Встраиваемые системы

Встраиваемые системы (embedded system) – специализированные системы, предназначенные для работы в устройстве, которым они будут управлять. Здесь все узлы функционируют совместно, согласно набору правил на основании согласованного и утвержденного плана. С их помощью выполняют организацию и реализацию одного или ряда заданий. Они работают, как и часы: если один из компонентов перестанет выполнять свои обязанности, изделие не сможет функционировать. То есть все элементы зависят друг от друга. Только вместо часовых деталей в микропроцессорной embedded system комбинируется аппаратное и программное обеспечение. Познакомимся с ними более подробно.

Что представляет собой встроенная система

Любые мультимедийные системы, используемые повсеместно в современной жизни, позволяют пользователю подбирать характеристики воспроизводимый аудиофайлов или просматриваемой картинки. Лазерные принтеры, помимо опции самой печати еще связаны с компьютерной системой, способной обрабатывать неисправности, считывать информацию. Система пожарной сигнализации идентифицирует задымление, а также передает сигнал на пульт, включает опцию тушения и пр. Это только несколько примеров встроенной системы. Она построена на микропроцессорах, которые и будут руководить работой каждого отдельного компонента, размещенного внутри нее.

Изначально компьютерные системы создавались для автоматизации вычислительных задач. Они работали по заданному алгоритму. Но, проходя этапы развития, они стали более функциональными. Все встраиваемые системы, которые используются сегодня представляют собой совмещение информатики и автоматизации. Сюда входит аналитика и оценка компьютеризированных систем, выполняемая на реализации управления процессами, элементами и требованиями, которые предъявляются к их программному обеспечению.

Любая современная компьютерная система базируется на двух основных направлениях в области специализированных решений для контроля:

• Программируемые логические контроллеры.
• Микроконтроллеры.

Только при их комбинации удается удовлетворить постоянно возрастающие запросы к контролю качества и получить узкоспециализированные системы, выполняющие полный комплекс управления объектами или процессами, связанными с ними.

Все запросы, которым должны удовлетворять встраиваемые системы управления строго стандартизированы. То есть это не классический персональный компьютер, выполняющий разные функции, а нечто более объемное. Ее микропроцессор или микроконтроллер заранее программируются на реализацию одного или нескольких конкретных заданий. Некоторые модели, исходя из их предназначения, могут иметь собственное программное обеспечение, то есть прошивку. Она характерна только для него. В других же это может быть операционная система, которая базируется на узком программном обеспечении. Во многом это зависит от требований по надежности, предъявляемых к embedded system.

Практика показала, что максимальной стабильностью и безопасностью отличаются встроенные системы с максимально простым, но вместе с тем узкоспециализированным программным обеспечением. Они же быстрее всего дают ответ на непредвиденные ситуации. Дополнительно надежность узла можно повысить путем разведения больших задач на мелкие. Еще можно использовать и резервирование, предполагающее применение двух отдельных абсолютно одинаковых устройств для решения одной задачи. В случае, если одно из них не будет работать, второе возьмет на себя его обязательства.

История встраиваемых систем

Прежде, чем дальше разбираться в том, что такое embedded systems, познакомимся вкратце с историей их появления. Впервые рынок узнал о них в 60-х годах прошлого столетия. Тогда, Чарльз Старк Дрейпер, работая в Массачусетском технологическом институте создал современную встроенную систему вычислений, работающую в режиме реального времени для космической программы Apollo. И название она получила соответствующее – Apollo Guidance Computer. Она создавалась с единственной целью – автоматизировать сбор данных и выполнение ключевых расчетов для лунного и командного модуля к космическим кораблям.

Следующий этап развития встраиваемых систем начался в 1971 году. Это уже была разработка компании Intel, которая выпустила первый коммерческий микропроцессор (Intel 4004). Работал он совместно с внешней памятью и микросхемами поддержки.

Далее было появление стандарта на программируемые микроконтроллеры в 1978 году. Он был разработан Национальной ассоциацией производителей машиностроения. Благодаря ему, в первой половине 80-х была модифицирована конструкция систем. Теперь все компоненты ввода, вывода и памяти были встроены в один чип вместе с управляющим процессором. Так и появились современные микроконтроллеры.

Далее технология развивалась очень быстро:

• в 1987 году мировой общественности была представлена первая встроенная операционная система VxWorks от Wind River;
• в 1996 году вышел Windows, интегрированный в Microsoft CE;
• в 1999 году рынок увидел инновационную встроенную Linux-систему.

Сегодня использование встроенных систем чрезвычайно разнообразно. Они есть во всех аспектах современной жизни, начиная от устройств, считывающих кредитные карты и до смартфонов, светофоров, термостатов. Согласно прогнозам аналитиков, уже к 2030 году рынок таких систем превысит 40 млрд. долл. Эта цифра будет расти и дальше.

Характеристики

Среди основных характеристик любой, встраиваемой в управляемое устройство системы стоит выделить:

1. Однофункциональность. Она предназначена для выполнения определенной специализированной операции, повторяя ее многократно. Как пример – пейджер, передающий сообщения.
2. Строгие ограничения по характеристикам проектирования. Цена, размер, мощностные показатели, производительность системы должны быть идеально сбалансированы: размер подходит для чипа, реагирует на команды мгновенно, информация передается в реальном времени и все это с минимальным энергопотреблением.
3. Реактивность в режиме реального времени. Указывает на способность систем со встроенными микропроцессорами, микроконтроллерами мгновенно находить ответ на внешние изменения, выполнять вычисления без задержек. Как пример – круиз-контроль, которым сегодня оснащается большинство транспортных средств. Эта опция следит за датчиками скорости, тормоза, многократно определяет ускорение и замедление машины. Даже малейшие задержки в ее работе чреваты серьезными проблемами.
4. Наличие памяти. Зачастую программное обеспечение системы встраивается в постоянное запоминающее устройство. Поэтому без памяти не обойтись.
5. Подключение периферийных устройств. Только с их помощью будет возможным подсоединение устройств ввода/вывода.
6. Наличие HW-SW системы. Благодаря программному обеспечению можно использовать большое количество опций, увеличивать гибкость. В обязанности самого оборудования входит только предоставление требуемой производительности и безопасности.

Архитектура встраиваемой системы

Встраиваемые системы включают в себя следующие компоненты:

1. Датчик. Предназначен для измерения физических параметров и их преобразования в электросигнал, который сможет прочитать человек или преобразователь A2D. Установленные показатели сохраняются в памяти устройства.
2. AD Converter. Это аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Преобразует аналоговый поток в цифровой.
3. DA Converter. Работает конвертер обратно предыдущему варианту. Преобразует цифровой поток в аналоговый.
4. Процессор и ASIC. Предназначен для обработки информации с целью измерения выхода и сохранения в памяти.
5. Привод. Сопоставляет реальный выходной сигнал из DA конвертера с ожидаемым (хранится в нем). Сохраняет согласованный выходной сигнал.

Разновидности встраиваемых систем

Выделяют 3 типа embedded systems:

1. Малого масштаба. Разрабатывается на основе одного микроконтроллера на 8 или 16 бит. Управление осуществляется через батарею. Для создания маломасштабной системы необходим редактор, ассемблер и кросс-ассемблер.
2. Среднего масштаба. Разрабатываются на основе 16 или 32-битный микроконтроллеров. Оснащаются аппаратными и программными сложностями: С, С++, Java, инструментарий разработки исходного кода и пр.
3. Сложные. Здесь уже очень много программных и аппаратных сложностей. Для их разработки могут потребоваться масштабируемые процессоры или процессоры конфигурации, матрицы IPS, ASIPS, PLA и пр. Здесь уже параллельно проектируются элементы программного и аппаратного обеспечения, которые и станут основой единой системы.

Области применения

Смартфоны и другие гаджеты, телевизоры, термостаты, системы кондиционирования воздуха, бытовая техника, информационные боксы, банкоматы, терминалы самообслуживания – это только некоторые варианты встроенных системы. Без них невозможно представить работу спутниковых навигационных систем, копировальных аппаратов, светофоров, охранной, противовзломной, противопожарной сигнализации и пр.

Индивидуальные разработки систем позволяют создавать решения любого уровня сложности. Это могут быть как самые простые пользовательские узлы, построенные на базе микроконтроллеров минимальной мощности, так и передовые многопроцессорные распределительные контуры, применяемые в робототехнике, телекоммуникации, авиации, тепловой энергетике, космической отрасли, железной дороге.

В отличие от иных разновидностей компьютерных систем, встроенные наделены особым, специализированным характером. На более высоком уровне находится и качество их программного обеспечения, и аппаратные компоненты.

Наибольшую востребованность embedded systems получили в:

• производственных системах автоматизации: экономит время реализации технологических операций;
• транспортных, авто-, железнодорожных службах;
• системах контроля и управления доступом, противопожарной, охранной сигнализации;
• контурах передачи данных, средствах хранения информации;
• военно-промышленной отрасли, авиа-, ракетостроении;
• промышленных Ethernet системах передачи данных;
• измерительном оборудовании: анализаторах спектра, осциллографах;
• компьютерном обеспечении: оптические приводы, жесткие диски, маршрутизаторы;
• системах «умный дом»;
• промышленном контроле качества производимой продукции;
• медицине: оборудование для мониторинга работы розничных органов и систем,
• автомобилестроении: мультимедийные системы, бортовые компьютеры, круиз-контроль, климат-контроль и пр.;
• промышленных роботах, станках с численно-программным управлением и пр.

Но, вне зависимости от сферы применения, все встроенные системы перед применением должны проходить тщательное тестирование, позволяющее установить их стабильность. Следует знать, что даже мельчайшие программные недочеты могут обернуться настоящей катастрофой с непредсказуемыми последствиями.

К таким узлам предъявляются чрезвычайно жесткие требования. Они должны отличаться высокой отказоустойчивостью даже при работе в условиях повышенной загрязненности, запыленности, при ударах и вибрациях, перепадах температур, повышенной влажности, пиковых нагрузках. Даже в необслуживаемых режимах они должны работать стабильно и максимально долго, поддерживая специализированные интерфейсы для ввода/вывода.

Преимущества и недостатки

К преимуществам встраиваемых систем относят:

• можно внедрять в абсолютно любые среды;
• минимальная вероятность сбоев и ошибок в работе;
• обеспечение аппаратной простоты, что положительно сказывается на итоговой стоимости контура;
• повышенная производительность в комплексе с небольшими габаритами и весом;
• оптимально подходит для массового производства;
• имеет мало взаимосвязей: более высокий уровень защиты и надежность;
• быстрая работа: мгновенное реагирование на внешние изменения;
• оптимизация использования системных ресурсов;
• способность стабильной работы на малой входной мощности, что повышает энергоэффективность.

Но, наряду с более, чем весомыми преимуществами, embedded systems имеет и ряд недостатков, которые надо принять во внимание еще до разработки и запуска проекта. К таким моментам относят:

• узкая специализация работы: система создается индивидуально под каждую задачу, то есть универсальности не удастся достичь;
• в процессе эксплуатации не предусмотрено никаких технических усовершенствований;
• для хранения информации в них предусмотрено ограниченные резервы памяти;
• не так просто будет сделать резервную копию файлов.

Но большинство этих недостатков минимизируются профессиональной разработкой и внедрением проектов на основе встроенной системы. Если вам нужны надежные, профессиональные решения, обращайтесь в «ОЭС Спецпоставка». Специалисты возьмут на себя полный комплекс работ, начиная от проектирования и до разработки, пайки плат, подготовки сопроводительной технической документации. 

В компании «ОЭС Спецпоставка» вы сможете купить встраиваемые системы мировых производителей: RTD Embedded, Advantech, ADlink, Avalue, AAEON, DFI, VIA, Perfectron, SBS, Windbond, YDSTECH, ARBOR, LEXCOM и других производителей.

Более подробно об особенностях сотрудничества можно узнать по телефону или через форму обратной связи.