Jdi na obsah Jdi na menu
 


Embedded systémy patří k nejrozšířenější variantě užívání počítačových systémů. Tyto systémy poskytují větším systémům, jichž jsou součástí, potřebnou inteligenci. Příklady embedded systémů najdeme od přenosného přehrávače hudby po užití v raketoplánu. Jedním z požadavků na tyto systémy je, že musí být tzv. „autonomní“ čili schopny plnit své funkce bez zásahu člověka v průběhu poměrně dlouhého časového intervalu. Proto je při vývoji hlavní důraz kladen na energetickou spotřebu, spolehlivost a robustnost. Autonomní činnost je nezbytná především tam, kde reakce člověka mohou být příliš pomalé, nedostatečně předvídatelné nebo nežádoucí. Dále například systémy, které pracují v reálném čase, musí být velmi rychlé při vykonávání daných funkcí. Další klíčovou charakteristikou většiny embedded systémů je, že by měly být neviditelné (skryté), tj. uživatel by je neměl považovat za počítač.

Právě pro rozvoj a upevnění tohoto postavení je určena strategická iniciativa Embedded System Technology Platform (ESTP), která má spojit síly průmyslu, akademické sféry. Pracovní skupina pro aplikace ESTP (Application Working Group) stanovila na svém zasedání 18. května v Bruselu čtyři hlavní vizionářské oblasti aplikací:

 velké systémy ze sektorů letectví, automobilového průmyslu, lékařské péče

 mobilní objekty (zvířata a lidé),

 privátní infrastruktura (domácnosti, domy a úřady),

 hlavní infrastruktura (letiště, města, dálnice).

Z hlediska dalších úvah je účelné se pozastavit u definice embedded systémů (včleněných, vestavěných, vložených systémů). Dokument řídicího výboru ESTP z 11. března 2004 definuje embedded systémy (ES) jako kombinaci hardwaru a softwaru, jejímž smyslem

je řídit externí proces, zařízení nebo systém. Takovým systémem může být elektronický systém automobilu nebo letadla, set-top-box pro příjem digitálního TV vysílání, čipová sada a software v přenosných zařízeních, telekomunikační ústředna, monitorovací lékařský přístroj, ale i řídicí systém elektrárny. Přestože existuje více či méně výstižný český ekvivalent anglického výrazu, budeme pro účely přehlednosti a jednoznačnosti v tomto článku i v budoucích příspěvcích na místě přívlastku používat anglický termín embedded.

Embedded systémy poskytují větším systémům, jichž jsou součástí, potřebnou inteligenci. Rozsáhlé využívání embedded systémů a jejich integrace do produktů každodenního použití naznačuje evoluční linii v oblasti informačních technologií.

Důležitým požadavkem pro další rozšiřování je přitom „bezešvá“ integrace embedded systémů s jejich okolním prostředím, při současném respektování omezení, která reálný život přináší. a k nimž patří časové termíny, dostupnost, robustnost, energetická spotřeba, rozměry, hmotnost a náklady.

Embedded systémy jsou součástí fyzického prostředí s nímž interagují. Vzniká tak celá řada specifických charakteristik, které hrají svoji roli při strukturování technické domény a při určování relevantních oblastí výzkumu a průmyslového vývoje:

Embedded systémy jsou reaktivní pokud se týče jejich působení na prostředí s omezením práce v reálném čase.

Embedded systémy musí být autonomní, tzn. že musí být schopny plnit své funkce bez zásahu člověka v průběhu poměrně dlouhého časového intervalu. Důsledkem toho jsou rigorózní požadavky na energetickou spotřebu, spolehlivost a robustnost. Autonomní činnost je nezbytná především tam, kde reakce člověka mohou být příliš pomalé, nedostatečně předvídatelné nebo nežádoucí.

Embedded systémy jsou často rozhodující (mission critical), závisí to na důsledcích odchylek od nominálního chování, které mohou ovlivnit kvalitu, spolehlivost a bezpečnost.

Další klíčovou charakteristikou většiny embedded systémů je, že by měly být neviditelné (skryté), tj. uživatel by je neměl považovat za počítač.

1. HistorieObrazek

První rozpoznatelný moderní embedded systém byl Apollo Guidance Computer,vyvinutý Charlesem Starkem Draperem v laboratoři MIT Instrumentation. Každá raketa, jež létala na měsíc, obsahovala dva tyto systémy. Tato zařízení řídila navigační systém a Apollo Lunar Module - LEM( dřívější název byl Lunar Excursion Module). Tyto systémy byly považovány za nejriskantnější část celého projektu Apollo. První masově vyráběný embedded systém byl až řídící počítač pro americkou nukleární raketu Minuteman LGM-30 v roce 1961. Byl to takzvaný Autonetics D-17, který používal oddělené tranzistory, logický a pevný disk pro hlavní paměť. Když se začal vyrábět následník této rakety Minuteman II v roce 1966, D-17 byl nahrazen novým počítačem, který využíval integrované obvody (první systém, který využíval integrované obvody v takovéto míře). Hlavní vlastností počítače Minuteman bylo, že jeho řídící algoritmus mohl být později přeprogramován a přizpůsoben potřebám rakety, tento počítač také dovedl testovat raketu.


 

Existuje mnoho CPU architektur, užívaných při návrhu embedded systémů jako například: ARM, MIPS, Coldfire/68k, Power PC, X86, PIC, 8051, Atmel AVR, H8, SH, V850, FRV, M32R…Toto kontrastuje s trhem stolních počítačů, který je limitován pár konkurenčními architekturami, hlavně

Intel/AMD x86, a Apple/Motorola/IBM PowerPC, používaní v Apple Macintosh. Nyní, při vzrůstající oblibě Javy v tomto odvětví, je tendence do budoucna odstranit závislost na specifickém CPU/hardwaru. Standard PC/104 je typický základ pro malé „low volume“

 systémy. Často využívá DOS, Linux nebo v reálném čase operující systém jako například QNX nebo Inferno. Běžná konfigurace pro „high volume“ systémy je tzv. „system on a chip“, čili aplikačně-specifický integrovaný obvod.

3. Software

Software, psaný pro mnoho embedded systémů, obzvláště pro takové, jež nemají diskovou jednotku se někdy nazývá firmware, což je software uložené přímo v hardwarovém zařízení jako například v jednom IC čipu ROM nebo flash paměti. Programy na těchto systémech často běží v reálném čase a s omezenými hardwarovými zdroji, často tu nejsou diskové mechaniky, operační systém, klávesnice či obrazovka. Protože se předpokládá, že přístroje, které běží pod embedded systémy budou pracovat dlouhou dobu, je firmware vyvíjen mnohem pečlivěji než software pro osobní počítače. Musí být schopné se samy restartovat v případě selhání systému. Toho je docíleno pomocí speciální elektronické sledovací části zvané “watchdog timer”, která restartuje počítač.

3.1. Nástroje

Stejně jako počítačoví programátoři, návrháři embedded systémů užívají překladače, assemblery a debuggery k vývoji software pro tyto systémy.Tyto nástroje pochází z několika zdrojů:

-softwarové společnosti, které se specializují na trh s embedded software
-přenositelný software z GNU

- někdy mohou být užity i vývojové nástroje pro osobní počítače, pokud má embedded procesor blíže k běžnému procesoru v PC

3.1.1. Odstraňování chyb

Odstraňování chyb je obvykle prováděno pomocí speciálního emulátoru nebo pomocí nějakého jiného nástroje k odstraňování chyb, který zvládne přerušit provádění interního mikrokódu, který ovládá mikrořadič. Vývojáři i zde mohou používat krokování a body přerušení (breakpoints). Nástroje, které to umožňují jsou snadno dostupné.

3.1.2. Java v embedded systémech

Java je vhodným jazykem pro programování aplikací pro embedded systémy, které jsou schopny připojení k Internetu. Důvodem je, že lze kompilovat javové aplikace ve formátu nezávislém na procesoru, který může být stažen z Internetu jakýmkoliv procesorem, na kterém běží Java virtual machine a interpret příkazů. Naopak vykonávání kódu v Javě je pomalejší než v jazyce C, což ji dělá neatraktivní pro aplikace, kde je program přímo uložen na disku a vykonáván přímo lokálním procesorem.

3.2. Uživatelské rozhraní

Uživatelských rozhraní pro embedded systémy je široká škála. Návrháři rozhraní v PARC, Apple Computer, Boeing a HP se snaží minimalizovat počet akcí, které musí vykonat uživatel. Například jejich systémy jsou vybaveny pouze dvěma tlačítky (absolutní minimum) k ovládání menu. Také dotyková obrazovka minimalizuje počet akcí, které musí vykonat uživatel. Jiným způsobem je minimalizování a zjednodušení počtu a typu výstupu. Také světelnými výstupy lze velmi zjednodušit uživateli práci se systémem. Například standardní testovací rozhraní Boeingu zahrnuje tlačítko a světla. Pokud stisknete tlačítko, světla se rozsvítí, pokud uvolníte tlačítko, světla, která signalizují selhání systému zůstanou zapnutá. Barvy tlačítek nejsou voleny náhodně, červená například signalizuje, že je něco v nepořádku, žlutá, že by mohlo být něco v nepořádku a zelená svítí, pokud přístroj běží správně. Nápisy u jednotlivých tlačítek jsou v jednoduché angličtině.

3.3. Start systému

Všechny typy embedded systémů mají speciální kód, který se provádí při startu systému. Obvykle tento kód znemožňuje přerušení provádění, nastavuje elektronické součásti a testuje počítač (RAM, CPU a software). Po provedení tohoto kódu se spustí aplikační kód.

Vestavěné testy

Většina embedded systémů má určité množství vestavěných testů, které se provádí samočinně. Příklady několika základních testování:

1. Testování počítače: CPU, RAM, programové paměti. Tento test nejčastěji běží při zapnutí přístroje.U přístrojů, které jsou kritické na bezpečnost, tento test běží pravidelně.
2. Testy periferií: Tyto testy simulují vstupy a čtení nebo kontrolují výstupy.
3. Testování napájení: Tyto testy obvykle měří každý vodič dodávky proudu a mohou také kontrolovat vstupní napájení např. baterii.


4. Komunikační testy: Tyto testy prověřují příjem jednoduché zprávy z připojené jednotky.(Internet má podobně například ICMP zprávu „ping“)
dále také: testy připojených kabelů, bezpečnostní testy, testy operačního systému…

Režimy spolehlivosti

Míra spolehlivosti je závislá na požadavcích uživatele a určení, k čemu je dané zařízení navrženo. Je zde několik typů spolehlivosti, například pokud systém nelze jednoduše bezpečně odpojit (např. kontrolní systémy pro navigaci…), pokud by vypnutí systému znamenalo velkou finanční ztrátu (např.: telefonní přepínače, tovární kontrolní zařízení…) a dále systémy, které nemohou běžet, pokud není systém zcela stabilní (např.: medicínské přístroje)…

4. Embedded systémy a Internet

Embedded systémy se zasloužily o vznik termínu „digital home“ (digitální domácnost), který se vztahuje k digitalizaci všech forem zařízení spotřební elektroniky a jejich propojení do sítě. Dnes jsou již k dispozici základní prostředky například.: digitalizace médií, levné paměti, přenosná zařízení a rychlé sítě. Tato zařízení by byla vybavena chytrým mikroprocesorem, který by podporoval připojení k Internetu, dále by měla mít webový prohlížeč a obrazovku pro zobrazování informací z webu, nástroje pro tvorbu programů, grafické programy…stejně jako osobní počítač. Uživatelé budou moci naprogramovat přístroj tak, aby získával informace o počasí a podle toho reguloval teplotu v domě. V neposlední řadě uživatelé budou moci kontaktovat zařízení vzdáleně pomocí Internetu, za účelem seřízení nastavení a podobně. Také tato zařízení založená na Internetovém připojení budou v budoucnu schopna stahovat ze sítě automaticky data například filmy, multimediální obývací pokoj bude mít digitální televizor, který bude mít stejně funkcí jako osobní počítač čili webový prohlížeč, stereo schopné stahovat hudbu, video kameru která bude schopna nahrávky posílat přímo na web a vložit přímo na rodinnou webovou stránku... Mnoho společností soutěží ve vývoji těchto systémů, které umožňují připojení k Internetu. Postupně vznikne nové průmyslové odvětví, které se bude zabývat vytvářením produktů zvyšujících kvalitu lidského života, zlepšováním životního prostředí, zvyšováním úspor energie… Představitelem je například PDA (Personal Digital Assistant), který by se automaticky dokázal připojit na síť v automobilu, na domácí síť, umožnil by přístup do sítě v kanceláři, elektronicky by monitoroval zdravotní stav, životní prostředí atd.

4.1. Embedded systémy a Evropa

Jelikož technologie embedded systémů jsou v současné době nejrychleji rostoucím odvětvím a Evropa má v této oblasti dominantní postavení, byla pro rozvoj a upevnění tohoto postavení zřízena iniciativa Embedded System Technology Platform (ESTP), která má spojit síly průmyslu a akademické sféry, a která se zabývá oblastí aplikací - velké systémy ze sektorů letectví, automobilového průmyslu, lékařské péče a výroby, mobilní objekty (zvířata a lidé), privátní infrastruktura (domácnosti, domy a úřady), hlavní infrastruktura (letiště, města, dálnice).

4.2. Příklady embedded systémů

Bankomaty, letecká elektrotechnika (navigační systémy, hardware/software pro kontrolu letu), mobilní telefony, telefonní ústředny, počítačová síť(směrovače..), počítačové tiskárny, kopírky, diskové mechaniky, řídící jednotky v automobilech (včetně jednotek pro blokování brzd atd.), domácí automatické spotřebiče (termostaty, klimatizační zařízení, automatická hasicí zařízení, bezpečnostní zařízení domu…), příruční kalkulátory, domácí spotřebiče (mikrovlnné trouby, pračky, televize, DVD přehrávače…), lékařské nástroje, měřící nástroje (osciloskopy, logické analyzátory…), multifunkční hodinky, PDA, programovatelné logické řadiče, herní konzoly pro videohry….


 

Obrazek

5. Výhledy do budoucna

Do roku 2010 by podle odhadů mělo na celém světě být asi 16 miliard programovatelných embedded mikrosoučástek (v roce 2003 jich byla polovina), což také znamená 3 embedded součástky na jednoho člověka. Také v automobilovém průmyslu se elektronika bude velkou měrou podílet na výrobních nákladech vozu, tento podíl vzroste do roku 2010 na 33–40% (v roce 1997 činil 22 %).

Rostoucí význam embedded systémů v budoucím vývoji naší společnosti můžeme ilustrovat následujícími čísly:

do roku 2010 bude na celém světě podle velmi umírněných odhadů 16 miliard programovatelných embedded mikrosoučástek (v roce 2003 jich byla polovina tohoto počtu), což jinými slovy znamená 3 embedded součástky na jednoho člověka,

průměrný růstový koeficient (CGAR) v oblasti embedded součástek v období 1999 až 2011 je ve studii Gartner Group odhadován na 10,3 %,

v automobilovém průmyslu se elektronika bude rostoucí mírou podílet na výrobních nákladech vozu, tento podíl vzroste v roce 2010 na 33–40% (v roce 1997 činil 22 %).

Embedded systémy stály u vzniku termínu „digital home“ (digitální domácnost), který se vztahuje k digitalizaci všech forem zařízení spotřební elektroniky a jejich propojení do sítě. Po několika neúspěšných startech a mnoha příslibech jsou dnes již k dispozici základní stavební bloky (digitalizace všech forem médií, levné paměti, přenosná zařízení a rychlé internetové/bezdrátové sítě), které mohou přispět k úspěšnému přijetí koncepce digitální domácnosti). Konvergence osobních počítačů a systémů domácí zábavy umožnila vznik nové „odrůdy“ zařízení inteligentní spotřební elektroniky, která uživateli umožňují přístup k rozsáhlým knihovnám digitálních médií, ať již lokálním nebo prostřednictvím sítí. Analytici očekávají, že 25 % domácností v USA bude roku 2008 vybaveno těmito zařízeními a tento podíl do roku 2010 stoupne až na 50 %. Očekávaný finanční dopad je obrovský. Růst aplikací pro digitální domácnosti přinese do roku 2010 obrat více než 250 miliard USD. Ten se rozdělí do pěti oblastí mezi mediální domácí centra (hubs), přenosná zařízení spotřební elektroniky, digitální televize, úložné (back-end) servery a paměti, nové formy distribuce digitálních médií. Oblast digitální televize přitom s odhadovaným podílem 60 % představuje největší příležitost pro růst obratu.

 

 

 

 

Komentáře

Přidat komentář

Přehled komentářů

:-)

(fred, 4. 4. 2007 12:46)

dobrý obsah a pěkný fotky!