Підручник із вбудованих систем: що таке, історія та характеристики

Перш ніж вивчати вбудовану систему, давайте дізнаємося:

Що таке система?

Система — це система, де всі її компоненти працюють відповідно до визначених правил. Це метод організації, роботи або виконання одного чи кількох завдань відповідно до фіксованого плану.

Приклад вбудованих систем

Лазерний принтер

Лазерні принтери є одним із прикладів вбудованих систем, які використовують вбудовані системи для керування різними аспектами друку. Окрім виконання основного завдання друку, він має приймати дані користувача, керувати зв’язком із комп’ютерною системою, виправляти помилки та розпізнавати папір, що залишився на лотку, тощо.

Тут головне завдання мікропроцесора — зрозуміти текст і керувати друкуючою голівкою таким чином, щоб вона викидала чорнило куди потрібно.

Для цього йому потрібно декодувати різні надані йому файли та розуміти шрифт і графіку. Це споживає значний час процесора для обробки даних, а також для введення даних користувачами, керування двигунами тощо.

Історія вбудованої системи

Ось важливі віхи з історії вбудованих систем:

• У 1960 році Чарльзом Старком Дрейпером у Массачусетському технологічному інституті була вперше використана вбудована система для розробки системи наведення Apollo.
• У 1965 році Autonetics розробила D-17B, комп’ютер, який використовується в системі наведення ракет Minuteman.
• У 1968 році була випущена перша вбудована система для автомобіля.
• Компанія Texas Instruments розробила перший мікроконтролер у 1971 році.
• У 1987 році компанія Wind River випустила першу вбудовану ОС VxWorks.
• MicrosoftАвтора Windows вбудований CE у 1996 році.
• Наприкінці 1990-х з'явилася перша вбудована система Linux.
• У 140 році ринок вбудованих пристроїв досяг $2013 млрд.
• Аналітики прогнозують, що до 40 року ринок вбудованих пристроїв перевищить 2030 мільярдів доларів.

Характеристики вбудованої системи

Нижче наведено важливі характеристики вбудованої системи:

• Вимагає продуктивності в реальному часі
• Він повинен мати високу доступність і надійність.
• Розроблено навколо операційної системи реального часу
• Зазвичай є легка та бездискова робота, завантаження з ПЗУ
• Розрахований на одну конкретну задачу
• Його необхідно підключити до периферійних пристроїв для підключення пристроїв введення та виведення.
• Забезпечує високу надійність і стабільність
• Необхідний мінімальний інтерфейс користувача
• Обмежена пам'ять, низька вартість, менше енергоспоживання
• Воно не потребує жодного вторинна пам'ять в комп'ютері.

Важлива термінологія, яка використовується у вбудованій системі

Тепер у цьому посібнику з вбудованих систем ми розглянемо деякі важливі терміни, які використовуються у вбудованих системах.

Надійність

Це міра ймовірності виживання системи, коли функція є критичною під час виконання.

Відмовостійкість

Відмовостійкість - це здатність комп'ютерної системи виживати за наявності несправностей.

реального часу

Вбудована система повинна відповідати різним часовим та іншим обмеженням. Вони нав’язані йому природною поведінкою зовнішнього світу в реальному часі.

Наприклад, підрозділ військово-повітряних сил, який відстежує наступні ракетні атаки, повинен точно розрахувати та спланувати їхню контратаку через жорсткі терміни реального часу. В іншому випадку він буде знищений.

Гнучкість

Це створення систем із вбудованими можливостями налагодження, які дозволяють дистанційне обслуговування.

Наприклад, ви будуєте космічний корабель, який приземлиться на інший плантатор, щоб зібрати різні типи даних і надіслати зібрані деталі назад нам. Якщо цей космічний корабель збожеволів і втратив контроль, ми зможемо провести важливу діагностику. Отже, гнучкість життєво важлива під час проектування вбудованої системи.

Портативність

Портативність — це міра простоти використання того самого вбудованого програмного забезпечення в різних середовищах. Це вимагає узагальнених абстракцій між самою логікою прикладної програми та системними інтерфейсами низького рівня.

Що таке мікроконтролер?

Мікроконтролер - це однокристальний блок НВІС, який також називають мікрокомп'ютером. Він містить усі необхідні інтерфейси пам’яті та вводу/виводу, тоді як мікропроцесор загального призначення потребує додаткових чіпів для надання цих необхідних функцій. Мікроконтролери широко використовуються у вбудованих системах для програм керування в реальному часі.

Що таке мікропроцесор?

Мікропроцесор — однокристальний напівпровідниковий пристрій. Його центральний процесор містить програмний лічильник, ALU, покажчик стека, робочий регістр, схему синхронізації годинника. Він також включає ROM і RAM, декодер пам'яті та багато послідовних і паралельних портів.

Archiструктуру вбудованої системи

Нижче наведено базову архітектуру вбудованої системи:

1) Датчик

Датчик допомагає виміряти фізичну величину та перетворити її на електричний сигнал. Він також зберігає виміряну величину в пам'яті. Цей сигнал може бути готовий спостерігачем або будь-яким електронним інструментом, таким як конвертер A2D.

2) AD конвертер

АЦП (аналогово-цифровий перетворювач) дозволяє перетворювати аналоговий сигнал, що посилається датчиком, у цифровий сигнал.

3) Пам'ять

Пам'ять використовується для зберігання інформації. Вбудована система в основному містить дві комірки пам’яті 1) Енергозалежну 2) Енергонезалежну пам’ять.

4) Процесор і ASIC

Цей компонент обробляє дані для вимірювання результату та збереження його в пам’яті.

5) ЦАП перетворювач

DA конвертер (цифро-аналоговий перетворювач) допомагає вам перетворювати цифрові дані, що подаються процесором, на аналогові дані.

6) Привід

Актуатор дозволяє порівнювати вихідний сигнал, наданий ЦАП, із фактичним вихідним сигналом, який зберігається в ньому, і зберігає затверджений вихідний сигнал у пам’яті.

Типи вбудованих систем

Є три типи вбудованих систем:

• Мала шкала
• Середній масштаб
• Витончений

Маломасштабні вбудовані системи

Ця вбудована система може бути розроблена з одним 8- або 16-розрядним мікроконтролером. Він може працювати за допомогою акумулятора. Для розробки маломасштабної вбудованої системи редактор, асемблер (IDE) і крос-асемблер є найважливішими інструменти програмування.

Вбудовані системи середнього масштабу

Ці типи вбудованих систем розроблені з використанням 16 або 32-розрядних мікроконтролерів. Ці системи мають як апаратне, так і програмне забезпечення. C, C++, Java, і інструмент розробки вихідного коду тощо використовуються для розробки такого типу вбудованої системи.

Складні вбудовані системи

Цей тип вбудованих систем має багато апаратних і програмних складнощів. Вам можуть знадобитися IPS, ASIPS, PLA, процесор конфігурації або масштабовані процесори. Для розробки цієї системи вам знадобиться спільне проектування апаратного та програмного забезпечення та компоненти, які потрібно об’єднати в остаточну систему.

Різниця між мікропроцесором і мікроконтролером

Дізнайтеся різницю між Мікропроцесор і мікроконтролер

мікропроцесор	Мікроконтролер
Він використовує такі функціональні блоки, як регістри, ALU, блоки синхронізації та керування.	Він використовує функціональні блоки мікропроцесорів, такі як оперативна пам'ять, таймер, паралельний ввід-вивід, АЦП і ЦАП.
У мікропроцесорі інструкцій обробки бітів менше, лише один або два типи.	Мікроконтролер пропонує багато типів інструкцій обробки бітів.
Пропонує швидке переміщення коду та даних між зовнішньою пам’яттю та мікропроцесором.	Пропонує швидке переміщення коду та даних у мікроконтролері.
Допомагає вам проектувати цифрові комп’ютерні системи загального призначення.	Допомагає розробляти спеціалізовані системи для конкретного застосування.
Це дозволяє виконувати багатозадачність одночасно.	Це система, орієнтована на одну задачу.
У мікропроцесорній системі ви можете вибрати необхідну кількість пам’яті або портів введення/виведення.	У мікроконтролерній системі фіксоване число для пам’яті або вводу/виводу робить мікроконтролер ідеальним для виконання конкретного завдання.
Пропонує підтримку зовнішньої пам'яті та портів введення/виведення, що робить систему важчою та дорожчою.	Цей тип системи легкий і дешевший у порівнянні з мікропроцесором.
Зовнішнім пристроям потрібно більше місця, і вони споживають більше енергії.	Цей тип системи споживає менше місця, а споживання електроенергії також дуже низьке.

Застосування вбудованих систем

Нижче наведено важливі програми вбудованої системи:

Робототехніка

• Наземні транспортні засоби
• Дронів
• Підводні апарати
• Промислові роботи

Medical

• Діалізний апарат
• Інфузійні насоси
• Монітор серця
• Протезний пристрій

автомобільний

• Контроль двигуна
• система запалювання
• гальмівна система

мереж

• маршрутизатор
• концентратори
• шлюзи
• Електроніка Інструменти

Домашні пристрої

• телевізори
• Digital Alarm
• Кондиціонер
• DVD відео плеєр
• Фотокамери

Автомобілі

• Нагнітання палива
• Освітлювальна система
• Дверні замки
• Подушки безпеки
• Windows
• Система асистента паркування
• Антикрадіжка Сигналізація Whippers Motion

Промислові управління

• Робототехніка
• Система регулювання
• Ракети
• Ядерні реактори
• Космічні станції
• Шаттл

Переваги вбудованої системи

Ось плюси/переваги використання вбудованої системи:

• Він здатний охоплювати найрізноманітніші середовища
• Less ймовірність помилок
• Вбудована система спрощує апаратне забезпечення, що зменшує загальні витрати.
• Пропонує покращену продуктивність
• Вбудована система корисна для масового виробництва.
• Вбудована система дуже надійна.
• У ньому дуже мало взаємозв’язків.
• Вбудована система має невеликі розміри.
• Має швидку роботу.
• Пропонує покращену якість продукції.
• Оптимізує використання системних ресурсів.
• Має низьку потужність роботи.

Недоліки вбудованої системи

Ось важливі мінуси/недоліки використання вбудованої системи.

• Щоб розробити вбудовану систему, потрібні великі зусилля.
• Для виходу на ринок потрібно багато часу.
• Вбудовані системи виконують дуже специфічні завдання, тому їх не можна запрограмувати на різні дії.
• Вбудовані системи пропонують дуже обмежені ресурси пам'яті.
• Він не пропонує жодних технологічних удосконалень.
• Складно створити резервну копію вбудованих файлів.

Підсумки

• Система — це система, де всі її компоненти працюють відповідно до визначених правил.
• Визначення вбудованої системи: вбудовані системи, що означають комбінацію комп’ютерного програмного та апаратного забезпечення, які мають фіксовані можливості або програмуються.
• Прикладом вбудованих систем є лазерний принтер, який керує різними аспектами друку.
• У 1960 році Чарльзом Старком Дрейпером у Массачусетському технологічному інституті була вперше використана вбудована система для розробки системи наведення Apollo.
• Вбудована система вимагає продуктивності в реальному часі
• Міра надійності ймовірності виживання системи, коли функція є критичною під час виконання.
• Відмовостійкість - це здатність комп'ютерної системи виживати за наявності несправностей.
• Вбудована система повинна відповідати різним тимчасовим та іншим обмеженням.
• Гнучкість — це побудова систем із вбудованими можливостями налагодження, що дозволяє дистанційне обслуговування.
• Портативність — це міра простоти використання того самого вбудованого програмного забезпечення в різних середовищах.
• Мікроконтролер - це однокристальний блок НВІС, який також називають мікрокомп'ютером.
• Мікропроцесор — однокристальний напівпровідниковий пристрій. Його центральний процесор містить програмний лічильник, ALU, покажчик стека, робочий регістр, схему синхронізації годинника.
• ArchiСтруктура вбудованої системи включає: датчик, AD-конвертер, пам'ять, процесор і ASIC, DA-конвертер і виконавчий механізм.
• Три типи вбудованих систем: 1) малого масштабу, 2) середнього масштабу та 3) складного.
• Основна відмінність між мікропроцесором і мікроконтролером полягає в тому, що в мікропроцесорі інструкцій обробки бітів менше, тоді як мікроконтролер пропонує багато видів інструкцій обробки бітів.
• Застосування вбудованої системи включає: 1) Робототехніку, 2) Медицину, 3) Автомобілебудування, 3) Мережі, 4) Побутові пристрої, 5) Автомобілі та 6) Промисловий контроль.
• Основні переваги вбудованої системи полягає в тому, що вона здатна охоплювати широкий спектр середовищ.
• Головним недоліком вбудованої системи є те, що їй потрібен тривалий час для виходу на ринок.