Vodič za ugrađene sustave: Što je, povijest i karakteristike

Prije nego što naučimo ugrađeni sustav, naučimo:

Što je sustav?

Sustav je sustav u kojem sve njegove komponente rade prema određenim definiranim pravilima. To je metoda organiziranja, rada ili obavljanja jednog ili više zadataka prema utvrđenom planu.

Primjer ugrađenih sustava

Laserski printer

Laserski pisači jedan su od primjera ugrađenih sustava koji koriste ugrađene sustave za upravljanje različitim aspektima ispisa. Osim obavljanja glavne zadaće ispisa, mora primati korisničke unose, upravljati komunikacijom s računalnim sustavom, rješavati greške i detektirati papire koji su ostali na ladici, itd.

Ovdje je glavna zadaća mikroprocesora razumijevanje teksta i upravljanje glavom za ispis na način da ispušta tintu tamo gdje je potrebna.

Da bi to izveo, treba dekodirati različite datoteke koje su mu dane i razumjeti font i grafiku. Potrošit će znatno CPU vrijeme za obradu podataka, kao i za korisničke unose, upravljanje motorima itd.

Povijest ugrađenog sustava

Evo važnih prekretnica iz povijesti ugrađenih sustava:

• Godine 1960. Charles Stark Draper na MIT-u prvi je put upotrijebio ugrađeni sustav za razvoj Apollo sustava navođenja.
• Godine 1965. Autonetics je razvio D-17B, računalo koje se koristilo u sustavu za navođenje projektila Minuteman.
• Godine 1968. objavljen je prvi ugrađeni sustav za vozilo.
• Texas Instruments razvio je prvi mikrokontroler 1971.
• Wind River je 1987. izdao prvi ugrađeni OS, VxWorks.
• Microsoft'S Windows ugrađen CE 1996.
• Krajem 1990-ih pojavio se prvi ugrađeni Linux sustav.
• Tržište ugrađenih uređaja doseglo je 140 milijardi dolara u 2013.
• Analitičari predviđaju tržište ugrađenih uređaja veće od 40 milijardi dolara do 2030.

Karakteristike ugrađenog sustava

Slijede važne karakteristike ugrađenog sustava:

• Zahtijeva performanse u stvarnom vremenu
• Mora imati visoku dostupnost i pouzdanost.
• Razvijen oko operativnog sustava u stvarnom vremenu
• Obično imate jednostavan rad bez diska, pokretanje s ROM-a
• Dizajniran za jedan specifičan zadatak
• Mora biti povezan s perifernim uređajima za povezivanje ulaznih i izlaznih uređaja.
• Nudi visoku pouzdanost i stabilnost
• Potrebno minimalno korisničko sučelje
• Ograničena memorija, niska cijena, manja potrošnja energije
• Ne treba ništa sekundarno pamćenje u računalu.

Važna terminologija koja se koristi u ugrađenom sustavu

Sada ćemo u ovom vodiču za ugrađene sustave pokriti neke važne pojmove koji se koriste u ugrađenim sustavima.

Pouzdanost

Ova mjera vjerojatnosti preživljavanja sustava kada je funkcija kritična tijekom vremena izvođenja.

Tolerancija kvarova

Tolerancija na greške je sposobnost računalnog sustava da preživi u prisutnosti grešaka.

U stvarnom vremenu

Ugrađeni sustav mora zadovoljiti različita vremenska i druga ograničenja. Oni su mu nametnuti prirodnim ponašanjem vanjskog svijeta u stvarnom vremenu.

Na primjer, odjel zračnih snaga koji prati dolazne raketne napade mora precizno izračunati i planirati svoj protunapad zbog teškog roka u stvarnom vremenu. Inače će se uništiti.

Fleksibilnost

Gradi sustave s ugrađenim mogućnostima otklanjanja pogrešaka koje omogućuju daljinsko održavanje.

Na primjer, gradite svemirsku letjelicu koja će sletjeti na drugu sadilicu kako bi prikupila razne vrste podataka i poslala prikupljene detalje natrag nama. Ako je ova letjelica poludjela i izgubila kontrolu, trebali bismo moći napraviti važnu dijagnostiku. Dakle, fleksibilnost je vitalna pri projektiranju ugrađenog sustava.

Pokretnost

Prenosivost je mjera lakoće korištenja istog ugrađenog softvera u različitim okruženjima. Zahtijeva generalizirane apstrakcije između same logike aplikacijskog programa i sučelja sustava niske razine.

Što je mikrokontroler?

Mikrokontroler je VLSI jedinica s jednim čipom koja se također naziva mikroračunalo. Sadrži svu potrebnu memoriju i I/O sučelja, dok mikroprocesor opće namjene treba dodatne čipove za pružanje ovih potrebnih funkcija. Mikrokontroleri se široko koriste u ugrađenim sustavima za aplikacije upravljanja u stvarnom vremenu.

Što je mikroprocesor?

Mikroprocesor je poluvodički uređaj s jednim čipom. Njegov CPU sadrži programski brojač, ALU pokazivač na hrpu, radni registar, krug za mjerenje vremena. Također uključuje ROM i RAM, memorijski dekoder i mnogo serijskih i paralelnih priključaka.

Archistrukturu ugrađenog sustava

Ispod je osnovna arhitektura ugrađenog sustava:

1) Senzor

Senzor vam pomaže u mjerenju fizičke veličine i pretvara je u električni signal. Također pohranjuje izmjerenu količinu u memoriju. Ovaj signal može pripremiti promatrač ili bilo koji elektronički instrument poput A2D pretvarača.

2) AD pretvarač

AD pretvarač (analogno-digitalni pretvarač) omogućuje pretvaranje analognog signala koji šalje senzor u digitalni signal.

3) Pamćenje

Memorija se koristi za pohranu informacija. Ugrađeni sustav uglavnom sadrži dvije memorijske ćelije 1) hlapljivu 2) stalnu memoriju.

4) Procesor i ASIC-ovi

Ova komponenta obrađuje podatke kako bi izmjerila izlaz i pohranila ih u memoriju.

5) DA pretvarač

DA pretvarač (Digitalno-analogni pretvarač) pomaže vam pretvoriti digitalne podatke koje šalje procesor u analogne podatke.

6) Pokretač

Aktivator vam omogućuje da usporedite izlaz koji daje DA pretvarač sa stvarnim izlazom pohranjenim u njemu i pohranjuje odobreni izlaz u memoriju.

Vrste ugrađenih sustava

Tri vrste ugrađenih sustava su:

• Mala skala
• Srednje mjerilo
• sofisticirani

Ugrađeni sustavi malih razmjera

Ovaj ugrađeni sustav može biti dizajniran s jednim 8 ili 16-bitnim mikrokontrolerom. Može raditi uz pomoć baterije. Za razvoj ugrađenog sustava malih razmjera, urednik, asembler (IDE) i unakrsni asembler su najvažniji alati za programiranje.

Ugrađeni sustavi srednje veličine

Ove vrste ugrađenih sustava dizajnirane su pomoću 16 ili 32-bitnih mikrokontrolera. Ovi sustavi nude i hardverske i softverske složenosti. C, C++, Java, i inženjerski alat za izvorni kod, itd. koriste se za razvoj ove vrste ugrađenog sustava.

Sofisticirani ugrađeni sustavi

Ova vrsta ugrađenih sustava ima puno hardverskih i softverskih složenosti. Možda će vam trebati IPS, ASIPS, PLA, konfiguracijski procesor ili skalabilni procesori. Za razvoj ovog sustava potreban vam je hardverski i softverski ko-dizajn i komponente koje se trebaju kombinirati u konačni sustav.

Razlika između mikroprocesora i mikrokontrolera

Naučite razliku između Mikroprocesor i mikrokontroler

Mikroprocesor	mikrokontrolera
Koristi funkcionalne blokove kao što su registar, ALU, mjerenje vremena i upravljačke jedinice.	Koristi funkcionalne blokove mikroprocesora kao što su RAM, mjerač vremena, paralelni I/O, ADC i DAC.
U mikroprocesoru, upute za rukovanje bitovima su manje, samo jedna ili dvije vrste.	Mikrokontroler nudi mnoge vrste instrukcija za rukovanje bitovima.
Nudi brzo kretanje koda i podataka između vanjske memorije i mikroprocesora.	Nudi brzo kretanje koda i podataka u mikrokontroleru.
Pomaže vam da dizajnirate digitalni računalni sustav opće namjene.	Pomaže vam u dizajniranju namjenskih sustava specifičnih za aplikaciju.
Omogućuje vam obavljanje više zadataka istovremeno.	To je sustav orijentiran na jedan zadatak.
U mikroprocesorskom sustavu možete odlučiti o broju potrebnih memorijskih ili I/O portova.	U sustavu mikrokontrolera, fiksni broj za memoriju ili I/O čini mikrokontroler idealnim za obavljanje određenog zadatka.
Nudi podršku za vanjsku memoriju i I/O portove, što ga čini težim i skupljim sustavom.	Ovaj tip sustava je lagan i jeftiniji u usporedbi s mikroprocesorom.
Vanjski uređaji trebaju više prostora, a njihova potrošnja energije je dosta veća.	Ovaj tip sustava zauzima manje prostora, a potrošnja energije je također vrlo niska.

Primjena ugrađenih sustava

Slijede važne primjene ugrađenog sustava:

Robotska znanost

• Kopnena vozila
• Oprema za dronove
• Podvodna vozila
• Industrijski roboti

medicinski

• Dijalizni aparat
• Infuzijske pumpe
• Srčani monitor
• Protetski uređaj

Autokuće

• Kontrola motora
• Sustav za paljenje
• sustav kočnica

Mrežna oprema

• usmjerivač
• Hubovi
• pristupnici
• Elektronički instrumenti

Kućni uređaji

• TV
• Digital Alarm
• Klima uređaj
• DVD video player
• Kamere

Automobili

• Ubrizgavanje goriva
• Sustav rasvjete
• Zaključavanje vrata
• Zračni jastuci
• Windows
• Sustav pomoći pri parkiranju
• Alarmi protiv krađe Whippers Motion

Industrijska kontrola

• Robotika
• Sustav kontrole
• Rakete
• Nuklearni reaktori
• Svemirske stanice
• letjelica

Prednosti ugrađenog sustava

Ovdje su prednosti/prednosti korištenja ugrađenog sustava:

• Može pokriti široku paletu okruženja
• Less vjerojatno će encore pogreške
• Ugrađeni sustav pojednostavio je hardver koji smanjuje ukupne troškove.
• Nudi poboljšanu izvedbu
• Ugrađeni sustav je koristan za masovnu proizvodnju.
• Ugrađeni sustav je vrlo pouzdan.
• Ima vrlo malo međupovezanosti.
• Ugrađeni sustav je male veličine.
• Ima brz rad.
• Nudi poboljšanu kvalitetu proizvoda.
• Optimizira korištenje resursa sustava.
• Ima rad niske snage.

Nedostaci ugrađenog sustava

Ovdje su važne mane/nedostaci korištenja ugrađenog sustava.

• Za razvoj ugrađenog sustava potrebno je mnogo truda u razvoju.
• Treba mu dosta vremena da se plasira na tržište.
• Ugrađeni sustavi obavljaju vrlo specifičan zadatak, tako da se ne mogu programirati da rade različite stvari.
• Ugrađeni sustavi nude vrlo ograničene resurse za memoriju.
• Ne nudi nikakva tehnološka poboljšanja.
• Teško je sigurnosno kopirati ugrađene datoteke.

rezime

• Sustav je sustav u kojem svi sklopovi njegovih komponenti rade u skladu s određenim definiranim pravilima.
• Definicija ugrađenog sustava : ugrađeni sustavi koji znače kombinaciju računalnog softvera i hardvera čija je sposobnost ili fiksna ili programabilna.
• Primjer ugrađenih sustava je laserski pisač koji upravlja različitim aspektima ispisa.
• Godine 1960. Charles Stark Draper na MIT-u prvi je put upotrijebio ugrađeni sustav za razvoj Apollo sustava navođenja.
• Ugrađeni sustav zahtijeva performanse u stvarnom vremenu
• Mjera pouzdanosti vjerojatnosti preživljavanja sustava kada je funkcija kritična tijekom vremena rada.
• Tolerancija na greške je sposobnost računalnog sustava da preživi u prisutnosti grešaka.
• Ugrađeni sustav mora zadovoljiti različita vremenska i druga ograničenja.
• Fleksibilnost je izgradnja sustava s ugrađenim mogućnostima otklanjanja pogrešaka koje omogućuju daljinsko održavanje.
• Prenosivost je mjera lakoće korištenja istog ugrađenog softvera u različitim okruženjima.
• Mikrokontroler je VLSI jedinica s jednim čipom koja se također naziva mikroračunalo.
• Mikroprocesor je poluvodički uređaj s jednim čipom. Njegov CPU sadrži programski brojač, ALU pokazivač na hrpu, radni registar, krug za mjerenje vremena.
• ArchiStruktura ugrađenog sustava uključuje: senzor, AD pretvarač, memoriju, procesor i ASIC-ove, DA pretvarač i aktuator.
• Tri vrste ugrađenih sustava su: 1) male razine, 2) srednje razine i 3) sofisticirane.
• Glavna razlika između mikroprocesora i mikrokontrolera je u tome što je kod mikroprocesora manje instrukcija za rukovanje bitovima, dok mikrokontroler nudi mnoge vrste instrukcija za rukovanje bitovima.
• Primjena ugrađenog sustava uključuje: 1) robotsku znanost, 2) medicinu, 3) automobilsku industriju, 3) umrežavanje, 4) kućne uređaje, 5) automobile i 6) industrijsku kontrolu.
• Glavne prednosti ugrađenog sustava su u tome što može pokriti širok raspon okruženja.
• Glavni nedostatak ugrađenog sustava je to što mu je potrebno dugo vremena za izlazak na tržište.