Sisteme embedded

SISTEME EMBEDDED

1.INTRODUCERE

Imaginea ar putea starni zambete adeptilor tehnicii moderne: telefoane mobile cat o cutie de pantofi. Daca aceste aparate s-ar baza pe sisteme de operare PC precum Windows 98, ar trebui sa aiba dimensiunile de mai sus, pentru a putea gazdui tehnica necesara. Telefoanele mobile nu ar fi nici pe departe mobile, iar tehnica lor ar avea de suferit aceleasi neajunsuri ca si PC-urile din birou. Insa miniaturile isi fac treaba fara asemenea probleme, avand in dotare componente hardware si software care necesita spatiu mic, nu se blocheaza si reactioneaza in timp real la o apasare de buton

2.EVOLUTIE

Primul sistem embedded a fost Apollo Guidance Computer, pentru realizarea unui zbor pana la luna si inapoi. Lucrurile au evoluat pana la microprocesoare, acestea transformandu-se in microcontrolere, care de fapt sunt microprocesoare sau calculatoare pe un singur chip. In timp ce microcontrolerele contin memorie, periferice si I/O, microprocesoarele au nevoie auxiliar de acestea.

3.FUNCTIONARE

Sistemele embedded integreaza diferite module de functii pe un cip. In mod normal, functioneaza fara interventia omului si controleaza, regleaza sau supravegheaza procese tehnice. In cazul unei masini de spalat ar arata in felul urmator:
- Procesor: este nucleul sistemului, care transmite datele conform indicatiilor temporale initiale. Pe el sunt integrate memorii RAM, ROM si interfete seriale.
- Firmware: prin aceasta se inteleg programele, care sunt stocate permanent, deci nu pot fi suprascrise. Ele reprezinta baza pentru functiile masinii de spalat.
- Interface: interfata intre hardware si software este reprezentata de butoanele de selectie, tastele cu senzori si afisajul LED. Prin intermediul lor sunt programate operatiunile de spalare si stoarcere.
- Drivere: in masina de spalat de azi, senzorii supravegheaza aproape toate functiile. Driverul traduce mesajul de stare in comenzi pentru masina de spalat. In acest fel se regleaza temperatura, fluxul de apa, scurgerea apei in functie de puterea de absorbtie a rufelor.

4.CARACTERISTICI

- echipamentele embedded folosesc sisteme de operare real-time, utilizate in special pentru capacitatea lor de raspuns ridicata, decat pentru volumul total de munca pe care il pot efectua.

- performanta ridicata

- dezvolta o aplicatie specifica: sistemele sunt proiectate pentru o anume aplicatie, astfel incat aplicatia este cunoscuta apriori, inainte ca proiectarea sistemului sa inceapa, iar flexibilitatea sistemului este importanta pentru upgradari

- design-ul este influentat de cost, putere si flexibilitate

- sisteme distribuite: se refera la comunicarea pe mai multe procesoare, motivatia fiind de natura economica, deoarece un micro-controler de 4-8 biti este mai ieftin decat unul pe 32 biti, de asemenea mai multe procesoare pot sa se descurce cu  taskuri de timpi critici.

-costuri reduse: cele mai multe sisteme embedded sunt proiectate pentru un prêt redus. Nu toate trebuie sa indeplineasca conditia de real-time in sensul ca unele mecesita functii rapide, iar altele nu. Aceste sisteme intalnesc constrangerile de real-time cu cele de cerinte software/hardware. Este dificil sa caracterizezi sistemele embedded din punctual de vedere al vitezei si costului, dar pentru sistemele foarte mari, costul domina proiectarea. Adesea, multe parti ale unui system embedded au nevoie de performante reduse, comparative cu misiunea primara a sistemului. Aceasta permite ca sistemul sa fie intentionat simplificat la costuri mai mici pentru un scop general, reusind acelasi task, si folosind CPU care este destul de bun pentru acele functii secundare.

-resurse limitate

-erori putine

-sa fie capabile sa se restarteze, pentru ca multe sisteme embedded nu pot fi atinse de om, iar aceasta proprietate trebuie sa se realizeze chiar daca o eroare de date are loc.

5.AVANTAJE:

5.1 Blocari minime cu sisteme gandite

Acest lucru devine posibil datorita sistemelor embedded, care se remarca printr-un sistem de operare stabil si printr-o dotare tehnica minima. Ca software se implementeaza o solutie speciala Linux. Aceasta permite dezvoltarea si utilizarea de aplicatii, care ating o disponibilitate de "5NINES", adica de 99,999 procente. Aceasta inseamna cel mult cinci minute de blocare pe an. Utilizatorii de Windows 98 se confrunta mult mai des cu erori sau blocari. Cel putin din studiile Microsoft rezulta ca rata de blocare este de aproximativ "noua zile".

6.ERORI

Printre cele mai importante cerinte pentru sistemele integrate se numara stabilitatea in timpul rularii. La cedarea unui driver, de exemplu, sistemul de operare trebuie sa afiseze instantaneu un mesaj de eroare, dar nu are voie sa-si intrerupa activitatea. Aceasta ar fi teoria. Dar in practica lucrurile arata cu totul altfel:
- Semafoarele: intr-un oras din Germania in noaptea de revelion 2000, calculatorul a afisat anul 100. Din fericire, semafoarele erau oprite, altfel puteau avea loc evenimente grave.
- Calculatoare de spionaj: la 1 ianuarie 2000, calculatorul sistemului american de spionaj sare la anul 1900. Specialistii si-au pierdut mai multe zile sa actualizeze sistemul.
- Automatele bancare: la 29 februarie 2000 (an bisect), s-au blocat in Japonia in jur de 1200 de automate bancare.
- Usi rotative: in iulie, la expozitia de la Hanovra s-a blocat calculatorul care controla usile rotative de la intrarea in expozitie - intrarea a fost oprita mai multe ore.

7.APLICATIVITATE

Spre nemultumirea lui Bill Gates, PC-urile nu sunt cele mai raspandite calculatoare. Pentru fiecare PC cu procesor Intel apar minim 1000 de sisteme embedded - ascunse in obiecte care ne inconjoara in viata de zi cu zi. Specialistii aproximeaza numarul sistemelor de calcul cu microcontrolere la mai mult de 30 de miliarde. Numai cipul 68HC05 de la Motorola a fost implementat intr-un miliard de cuptoare, radiouri pentru masini si in telefoane.

8.EXEMPLE

- sisteme pentru uz in casa: masina de spalat, termostate, aparate de aer conditionat, stropitoare, televizoare, DVD-uri

- Procese industriale de control & aplicatii avionics/defense

- produse pentru calculator/comunicatie: FAX, imprimanta, routere

- aplicatii multimedia & consumatoare electronice: celulare, switchuri de telefoane

- ATM-uri

- avionics(aviation electronics), adica sisteme electronice folosite pentru a controla aparate de zbor, incluzand sisteme de navigare, autopilotare si sisteme de management a zborului

- la automobile: sisteme care previn blocarea automobilelor atunci cand se franeaza, control de motor

- echipamente medicale

- aparate de masura: osciloscoape, analizoare de spectru

- PDA-uri(specializate la inceput pentru notite, devenind mai apoi cu mai multe optiuni, cum ar fi acces la net, telefoane mobile, culori, video, audio)

8.1 Aparatele cu un cip

Avantajul aparatelor cu un singur cip consta in faptul intregul proces de control al comenzilor este realizat central si calculeaza exact, deoarece lucreaza in mod autonom, deci nu depind de fluxul de date al altor componente precum placile grafice sau cele de sunet.
Dezavantajul: cipurile construite in acest mod nu pot prelucra comenzi complicate, asemenea celor care solicita intens memoria. In telefoane mobile sau computerele din sistemul de franare al automobilelor sunt insa suficiente frecvente de 20 pana la 40 MHz.
Modulele de functionare necesare precum hardware-timer, interfete seriale, porturi I/O sau convertori se afla direct pe cip, care poate fi produs foarte rentabil. Unele procesoare Motorola implica niste costuri de productie nu mai mari ca cele pentru fabricarea unei ciocolate. In schimb, aproape toate sistemele embedded nu sunt dotate cu modulele DRAM obisnuite, ci necesita memorii speciale ON-Chip, care sunt destul de scumpe. Sistemul de operare se afla pe un cip EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory), care este apelat prin impulsuri electronice. EEPROM-urile nu au nevoie de o tensiune de alimentare proprie si pot fi rescrise de ori de cate ori este nevoie.
In cazul aplicatiilor complexe, se adauga mai multe memorii flash ca baza pentru sistemul de operare si pentru aplicatii. Avantajul acestora este ca nu sunt sensibile la socuri, influente magnetice sau temperaturi inalte si permit accesul la software sau la driverele pentru periferice in timpul functionarii.
Software-ul complet controlat de controller trebuie sa poata rula cu foarte putina memorie, nu doar din cauza pretului de productie, ci si din cauza lipsei de spatiu in terminale. Scopul este de a "ingramadi" cat mai multe aplicatii si drivere intr-o memorie cat mai mica.
Unul dintre cele mai raspandite sisteme de operare pentru Embedded Systems este cel compatibil Linux, QNX RTOS al companiei canadiene QNX (www.qnx.com). Spre deosebire de Windows 98, QNX este un sistem ce functioneaza in timp real, care nu cunoaste ce sunt acelea intarzieri la prelucrarea comenzilor prin ciclurile de incarcare in memorie. Acesta este folosit in aparate de dializa, in astronautica, de exemplu in Space Shuttle, in controlul proceselor sau in telecomunicatii.
Sistemul de operare isi pune in valoare calitatile in asemenea situatii, in care este nevoie de un management strict al resurselor, de exemplu atunci cand memoria de lucru este foarte mica. Stabilitatea de 100% a sistemului este asigurata de microkernel, inima sistemului, care se ocupa de transmiterea comenzilor si de executarea la timp a acestora. Driverele nu se incarca direct in kernel, ci intr-un spatiu de adrese protejat al memoriei.