Εκμάθηση ενσωματωμένων συστημάτων

Πριν μάθουμε το Embedded System, ας μάθουμε:

Τι είναι ένα Σύστημα;

Ένα σύστημα είναι μια διάταξη όπου όλα τα στοιχεία του λειτουργούν σύμφωνα με τους συγκεκριμένους καθορισμένους κανόνες. Είναι μια μέθοδος οργάνωσης, εργασίας ή εκτέλεσης μιας ή περισσότερων εργασιών σύμφωνα με ένα σταθερό σχέδιο.

Παράδειγμα Ενσωματωμένων Συστημάτων

Εκτυπωτής με λέιζερ

Οι εκτυπωτές λέιζερ είναι ένα από τα παραδείγματα των ενσωματωμένων συστημάτων που χρησιμοποιούν ενσωματωμένα συστήματα για τη διαχείριση διαφόρων πτυχών της εκτύπωσης. Εκτός από την εκτέλεση της κύριας εργασίας της εκτύπωσης, πρέπει να δέχεται εισόδους από τον χρήστη, να διαχειρίζεται την επικοινωνία με το σύστημα του υπολογιστή, να χειρίζεται σφάλματα και να ανιχνεύει τα χαρτιά που έχουν μείνει στο δίσκο κ.λπ.

Εδώ, το κύριο καθήκον του μικροεπεξεργαστή είναι να κατανοεί το κείμενο και να ελέγχει την κεφαλή εκτύπωσης με τέτοιο τρόπο ώστε να εκφορτώνει μελάνι όπου χρειάζεται.

Για να το κάνει αυτό, πρέπει να αποκωδικοποιήσει τα διάφορα αρχεία που του δίνονται και να κατανοήσει τη γραμματοσειρά και τα γραφικά. Θα καταναλώσει σημαντικό χρόνο CPU για την επεξεργασία των δεδομένων, καθώς και για να λάβει εισόδους χρήστη, κινητήρες ελέγχου κ.λπ.

Ιστορία του ενσωματωμένου συστήματος

Εδώ, είναι σημαντικά ορόσημα από την ιστορία του ενσωματωμένου συστήματος:

• Το 1960, το ενσωματωμένο σύστημα χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά για την ανάπτυξη του Apollo Guidance System από τον Charles Stark Draper στο MIT.
• Το 1965, η Autonetics, ανέπτυξε τον D-17B, τον υπολογιστή που χρησιμοποιείται στο σύστημα καθοδήγησης πυραύλων Minuteman.
• Το 1968, κυκλοφόρησε το πρώτο ενσωματωμένο σύστημα για ένα όχημα.
• Η Texas Instruments ανέπτυξε τον πρώτο μικροελεγκτή το 1971.
• Το 1987, το πρώτο ενσωματωμένο λειτουργικό σύστημα, VxWorks, κυκλοφόρησε από την Wind River.
• Microsoft'S Windows ενσωματώθηκε CE το 1996.
• Στα τέλη της δεκαετίας του 1990, εμφανίστηκε το πρώτο ενσωματωμένο σύστημα Linux.
• Η ενσωματωμένη αγορά έφτασε τα 140 δισεκατομμύρια δολάρια το 2013.
• Οι αναλυτές προβλέπουν μια ενσωματωμένη αγορά μεγαλύτερη από 40 δισεκατομμύρια δολάρια μέχρι το 2030.

Χαρακτηριστικά ενός ενσωματωμένου συστήματος

Ακολουθούν σημαντικά χαρακτηριστικά ενός ενσωματωμένου συστήματος:

• Απαιτεί απόδοση σε πραγματικό χρόνο
• Θα πρέπει να έχει υψηλή διαθεσιμότητα και αξιοπιστία.
• Αναπτύχθηκε γύρω από ένα λειτουργικό σύστημα σε πραγματικό χρόνο
• Συνήθως, έχετε εύκολη και χωρίς δίσκο λειτουργία, εκκίνηση ROM
• Σχεδιασμένο για μια συγκεκριμένη εργασία
• Πρέπει να συνδεθεί με περιφερειακά για τη σύνδεση συσκευών εισόδου και εξόδου.
• Προσφέρει υψηλή αξιοπιστία και σταθερότητα
• Απαιτείται ελάχιστο περιβάλλον εργασίας χρήστη
• Περιορισμένη μνήμη, χαμηλό κόστος, λιγότερες καταναλώσεις ενέργειας
• Δεν χρειάζεται κανένα δευτερεύουσα μνήμη στον υπολογιστή.

Σημαντικές ορολογίες που χρησιμοποιούνται στο ενσωματωμένο σύστημα

Τώρα σε αυτό το σεμινάριο για τα ενσωματωμένα συστήματα, θα καλύψουμε ορισμένους σημαντικούς όρους που χρησιμοποιούνται στο ενσωματωμένο σύστημα.

Αξιοπιστία

Αυτό το μέτρο της πιθανότητας επιβίωσης του συστήματος όταν η συνάρτηση είναι κρίσιμη κατά τη διάρκεια του χρόνου εκτέλεσης.

Ανοχή σε σφάλματα

Η ανοχή σφαλμάτων είναι η ικανότητα ενός συστήματος υπολογιστή να επιβιώνει παρουσία σφαλμάτων.

Στατιστικά

Το ενσωματωμένο σύστημα πρέπει να πληροί διάφορους χρονικούς και άλλους περιορισμούς. Του επιβάλλονται από τη φυσική συμπεριφορά του εξωτερικού κόσμου σε πραγματικό χρόνο.

Για παράδειγμα, ένα τμήμα της αεροπορίας που παρακολουθεί τις εισερχόμενες επιθέσεις πυραύλων πρέπει να υπολογίζει και να σχεδιάζει με ακρίβεια την αντεπίθεσή του λόγω της σκληρής προθεσμίας σε πραγματικό χρόνο. Διαφορετικά, θα καταστραφεί.

Ευελιξία

Είναι η κατασκευή συστημάτων με ενσωματωμένες ευκαιρίες εντοπισμού σφαλμάτων που επιτρέπει την απομακρυσμένη συντήρηση.

Για παράδειγμα, κατασκευάζετε ένα διαστημικό σκάφος το οποίο θα προσγειωθεί σε μια άλλη ζαρντινιέρα για να συλλέξει διάφορους τύπους δεδομένων και να μας στείλει τις συλλεγμένες λεπτομέρειες. Εάν αυτό το διαστημικό σκάφος τρελάθηκε και έχασε τον έλεγχο, θα μπορούσαμε να κάνουμε κάποια σημαντική διάγνωση. Έτσι, η ευελιξία είναι ζωτικής σημασίας κατά το σχεδιασμό ενός ενσωματωμένου συστήματος.

Φορητότητα

Η φορητότητα είναι ένα μέτρο της ευκολίας χρήσης του ίδιου ενσωματωμένου λογισμικού σε διάφορα περιβάλλοντα. Απαιτεί γενικευμένες αφαιρέσεις μεταξύ της ίδιας της λογικής του προγράμματος εφαρμογής και των διεπαφών συστήματος χαμηλού επιπέδου.

Τι είναι ο μικροελεγκτής;

Ένας μικροελεγκτής είναι μια μονάδα VLSI ενός τσιπ που ονομάζεται επίσης μικροϋπολογιστής. Περιέχει όλη τη μνήμη και τις διεπαφές I/O που απαιτούνται, ενώ ένας μικροεπεξεργαστής γενικής χρήσης χρειάζεται πρόσθετα τσιπ για να προσφέρονται από αυτές τις απαραίτητες λειτουργίες. Οι μικροελεγκτές χρησιμοποιούνται ευρέως σε ενσωματωμένα συστήματα για εφαρμογές ελέγχου σε πραγματικό χρόνο.

Τι είναι ένας μικροεπεξεργαστής;

Ένας μικροεπεξεργαστής είναι μια συσκευή ημιαγωγών με ένα τσιπ. Η CPU του περιέχει έναν μετρητή προγράμματος, ένα ALU ένα δείκτη στοίβας, έναν καταχωρητή εργασίας, ένα κύκλωμα χρονισμού ρολογιού. Περιλαμβάνει επίσης ROM και RAM, αποκωδικοποιητής μνήμης και πολλές σειριακές και παράλληλες θύρες.

Archiδομή του ενσωματωμένου συστήματος

Ακολουθεί η βασική αρχιτεκτονική του ενσωματωμένου συστήματος:

1) Αισθητήρας

Ο αισθητήρας σας βοηθά να μετρήσετε το φυσικό μέγεθος και να το μετατρέψετε σε ηλεκτρικό σήμα. Αποθηκεύει επίσης τη μετρούμενη ποσότητα στη μνήμη. Αυτό το σήμα μπορεί να είναι έτοιμο από έναν παρατηρητή ή από οποιοδήποτε ηλεκτρονικό όργανο όπως ο μετατροπέας A2D.

2) Μετατροπέας AD

Ο μετατροπέας AD (μετατροπέας αναλογικού σε ψηφιακό) σας επιτρέπει να μετατρέψετε ένα αναλογικό σήμα που αποστέλλεται από τον αισθητήρα σε ψηφιακό.

3) Μνήμη

Η μνήμη χρησιμοποιείται για την αποθήκευση πληροφοριών. Το ενσωματωμένο σύστημα περιέχει κυρίως δύο κελιά μνήμης 1) Πτητική 2) Μη πτητική μνήμη.

4) Επεξεργαστής & ASIC

Αυτό το στοιχείο επεξεργάζεται τα δεδομένα για να μετρήσει την έξοδο και να τα αποθηκεύσει στη μνήμη.

5) Μετατροπέας DA

Ο μετατροπέας DA (Ένας μετατροπέας ψηφιακού σε αναλογικό) σάς βοηθά να μετατρέψετε τα ψηφιακά δεδομένα που τροφοδοτούνται από τον επεξεργαστή σε αναλογικά δεδομένα.

6) Ενεργοποιητής

Ένας ενεργοποιητής σάς επιτρέπει να συγκρίνετε την έξοδο που δίνει ο μετατροπέας DA με την πραγματική έξοδο που είναι αποθηκευμένη σε αυτόν και αποθηκεύει την εγκεκριμένη έξοδο στη μνήμη.

Τύποι ενσωματωμένων συστημάτων

Τρεις τύποι ενσωματωμένων συστημάτων είναι:

• Μικρή κλίμακα
• Μεσαία Κλίμακα
• Εκλεπτυσμένο

Ενσωματωμένα συστήματα μικρής κλίμακας

Αυτό το ενσωματωμένο σύστημα μπορεί να σχεδιαστεί με έναν μόνο μικροελεγκτή 8 ή 16 bit. Μπορεί να λειτουργήσει με τη βοήθεια μπαταρίας. Για την ανάπτυξη ενσωματωμένου συστήματος μικρής κλίμακας, ένα πρόγραμμα επεξεργασίας, assembler, (IDE) και cross assembler είναι τα πιο σημαντικά εργαλεία προγραμματισμού.

Ενσωματωμένα συστήματα μεσαίας κλίμακας

Αυτοί οι τύποι ενσωματωμένων συστημάτων έχουν σχεδιαστεί χρησιμοποιώντας μικροελεγκτές 16 ή 32 bit. Αυτά τα συστήματα προσφέρουν πολυπλοκότητα υλικού και λογισμικού. ΝΤΟ, C++, Java, και το εργαλείο μηχανικής πηγαίου κώδικα κ.λπ. χρησιμοποιούνται για την ανάπτυξη αυτού του είδους ενσωματωμένου συστήματος.

Εξελιγμένα Ενσωματωμένα Συστήματα

Αυτός ο τύπος ενσωματωμένων συστημάτων έχει πολλές πολυπλοκότητες υλικού και λογισμικού. Μπορεί να χρειάζεστε IPS, ASIPS, PLA, επεξεργαστή διαμόρφωσης ή επεκτάσιμους επεξεργαστές. Για την ανάπτυξη αυτού του συστήματος, χρειάζεστε συν-σχεδιασμό υλικού και λογισμικού και εξαρτήματα που πρέπει να συνδυαστούν στο τελικό σύστημα.

Διαφορά μεταξύ μικροεπεξεργαστή και μικροελεγκτή

Μάθετε τη διαφορά μεταξύ Μικροεπεξεργαστής και μικροελεγκτής

Μικροεπεξεργαστής	Μικροελεγκτές
Χρησιμοποιεί λειτουργικά μπλοκ όπως καταχωρητή, ALU, χρονισμό και μονάδες ελέγχου.	Χρησιμοποιεί λειτουργικά μπλοκ μικροεπεξεργαστών όπως RAM, χρονόμετρο, παράλληλες εισόδους/εξόδους, ADC και DAC.
Στον μικροεπεξεργαστή, οι οδηγίες χειρισμού bit είναι λιγότερες, μόνο ένας ή δύο τύποι.	Ο μικροελεγκτής προσφέρει πολλά είδη οδηγιών χειρισμού bit.
Προσφέρει γρήγορες μετακινήσεις κώδικα και δεδομένων μεταξύ εξωτερικής μνήμης και μικροεπεξεργαστή.	Προσφέρει γρήγορες κινήσεις κώδικα και δεδομένων στον μικροελεγκτή.
Σας βοηθά να σχεδιάσετε σύστημα ψηφιακών υπολογιστών γενικής χρήσης.	Σας βοηθά να σχεδιάσετε ειδικά συστήματα για συγκεκριμένες εφαρμογές.
Σας επιτρέπει να κάνετε πολλαπλές εργασίες κάθε φορά.	Είναι ένα ενιαίο σύστημα προσανατολισμένο σε εργασίες.
Στο σύστημα μικροεπεξεργαστή, μπορείτε να αποφασίσετε τον αριθμό της μνήμης ή των θυρών I/O που χρειάζονται.	Στο σύστημα Microcontroller, ο σταθερός αριθμός για μνήμη ή I/O καθιστά έναν μικροελεγκτή ιδανικό για την ολοκλήρωση της συγκεκριμένης εργασίας.
Προσφέρει υποστήριξη για εξωτερική μνήμη και θύρες I/O, γεγονός που το καθιστά βαρύτερο και ακριβότερο σύστημα.	Αυτός ο τύπος συστήματος είναι ελαφρύς και φθηνότερος σε σύγκριση με τον μικροεπεξεργαστή.
Οι εξωτερικές συσκευές χρειάζονται περισσότερο χώρο και η κατανάλωση ενέργειας είναι αρκετά μεγαλύτερη.	Αυτός ο τύπος συστήματος καταναλώνει λιγότερο χώρο και η κατανάλωση ενέργειας είναι επίσης πολύ χαμηλή.

Εφαρμογές ενσωματωμένων συστημάτων

Ακολουθούν οι σημαντικές εφαρμογές του ενσωματωμένου συστήματος:

Ρομποτική επιστήμη

• Επίγεια Οχήματα
• Drones
• Υποβρύχια Οχήματα
• Βιομηχανικά ρομπότ

Ιατρικός

• Μηχάνημα αιμοκάθαρσης
• αντλίες έγχυσης
• Καρδιακό Μόνιτορ
• Προσθετική Συσκευή

Αυτοκίνητο

• Ελεγχος μηχανής
• Σύστημα ανάφλεξης
• Σύστημα φρένων

Δικτύωση

• router
• Hubs
• gateways
• Ηλεκτρονικά Όργανα

Οικιακές συσκευές

• τηλεοράσεις
• Digital Alarm
• Air Conditioner
• Συσκευές αναπαραγωγής βίντεο DVD
• κάμερες

Αυτοκίνητα

• Έγχυση καυσίμου
• Σύστημα φωτισμού
• Κλειδαριές πόρτας
• Αερόσακοι
• Windows
• Σύστημα υποβοήθησης στάθμευσης
• Συναγερμοί κατά της κλοπής Whippers Motion

Βιομηχανικός Έλεγχος

• Ρομποτική
• Σύστημα ελέγχου
• Πύραυλοι
• Πυρηνικοί Αντιδραστήρες
• Διαστημικοί Σταθμοί
• Λεωφορεία

Πλεονεκτήματα του ενσωματωμένου συστήματος

Ακολουθούν τα πλεονεκτήματα/πλεονεκτήματα της χρήσης του ενσωματωμένου συστήματος:

• Είναι σε θέση να καλύψει μεγάλη ποικιλία περιβαλλόντων
• Less πιθανόν να επιφέρει σφάλματα
• Το Embedded System απλοποίησε το υλικό που μειώνει συνολικά το κόστος.
• Προσφέρει βελτιωμένη απόδοση
• Το ενσωματωμένο σύστημα είναι χρήσιμο για μαζική παραγωγή.
• Το ενσωματωμένο σύστημα είναι εξαιρετικά αξιόπιστο.
• Έχει πολύ λίγες διασυνδέσεις.
• Το ενσωματωμένο σύστημα είναι μικρό σε μέγεθος.
• Έχει γρήγορη λειτουργία.
• Προσφέρει βελτιωμένη ποιότητα προϊόντος.
• Βελτιστοποιεί τη χρήση των πόρων του συστήματος.
• Διαθέτει λειτουργία χαμηλής ισχύος.

Μειονεκτήματα του ενσωματωμένου συστήματος

Εδώ, είναι σημαντικά μειονεκτήματα/μειονεκτήματα της χρήσης του Ενσωματωμένου συστήματος.

• Για να αναπτυχθεί ένα ενσωματωμένο σύστημα χρειάζεται μεγάλη προσπάθεια ανάπτυξης.
• Χρειάζεται πολύ χρόνο για να κυκλοφορήσει στην αγορά.
• Τα ενσωματωμένα συστήματα κάνουν μια πολύ συγκεκριμένη εργασία, επομένως δεν μπορούν να προγραμματιστούν για να κάνουν διαφορετικά πράγματα.
• Τα ενσωματωμένα συστήματα προσφέρουν πολύ περιορισμένους πόρους για τη μνήμη.
• Δεν προσφέρει καμία τεχνολογική βελτίωση.
• Είναι δύσκολο να δημιουργήσετε αντίγραφα ασφαλείας των ενσωματωμένων αρχείων.

Περίληψη

• Ένα σύστημα είναι μια διάταξη όπου όλα τα στοιχεία του συναρμολογούν την εργασία σύμφωνα με τους συγκεκριμένους καθορισμένους κανόνες.
• Ορισμός Ενσωματωμένου Συστήματος: Ενσωματωμένα συστήματα που σημαίνουν συνδυασμό λογισμικού και υλικού υπολογιστή που είναι είτε σταθερή σε ικανότητα είτε προγραμματιζόμενη.
• Παράδειγμα ενσωματωμένων συστημάτων είναι ο εκτυπωτής λέιζερ που διαχειρίζεται διάφορες πτυχές της εκτύπωσης.
• Το 1960, το ενσωματωμένο σύστημα χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά για την ανάπτυξη του Apollo Guidance System από τον Charles Stark Draper στο MIT.
• Το ενσωματωμένο σύστημα απαιτεί απόδοση σε πραγματικό χρόνο
• Μέτρο αξιοπιστίας της πιθανότητας επιβίωσης του συστήματος όταν η λειτουργία είναι κρίσιμη κατά τη διάρκεια του χρόνου εκτέλεσης.
• Η ανοχή σφαλμάτων είναι η ικανότητα ενός συστήματος υπολογιστή να επιβιώνει παρουσία σφαλμάτων.
• Το ενσωματωμένο σύστημα πρέπει να πληροί διάφορους χρονικούς και άλλους περιορισμούς.
• Η ευελιξία είναι η κατασκευή συστημάτων με ενσωματωμένες ευκαιρίες εντοπισμού σφαλμάτων που επιτρέπει την απομακρυσμένη συντήρηση.
• Η φορητότητα είναι ένα μέτρο της ευκολίας χρήσης του ίδιου ενσωματωμένου λογισμικού σε διάφορα περιβάλλοντα.
• Ένας μικροελεγκτής είναι μια μονάδα VLSI ενός τσιπ που ονομάζεται επίσης μικροϋπολογιστής.
• Ένας μικροεπεξεργαστής είναι μια συσκευή ημιαγωγών με ένα τσιπ. Η CPU του περιέχει έναν μετρητή προγράμματος, ένα ALU ένα δείκτη στοίβας, έναν καταχωρητή εργασίας, ένα κύκλωμα χρονισμού ρολογιού.
• ArchiΗ τεχνολογία του ενσωματωμένου συστήματος περιλαμβάνει: Αισθητήρας, Μετατροπέας AD, Μνήμη, Επεξεργαστής & ASIC, Μετατροπέας DA και Ενεργοποιητής.
• Τρεις τύποι ενσωματωμένων συστημάτων είναι: 1) Μικρής κλίμακας, 2) Μεσαίας κλίμακας και 3) Εξελιγμένα.
• Η κύρια διαφορά μεταξύ του In Microprocessor και του Microcontroller είναι ότι στον Microprocessor, οι οδηγίες χειρισμού bit είναι λιγότερες ενώ ο Microcontroller προσφέρει πολλά είδη εντολών χειρισμού bit.
• Η εφαρμογή του Ενσωματωμένου Συστήματος περιλαμβάνει: 1) Ρομποτική επιστήμη, 2) Ιατρική, 3) Αυτοκινητοβιομηχανία, 3) Δικτύωση, 4) Οικιακές συσκευές, 5) Αυτοκίνητα και 6) Βιομηχανικό Έλεγχο.
• Τα κύρια πλεονεκτήματα του Ενσωματωμένου Συστήματος είναι ότι μπορεί να καλύψει μια μεγάλη ποικιλία περιβαλλόντων.
• Το κύριο μειονέκτημα του Embedded System είναι ότι χρειάζεται πολύ χρόνο για να κυκλοφορήσει στην αγορά.