Systemy wbudowane - Maciej Piechowiak

Systemy wbudowane
Wprowadzenie
dr inż. Maciej Piechowiak
Plan wykładów
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Wprowadzenie, podstawowe pojęcia.
Architektura i klasyfikacja systemów komputerowych.
Budowa mikrokontrolera na przykładzie rodziny ’51.
Architektura i asembler mikrokontrolerów AVR.
Architektura i asembler mikrokontrolerów z rdzeniem ARM
(ARM7 i ARM9).
Automatyka przemysłowa.
Sterowniki przemysłowe.
Magistrale i protokoły komunikacyjne w systemach
wbudowanych.
Plan wykładów
9.
10.
11.
Wprowadzenie do teorii sterowania.
Architektura systemu operacyjnego.
Systemy operacyjne w systemach wbudowanych.
1
Wprowadzenie




system wbudowany (ang. embedded system) – dedykowany system
komputerowy, składający się z odpowiednio dobranych
komponentów sprzętowych i programowych, zaprojektowany pod
kątem wykonania określonej aplikacji programowej,
aplikacja odpowiada za realizację funkcji systemu i wpływa na
sposób jego postrzegania przez użytkownika końcowego,
każdy system wbudowany oparty jest na mikroprocesorze lub
mikrokontrolerze zaprogramowanym do wykonywania ograniczonej
liczby zadań (czasami nawet do jednego),
w zależności od złożoności może zawierać oprogramowanie
dedykowane wyłącznie temu urządzeniu (firmware) lub system
operacyjny ze specjalizowanym oprogramowaniem.
Wprowadzenie
router/modem
NetGear ADSL
Wprowadzenie




im mniej złożone i specjalizowane oprogramowanie, tym większa
niezawodność systemu oraz szybsza reakcja na zdarzenia krytyczne,
niezawodność systemu może być zwiększona przez rozdzielenie
zadań na mniejsze podsystemy oraz redundancję,
pierwszy system wbudowany sterował statkiem kosmicznym Apollo,
pierwszy komputer wbudowany produkowany masowo sterował
rakietą LGM30-Minuteman.
2
Wprowadzenie



zróżnicowany poziom złożoności systemów wbudowanych – od
sprzętu powszechnego użytku (mikrokontrolery) po robotykę,
telekomunikację i lotnictwo (wieloprocesorowe systemy
rozproszone),
wysoka jakość oprogramowania i stosowanych komponentów – z
uwagi na obszary zastosowań sprzęt musi być stabilny i dobrze
przetestowany,
wysokie wymagania stawiane
projektantom systemów
wbudowanych (systemy
operacyjne, biblioteki,
metodyka projektowa).
Zastosowania








układy sterujące pracą silnika samochodowego i ABS, komputery
pokładowe
sprzęt sterujący samolotami, rakietami, pociskami rakietowymi,
bomby inteligentne
sprzęt medyczny, w tym między innymi: monitory holterowskie,
sprzęt pomiarowy, w tym między innymi: oscyloskopy, analizatory
widma,
bankomaty,
termostaty, klimatyzatory,
kuchenki mikrofalowe, zmywarki,
sterowniki PLC stosowane w przemyśle do sterowania i kontroli
procesów i maszyn produkcyjnych,
Zastosowania







sterowniki do wszelkiego rodzaju robotów mechanicznych,
systemy alarmowe służące do ochrony osób i mienia np.
antywłamaniowe, przeciwpożarowe, i inne,
telefony komórkowe i centrale telefoniczne,
drukarki, kserokopiarki,
kalkulatory,
sprzęt komputerowy, w tym między innymi: dyski twarde, napędy
optyczne, routery, serwery czasu i firewalle,
systemy rozrywki multimedialnej i interaktywnej: konsole do gier:
stacjonarne i mobilne, automaty do gier, telewizory, odtwarzacze
DVD, kamery cyfrowe, magnetowidy.
3
Projektowanie systemów
wbudowanych




opracowanie dedykowanej warstwy sprzętowej i odpowiedniego
oprogramowania,
oprogramowanie dzieli się na warstwę systemową i aplikacyjną,
przy prostych systemach warstwa systemowa nie jest wyodrębniona
i nie zawiera mechanizmów wspierających tworzenie aplikacji,
zaawansowane systemy realizowane są w oparciu o specjalne
systemy operacyjne i biblioteki ekstrakodów – projektant rozszerza
warstwę systemową o sterowniki dedykowanych urządzeń,
wykonuje testy itp.
Projektowanie systemów
wbudowanych




złe decyzje projektowe pociągają za sobą konieczność modyfikacji
nie tylko oprogramowania, ale również sprzętu,
problem wiarygodności w systemach o krytycznych zastosowaniach
– odporność systemu na awarie sprzętu, zakłócenia
elektromagnetyczne, błędy implementacyjne,
ze względu na różnorodne wymagania i funkcje systemów
wbudowanych nie jest możliwe zbudowanie jednej uniwersalnej
platformy sprzętowej dla wszystkich zastosowań,
projektowanie dedykowanej platformy na potrzeby konkretnego
zastosowania jest nieuzasadnione ekonomicznie w przypadku
produkcji małoseryjnej.
Compact PCI





standard CPCI zaprojektowany w 1994 roku przez grupę producentów
automatyki przemysłowej (Intel, Hewlett-Packard, IBM, Motorola,
Siemens, SUN),
wykorzystuje magistralę PCI – rozwiązanie tańsze od przemysłowych
rozwiązań opartych o magistralę VME,
częstotliwość pracy magistrali – 66MHz, maksymalna przepustowość –
133Mbit/s,
najnowsza specyfikacja CPCI
wykorzystuje PCI-X
(64 bity, ponad 1Gbit/s),
moduły w postaci kart
o wymiarach 3 lub 6U
w kasetach o różnej liczbie
gniazd,
4
Compact PCI





karty procesorowe stosowane w CPCI wyposażone są w procesory o
modelach programowych RISC (ARM, PowerPC, MIPS) oraz CISC (Intel
IA32, Motorola 68K),
systemy sterowania i zaawansowane urządzenia telekomunikacyjne,
budowa modułowa – skalowalność,
wymiana modułu w trakcie
pracy urządzenia bez przerwy
w dostarczaniu usług,
wady: wysoka cena,
znaczne gabaryty i waga.
Komputery platerowe






rozwiązania platerowe z kartami procesorowymi zapewniają
elastyczność – możliwość montowania dużej liczby standardowych kart
wykorzystujących magistralę ISA lub PCI,
praca w trudnych warunkach otoczenia (odporność na wibracje i
zakłócenia),
możliwość montażu typowych
kart rozszerzeń,
zastosowanie standardowych
rozwiązań stosowanych
w komputerach PC,
ułatwiony serwis,
długi czas życia elementów
systemu,
Komputery platerowe






szeroka gama kart procesorowych, platerów i obudów,
wygodne wytwarzanie aplikacji (rozwiązania z PC),
dostępne karty procesorowe wyposażone w procesory o różnej mocy
obliczeniowej,
karty procesorowe wyposażone w kilka interfejsów komunikacyjnych
(Ethernet, szeregowy RS232C/422, równoległy Centronics, interfejsy
IDE/SCSI, interfejsy dla pamięci masowych IDE/SCSI, układy grafiki),
montowane w obudowach 19’’
(szafy, stojaki, chassis),
niedrogie systemy o dużych
możliwościach,
5
Komputery PC/104






standard został zdefiniowany w 1992 roku i określa parametry
elektryczne i mechaniczne modułów,
z punktu widzenia interfejsu standard stanowi zmodyfikowaną
magistralę ISA o zredukowanym poborze mocy,
nazwa – od 104 styków na złączu modułu,
wszystkie moduły mają określone wymiary (90 x 96mm),
łączy się je w samonośną „konstrukcję kanapkową” o dużej
wytrzymałości mechanicznej,
PC/104+ (1996) – dwie magistrale (ISA i PCI) dla urządzeń o większych
wymaganiach magistralowych (np. karty akwizycji obrazów, robotyka,
medycyna),
Komputery PC/104
Komputery PC/104


standard określa maksymalną moc pobieraną przez każdy z modułów
(2W dla modułu interfejsowego, 7,5W dla modułu procesorowego
IA32),
przykładowa konfiguracja sprzętowa (Advantech, PCM-3350):
• procesor klasy Pentium: NS Geode 300MHz (zreduk. pobór mocy), bez wentylatora,
• chipset NS CS 5530A,
• sterowanie matrycą TFT 18 bitów,
• pamięć RAM: SODIMM, SDRAM, do 128MB,
• interfejs sieci Ethernet 10/100Mb/s, Intel 82559,
• zakres temperatur pracy: 0 – 60 st.,
• interfejsy komunikacyjne: 2 x USB, 2 x RS232C/485,
• interfejsy pamięci masowych: IDE 44 pin, FDD, Compact Flash.
6
Komputery „ciasteczkowe”



komputery ciasteczkowe (ang. biscuit PC) posiadają złącza w
standardzie PC/104, cechują się nieco większymi rozmiarami,
płytki występują w dwóch rozmiarach: 145x102mm (format dysku
3,5’’) oraz 203x146mm (format dysku 5,25’’),
płytki 5,25’’ nadają się do zastosowań multimedialnych (odtwarzacze
DVD,
MP3, itp.) – wyposażone
są w układ audio (AC-97)
kartę grafiki ze
sterowaniem LCD,
wyjściem TV,
czasami wideograbberem,
Komputery „ciasteczkowe”





płytka 3,5’’ PCM-9370 (Advantech) wyposażona jest w
energooszczędny procesor Transmeta Crusoe, interfejsy LAN, VGA z
LCD oraz standardowe porty szeregowe i równoległe,
procesor Transmeta Crusoe jest zgodny z modelem programowym
IA32,
jedynym programem bezpośrednio
wykonywanym przez procesor jest
Morphing Code zapisany w dostarczonej
przez producenta pamięci ROM,
architektura IA32 jest emulowana
przez Morphing Code,
wyrafinowane techniki emulacji:
kompilacja w locie, buforowanie,
optymalizacja,
Komputery „ciasteczkowe”



implementacja Morphing Code: Shadow Registers, Rollback/Commit
Operations, Alias Hardware, Store and Protect Operation,
większe możliwości implementacji złożonych algorytmów w warstwie
Morphing Code niż sprzęcie,
zaawansowany mechanizm Long Run – inteligentne dopasowanie
częstotliwości i napięcia zasilającego w zależności od obciążenia
procesora,
7
Technologia SOM






technologia SOM (ang. System On Module),
korzystna przy produkcji małoseryjnej,
przypadki, gdy nie można dobrać gotowego rozwiązania spełniającego
wymagania sprzętowe,
przy budowie systemów często wykorzystuje się te same rozwiązania
układowe (procesory, układy sterujące), różne jest otoczenie
interfejsowe, różny rozkład złączy i wyprowadzeń na płycie,
moduły SOM zawierają procesor, układ sterujący i niektóre interfejsy,
moduł ma standaryzowane złącze krawędziowe 144pin (SODIMM),
Technologia SOM




szacuje się, że wykorzystanie gotowego modułu pozwala skrócić czas
projektowania i testowania systemu o 80%,
SOM-4470 wyposażony jest w
procesor Pentium III lub
Celeron o zmniejszonym
poborze mocy z układem
sterującym Intel-440BX,
zawiera złącze IDE, układ
grafiki VGA z 18/24-bit LCD,
układ dźwiękowy, kontroler
magistrali USB,
interfejs RS232C,
pobór mocy 17W (zasilanie 5V).
Technologia SOC



SOC (ang. System on Chip), rozwiązanie
w postaci układu zawierającego
najczęściej: mikrokontroler, interfejsy
radiowe, interfejsy szeregowe (SPI, I2C,
UART, USB), Ethernet, zewn. magistrala
pamięci, PCI, porty we/wy,
duże możliwości,
niski koszt.
EdiMax BR6104KP
8
Sterowniki PLC








PLC (ang. Progammable Logic
Controller), stosowane w przemyśle do
sterowania liniami produkcyjnymi,
elementami wykonawczymi urządzeń
duża liczba wejść i wyjść,
do wejść podłącza się czujniki,
do wyjść – elementy wykonawcze,
praca w dużym zakresie temperatur,
odporność na zakłócenia, kurz i pył,
kontrolowane przez system operacyjny
czasu rzeczywistego,
możliwość przeprogramowania w
przeciwieństwie do urz. przekaźnik.
System od podstaw




wysokie koszty projektu,
niskie koszty produkcji,
projekt dopasowany do
konkretnego zastosowania,
brak zbędnych podzespołów.
Literatura
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Pełka R., Mikrokontrolery – architektura, programowanie, zastosowania, WKŁ,
Warszawa 2000,
Silberschatz A., Galvin P.B., Podstawy systemów operacyjnych, Wydawnictwa
Naukowo-Techniczne, Warszawa 2001,
Gałka P., Gałka P., Podstawy programowania mikrokontrolerów 8051, MIKOM,
Warszawa 2000,
Bryndza L., LPC2000. Mikrokontrolery z rdzeniem ARM7, Wydawnictwo BTC,
Warszawa 2007,
Paprocki K., Mikrokontrolery STM32 w praktyce, Wydawnictwo BTC, Legionowo
2009,
Doliński J., Mikrokontrolery AVR w praktyce, Wydawnictwo BTC, Warszawa
2003,
Baranowski R., Mikrokontrolery AVR ATmega w praktyce, Wydawnictwo BTC,
Warszawa 2005,
Augustyn J., Projektowanie systemów wbudowanych na przykładzie rodziny
SAM7S z rdzeniem ARM7TDMI, Wydawnictwo IGSMiE PAN, Kraków 2007,
9