Встроенные системы это компьютерные системы с чем другие типы компьютеров

Обновлено: 04.07.2024

Прежде чем мы изучим встроенную систему, давайте изучим:

Что такое система?

Что такое встроенная система?

На этом курсе по встраиваемой системе вы узнаете:

Пример встраиваемых систем

Лазерный принтер

Лазерные принтеры используют встроенные системы для управления различными аспектами печати. Помимо выполнения основной задачи печати, он должен принимать пользовательский ввод, управлять связью с компьютерной системой, обрабатывать неисправности, считывать бумаги, оставленные в лотке и т. Д.

Для этого ему необходимо декодировать различные файлы, данные ему, и понимать шрифт и графику. Для обработки данных потребуется значительное время процессора, а также для ввода данных от пользователя, управления двигателями и т. Д.

История встраиваемой системы

Вот важные вехи истории встроенных систем:

В 1960 году встроенная система впервые была использована для разработки системы наведения Аполлона Чарльзом Старком Дрейпером в Массачусетском технологическом институте.
В 1965 году Autonetics разработала D-17B, компьютер, используемый в системе наведения ракет Minuteman.
В 1968 году была выпущена первая встроенная система для автомобиля.
Texas Instruments разработала первый микроконтроллер в 1971 году.
В 1987 году Wind River выпустила первую встроенную ОС VxWorks.
Windows, встроенный в Microsoft CE в 1996 году.
К концу 1990-х годов появилась первая встроенная система Linux.
В 2013 году рынок встраиваемых систем достигнет 140 миллиардов долларов.
Аналитики прогнозируют, что к 2030 году рынок встраиваемых систем превысит 40 миллиардов долларов.

Характеристики встроенной системы

Ниже приведены важные характеристики встроенной системы:

Требуется производительность в реальном времени
Он должен иметь высокую доступность и надежность.
Разработано на основе операционной системы реального времени
Как правило, есть легкая и бездисковая операция, загрузка ПЗУ
Предназначен для одной конкретной задачи
Он должен быть подключен к периферийным устройствам для подключения устройств ввода и вывода.
Обеспечивает высокую надежность и стабильность.
Требуется минимальный пользовательский интерфейс
Ограниченная память, низкая стоимость, меньшее энергопотребление
Для этого не требуется никакой дополнительной памяти на компьютере.

Важные термины, используемые во встроенной системе

Здесь приведены важные термины, используемые во встроенной системе.

Надежность:

Это мера вероятности выживания системы, когда функция является критической во время выполнения.

Отказоустойчивость:

В режиме реального времени:

Встроенная система должна соответствовать различным временным и другим ограничениям. Они навязаны ему естественным поведением внешнего мира в реальном времени.

Например, военно-воздушный департамент, который отслеживает поступающие ракетные атаки, должен точно рассчитывать и планировать свои контратаки из-за жестких сроков в реальном времени. В противном случае он будет уничтожен.

Гибкость:

Это сборка систем со встроенными возможностями отладки, которая позволяет осуществлять удаленное обслуживание.

Например, вы строите космический корабль, который приземлится на другой сеялке для сбора различных типов данных и отправки собранных нам деталей. Если этот космический корабль сошел с ума и потерял управление, мы сможем провести важную диагностику. Таким образом, гибкость жизненно важна при разработке встроенной системы.

Что такое микроконтроллер?

Что такое микропроцессор?

Микропроцессор представляет собой однокристальное полупроводниковое устройство. Его центральный процессор содержит программный счетчик, ALU указатель стека, рабочий регистр, схему синхронизации. Он также включает в себя ПЗУ и ОЗУ, декодер памяти и множество последовательных и параллельных портов.

Архитектура встраиваемой системы

Ниже приведена базовая архитектура встраиваемой системы:

1) Датчик:

Датчик помогает вам измерить физическую величину и преобразовать ее в электрический сигнал. Он также сохраняет измеренное количество в памяти. Этот сигнал может быть готов наблюдателем или любым электронным инструментом, таким как A2D-конвертер.

2) AD конвертер:

АЦП (аналого-цифровой преобразователь) позволяет преобразовывать аналоговый сигнал, передаваемый датчиком, в цифровой сигнал.

3) Память:

Память используется для хранения информации. Встроенная система в основном содержит две ячейки памяти: 1) энергозависимая 2) энергонезависимая память.

4) Процессор и ASIC:

Этот компонент обрабатывает данные, чтобы измерить вывод и сохранить их в памяти.

5) Конвертер DA:

ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь) помогает преобразовывать цифровые данные, передаваемые процессором, в аналоговые данные.

6) Привод:

Привод позволяет сравнивать выходной сигнал, предоставляемый преобразователем DA, с фактическим выходным сигналом, сохраненным в нем, и сохраняет утвержденный выходной сигнал в памяти.

Типы встраиваемых систем

Три типа встраиваемых систем:

Малый масштаб
Средний масштаб
утонченный

Маломасштабные встраиваемые системы:

Эта встроенная система может быть разработана с одним 8 или 16-битным микроконтроллером. Им можно управлять с помощью батареи. Для разработки небольшой встроенной системы наиболее важными инструментами программирования являются редактор, ассемблер (IDE) и кросс-ассемблер.

Встраиваемые системы среднего масштаба:

Эти типы встроенных систем разработаны с использованием 16- или 32-разрядных микроконтроллеров. Эти системы предлагают как аппаратные, так и программные сложности. C, C ++, Java, инструмент разработки исходного кода и т. Д. Используются для разработки такого типа встроенных систем.

Сложные встраиваемые системы

Этот тип встроенных систем имеет много аппаратных и программных сложностей. Вам могут потребоваться IPS, ASIPS, PLA, процессор конфигурации или масштабируемые процессоры. Для разработки этой системы вам необходимо совместное проектирование и компоненты аппаратного и программного обеспечения, которые необходимо объединить в конечную систему.

Развитие современной вычислительной техники в последние годы идет огромными темпами. Еще несколько лет назад бал правил процессор Pentium III, сейчас это уже древняя история. Последние разработки мировых лидеров этой отрасли (Intel, AMD, VIA) позволили получить великолепную производительность вычислений при относительно малых объемах и энергопотреблении. В связи с этим на повестке дня стоит вопрос развития сегмента рынка встраиваемых вычислительных систем для применения в промышленной автоматизации.

Что же считать основополагающим критерием в выборе встраиваемого компьютера? Процессор? Габаритные размеры или условия охлаждения? Попробуем рассмотреть все критерии.

В настоящее время имеется три главных производителя процессоров: Intel, AMD, VIA Technologies. Каждый из них имеет компоненты, применяющиеся для построения встраиваемых компьютеров. Всем известны марки Intel Pentium M, AMD Geode LX, VIA Eden. А какие процессоры и наборы микросхем применяются в настоящий момент?

Компания Intel предлагает к использованию во встраиваемых решениях процессоры семейства Atom, Core 2 Duo, Core i3/i5/i7, а также одноядерные и двухъядерные процессоры семейства Intel Atom с частотами 1.1 и 1.6 ГГц для решения задач начального и среднего уровня. Это наиболее распространенные модели процессоров для встраиваемых компьютеров с пассивным охлаждением.

Рис. 1. Безвентиляторный встраиваемый компьютер Intel® Atom™ Z510

Несмотря на то, что процессоры Intel Core 2 Duo выпускаются достаточно давно, применение их во встраиваемых системах не снижается. Хорошо зарекомендовавшие себя на рынке бытовых персональных компьютеров, при грамотной схемотехнической проработке процессорной платы и тщательно подобранных элементах, процессоры Intel Core 2 Duo еще долго останутся востребованными.

Компания AMD на рынке процессоров для встраиваемых систем имеет своего бесспорного фаворита – AMD Geode LX800. Это – наиболее часто применяющийся процессор в классе миниатюрных процессорных плат формата PC-104. Низкое энергопотребление и хорошая вычислительная производительность стали своеобразной визитной карточкой процессора AMD Geode LX800.

Компания VIA Technologies известна своими разработками в области низкопотребляющих процессоров и мультимедийных решений, выполненных на их основе. Процессоры VIA Eden, C7, Nano снискали заслуженную популярность во встраиваемых применениях благодаря своим энергетическим и вычислительным показателям.

Рассмотрим теперь конструктивы, используемые при производстве встраиваемых компьютеров. В настоящий момент применяются процессорные платы форм-фактора: 3,5”, 5,25”, Epic-Nano и ряд других. Первые два форм-фактора повторяют два стандартных размера, определяющих известные носители информации: жесткий диск и привод CD-ROM. Третий форм-фактор является относительно «молодым» и призван занять промежуточную нишу в линейке плат для встраиваемых систем. Отдельно следует упомянуть о процессорных платах формата PC-104. Данный тип плат применяется для создания ответственных систем для использования в авиации, на транспорте, там, где требуется высокая надежность при минимальных габаритных размерах.

Рис. 2 . Встраиваемая процессорная плата PICO822 формата Pico-ITX Intel® Atom™ серии E6xx

Любой компьютер, в том числе и встраиваемый, для своей работы нуждается в оперативной памяти (RAM). Здесь, как и в других типах компьютеров, используются стандартные модули памяти DIMM или модули SO-DIMM, используемые в ноутбуках. Многие производители встраиваемых процессорных плат имеют в своей линейке продукции модели, которые содержат микросхемы памяти, уже установленные на плате. Данное решение является эффективным в случае построения вычислительной системы, функционирующей в условиях сильной вибрации и тряски: поскольку отсутствует разъем для установки модуля памяти, снижается процент неработоспособности системы.

Размеры процессорной платы определяются количеством периферийных устройств, входящих в состав встраиваемого компьютера. Обычно это последовательные порты, количество которых может доходить до шести в некоторых моделях компьютеров у ряда производителей. Также следует отметить большое количество разъемов интерфейса USB, поскольку данный интерфейс является наиболее используемым у многих периферийных устройств: не только электронных дисков и иных систем хранения информации, но и адаптеров ввода/вывода, устройств связи с объектом и прочих. Стандартным интерфейсом во всех процессорных платах в последние годы стал сетевой интерфейс Ethernet с разъемом RJ45. Так и на процессорных платах для встраиваемых компьютеров имеется один или два разъема. К стандартным интерфейсам, используемым во встраиваемых системах, также можно отнести ставший популярным в последнее время интерфейс SATA. Благодаря небольшим размерам разъема на процессорной плате может располагаться минимум два интерфейса SATA. Очень распространен в качестве носителя информации (зачастую, несъемного) Compact Flash, разъем, для установки которого присутствует в составе многих процессорных плат.

Каждый компьютер может выводить информацию на устройства визуализации – дисплеи. Встраиваемые компьютеры имеют в своем составе видеочипы, распаянные на плате, либо видеоконтроллер входит в состав набора системной логики – чипсета. Интерфейсы, применяемые в составе встраиваемых компьютеров, стандартные: аналоговый VGA, DVI. На многих процессорных платах присутствует разъем интерфейса LVDS, позволяющий напрямую подключать многие TFT-панели. Это очень удобно с точки зрения построения готовых устройств взаимодействия «человек – машина» (HMI), интеллектуальных терминалов, цифровых информационно-рекламных видеокомплексов (Digital Signage). Для выстаиваемых систем очень распространено использование двух независимых дисплеев для вывода видеоинформации.

Основная проблема применения встраиваемых компьютеров – проблема отвода тепла, выделяемого в процессе работы, от корпуса. Наиболее широкое применение данные компьютеры получили в необслуживаемых вычислительных комплексах и системах, где применение вентиляторов нецелесообразно из-за риска выхода из строя всей системы по причине поломки последнего. Поэтому для встраиваемого компьютера особое внимание уделяется выбору системы охлаждения, в большинстве случаев – пассивного охлаждения. Для встраиваемых компьютеров распространены оребренные корпуса с массивными стенками, служащими элементами системы охлаждения, а также специальные термопередающие прокладки и пасты, улучшающие передачу тепла от процессора на корпус компьютера.

Еще один важный момент для применения встраиваемых компьютеров – электропитание. Малые размеры корпуса встраиваемого компьютера не позволяют использовать полноформатный источник питания. Поэтому в комплекте обычно идет внешний сетевой адаптер. Для применения в составе мобильных комплексов многие встраиваемые компьютеры имеют блок питания на входное напряжение в диапазоне от 9 до 36 Вольт.

Как уже было сказано выше, на процессорной плате встраиваемого компьютера располагается вся необходимая периферия. «Лишних» разъемов для установки дополнительных плат расширения нет. Однако в последнее время все чаще встречаются процессорные платы с разъемом mini-PCIe, предназначенным для установки беспроводных сетевых адаптеров Wi-Fi, модулей GPS, GSM/GPRS-модемов для поддержания беспроводных коммуникаций.

И наконец, любой компьютер является просто набором микросхем и плат без программного продукта – операционной системы. Встраиваемые компьютеры работают под управлением стандартных операционных систем семейства Windows и Linux: выбор той или иной операционной системы определяется решаемой задачей и предоставляемыми вычислительными ресурсами. Однако имеются и специализированные ОС: Windows CE, Windows XP Embedded, различные версии Linux, адаптированные под конкретную модель встраиваемого компьютера. Многие встраиваемые компьютеры, основанные на «маломощных» процессорах, могут функционировать под управлением операционной системы DOS или ее разновидностей.

Особое внимание хочется уделить встраиваемым системам типа «компьютер-на-кристалле» («system-on-Chip»). Распространенный в последнее время принцип создания компактных встраиваемых решений состоит в создании на одном кристалле как вычислительных, так и периферийных систем. К кристаллу присоединяются микросхемы оперативной памяти, системы хранения данных (Flash – память), разъемы различных периферийных устройств. Компьютер, построенный на данной архитектуре, обладает малыми размерами, низким энергопотреблением, высокой функциональной законченностью. Единственным ограничением применения стандартных операционных систем является использование специализированных драйверов, адаптированных или разработанных под данное оборудование. Обычно производитель подобных встраиваемых компьютерных систем предоставляет необходимое программное обеспечение.

Ну и, наконец, производители оборудования и самих встраиваемых компьютеров. Количество их растет с каждым годом. Здесь присутствуют как старые, уже прочно занявшие свое место на рынке, компании, так и молодые коллективы, создающие новую продукцию и использующие оригинальные идеи. Несомненно, рынок встраиваемых компьютеров широк и многогранен и в ближайшем будущем будет расширяться и увеличиваться.

Этот духовой шкаф TMIO ConnectIO является встроенной системой. Он может охладить продукты перед их приготовлением. Им можно удаленно управлять через Интернет или по телефону. Он использует ОС Windows Embedded CE OS. Позвоните ему по пути домой и ваша еда будет готова, когда вы будете дома. Фотография с разрешения TMIO LLC .

Встроенная система является электронным устройством, которое включает в своей реализации компьютер . Пользователь встроенного устройства часто даже не знает, что в устройстве имеется компьютер . Компьютер используется, прежде всего, для обеспечения гибкости и для упрощения конструкции системы. В отличие от ПК программный код хранится обычно в ROM , а не на жестком диске. Обычно конечный пользователь не разрабатывает новое программное обеспечение для встроенного устройства. С развитием технологии VLSI встроенные системы стали настолько недорогими, что их можно найти в большинстве современных электронных устройств.

Примеры встроенных систем

Робот, такой как марсоход , показанный на рисунке 1.1, является встроенной системой. Сотовый телефон, PDA , или портативный мультимедиа плеер, показанные на рисунке 1.2, являются встроенными устройствами. Даже электрическая зубная щетка, показанная на рисунке 1.2, является встроенной системой. Небольшой микроконтроллер в зубной щетке обеспечивает программируемое управление скоростью и индикацию состояния заряда батареи. Высококачественные автомобили могут содержать около ста встроенных микроконтроллеров. Типичное домовладение среднего класса имеет около пятидесяти встроенных устройств. Для каждого ПК в мире имеется более сотни встроенных устройств. В общей сложности, встроенные устройства составляют большую часть мирового производства микропроцессоров.

Рис. 1.1. Роботы, такие как марсоход, являются встроенными системами. Фотография с разрешения NASA/JPL CALTECH

Как видно в таблице 1.1, встроенные устройства можно найти в разнообразных продуктах, включая самолеты и военные системы, биомедицинские системы, автомобили, коммуникацию, компьютерные устройства в/в, электронные инструменты, домашняя электроника, промышленное оборудование, офисные машины, персональные устройства, роботы, и интеллектуальные игрушки. Встроенные устройства можно найти повсюду.

Конструкторы встроенных систем часто сталкиваются со сложными проектными задачами. Встроенные системы должны быть надежными. Многие встроенные устройства не могут ломаться, и не могут быть перезагружены. Программное обеспечение невозможно обновить во многих встроенных устройствах. Многие устройства имеют жесткие конструкционные ограничения по производительности и потреблению энергии. Некоторым устройствам необходимо работать от батареи длительный период времени. Кроме того, потребительские устройства обычно очень быстро выходят на рынок с новыми продуктами и имеют жесткую ценовую конкуренцию. Во многих приложениях существуют ограничения реального времени и многие устройства имеют ограниченную память и вычислительную мощность .

Рис. 1.2. Сотовые телефоны, PDA, и мультимедийные плееры, все являются встроенными системами. Даже эта электрическая зубная щетка! Фотографии с разрешения Motorola, Microsoft, и Philips Sonicare

Операционные системы реального времени

Системы реального времени должны отвечать на внешние параметры ввода и создавать новые результаты вывода за ограниченное время, как показано на рисунке 1.3. Время ответа должно быть ограничено. Очень длительное время ответа может привести к отказу систем реального времени.

Иллюстративным примером системы реального времени является контроллер автомобильной воздушной подушки безопасности. Когда датчики движения воздушной подушки ( акселерометры ) распознают столкновение, системе необходимо среагировать, раскрывая воздушную подушку в течение 10 мс, или система не сработает нужным образом. На высокой скорости с задержкой более 10 мс водитель уже столкнется с рулевым колесом до того, как раскроется подушка.

Рис. 1.3. Система реального времени должна отвечать на внешние параметры ввода и создавать новые результаты вывода за ограниченное время или система откажет. Время реакции может быть в интервале от 0.5 до 10 мс

В мягкой системе реального времени приоритет имеют критически важные задачи. Мягкая система реального времени обычно удовлетворяет ограничениям отклика реального времени. Примером типичной мягкой системы реального времени является плеер мультимедиа . Плеер может иногда пропустить видео кадр или аудио сэмпл, и пользователь может это даже не заметить, пока плеер правильно работает большую часть времени.

В жесткой системе реального времени новый результат вывода всегда должен быть вычислен в указанных границах времени, или система не сработает. В качестве примера жесткой системы реального времени рассмотрим систему дистанционного управления рулями (т.е., управляемую компьютером). В системе управления полетом самолета, когда летчик перемещает штурвал управления, рули управления полетом должны в ответ переместиться очень быстро, или самолет потеряет устойчивость и упадет. Чтобы обеспечить безопасность , FAA постоянно проверяет и сертифицирует реакцию в реальном времени управляемых компьютером симуляторов полета и самолеты.

Процедуры обмена страниц виртуальной памяти и сборки мусора, необходимые объектно-ориентированным языкам, могут вызывать проблемы в жестких системах реального времени. Даже кэширование является иногда проблемой, так как может приводить к изменению времени выполнения программы.

Многие встроенные системы являются системами реального времени с несколькими входами и выходами. Несколько событий происходят независимо друг от друга. Программирование упрощается при разделении задач, но это требует от ЦП постоянного переключения между различными задачами. Операционная система , которая поддерживает мультизадачность, обеспечивает разделение времени ЦП между несколькими задачами. ОС обеспечивает также элементы синхронизации, необходимые для координации действий между различными задачами, выполняющимися параллельно.

Операционные системы часто классифицируют по их характеристикам реального времени. Операционная система реального времени должна быть тщательно спроектирована, чтобы поддерживать приложения реального времени. Недавнее исследование приходит к выводу, что 95% приложений реального времени требуют ограниченного времени ответа в диапазоне от 0.5 до 10 мсек. Только 10% отклонение (колебание от 50 микросекунд до 1 мсек) во времени ответа может быть допустимо. Согласно таким требованиям большинство операционных систем общего назначения не являются системами реального времени. Согласно этим критериям встроенная ОС, такая как Windows Embedded CE, квалифицируется как операционная система реального времени (ОС РВ) (Основывается на определении и оценках времени принятых рабочей группой Open , Modular, Architecture Control (OMAC): Жесткой системой реального времени является система, которая отказывает, если ее требования по времени не удовлетворяются; мягкая система реального времени может допускать значительные вариации при предоставлении служб операционной системы, таких как прерывания, таймеры, и планирование).

Код ядра в ОС РВ написан таким образом, что прерывания процессора отключаются только на очень короткие периоды времени. Максимальное время реакции прерывания (задержка) является ключевым фактором во времени ответа ОС РВ. Традиционная ОС настольного компьютера, такая как Windows XP, может рассматриваться в лучшем случае только как мягкая ОС реального времени . Для Windows XP существуют некоторые инструменты сторонних поставщиков, которые улучшают время ответа.

Операционные системы для встроенных систем

Большинство новых устройств имеет сложное программное обеспечение , которое требуется для мультизадачности, синхронизации задач, поддержки широкого диапазона устройств ввода/вывода, планирования и буферизации операций ввода/вывода, управления памятью, поддержки графических дисплеев, файловых систем, сетей, безопасности и управления питанием. Операционная система может предоставить все эти возможности, чтобы помочь разработчикам приложений. Прикладные программисты будут более продуктивными, так как они работают на более высоком уровне абстракции, используя эти средства, предоставляемые операционной системой.

Выпущенная недавно модель сотового телефона содержит более пяти миллионов строк кода. Немногие, если вообще какие-то проекты, будут иметь время и средства, необходимые для разработки всего этого кода полностью самостоятельно. В таких случаях имеет экономический смысл использовать существующую операционную систему. Сокращение времени разработки и снижение расходов вполне оправдают стоимость лицензии операционной системы.

Лицензионные отчисления типичной коммерческой встроенной ОС составляют только несколько долларов на устройство. Некоторые очень простые устройства могут обходиться без ОС, но новые устройства постоянно становятся все более сложными.

В связи с этим большинство встроенных устройств используют встроенную операционную систему. Встроенные операционные системы обычно разрабатываются большей частью на C/C++ и поставляются вместе с компилятором C/C++, ассемблером, и инструментами отладки, чтобы помочь разработчикам в разработке прикладных программ и тестировании устройства. Инструменты разработки встроенных систем должны также поддерживать выполнение программ с помощью кода, хранящегося в энергонезависимой памяти, такой как ROM или память Flash .

Разница между встроенной системой и компьютерной системой общего назначения заключается в ее предназначении и, в гораздо меньшей степени, в дизайне. Хотя универсальная система может использоваться для многих целей, встроенная система предназначена только для одной цели.

Разница между встроенной системой и компьютерным кредитом: Rawpixel Ltd / iStock / Getty Images

Системы общего назначения

Встроенные системы

Встроенную систему немного сложнее определить. Он посвящен одной цели или небольшому набору целей. Встраиваемые системы можно найти практически в каждом элементе современной электроники - фактически они являются электроникой. Современный телевизор, портативный музыкальный проигрыватель, управляемая компьютером система кондиционирования воздуха или практически все, что сделано за последние 10 лет, не является системой общего назначения и требует электричества: это то, что представляет собой встроенная система.

Кроссоверы

Некоторые устройства не подходят ни к одному лагерю. Смартфоны являются лучшим примером этого. Хотя они используют философию дизайна, которая имитирует встроенную систему, они также могут функционировать как машины общего назначения. У них может быть одна общая цель (в конце концов, это сотовые телефоны), но они не ограничиваются этой целью.

Разница между настольным компьютером и башенным компьютером

Настольные и башенные компьютеры - это два разных стиля корпусов компьютеров, которые по-разному используют пространство на столе. Настольные компьютеры предназначены для того, чтобы лежать на столе, а башни .

В чем разница между системой ERP и SAP?

Если вы слышали термины SAP и ERP (планирование ресурсов предприятия), вы можете подумать, что одно и то же, что и другое. SAP ERP - это термин, который можно использовать, потому что SAP - это решение для .

Передача файлов между устройством Android и компьютером без проводов

AirDroid - это простое в использовании приложение для беспроводной передачи файлов между устройством Android и компьютером под управлением Mac, Linux или Windows. Вот как это использовать.

Читайте также: