Integrert system

Et innebygd system [ 1 ]​ (også, innebygd system eller innebygd system , integrert system , innebygd system ) er et mikroprosessorbasert eller mikrokontrollerbasert databehandlingssystem designet for å utføre en eller noen få dedikerte funksjoner, [ 2 ] ​[ 3 ] ofte i et sanntidsdatasystem . I motsetning til hva som skjer med datamaskiner til generell bruk (for eksempel en personlig datamaskineller PC) som er designet for å møte et bredt spekter av behov, innebygde systemer er designet for å møte spesifikke behov. I et innebygd system er de fleste komponentene inkludert i hovedkortet ( skjermkort , lydkort , modem , etc.), og mange ganger ser ikke de resulterende enhetene ut som det som vanligvis er knyttet til en datamaskin. Noen eksempler på innebygde systemer kan være enheter som et taksameter, et adgangskontrollsystem, elektronikken som styrer en salgsautomat eller kontrollsystemet til en kopimaskin blant mange andre applikasjoner.

Generelt kan innebygde systemer programmeres direkte i monteringsspråket til mikrokontrolleren eller mikroprosessoren som er bygget på den, eller også, ved å bruke spesifikke kompilatorer, kan språk som C eller C++ brukes ; I noen tilfeller, når applikasjonens responstid ikke er en kritisk faktor, kan objektorienterte språk som JAVA også brukes .

Siden innebygde systemer kan produseres i titusenvis eller millioner av enheter, er en av hovedbekymringene å redusere kostnadene . Innebygde systemer bruker vanligvis en relativt liten prosessor og lite minne for det. De første innebygde datamaskinene som ble utviklet ble laget av IBM på 1980- tallet .

Innebygde systemprogrammer står vanligvis overfor sanntidsbehandlingsoppgaver .

Det finnes også plattformer utviklet av ulike produsenter som leverer verktøy for utvikling og design av applikasjoner og prototyper med innebygde systemer fra grafiske miljøer, noen eksempler på disse er: Arduino , mbed, Raspberry Pi , BeagleBone , etc.

Komponenter

I den sentrale delen er mikroprosessor , mikrokontroller , DSP , etc. Det vil si CPU -en eller enheten som gir datakapasitet til systemet, og kan inkludere internt eller eksternt minne , en mikro med spesifikk arkitektur i henhold til kravene.

Kommunikasjon blir svært viktig i innebygde systemer. Vanligvis kan systemet kommunisere via standard kablede eller trådløse grensesnitt. Dermed vil en SI normalt inkorporere RS-232 , RS-485 , SPI , I²C , CAN , USB , IP , Wi-Fi , GSM , GPRS , DSRC , etc. kommunikasjonsporter.

Det typiske presentasjonsundersystemet er vanligvis en grafisk, berørings-, LCD- , alfanumerisk , etc. -skjerm.

De mulige elektroniske elementene som systemet er ansvarlig for å kontrollere kalles aktuatorer. Det kan være en elektrisk motor, en relébryter , etc. Det vanligste kan være en PWM -signalutgang for hastighetsregulering av DC - motorer .

Den analoge og digitale I/O-modulen brukes vanligvis til å digitalisere analoge signaler fra sensorer, aktivere LED - dioder , gjenkjenne åpen-lukket-tilstanden til en bryter eller knapp, etc.

Klokkemodulen har ansvaret for å generere de forskjellige klokkesignalene fra en enkelt hovedoscillator . Oscillatortypen er viktig for flere aspekter: for nødvendig frekvens , for nødvendig stabilitet og for nødvendig strømforbruk. Oscillatorene med de beste egenskapene når det gjelder stabilitet og kostnad er de som er basert på en kvartskrystallresonator , mens de som krever mindre forbruk er RC . Ved å bruke PLL -systemer oppnås andre frekvenser med samme stabilitet som standard oscillatoren.

Strømmodulen ( strøm ) er ansvarlig for å generere de forskjellige spenningene og strømmene som er nødvendige for å drive de forskjellige kretsene til SE. Vanligvis jobber vi med en rekke mulige inngangsspenninger som gjennom AC/DC eller DC/DC-omformere oppnår de forskjellige spenningene som er nødvendige for å drive de ulike aktive komponentene i kretsen.

I tillegg til ac/dc og dc/dc omformere, andre typiske moduler, filtre , strømovervåkende integrerte kretser, etc.

Strømforbruk kan være en avgjørende faktor i utviklingen av enkelte innebygde systemer som nødvendigvis drives av batterier , så brukstiden for SE er vanligvis varigheten av batteriladingen

Mikroprosessorer og mikrokontrollere

En mikroprosessor er en implementering i form av en integrert krets (IC) av den sentrale prosessorenheten til en datamaskin. Vi refererer ofte til en mikroprosessor ganske enkelt som "CPU", og den delen av et system som inneholder mikroprosessoren kalles CPU-undersystemet. Mikroprosessorer varierer i strømforbruk , kompleksitet og kostnader .

Inn- /utdata- og minneundersystemene kan kombineres med et CPU-undersystem for å danne en komplett datamaskin eller innebygd system. Disse delsystemene er sammenkoblet gjennom systembussene (dannet i sin tur av kontrollbussen, adressebussen og databussen).

Inndataundersystemet aksepterer data fra utsiden som skal behandles mens utdataundersystemet overfører resultatene til utsiden. Det vanligste er at det er flere input- og flere output-delsystemer. Disse undersystemene er ofte anerkjent som I/O- periferiutstyr .

Minnedelsystemet lagrer instruksjonene som styrer driften av systemet. Disse instruksjonene omfatter programmet som systemet kjører. Minnet lagrer også ulike typer data: inndata som ennå ikke er behandlet, mellomresultater av behandling og endelige resultater som venter på utmating til utsiden.

Det er viktig å innse at delsystemer strukturerer et system etter funksjonalitet. Den fysiske underinndelingen av et system, når det gjelder integrerte kretser eller kretskort (PCB), kan og er vanligvis annerledes. En enkelt integrert krets (IC) kan gi flere funksjoner, som minne og inngang/utgang.

En mikrokontroller (MCU) er en IC som inkluderer en CPU, minne og I/O-kretser. Blant I/O-undersystemene som mikrokontrollere inkluderer er timere , analog-til-digital (ADC) og digital-til-analog (DAC) omformere og serielle kommunikasjonskanaler. Disse I/O-undersystemene er ofte optimalisert for spesifikke applikasjoner (f.eks. lyd, video, industrielle prosesser, kommunikasjon, etc.).

Det skal bemerkes at de faktiske skillelinjene mellom mikroprosessor, mikrokontroller og mikrodatamaskin på en enkelt brikke er uskarpe, og de blir noen ganger referert til om hverandre.

Generelt sett består et SE (Electronic System) av et mikroprosessorsystem hvis maskinvare og programvare er spesielt designet og optimalisert for å løse et spesifikt problem effektivt. Normalt samhandler en SE kontinuerlig med miljøet for å overvåke eller kontrollere en eller annen prosess gjennom en rekke sensorer . Maskinvaren din er vanligvis utformet på brikkenivå , eller PCB-sammenkoblingsnivå, på jakt etter den minste kretsen og størrelsen for en bestemt applikasjon. Et annet alternativ består av utformingen på PCB-nivå som består av sammenstilling av kort med kommersielle mikroprosessorer som normalt reagerer på en standard som PC-104 (kort av en bestemt størrelse som er sammenkoblet ved å "stable" den ene oppå den andre, hver av dem med en spesifikk funksjonalitet innenfor det overordnede målet for SE). Denne sistnevnte løsningen gir raskere designtid, men optimaliserer ikke systemstørrelse, antall komponenter som brukes eller enhetskostnad. Generelt vil et enkelt innebygd system ha en mikroprosessor, minne, noen få I/O- periferiutstyr og et program dedikert til en bestemt applikasjon permanent lagret i minnet. Begrepet innebygd eller innebygd refererer til det faktum at mikrodatamaskinen er innelukket eller installert i et større system og at dens eksistens som en mikrodatamaskin kanskje ikke er åpenbar. En ikke-teknisk bruker av et innebygd system er kanskje ikke klar over at han bruker et datasystem. I noen hjem bruker folk, som ikke trenger å være standard PC-brukere, så mange som ti eller flere innebygde systemer hver dag.

Mikrodatamaskinene i disse systemene styrer husholdningsapparater som: TV- er, videospillere , vaskemaskiner , alarmer , trådløse telefoner , etc. Selv en PC har innebygde systemer i skjermen , skriveren og periferiutstyr generelt, i tillegg til CPU-en til selve PC-en. En bil kan ha opptil hundre mikroprosessorer og mikrokontrollere som kontrollerer ting som tenning, girkasse, servostyring, blokkeringsfrie bremser (ABS), traction control, etc.

Innebygde systemer er typisk preget av behovet for spesielle I/O-enheter. Når du velger å designe det innebygde systemet fra et mikrodatamaskinkort , er det også nødvendig å kjøpe eller designe ytterligere I/O-kort for å oppfylle kravene til den aktuelle applikasjonen.

Mange innebygde systemer er sanntidssystemer . Et sanntidssystem må svare, innenfor et begrenset tidsintervall, på eksterne hendelser ved å utføre oppgaven knyttet til hver hendelse. Sanntidssystemer kan karakteriseres som myke eller harde. Hvis et mykt sanntidssystem ikke oppfyller tidsbegrensningene, forringer det ganske enkelt ytelsen til systemet, men hvis systemet er vanskelig i sanntid og ikke oppfyller tidsbegrensningene, vil systemet svikte. Denne feilen kan muligens få katastrofale konsekvenser.

Et komplekst innebygd system kan bruke et operativsystem som støtte for kjøringen av programmene, spesielt når det kreves samtidig kjøring av dem. Ved bruk av et operativsystem vil det mest sannsynlig være et sanntidsoperativsystem (RTOS), som er et operativsystem designet og optimalisert for å håndtere stramme tidsbegrensninger knyttet til hendelser i sanntidsapplikasjoner. I en kompleks sanntidsapplikasjon kan bruken av et multitasking -sanntidsoperativsystem forenkle programvareutvikling .

Arkitekturer

Grunnleggende arkitektur

En innebygd PC har en arkitektur som ligner på en PC. Kort fortalt er dette de grunnleggende elementene:

Mikroprosessor Den er ansvarlig for å utføre de viktigste beregningsoperasjonene til systemet. Den utfører kode for å utføre en bestemt oppgave og styrer driften av de andre elementene som omgir den, som dirigenten for et orkester. Hukommelse Koden til programmene som systemet kan kjøre så vel som dataene er lagret i den. Hovedkarakteristikken er at den må ha lese- og skrivetilgang så raskt som mulig slik at mikroprosessoren ikke kaster bort tid på oppgaver som ikke bare er beregninger. Siden det er flyktig, krever systemet en støtte der dataene lagres selv uten strøm eller energi. Cache Minne raskere enn hovedminnet der dataene og koden som nylig ble åpnet lagres i. Siden systemet utfører mikrooppgaver, ofte repeterende, sparer cachen tid siden det ikke vil være nødvendig å gå til hovedminnet hvis dataene eller instruksjonen allerede er i cachen. Gitt den høye prisen, har den en mye mindre størrelse (8-512 KB) sammenlignet med den viktigste (8-256 MB). Inne i mikroprosessorbrikken er det en liten cache (L1), men en større finnes vanligvis på en annen brikke på hovedkortet (L2). HDD I den er informasjonen ikke flyktig og den kan også oppnå svært høye kapasiteter. I motsetning til minne, som er solid state, er det vanligvis magnetisk . Men den overdrevne størrelsen gjør den noen ganger umulig for innebygde PC-er, og krever løsninger som solid-state-stasjoner. Et annet problem som magnetiske enheter presenterer når de integreres i innebygde systemer, er at de har bevegelige mekaniske deler, noe som gjør dem umulige for miljøer der de vil bli utsatt for visse vibrasjonsforhold. Det finnes flere løsninger av denne klassen på markedet (DiskOnChip, CompactFlash , IDE Flash Drive, etc.) med tilstrekkelig kapasitet for de fleste innebygde systemer (fra 2 MB til mer enn 1 GB). Standard PC-harddiskkontrolleren samsvarer med IDE -standarden og er en brikke til på hovedkortet. Diskett Funksjonen var lagring, men med disker med mye mindre kapasitet og fordelen med portabilitet. De ble vanligvis funnet på en standard personlig datamaskin, men ikke på en innebygd PC. Fra og med 2016 har de vært ute av bruk på vanlige PC-er i flere år. BIOS -ROM BIOS ( Basic Input & Output System , basic input and output system) er kode som er nødvendig for å initialisere datamaskinen og sette de forskjellige elementene på hovedkortet i kommunikasjon . ROM ( Read Only Memory , ikke-flyktig skrivebeskyttet minne) er en brikke der BIOS-koden er plassert. CMOS - RAM Det er en batteridrevet lese/skrive-minnebrikke som lagrer type og plassering av enheter koblet til hovedkortet (harddisk, I/O-porter osv.). Den inneholder også en permanent fungerende klokke som gir systemet dato og klokkeslett. brikkesett Brikke som er ansvarlig for å kontrollere avbruddene rettet til mikroprosessoren, direkte minnetilgang ( DMA ) og ISA-bussen , samt tilby tidtakere osv. Det er vanlig å finne CMOS-RAM og sanntidsklokken inne i brikkesettet. systeminnganger Det kan være porter for mus , tastatur , video i digitalt format, seriell eller parallell kommunikasjon, etc. systemutganger videoporter for skjerm eller fjernsyn, flytende krystallskjermer , høyttalere, seriell eller parallell kommunikasjon, etc. Utvidelsesspor for spesifikke oppgavekort som kanskje ikke er integrert i hovedkortet, for eksempel flere kommunikasjonsporter, tilgang til datanettverk via LAN ( Local Area Network ) eller via telefonnettverk: basic, ISDN (Integrated Services Digital Network), ADSL ( Asynchronous Digital Subscriber Loop , Asynchronous Digital Subscriber Loop), kabelmodem osv. En standard PC har vanligvis mange flere utvidelsesspor enn en innebygd PC. Utvidelsesspor er assosiert med forskjellige busstyper: VESA , ISA , PCI , NLX (ISA + PCI), etc.

Det er produsenter som integrerer en mikroprosessor og kontrollerelementene til de grunnleggende inngangs- og utgangsenhetene på samme brikke, og tenker på behovene til innebygde systemer (lav kostnad, liten størrelse, spesifikke innganger og utganger, etc.). Behandlingskapasiteten deres er vanligvis lavere enn prosessorer for generelle formål, men de oppfyller formålet siden systemene der de er plassert ikke krever så mye strøm . Hovedprodusentene er STMicroelectronics (STPC-familien av brikker), AMD ( Geode- familien ), Motorola (ColdFire-familien) og Intel.

Når det gjelder operativsystemene som er nødvendige for at et mikroprosessorbasert system skal fungere og kjøre programmer, er de vanligvis spesifikke for innebygde systemer. Dermed finner vi operativsystemer med lave minnekrav, muligheten for å utføre sanntid, modulære applikasjoner (inkludering av kun de nødvendige elementene i operativsystemet for det spesifikke innebygde systemet), etc. De mest kjente i dag er Windows CE , QNX og WindRivers VxWorks .

Applikasjoner

Fordeler

Tradisjonelt industrielt måle- og kontrollutstyr er basert på en mikroprosessor med et proprietært eller spesifikt operativsystem for den tilsvarende applikasjonen. Denne applikasjonen er programmert i assembler for den gitte mikroprosessoren eller i C-språket , og ringer til de grunnleggende funksjonene til det operativsystemet som i visse tilfeller ikke engang eksisterer. Med moderne innebygde PC-systemer basert på i486- eller i586-mikroprosessorer er verden av PC-en som er kompatibel med industrielle applikasjoner integrert. Dette innebærer en rekke fordeler:

Se også

Referanser

  1. ↑ Royal Spanish Academy og Association of Academies of the Spanish Language. « " innebygd": partisipp av embber, i den 5. betydningen: passe, bygge inn eller legge noe inn i noe annet.» . Ordbok for det spanske språket (23. utgave). 
  2. ↑ Michael Barre. "Ordliste for innebygde systemer" . Netrino tekniske bibliotek . Arkivert fra originalen 25. juni 2013 . Hentet 21. april 2007 . 
  3. ↑ Heath, Steve (2003). Design av innebygde systemer . EDN-serien (på engelsk) (2 utgaver). Newnes. 

Eksterne lenker