとおりです。

• 幅広い環境をカバーできます
• Less アンコールエラーが発生する可能性が高い
• 組み込みシステムによりハードウェアが簡素化され、全体的なコストが削減されます。
• 強化されたパフォーマンスを提供します
• 組み込みシステムは大量生産に役立ちます。
• 組み込みシステムは信頼性が高いです。
• 相互接続はほとんどありません。
• 組み込みシステムはサイズが小さいです。
• 動作が高速です。
• 向上した製品品質を提供します。
• システム リソースの使用を最適化します。
• 低消費電力で動作します。

組み込みシステムのデメリット

ここでは、組み込みシステムを使用する場合の重要な短所/欠点を示します。

• 組み込みシステムの開発には多大な開発労力が必要です。
• 市場に出すまでには長い時間が必要です。
• 組み込みシステムは非常に特殊なタスクを実行するため、異なることを実行するようにプログラムすることはできません。
• 組み込みシステムが提供するメモリリソースは非常に限られています。
• それは何の技術的進歩ももたらしません。
• 埋め込みファイルのバックアップは困難です。

まとめ

• システムとは、そのすべてのコンポーネントが特定の定義ルールに従って動作するように構成されたものです。
• 組み込みシステムの定義 : 組み込みシステムとは、機能が固定されているかプログラム可能なコンピューター ソフトウェアとハ​​ードウェアの組み合わせを意味します。
• 組み込みシステムの例としては、印刷のさまざまな側面を管理するレーザー プリンターがあります。
• 1960 年、MIT の Charles Stark Draper によって、Apollo Guide System の開発に初めて組み込みシステムが使用されました。
• 組み込みシステムにはリアルタイム性が必要です
• 実行時に機能がクリティカルになった場合のシステムの生存確率の信頼性の尺度。
• フォールトトレランスは、障害が存在してもコンピュータ システムが存続できる能力です。
• 組み込みシステムは、さまざまなタイミングやその他の制約を満たす必要があります。
• 柔軟性とは、リモート メンテナンスを可能にするデバッグ機能が組み込まれたシステムを構築することです。
• 移植性は、さまざまな環境で同じ組み込みソフトウェアを使用することの容易さを評価する尺度です。
• マイクロコントローラは、マイクロコンピュータとも呼ばれるシングルチップのVLSIユニットです。
• マイクロプロセッサはシングルチップの半導体デバイスです。 その CPU には、プログラム カウンタ、ALU、スタック ポインタ、作業レジスタ、クロック タイミング回路が含まれています。
• Archi組み込みシステムの構造には、センサー、AD コンバーター、メモリ、プロセッサーと ASIC、DA コンバーター、およびアクチュエーターが含まれます。
• 組み込みシステムには、1) 小規模、2) 中規模、3) 高度な XNUMX つのタイプがあります。
• マイクロプロセッサとマイクロコントローラの主な違いは、マイクロプロセッサではビット処理命令が少ないのに対し、マイクロコントローラでは多くの種類のビット処理命令が提供されることです。
• 組み込みシステムのアプリケーションには、1) ロボット科学、2) 医療、3) 自動車、3) ネットワーキング、4) ホームデバイス、5) 自動車、6) 産業制御が含まれます。
• 組み込みシステムの大きな利点は、幅広い環境をカバーできることです。
• 組み込みシステムの主な欠点は、市場に出すまでに長い時間がかかることです。