Ενσωματωμένο σύστημα

Τα ενσωματωμένα συστήματα χρησιμοποιούνται σε πολλά είδη ηλεκτρικών συσκευών, όπως:

• Τα συστήματα τηλεπικοινωνιών τα χρησιμοποιούν για τηλέφωνα, δίκτυα κινητής τηλεφωνίας και δρομολογητές wi-fi.
• Τα καταναλωτικά ηλεκτρονικά προϊόντα περιλαμβάνουν δέκτες ραδιοτηλεοπτικών εκπομπών, συσκευές αναπαραγωγής MP3, κινητά τηλέφωνα, κονσόλες βιντεοπαιχνιδιών, ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές, συσκευές αναπαραγωγής DVD, δέκτες GPS, συστήματα οικιακής ασφάλειας και εκτυπωτές.
• Οι οικιακές συσκευές, όπως οι φούρνοι μικροκυμάτων, τα πλυντήρια ρούχων, τα συστήματα συναγερμού διάρρηξης και τα πλυντήρια πιάτων έχουν ενσωματωμένα συστήματα.
• Οι μεταφορές χρησιμοποιούν ενσωματωμένα συστήματα για τα πάντα, από ατμομηχανές για τρένα, αεροπλάνα και αυτοκίνητα.
• Η βιομηχανία χρησιμοποιεί ηλεκτρικούς κινητήρες με ηλεκτρονικούς ελεγκτές, αναγνώστες καρτών και μηχανές CNC που κατασκευάζουν αυτόματα μεταλλικά μέρη.
• Ιατρικές συσκευές, όπως απινιδωτές, αυτόματες συσκευές ανάγνωσης της αρτηριακής πίεσης και αυτόματες αντλίες ινσουλίνης.
• Στρατιωτικές συσκευές, όπως ραδιοτηλέφωνα, δορυφόροι και συστήματα καθοδήγησης πυραύλων.

• Τα ενσωματωμένα συστήματα έχουν σχεδιαστεί για να εκτελούν μια συγκεκριμένη εργασία, σε αντίθεση με τους υπολογιστές γενικής χρήσης.
• Δεν μοιάζει με υπολογιστή - μπορεί να μην υπάρχει πλήρης οθόνη ή πληκτρολόγιο.
• Πολλά ενσωματωμένα συστήματα πρέπει να είναι σε θέση να κάνουν πράγματα σε πραγματικό χρόνο - σε σύντομο χρονικό διάστημα (σχεδόν αμέσως από την άποψη του ανθρώπου).
• Πολλά ενσωματωμένα συστήματα πρέπει να είναι πολύ ασφαλή και αξιόπιστα, ιδίως για ιατρικές συσκευές ή για ηλεκτρονικά συστήματα ελέγχου αεροπλάνων.
• Ξεκινάει πολύ γρήγορα. Οι άνθρωποι δεν θέλουν να περιμένουν ένα ή δύο λεπτά για να ξεκινήσει το αυτοκίνητό τους ή ο εξοπλισμός έκτακτης ανάγκης.
• Μπορεί να χρησιμοποιεί ένα ειδικό λειτουργικό σύστημα (ή μερικές φορές ένα πολύ μικρό σπιτικό λειτουργικό σύστημα) που βοηθά στην ικανοποίηση αυτών των απαιτήσεων και ονομάζεται λειτουργικό σύστημαπραγματικού χρόνου ή RTOS.
• Οι εντολές προγράμματος που γράφονται για ενσωματωμένα συστήματα αναφέρονται ως υλικολογισμικό και αποθηκεύονται σε μνήμη μόνο για ανάγνωση ή σε τσιπ μνήμης flash. Λειτουργούν με περιορισμένους πόρους υλικού υπολογιστή: μικρή μνήμη, μικρό ή ανύπαρκτο πληκτρολόγιο ή/και οθόνη.

Τα ενσωματωμένα συστήματα δεν είναι πάντα αυτόνομες συσκευές. Μερικές φορές είναι κατασκευασμένα ως σύνολο, όπως τα διάφορα μέρη ενός αυτοκινήτου - το ραδιόφωνο, ο έλεγχος του γκαζιού, ο έλεγχος της ρύπανσης κ.λπ. Ορισμένες φορές μπορούν να επικοινωνούν με το διαδίκτυο ή ένα δίκτυο κινητής τηλεφωνίας και μπορεί να διαθέτουν αναγνώστη USB ή άλλες συνδέσεις.

Τα ενσωματωμένα συστήματα κυμαίνονται από καθόλου διεπαφή χρήστη - μόνο αποστολή και λήψη ηλεκτρικών σημάτων - έως μια πλήρη γραφική διεπαφή χρήστη όπως σε έναν σύγχρονο υπολογιστή. Αρκετά συχνά διαθέτουν μερικά κουμπιά και μια μικρή οθόνη και μερικές λυχνίες LED. Ένα πιο σύνθετο σύστημα μπορεί να διαθέτει οθόνη αφής, επιτρέποντας την αλλαγή της σημασίας των κουμπιών σε κάθε οθόνη, όπως στα έξυπνα τηλέφωνα.

Το υλικό περιλαμβάνει τα τσιπ, τα καλώδια, τις πλακέτες κυκλωμάτων, τα κουμπιά και τις οθόνες.

CPUs

Το πιο σημαντικό τσιπ είναι η κεντρική μονάδα επεξεργασίας ή CPU. Αυτή εκτελεί τις εντολές του λογισμικού. Μπορεί να είναι ένας τυπικός μικροεπεξεργαστής ή ένας μικροελεγκτής. Οι μικροελεγκτές περιλαμβάνουν τον μικροεπεξεργαστή καθώς και απλό περιφερειακό εξοπλισμό, ώστε το σύστημα να είναι μικρότερο και φθηνότερο. Έχουν λιγότερη ευελιξία επειδή τα μέρη αυτά δεν μπορούν να αλλάξουν. Συνήθως αυτά τα μέρη περιλαμβάνουν μνήμη Flash και υποστήριξη για σειριακές θύρες, USB κ.λπ.

Σε αντίθεση με έναν μικροεπεξεργαστή για έναν υπολογιστή γενικής χρήσης, το μεγαλύτερο και ταχύτερο δεν είναι πάντα καλύτερο. Πολλοί ενσωματωμένοι επεξεργαστές είναι πολύ μικροί. Μερικές φορές αυτό γίνεται για να χρησιμοποιείται λιγότερος χώρος ή λιγότερη ενέργεια, μερικές φορές για να είναι φθηνότεροι. Οι υπολογιστές γενικής χρήσης χρησιμοποιούν μικροεπεξεργαστές που διαβάζουν λέξεις 32 ή 64 bit και λειτουργούν με ταχύτητες που μετριούνται σε GHz, αλλά οι ενσωματωμένοι επεξεργαστές είναι συνήθως 4 έως 32 bit και λειτουργούν με ταχύτητες που μετριούνται συνήθως σε δεκάδες MHz (εκατό φορές πιο αργές). (Αλλά και τα προγράμματα είναι μικρότερα και δεν ελέγχουν πράγματα που δεν χρησιμοποιούνται).

Έτοιμες πλακέτες υπολογιστών

Υπάρχουν "έτοιμες" πλακέτες υπολογιστών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ορισμένα ενσωματωμένα συστήματα. Αυτές συχνά χρησιμοποιούν Windows CE, Linux, NetBSD ή ένα ενσωματωμένο λειτουργικό σύστημα πραγματικού χρόνου.

Μερικές φορές μπορεί να είναι ευκολότερο να χρησιμοποιήσετε μια πλακέτα κυκλώματος που έχει ήδη κατασκευαστεί. Αυτές συνήθως μοιράζονται πολλά εξαρτήματα με τους υπολογιστές γενικού σκοπού, αλλά είναι μικρότερες από αυτές ενός υπολογιστή γενικού σκοπού. Οι πλακέτες όπως η VIA EPIA μπορούν να τρέξουν τα Microsoft Windows. Το πλεονέκτημα είναι ότι εξοικονομείται κάποιος χρόνος ηλεκτρολόγου μηχανικού και μπορούν να χρησιμοποιήσουν τα ίδια εργαλεία ανάπτυξης λογισμικού που χρησιμοποιούνται για την ανάπτυξη λογισμικού τύπου PC. Παραδείγματα τέτοιων ενσωματωμένων συσκευών είναι τα ΑΤΜ ή οι οθόνες στα καζίνο. Αυτό λειτουργεί καλά αν οι απαιτήσεις πραγματικού χρόνου δεν είναι πραγματικά αυστηρές (δεν έχει μεγάλη σημασία αν μια εργασία διαρκεί οκτώ δευτερόλεπτα αντί για πέντε, για παράδειγμα).

Λύσεις ASIC και FPGA

Εάν η συσκευή πρέπει να είναι πολύ μικρή ή θα πωλείται σε πολύ μεγάλους αριθμούς ("μεγάλου όγκου"), είναι λογικό να κατασκευάζεται ένα προσαρμοσμένο ή εξειδικευμένο τσιπ που κάνει ακριβώς αυτό που χρειάζεται. Πρόκειται για ένα σύστημα σε ένα τσιπ (SoC), το οποίο κατέχει ένα πλήρες σύστημα - επεξεργαστή, μονάδα κινητής υποδιαστολής, κρυφή μνήμη και διεπαφές σε ένα ενιαίο ολοκληρωμένο κύκλωμα. Τα SoC μπορούν να κατασκευαστούν ως ολοκληρωμένο κύκλωμα ειδικής εφαρμογής ειδικής παραγγελίας (ASIC) ή με τη χρήση μιας συστοιχίας προγραμματιζόμενων πυλών πεδίου (FPGA), η οποία προγραμματίζεται από τα άτομα που κατασκευάζουν το ενσωματωμένο σύστημα.

Περιφερειακές συσκευές

Τα ενσωματωμένα συστήματα επικοινωνούν με τον έξω κόσμο ή άλλα εξαρτήματα χρησιμοποιώντας περιφερειακά όπως:

• Σειριακές θύρες: RS-422, RS-485. Αυτό συνηθιζόταν να είναι αρκετά συνηθισμένο, με τις 9-πολικές (ή μεγαλύτερες) υποδοχές.
• Διασύνδεση σύγχρονης σειριακής επικοινωνίας: I²S Inter-Integrated Sound, SPI, MIcrowire, ...
• Καθολικός σειριακός δίαυλος (USB).
• Δίκτυα: Ethernet, Δίκτυο περιοχής ελεγκτή, LonWorks, ...
• Διακριτή είσοδος/έξοδος: Γενικού Σκοπού (GPIO). Αυτό μπορεί να είναι ένα απλό καλώδιο με σήμα on/off. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ένα μικρό πληκτρολόγιο ή για να ανάψει ένα LED.
• Μετατροπείς αναλογικού σε ψηφιακό/ψηφιακού σε αναλογικό (ADC/DAC). Αυτό μετράει κάτι που αλλάζει σε ισχύ, όπως ένας αισθητήρας φωτός ή ένας έλεγχος κινητήρα.
• Αποσφαλμάτωση: για μηχανικούς λογισμικού.

Λειτουργικά συστήματα

Τα ενσωματωμένα συστήματα συχνά δεν χρειάζονται πλήρες λειτουργικό σύστημα. Ορισμένα χρησιμοποιούν ειδικά κατασκευασμένα μικρά και απλά λειτουργικά συστήματα που ξεκινούν πολύ γρήγορα, ενώ άλλα δεν χρειάζονται καθόλου. Τα ενσωματωμένα συστήματα δεν προσαρμόζονται τόσο εύκολα, αλλά είναι κατασκευασμένα για να εκτελούν τα καθήκοντά τους πολύ πιο αξιόπιστα. Επειδή το υλικό είναι απλούστερο, είναι επίσης συχνά φθηνότερο στην κατασκευή και τρέχει ταχύτερα.

Σε αντίθεση με αυτό, ένας υπολογιστής γενικής χρήσης πρέπει να είναι έτοιμος για νέα προγράμματα οδήγησης συσκευών και λογισμικό για την εκτέλεση υλικού που δεν γνωρίζει ακόμη, όπως νέοι εκτυπωτές ή σκληροί δίσκοι. Πρέπει να εκτελεί διαφορετικά προγράμματα εφαρμογών.

Καθώς τα ενσωματωμένα συστήματα γίνονται μεγαλύτερα, πράγματα που χρησιμοποιούνταν μόνο σε υπολογιστές γενικής χρήσης ή ακόμη και σε κεντρικούς υπολογιστές γίνονται πλέον κοινά στα ενσωματωμένα συστήματα. Αυτό περιλαμβάνει προστατευμένο χώρο μνήμης και ανοικτό περιβάλλον προγραμματισμού, συμπεριλαμβανομένων των Linux, NetBSD κ.λπ.

Μερικά παραδείγματα λειτουργικών συστημάτων, από απλά έως σύνθετα:

• Απλός βρόχος ελέγχου - Ένας χρονοδιακόπτης και ένας βρόχος χρησιμοποιούνται για την επανειλημμένη κλήση διαφορετικών υποπρογραμμάτων. Αυτό γίνεται συχνά από ένα άτομο για μικρότερα συστήματα.
• ελεγχόμενη διακοπή - Οι εργασίες ξεκινούν από διαφορετικά είδη συμβάντων. Το συμβάν μπορεί να είναι κάτι χρονομετρημένο (κάθε δέκα δευτερόλεπτα, για παράδειγμα) ή από το πάτημα ενός κουμπιού ή από δεδομένα που λαμβάνονται.
• nonpreemptive multitasking - Κάθε εργασία παίρνει τη σειρά της να εκτελεστεί, και όταν τελειώσει καλεί έναν χρονοπρογραμματιστή στο λειτουργικό σύστημα για να εκτελέσει την επόμενη εργασία.
• preemptive multitasking ή multi-threading - Μια εργασία μπορεί να σταματήσει μετά από κάποιο χρονικό διάστημα για να αφήσει μια άλλη εργασία να εκτελεστεί για λίγο. Καμία εργασία δεν μπορεί να καταλαμβάνει το σύστημα. Σε αυτό το επίπεδο το σύστημα θεωρείται ότι διαθέτει πυρήνα "λειτουργικού συστήματος" και μπορεί να εκτελεί εργασίες παράλληλα. Αυτός ο τύπος λειτουργικού συστήματος αγοράζεται συνήθως από μια εταιρεία που ασχολείται μόνο με ενσωματωμένα λειτουργικά συστήματα.

Τα λειτουργικά συστήματα πραγματικού χρόνου περιλαμβάνουν προϊόντα όπως τα MicroC/OS-II, Green Hills INTEGRITY, QNX ή VxWorks. Σε αντίθεση με το MacOS ή τα Windows 7, αυτά τα λειτουργικά συστήματα δεν είναι πολύ γνωστά στους περισσότερους ανθρώπους. Χρησιμοποιούνται όμως σε πολλά μέρη όπου ο χρόνος και η ασφάλεια είναι πολύ σημαντικά. Οι άνθρωποι τα χρησιμοποιούν καθημερινά και δεν το συνειδητοποιούν.

Συνήθη παραδείγματα μεγαλύτερων πυρήνων είναι το Embedded Linux και τα Windows CE. Παρόλο που αυτοί δεν έχουν τα στενά χρονικά όρια που απαιτούνται για ένα αυστηρό σύστημα πραγματικού χρόνου, γίνονται όλο και πιο συνηθισμένοι, ειδικά για πιο ισχυρές συσκευές όπως οι ασύρματοι δρομολογητές και τα GPS. Επιτρέπουν την επαναχρησιμοποίηση κώδικα που βρίσκεται στο δημόσιο τομέα για οδηγούς συσκευών, διακομιστές ιστού, τείχη προστασίας και άλλο κώδικα. Οι προγραμματιστές λογισμικού που είναι πιο άνετοι στη συγγραφή εφαρμογών για PC θα το βρουν επίσης πιο οικείο. Εάν χρειάζεται, ένα FPGA ή άλλο ειδικό υλικό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για πράγματα που χρειάζονται αυστηρά χρονικά όρια.

Εργαλεία

Όπως και σε άλλα λογισμικά, οι σχεδιαστές ενσωματωμένων συστημάτων χρησιμοποιούν μεταγλωττιστές, συναρμολογητές και αποσφαλμάτωση για την ανάπτυξη λογισμικού ενσωματωμένων συστημάτων. Ωστόσο, μπορεί επίσης να χρησιμοποιούν κάποια πιο ειδικά εργαλεία:

• Για συστήματα που χρησιμοποιούν ψηφιακή επεξεργασία σήματος, οι προγραμματιστές μπορούν να χρησιμοποιήσουν μαθηματικά εργαλεία όπως το MATLAB, το MathCad ή το Mathematica.
• Μπορούν να χρησιμοποιηθούν προσαρμοσμένοι μεταγλωττιστές και σύνδεσμοι για τη βελτίωση της βελτιστοποίησης για το συγκεκριμένο υλικό.
• Ένα ενσωματωμένο σύστημα μπορεί να έχει τη δική του ειδική γλώσσα ή το δικό του εργαλείο σχεδίασης ή να προσθέσει βελτιώσεις σε μια υπάρχουσα γλώσσα, όπως αυτή που χρησιμοποιείται από τη Basic Stamp.

Εργαλεία εντοπισμού σφαλμάτων:

• Ένας αποσφαλματωτής κυκλώματος (ICD), μια συσκευή υλικού που συνδέεται στον μικροεπεξεργαστή μέσω μιας διεπαφής JTAG. Αυτό εκκινεί και σταματά τον μικροεπεξεργαστή από έξω καθώς εκτελεί το λογισμικό. Επιτρέπει επίσης την ανάγνωση της μνήμης και των καταχωρητών και την αποθήκευση του προγράμματος λογισμικού στη μνήμη.
• Εξωτερική αποσφαλμάτωση με χρήση καταγραφής ή εξόδου σειριακής θύρας για την ανίχνευση της λειτουργίας με χρήση είτε μιας οθόνης αναβοσβήνει (printfs).
• Διαδραστικός εντοπισμός σφαλμάτων - εάν το λειτουργικό σύστημα το υποστηρίζει, πρόκειται για ένα κέλυφος στον ενσωματωμένο επεξεργαστή που εκτελεί εντολές που πληκτρολογούνται από τον προγραμματιστή (Linux, για παράδειγμα).
• Ένας εξομοιωτής εντός κυκλώματος αντικαθιστά τον μικροεπεξεργαστή στην πλακέτα, παρέχοντας πλήρη έλεγχο όλων όσων θα μπορούσε να κάνει ο μικροεπεξεργαστής.
• Ένας πλήρης εξομοιωτής προσομοιώνει όλα τα χαρακτηριστικά του υλικού, επιτρέποντας τον έλεγχο και την τροποποίησή του. Το υλικό δεν υπάρχει στην πραγματικότητα, αλλά μια εικονική εκδοχή του (μια "εικονική" μηχανή) βρίσκεται σε έναν κανονικό υπολογιστή.
• Έλεγχος εξωτερικών γραμμών με λογικό αναλυτή ή πολύμετρο.

Εκτός αν περιορίζεται σε εξωτερική αποσφαλμάτωση, ο προγραμματιστής μπορεί συνήθως να φορτώσει και να εκτελέσει λογισμικό μέσω των εργαλείων, να δει τον κώδικα που εκτελείται στον επεξεργαστή και να ξεκινήσει ή να σταματήσει τη λειτουργία του. Η προβολή του κώδικα μπορεί να είναι ως κώδικας συναρμολόγησης ή ως πηγαίος κώδικας. Ορισμένα ολοκληρωμένα συστήματα (όπως το VxWorks ή το Green Hills) διαθέτουν ειδικά χαρακτηριστικά, όπως η παρακολούθηση του πόσο χώρο καταλαμβάνει το λογισμικό καθώς εκτελείται, ποιες εργασίες εκτελούνται και πότε συμβαίνουν τα πράγματα.

Ανάλογα με το είδος του ενσωματωμένου συστήματος που κατασκευάζεται θα επηρεάσει τον τρόπο με τον οποίο μπορεί να γίνει η αποσφαλμάτωση. Για παράδειγμα, η αποσφαλμάτωση ενός συστήματος με έναν μόνο μικροεπεξεργαστή είναι διαφορετική από την αποσφαλμάτωση ενός συστήματος όπου η επεξεργασία γίνεται και σε ένα περιφερειακό (DSP, FPGA, συνεπεξεργαστής).

Τα ενσωματωμένα συστήματα βρίσκονται συχνά σε μηχανήματα που αναμένεται να λειτουργούν για χρόνια χωρίς σφάλματα και σε ορισμένες περιπτώσεις να ανακάμπτουν μόνα τους σε περίπτωση σφάλματος. Αυτό σημαίνει ότι το λογισμικό συνήθως αναπτύσσεται και δοκιμάζεται πιο προσεκτικά από ό,τι το λογισμικό για προσωπικούς υπολογιστές και αποφεύγονται τα αναξιόπιστα μηχανικά κινούμενα μέρη, όπως οι μονάδες δίσκου και οι ανεμιστήρες.

Χώροι όπου η ασφάλεια και η αξιοπιστία είναι σημαντικές:

• Ορισμένα συστήματα δεν μπορούν να διακοπούν με ασφάλεια για επισκευή ή είναι πολύ δύσκολο να επισκευαστούν. Παραδείγματα αποτελούν τα διαστημικά συστήματα (δορυφόροι, ρόβερ), τα υποθαλάσσια καλώδια και τα συστήματα ελέγχου πυρηνικών εργοστασίων.
• Το σύστημα θα μπορούσε να σκοτώσει ανθρώπους αν αποτύχει, όπως τα συστήματα ελέγχου αεροσκαφών, τα συστήματα ελέγχου χημικών εργοστασίων, τα σήματα τρένων και οι απινιδωτές καρδιάς.
• Το σύστημα θα χάσει μεγάλα χρηματικά ποσά αν κλείσει ή αν γίνει κάποιο λάθος: Τηλεφωνικοί διακόπτες, εργοστασιακά συστήματα ελέγχου, ταμειακές μηχανές, αυτόματες ταμειακές μηχανές.

Τρόποι ανάκαμψης από σφάλματα - τόσο σφάλματα λογισμικού, όπως διαρροές μνήμης, όσο και μαλακά σφάλματα στο υλικό:

• Watchdog timer που επανεκκινεί το ενσωματωμένο σύστημα εάν κάτι σταματήσει να λειτουργεί.
• Διπλά μέρη, όπου ένα σύστημα μπορεί να αναλάβει αν ένα άλλο σταματήσει να λειτουργεί.
• "Λειτουργίες ακινητοποίησης" λογισμικού που παρέχουν μερική λειτουργία.
• Προγραμματισμός με επίγνωση της ασυλίας

• Μικροεπεξεργαστής
• Γλώσσες προγραμματισμού
• Firmware
• Λειτουργικό σύστημα πραγματικού χρόνου