Sisteme Incorporate
Content
Sisteme incorporate
Vom incerca sa definim in continuare notiunea de sistem incorporat.
Definitie: Orice dispozitiv care include un computer, dar care nu este el
insusi un computer de uz general. Poate fi considerat un ansamblu
hardware si software care va functiona autonom, fara interventia omului.
Alte posibile definitii/caracteristici ale sistemelor incorporate
sunt:
Sistemele incorporate sunt sisteme la care calculatorul/microprocesorul
sunt doar simple componente. Principalul scop al utilizarii
microprocesorului este sa simplifice constructia sistemului si sa ofere
flexibilitate in proiectare si constructie.
Un sistem incorporat este un sistem pe baza de microprocesor
construit pentru a controla o functie sau un domeniu de functii
particulare si care nu este proiectat pentru a fi programat de catre
utilizatorul final. Singura interactiune cu utilizatorul se face in scopul
realizarii functiilor impuse sistemului – aplicatiei.
Un sistem incorporat foloseste o combinatie de hardware si
software (o masina computationala) pentru a realiza o functie specifica
lucrand intr-un mediu reactiv si care impune restrictii de timp.
Sistemele incorporate sunt sisteme de prelucrare a informatiei
inglobate in produse mai mari si care nu sunt de obicei vizibile
utilizatorului.
In mod normal un sistem incorporat se obtine prin
incorporarea(includerea) unui calculator intr-un sistem orientat pe o
aplicatie.
Cel mai simplu model de incorporare a unui calculator intr-un sistem
este prezentat in figura 1.1.
Dupa cum se observa, este necesara prezenta interfetelor analogice
pentru interactiunea cu mediul.
Vom prezenta in continuare cateva exemple pe baza carora putem pune
in evidenta principalele caracteristici ale sistemelor incorporate (fig.
1.2).
- agenda electronica PDA (Personal Digital Assitant)
- Videocamera digitala
- Telefon celular
-
Televizor celular sau chiar analogic
In cazul PDA se observa prezenta unei interfete operator (touch-screen)
dar aceasta este mai restransa decat in cazul sistemelor de uz general
tocmai datorita faptului ca trebuie sa asigure realizarea unui numar
restrans de functii predefinite.
Videocamera digitala are mai multe microprocesoare. Televizorul
analog benefiaciza de un procesor cel putin pentru controlul canalelor.
Un alt exemplu este reprezenta de sistemele de control ale unui
automobil. Un automobil modern este dotat cu un mare numar de
microprocesoare care asigura controlul motorului, controlul sistemului
de franare (ABS), controlul sistemului de siguranta (airbag-uri), etc. In
figura 1.3. sunt prezentate principalele sisteme de control ale unui
automobil.
Alte exemple de sisteme incorporate
Primul vehicul de explorare a planetei marte Mars Rover dotat cu
5 microprocesoare pe 8 biti Intel 80C85 Prezentat in figura 1.4.
Un sistem GPS – are ca elemente de intrare iesire caracteristic o
antena de emisie receptie semnale satelit, display-ul menit sa asigure
interfatarea cu operatorul uman si este dotat cu microprocesor pe 16 biti.
MP3 Player – dotat cu un microprocesor pe 32 de biti, principala
sarcina fiind decompresia fisierelor audio
Sony Aibo ERS-100 ROBOTIC DOG – este dotat cu un
microprocesar pe 64 de biti – complexitatea microprocesorului este
impusa de complexitatea sarcinilor pe care trebuie sa le realizeze
Caracteristic pentru toate aceste sisteme este faptul ca informatia
referitoare la modul de functionare este prelucrata prin intermediul
senzorilor (viteza, cuplu, acceleratie, temperatura, etc.) iar in urma
procesarii acestor informatii microprocesorul actioneaza asupra
sistemelor de control ale automobilului prin intermediul unor sisteme de
executie (pompe, ventile, motoare, etc.); atat pentru prelucrarea
informatiei cat si pentru transmiterea comenzilor sunt necesare interfete
analogice (CNA si CAN).
Caracteristici ale sistemelor incorporate
- Functionalitate sofisticata, gradul de sofisticare fiind dependent de
aplicatie;
- Operarea in timp real – chiar daca nu este obligatorie, este
caracteristica pentru multe din aplicatiile incorporate.
- Costuri de fabricatie scazute
- Aplicatii dependente de procesor – chiar daca nu sunt obligatorii sunt
frecvente
- Memorie restrictionata
- Consum mic – multe din aplicatiile incorporate sunt destinate sa
functioneze pe baterii.
Am specificat mai devreme ca o caracteristica importanta o constituie
costurile de productie scazute. Acestea au doua componente:
- costurile pentru proiectarea si dezvoltarea produsului
- costurile de productie si vanzare pentru fiecare unitate de produs.
Costurile vor fi corelate cu numarul de unitati realizate: spre exemplu o
aplicatie foarte specifica (precum controlul comenzilor in cazul unui
avion) va presupune costuri de proiectare mari, fiind posibila utilizarea
unor elemente hardware si software sofisticate si scumpe. La proiectarea
unor telefoane celulare low cost insa se va avea in vedere in primul rand
minimizarea costurilor.
Sisteme de timp real
Am specificat anterior ca una dintre caracteristicile posibile ale
sistemelor incorporate este operarea in timp real. In cele ce urmeaza
vom incerca sa definim caracteristicile operarii de timp real.
O definitie simpla a operarii de timp real este aceea ca operatiile
trebuie finalizate in intervale de timp predefinite; altfel spus,
functionarea trebuie sa respecte restrictiile de timp.
Se pot defini operatii:
- Hard real time – la care depasirea intervalului de timp determina
defecte, catastrofe (constrangeri RT critice la timp)
- Soft real time – la care depasirea intervalului de timp determina
scaderea performantelor (constrangeri RT sensibile la timp)
In cazul operarii RT un raspuns garantat al sistemului trebuie sa fie
explicat fara a folosi argumente statistice.
Multe sisteme sunt sisteme multirata – ele primesc informatii din
exterior la intervale de timp diferite si sunt prelucrate in intervale de
timp diferite.
Alte caracteristici ale sistemelor incorporate
- Toleranta la defect – unele aplicatii trebuie sa continue sa
functioneze chiar daca unele componente soft sau hard sunt scoase din
functiune (controlul zborului unui avion de exemplu)
- Siguranta – nu trebuie sa provoace daune persoanelor sau
proprietatilor
- Functionalitate predefinita – se pot realiza numai anumite functii iar
hadware-ul si software-ul cu care este dotat sunt destinate realizarii
acestor functii predefinite
- Exista posibilitatea ca anumite functii predefinite sa fie folosite
foarte rar de-a lungul perioadei de utilizare altfel spus, foarte rar vor fi
folosite toate functiile ce pot fi programate
- Increderea – descrisa de proprietatea de a functiona corect la un
moment dat
- Mentenabilitatea – probabilitatea ca sistemul sa lucreze corect o
anumita perioada, dupa aparitia unor erori
- Disponibilitatea – probabilitatea ca sistemul sa lucreze corect un
timp dat
- Securitatea – asigurarea confidentialitatii datelor prelucrate
Tipuri de sisteme incorporate
Exista o mare diversitate de sisteme incorporate care realizeaza functii
foarte diferite de aceea sunt greu de gasit criterii clare de clasificare ale
acestora. Un criteriu general acceptat este cel bazat pe functiile
principale pe care acestea le implementeaza. Astfel se pot distinge:
- Sisteme incorporate similare calculatoarelor de uz general –
acestea au ca principala sarcina raspunsul la comenzile
operatorului;exemple agenda electronica, jocurile video, etc.
- Sisteme automate – ca raspuns la informatiile preluate din exterior prin
intermediul senzorilor, sistemul reactioneaza prin comanda elementelor
de executie; exemple: controlul in bucla inchisa pentru sisteme de timp
real, controlul motorului autovehiculelor, controlului zborului, etc.
- Procesarea semnalelor: radar, sonar
- Comunicare si retele – telefoane celulare, aplicatii INTERNET
(ROUTER)
Tipuri de functii realizate de sistemele incorporate
- Legea de control
- Secventierea logica
- Procesare semnale – sunt necesare pentru procesarea semnalelor de
intrare primite de la senzori
- Interfatare specifica aplicatiei – depinde de tipurile de senzori si
elemente de comanda cu care se interfateaza
- Raspunsuri gresite – determina modul in care va actiona sistemul in
caz de erori; este necesar ca in caz de eroare sa nu apara o avarie
catastrofica (sa cada sistemul) ci sa aiba loc o deteriorare graduala (de
exemplu in cazul descarcarii bateriilor se emite un semnal de avertizare
care sa comunice utilizatorului acest lucru.
Arhitectura sistemelor incorporate
Vom prezenta in continuare o arhitectura mai completa. In figura
1.7. este prezentata o astfel de arhitectura. Se remarca prezenta blocului
de baza care acum se extinde fata de modelul simplu prezentat anterior,
la acest bloc de baza adaugandu-se mai multe elemente exterioare. In
blocul de baza se remarca CPU care comunica cu memoria, in care este
depus software-ul ce permite controlul sistemului incorporat. Se remarca
de asemenea CAN-ul prin intermediul caruia sunt preluate semnalele
analogice de la senzori, precum si CNA prin intermediul caruia CPU
transmite semnalele de comanda spre elementele de executie.
Se remarca de asemenea prezenta in blocul de baza unei componente
(special hardware) necesara deoarece in unele cazuri, CPU-ul nu este
capabil sa execute instructiunile soft-ului respectand conditiile real time.
Componente externe
- Interfata operator – este menita sa asigure atat primirea date
(comenzi) de la operatorul uman cat si sa-l informeze despre
functionarea sistemului. Va fi constituita din butoane, ecrann sau un
simplu afisaj cu LED-uri
- Blocul de diagnoza – este destinat diagnosticarii sistemului trebuie
determinate erori si modului in care acestea pot fi remediate; acest bloc
trebuie sa lucreze chiar si in cazul in care sistemul nu este activ pentru a
putea testa functionarea corecta a tuturor componentelor sistemului
- Sisteme auxiliare – asigura alimentarea cu energie electrica a
sistemului, racirea si protectia mecanica
- Protectia electromagnetica externa – trebuie sa asigure atat protectia
cat si aspectul exterior al sistemului, aspect ce devine foarte important.
Implementarea sistemelor incorporate
Componentele hardware
Principalele componente hardware sunt:
- element de procesare (microprocesor, microcontroler)
- elemente periferice
o dispozitive de intrare – iesire
o Interfatare senzori si elemente de executie
- Memorie
- Magistrala
Elementele sunt similare unui sistem de calcul de uz general
Deosebirile sunt determinate de natura si numarul intrarilor
iesirilor. Acestea sunt mult mai diverse si mai numeroase in cazul
sistemelor incorporate decat in cazul unui sistem de calcul de uz general.
Exista doua componente software principale
- Software de sistem – care are functii similare sistemului de
operare din sistemul de calcul de uz general; trebuie remarcat ca pe
langa cerintele impuse sistemelor de operare de uz general, in cazul
sistemelor incorporate este necesar ca software de sistem sa respecte si
cerintele specifice sistemelor de timp real. O cerinta speciala este legata
de faptul ca de obicei programarea (in limbaj de nivel inalt) se face pe
un calculator care emuleaza sistemul incorporat si de aceea sunt
necesare cross asambloare si cross compilatoare. Astfel un compilator
pentru PIC-uri va rula pe un PC; acesta va compila programul scris (in C
de exemplu) si va genera un cod specific pentru PIC.
In unele cazuri exista posibilitatea de a simula pe PC mediul
(intrari, iesiri) si de a testa complet functionarea sistemului incorporat.
In acest fel, codul in assambler generat pe PC este transferat si utilizat in
sistemul incorporat. De asemenea, pentru depanarea programului,
sistemul incorporat este cuplat cu un PC. Faptele preluate de la sistemul
incorporat sunt preluate si interpretate pe PC.
- software de aplicatie – este cel care individualizeaza sistemul
incorporat respectiv. Daca acelasi soft de operare poate lucra pe mai
multe tipuri de sisteme incorporate, soft-ul e aplicatie este strict specific.
Spre exemplificare prezentam soft-ul unui termostat programabil
ce controleaza centrala
termica realizeaza cel putin trei sarcini: (1) monitorizarea temperaturii,
(2) monitorizarea orei din zi, (3) supravegherea tastaturii. Fire de cod
(thread) separate.
Caracteristici ale soft-ului utilizat in sistemele incorporate
- Programele trebuie sa fie corecte din punct de vedere logic si
temporal. Daca corectitudinea logica este caracteristica tuturor
programelor, corectitudinea temporala este impusa de cerintele de
aplicatie de timp real.
- Trebuie sa asigure concurenta fizica implicita deoarece un sistem
incorporat poate lucra multiuser si multiproces.
- Siguranta in functionare si toleranta la defect sunt obligatorii, soft-ul
fiind cel care trebuie sa asigure aceste proprietati.
- Soft-ul de aplicatie este specific si are un scop unic.
- Functionarea multitasking si concurenta este determinata de faptul ca
un sistem incorporat trebuie sa poata lucra cu mai multe intrari si iesiri si
cu evenimente multiple in mod independent – multe sisteme incorporate
sunt obligate sa lucreze multitasking. Separarea task-urilor simplifica
programarea, dar cere comutarea intr-un anumit fel, inainte si inapoi
printre diferite task-uri (programare multitasking). Concurenta reprezinta
aparenta executie simultana a mai multor task-uri
Cerinte in proiectarea sistemelor incorporate
In proiectarea unui sistem incorporat trebuie urmarita rezolvarea
unor probleme specifice precum:
- Cat de mult hardware este necesar – care este lungimea cuvantului
pentru CPU, dimensiunea memoriei, etc.
- Care va fi dimensiunea intervalului de timp care sa asigure
finalizarea operatiilor (intervalul de timp pentru finalizarea operatiilor in
real-time) – un hard mai rapid sau un soft mai inteligent – un hard mai
rapid inseamna costuri de productie mai mari in timp ce soft-ul mai
inteligent presupune cheltuieli de dezvoltare mai mari. Trebuie gasit un
compromis care sa asigure performante maxime cu costuri minime.
- Cum sa se minimizeze consumul de energie – oprirea elementelor
care nu sunt necesare, reducerea accesarii memoriei
Proiectarea sistemelor incorporate
Vom prezenta in continuare cateva principii si cerinte preliminare
referitoare la proiectarea unui sistem incorporat. Mentionam ca aceste
principii vor fi dezvoltate ulterior.
In proiectare unui sistem incorporat trebuie luate in considerare diferite
cerinte si interactiuni dintre performantele impuse asupra sistemului.
Dintre principalele obiective ale proiectarii amintim:
- performante (viteza, limite de timp in RT)
- functionabilitate si interfata utilizator
- cost de productie
- consum de energie
- dimensiune, forma, protectie, etc.
- cerinte functionale – iesirea ca o functie de intrare
In proiectarea si dezvoltarea sistemelor trebuie parcurse anumite etape,
conform figurii 1.8
Exista cateva modalitati de proiectare:
Proiectarea de sus in jos – se porneste de la descrierea cea mai
abstracta se lucreaza pentru detaliere
Proiectarea de jos in sus – se porneste de la mici componente la
mari sisteme
In proiectarea reala cele doua modalitati sunt combinate
Concluzii
Sistemele incorporate se regasesc peste tot in jurul nostru – multe
dintre aceste includ un hardware si un software complex
Dezvoltarea unui sistem incorporat presupune rezolvarea unui
mare numar de provocari
S-au dezvoltat metodologii de proiectare care sa ajute la
gestionarea procesului de dezvoltare
Wiki
Termenul „sistem înglobat” provine de la expresia engleză embedded
system și semnifică un mic calculator bazat pe unmicroprocesor și
specializat (dedicat) la îndeplinirea unei sarcini anume, sau a câtorva
sarcini, de obicei în „timp real” (aproape instantaneu).[1][2]
În zilele noastre termenul „sistem înglobat” nu mai este definibil în mod
strict, deoarece toate aceste sisteme sunt deseori miniaturizate, flexibile,
extensibile sau și programabile. Asta este cazul de exemplu încă de la
micii asistenți digitali personali (PDA), care dispun deja de un sistem de
operare, software și/sau firmware, de mai multe aplicații precum și de
conectori pentru aparate periferice suplimentare. Cu atât mai mult la
telefoanele mobile de tip smartphone etc.
Caracteristici
Un sistem înglobat este de obicei parte dintr-un dispozitiv mai mare, cu
componente mecanice și hardware, constituind „inteligența” acestuia. Se
deosebește de un calculator universal, cum este de ex. orice PC, care
acoperă o largă paletă de aplicații.
Sistemele înglobate comandă și controlează multe aparate obișnuite
actuale.[3] „Inima” unui sistem înglobat constă de obicei dintrun microcontrolor sau dintr-un Digital Signal Processor (DSP).[4]
Caracteristica principală este abilitatea de a executa o sarcină anume,
care uneori necesită un procesor extrem de rapid (sau chiar și mai
multe). De exemplu, sistemele de control al traficului aerian ale unei țări
pot fi văzute ca sisteme înglobate, deși pot conține calculatoare de
tip mainframe precum și rețele întregi între aeropoarte și stațiile
deradar (care și ele la rândul lor pot conține propriile sisteme înglobate
ș.a.m.d.).
În ziua de azi sistemele înglobate sunt de obicei deosebit de rapide,
miniaturizate, fiabile (sigure în funcționare) și convenabile ca preț,
profitând de toate tehnologiile avansate și de producția în masă.
Clasificări
Ca mărime fizică ele pot fi foarte variate, fiind înglobate de ex. în:
ceasuri de mână digitale, playere MP3, radaruri de supraveghere a
traficului, sisteme de stopuri de la încrucișările de străzi, sisteme
programabile de producție din fabrici, sisteme de comandă din
centrale nucleare și multe altele.
Și gradul de complexitate al sistemelor înglobate este foarte variat,
începând de la un singur microprocesor pe un singur cip și terminând
cu unități multiple legate între ele printr-o rețea, toatei înglobate întro singură carcasă mare.
Vom incerca sa definim in continuare notiunea de sistem incorporat.
Definitie: Orice dispozitiv care include un computer, dar care nu este el
insusi un computer de uz general. Poate fi considerat un ansamblu
hardware si software care va functiona autonom, fara interventia omului.
Alte posibile definitii/caracteristici ale sistemelor incorporate
sunt:
Sistemele incorporate sunt sisteme la care calculatorul/microprocesorul
sunt doar simple componente. Principalul scop al utilizarii
microprocesorului este sa simplifice constructia sistemului si sa ofere
flexibilitate in proiectare si constructie.
Un sistem incorporat este un sistem pe baza de microprocesor
construit pentru a controla o functie sau un domeniu de functii
particulare si care nu este proiectat pentru a fi programat de catre
utilizatorul final. Singura interactiune cu utilizatorul se face in scopul
realizarii functiilor impuse sistemului – aplicatiei.
Un sistem incorporat foloseste o combinatie de hardware si
software (o masina computationala) pentru a realiza o functie specifica
lucrand intr-un mediu reactiv si care impune restrictii de timp.
Sistemele incorporate sunt sisteme de prelucrare a informatiei
inglobate in produse mai mari si care nu sunt de obicei vizibile
utilizatorului.
In mod normal un sistem incorporat se obtine prin
incorporarea(includerea) unui calculator intr-un sistem orientat pe o
aplicatie.
Cel mai simplu model de incorporare a unui calculator intr-un sistem
este prezentat in figura 1.1.
Dupa cum se observa, este necesara prezenta interfetelor analogice
pentru interactiunea cu mediul.
Vom prezenta in continuare cateva exemple pe baza carora putem pune
in evidenta principalele caracteristici ale sistemelor incorporate (fig.
1.2).
- agenda electronica PDA (Personal Digital Assitant)
- Videocamera digitala
- Telefon celular
-
Televizor celular sau chiar analogic
In cazul PDA se observa prezenta unei interfete operator (touch-screen)
dar aceasta este mai restransa decat in cazul sistemelor de uz general
tocmai datorita faptului ca trebuie sa asigure realizarea unui numar
restrans de functii predefinite.
Videocamera digitala are mai multe microprocesoare. Televizorul
analog benefiaciza de un procesor cel putin pentru controlul canalelor.
Un alt exemplu este reprezenta de sistemele de control ale unui
automobil. Un automobil modern este dotat cu un mare numar de
microprocesoare care asigura controlul motorului, controlul sistemului
de franare (ABS), controlul sistemului de siguranta (airbag-uri), etc. In
figura 1.3. sunt prezentate principalele sisteme de control ale unui
automobil.
Alte exemple de sisteme incorporate
Primul vehicul de explorare a planetei marte Mars Rover dotat cu
5 microprocesoare pe 8 biti Intel 80C85 Prezentat in figura 1.4.
Un sistem GPS – are ca elemente de intrare iesire caracteristic o
antena de emisie receptie semnale satelit, display-ul menit sa asigure
interfatarea cu operatorul uman si este dotat cu microprocesor pe 16 biti.
MP3 Player – dotat cu un microprocesor pe 32 de biti, principala
sarcina fiind decompresia fisierelor audio
Sony Aibo ERS-100 ROBOTIC DOG – este dotat cu un
microprocesar pe 64 de biti – complexitatea microprocesorului este
impusa de complexitatea sarcinilor pe care trebuie sa le realizeze
Caracteristic pentru toate aceste sisteme este faptul ca informatia
referitoare la modul de functionare este prelucrata prin intermediul
senzorilor (viteza, cuplu, acceleratie, temperatura, etc.) iar in urma
procesarii acestor informatii microprocesorul actioneaza asupra
sistemelor de control ale automobilului prin intermediul unor sisteme de
executie (pompe, ventile, motoare, etc.); atat pentru prelucrarea
informatiei cat si pentru transmiterea comenzilor sunt necesare interfete
analogice (CNA si CAN).
Caracteristici ale sistemelor incorporate
- Functionalitate sofisticata, gradul de sofisticare fiind dependent de
aplicatie;
- Operarea in timp real – chiar daca nu este obligatorie, este
caracteristica pentru multe din aplicatiile incorporate.
- Costuri de fabricatie scazute
- Aplicatii dependente de procesor – chiar daca nu sunt obligatorii sunt
frecvente
- Memorie restrictionata
- Consum mic – multe din aplicatiile incorporate sunt destinate sa
functioneze pe baterii.
Am specificat mai devreme ca o caracteristica importanta o constituie
costurile de productie scazute. Acestea au doua componente:
- costurile pentru proiectarea si dezvoltarea produsului
- costurile de productie si vanzare pentru fiecare unitate de produs.
Costurile vor fi corelate cu numarul de unitati realizate: spre exemplu o
aplicatie foarte specifica (precum controlul comenzilor in cazul unui
avion) va presupune costuri de proiectare mari, fiind posibila utilizarea
unor elemente hardware si software sofisticate si scumpe. La proiectarea
unor telefoane celulare low cost insa se va avea in vedere in primul rand
minimizarea costurilor.
Sisteme de timp real
Am specificat anterior ca una dintre caracteristicile posibile ale
sistemelor incorporate este operarea in timp real. In cele ce urmeaza
vom incerca sa definim caracteristicile operarii de timp real.
O definitie simpla a operarii de timp real este aceea ca operatiile
trebuie finalizate in intervale de timp predefinite; altfel spus,
functionarea trebuie sa respecte restrictiile de timp.
Se pot defini operatii:
- Hard real time – la care depasirea intervalului de timp determina
defecte, catastrofe (constrangeri RT critice la timp)
- Soft real time – la care depasirea intervalului de timp determina
scaderea performantelor (constrangeri RT sensibile la timp)
In cazul operarii RT un raspuns garantat al sistemului trebuie sa fie
explicat fara a folosi argumente statistice.
Multe sisteme sunt sisteme multirata – ele primesc informatii din
exterior la intervale de timp diferite si sunt prelucrate in intervale de
timp diferite.
Alte caracteristici ale sistemelor incorporate
- Toleranta la defect – unele aplicatii trebuie sa continue sa
functioneze chiar daca unele componente soft sau hard sunt scoase din
functiune (controlul zborului unui avion de exemplu)
- Siguranta – nu trebuie sa provoace daune persoanelor sau
proprietatilor
- Functionalitate predefinita – se pot realiza numai anumite functii iar
hadware-ul si software-ul cu care este dotat sunt destinate realizarii
acestor functii predefinite
- Exista posibilitatea ca anumite functii predefinite sa fie folosite
foarte rar de-a lungul perioadei de utilizare altfel spus, foarte rar vor fi
folosite toate functiile ce pot fi programate
- Increderea – descrisa de proprietatea de a functiona corect la un
moment dat
- Mentenabilitatea – probabilitatea ca sistemul sa lucreze corect o
anumita perioada, dupa aparitia unor erori
- Disponibilitatea – probabilitatea ca sistemul sa lucreze corect un
timp dat
- Securitatea – asigurarea confidentialitatii datelor prelucrate
Tipuri de sisteme incorporate
Exista o mare diversitate de sisteme incorporate care realizeaza functii
foarte diferite de aceea sunt greu de gasit criterii clare de clasificare ale
acestora. Un criteriu general acceptat este cel bazat pe functiile
principale pe care acestea le implementeaza. Astfel se pot distinge:
- Sisteme incorporate similare calculatoarelor de uz general –
acestea au ca principala sarcina raspunsul la comenzile
operatorului;exemple agenda electronica, jocurile video, etc.
- Sisteme automate – ca raspuns la informatiile preluate din exterior prin
intermediul senzorilor, sistemul reactioneaza prin comanda elementelor
de executie; exemple: controlul in bucla inchisa pentru sisteme de timp
real, controlul motorului autovehiculelor, controlului zborului, etc.
- Procesarea semnalelor: radar, sonar
- Comunicare si retele – telefoane celulare, aplicatii INTERNET
(ROUTER)
Tipuri de functii realizate de sistemele incorporate
- Legea de control
- Secventierea logica
- Procesare semnale – sunt necesare pentru procesarea semnalelor de
intrare primite de la senzori
- Interfatare specifica aplicatiei – depinde de tipurile de senzori si
elemente de comanda cu care se interfateaza
- Raspunsuri gresite – determina modul in care va actiona sistemul in
caz de erori; este necesar ca in caz de eroare sa nu apara o avarie
catastrofica (sa cada sistemul) ci sa aiba loc o deteriorare graduala (de
exemplu in cazul descarcarii bateriilor se emite un semnal de avertizare
care sa comunice utilizatorului acest lucru.
Arhitectura sistemelor incorporate
Vom prezenta in continuare o arhitectura mai completa. In figura
1.7. este prezentata o astfel de arhitectura. Se remarca prezenta blocului
de baza care acum se extinde fata de modelul simplu prezentat anterior,
la acest bloc de baza adaugandu-se mai multe elemente exterioare. In
blocul de baza se remarca CPU care comunica cu memoria, in care este
depus software-ul ce permite controlul sistemului incorporat. Se remarca
de asemenea CAN-ul prin intermediul caruia sunt preluate semnalele
analogice de la senzori, precum si CNA prin intermediul caruia CPU
transmite semnalele de comanda spre elementele de executie.
Se remarca de asemenea prezenta in blocul de baza unei componente
(special hardware) necesara deoarece in unele cazuri, CPU-ul nu este
capabil sa execute instructiunile soft-ului respectand conditiile real time.
Componente externe
- Interfata operator – este menita sa asigure atat primirea date
(comenzi) de la operatorul uman cat si sa-l informeze despre
functionarea sistemului. Va fi constituita din butoane, ecrann sau un
simplu afisaj cu LED-uri
- Blocul de diagnoza – este destinat diagnosticarii sistemului trebuie
determinate erori si modului in care acestea pot fi remediate; acest bloc
trebuie sa lucreze chiar si in cazul in care sistemul nu este activ pentru a
putea testa functionarea corecta a tuturor componentelor sistemului
- Sisteme auxiliare – asigura alimentarea cu energie electrica a
sistemului, racirea si protectia mecanica
- Protectia electromagnetica externa – trebuie sa asigure atat protectia
cat si aspectul exterior al sistemului, aspect ce devine foarte important.
Implementarea sistemelor incorporate
Componentele hardware
Principalele componente hardware sunt:
- element de procesare (microprocesor, microcontroler)
- elemente periferice
o dispozitive de intrare – iesire
o Interfatare senzori si elemente de executie
- Memorie
- Magistrala
Elementele sunt similare unui sistem de calcul de uz general
Deosebirile sunt determinate de natura si numarul intrarilor
iesirilor. Acestea sunt mult mai diverse si mai numeroase in cazul
sistemelor incorporate decat in cazul unui sistem de calcul de uz general.
Exista doua componente software principale
- Software de sistem – care are functii similare sistemului de
operare din sistemul de calcul de uz general; trebuie remarcat ca pe
langa cerintele impuse sistemelor de operare de uz general, in cazul
sistemelor incorporate este necesar ca software de sistem sa respecte si
cerintele specifice sistemelor de timp real. O cerinta speciala este legata
de faptul ca de obicei programarea (in limbaj de nivel inalt) se face pe
un calculator care emuleaza sistemul incorporat si de aceea sunt
necesare cross asambloare si cross compilatoare. Astfel un compilator
pentru PIC-uri va rula pe un PC; acesta va compila programul scris (in C
de exemplu) si va genera un cod specific pentru PIC.
In unele cazuri exista posibilitatea de a simula pe PC mediul
(intrari, iesiri) si de a testa complet functionarea sistemului incorporat.
In acest fel, codul in assambler generat pe PC este transferat si utilizat in
sistemul incorporat. De asemenea, pentru depanarea programului,
sistemul incorporat este cuplat cu un PC. Faptele preluate de la sistemul
incorporat sunt preluate si interpretate pe PC.
- software de aplicatie – este cel care individualizeaza sistemul
incorporat respectiv. Daca acelasi soft de operare poate lucra pe mai
multe tipuri de sisteme incorporate, soft-ul e aplicatie este strict specific.
Spre exemplificare prezentam soft-ul unui termostat programabil
ce controleaza centrala
termica realizeaza cel putin trei sarcini: (1) monitorizarea temperaturii,
(2) monitorizarea orei din zi, (3) supravegherea tastaturii. Fire de cod
(thread) separate.
Caracteristici ale soft-ului utilizat in sistemele incorporate
- Programele trebuie sa fie corecte din punct de vedere logic si
temporal. Daca corectitudinea logica este caracteristica tuturor
programelor, corectitudinea temporala este impusa de cerintele de
aplicatie de timp real.
- Trebuie sa asigure concurenta fizica implicita deoarece un sistem
incorporat poate lucra multiuser si multiproces.
- Siguranta in functionare si toleranta la defect sunt obligatorii, soft-ul
fiind cel care trebuie sa asigure aceste proprietati.
- Soft-ul de aplicatie este specific si are un scop unic.
- Functionarea multitasking si concurenta este determinata de faptul ca
un sistem incorporat trebuie sa poata lucra cu mai multe intrari si iesiri si
cu evenimente multiple in mod independent – multe sisteme incorporate
sunt obligate sa lucreze multitasking. Separarea task-urilor simplifica
programarea, dar cere comutarea intr-un anumit fel, inainte si inapoi
printre diferite task-uri (programare multitasking). Concurenta reprezinta
aparenta executie simultana a mai multor task-uri
Cerinte in proiectarea sistemelor incorporate
In proiectarea unui sistem incorporat trebuie urmarita rezolvarea
unor probleme specifice precum:
- Cat de mult hardware este necesar – care este lungimea cuvantului
pentru CPU, dimensiunea memoriei, etc.
- Care va fi dimensiunea intervalului de timp care sa asigure
finalizarea operatiilor (intervalul de timp pentru finalizarea operatiilor in
real-time) – un hard mai rapid sau un soft mai inteligent – un hard mai
rapid inseamna costuri de productie mai mari in timp ce soft-ul mai
inteligent presupune cheltuieli de dezvoltare mai mari. Trebuie gasit un
compromis care sa asigure performante maxime cu costuri minime.
- Cum sa se minimizeze consumul de energie – oprirea elementelor
care nu sunt necesare, reducerea accesarii memoriei
Proiectarea sistemelor incorporate
Vom prezenta in continuare cateva principii si cerinte preliminare
referitoare la proiectarea unui sistem incorporat. Mentionam ca aceste
principii vor fi dezvoltate ulterior.
In proiectare unui sistem incorporat trebuie luate in considerare diferite
cerinte si interactiuni dintre performantele impuse asupra sistemului.
Dintre principalele obiective ale proiectarii amintim:
- performante (viteza, limite de timp in RT)
- functionabilitate si interfata utilizator
- cost de productie
- consum de energie
- dimensiune, forma, protectie, etc.
- cerinte functionale – iesirea ca o functie de intrare
In proiectarea si dezvoltarea sistemelor trebuie parcurse anumite etape,
conform figurii 1.8
Exista cateva modalitati de proiectare:
Proiectarea de sus in jos – se porneste de la descrierea cea mai
abstracta se lucreaza pentru detaliere
Proiectarea de jos in sus – se porneste de la mici componente la
mari sisteme
In proiectarea reala cele doua modalitati sunt combinate
Concluzii
Sistemele incorporate se regasesc peste tot in jurul nostru – multe
dintre aceste includ un hardware si un software complex
Dezvoltarea unui sistem incorporat presupune rezolvarea unui
mare numar de provocari
S-au dezvoltat metodologii de proiectare care sa ajute la
gestionarea procesului de dezvoltare
Wiki
Termenul „sistem înglobat” provine de la expresia engleză embedded
system și semnifică un mic calculator bazat pe unmicroprocesor și
specializat (dedicat) la îndeplinirea unei sarcini anume, sau a câtorva
sarcini, de obicei în „timp real” (aproape instantaneu).[1][2]
În zilele noastre termenul „sistem înglobat” nu mai este definibil în mod
strict, deoarece toate aceste sisteme sunt deseori miniaturizate, flexibile,
extensibile sau și programabile. Asta este cazul de exemplu încă de la
micii asistenți digitali personali (PDA), care dispun deja de un sistem de
operare, software și/sau firmware, de mai multe aplicații precum și de
conectori pentru aparate periferice suplimentare. Cu atât mai mult la
telefoanele mobile de tip smartphone etc.
Caracteristici
Un sistem înglobat este de obicei parte dintr-un dispozitiv mai mare, cu
componente mecanice și hardware, constituind „inteligența” acestuia. Se
deosebește de un calculator universal, cum este de ex. orice PC, care
acoperă o largă paletă de aplicații.
Sistemele înglobate comandă și controlează multe aparate obișnuite
actuale.[3] „Inima” unui sistem înglobat constă de obicei dintrun microcontrolor sau dintr-un Digital Signal Processor (DSP).[4]
Caracteristica principală este abilitatea de a executa o sarcină anume,
care uneori necesită un procesor extrem de rapid (sau chiar și mai
multe). De exemplu, sistemele de control al traficului aerian ale unei țări
pot fi văzute ca sisteme înglobate, deși pot conține calculatoare de
tip mainframe precum și rețele întregi între aeropoarte și stațiile
deradar (care și ele la rândul lor pot conține propriile sisteme înglobate
ș.a.m.d.).
În ziua de azi sistemele înglobate sunt de obicei deosebit de rapide,
miniaturizate, fiabile (sigure în funcționare) și convenabile ca preț,
profitând de toate tehnologiile avansate și de producția în masă.
Clasificări
Ca mărime fizică ele pot fi foarte variate, fiind înglobate de ex. în:
ceasuri de mână digitale, playere MP3, radaruri de supraveghere a
traficului, sisteme de stopuri de la încrucișările de străzi, sisteme
programabile de producție din fabrici, sisteme de comandă din
centrale nucleare și multe altele.
Și gradul de complexitate al sistemelor înglobate este foarte variat,
începând de la un singur microprocesor pe un singur cip și terminând
cu unități multiple legate între ele printr-o rețea, toatei înglobate întro singură carcasă mare.
