Embedded systém

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie

Embedded systém (vestavěný systém, zabudovaný systém) je jednoúčelový systém, ve kterém je řídicí počítač zcela zabudován do zařízení, které ovládá. Na rozdíl od univerzálních počítačů, jako jsou osobní počítače (personal computer, PC), embedded (zabudované) počítače jsou většinou jednoúčelové, určené pro předem definované činnosti. Vzhledem k tomu, že systém je určen pro konkrétní účel, mohou tvůrci systému při návrhu optimalizovat pro konkrétní aplikaci a tak snížit cenu výrobku. Embedded systémy jsou často vyráběny sériově ve velkém množství, takže úspora bývá vynásobena velkým počtem vyrobených kusů.

Počítače do dlaně (PDA), mobilní digitální pomocníci (MDA) a inteligentní mobilní telefony jsou také často označovány jako embedded zařízení vzhledem k vlastnostem hardware i přes to, že z hlediska software jsou rozšiřitelné a všeobecně použitelné podobně jako osobní počítače. S rozvojem těchto zařízení se stírá rozdíl mezi embedded zařízeními a osobními počítači.

Obsah 1 Příklady embedded systémů 2 Historie embedded systémů 3 Charakteristika embedded systémů 4 Uživatelská rozhraní u embedded systémů 5 Spolehlivost embedded systémů

[editovat] Příklady embedded systémů

• bankomat
• avionika, jako například autopiloti, hardware a software pro řízení letu a další systémy integrované letadlech a raketách
• mobilní telefony, jejich základnové stanice (BTS), telefonní ústředny
• řídící jednotky spalovacích motorů (ECU) a systémy zabraňující blokování brzd (ABS) v automobilech
• domácí automatizace, jako například termostaty, klimatizace, zavlažovací systémy a zabezpečovací systémy
• kalkulačky
• vybavení domácnosti jako například mikrovlná trouba, pračka, myčka nádobí, televize, DVD přehrávače
• zdravotnické přístroje
• ruční počítače (PDA nebo průmyslové)
• herní konzoly (playstation, SEGA, XBOX)
• digitální náhrada potenciometrů (místo „točítka“ jsou pouze tlačítka přidat/ubrat)
• počítačové periferie jako routery, tiskárny, modemy, scannery mohou mít a často mají vlastní vestavěný „embedded“ systém.

[editovat] Historie embedded systémů

První moderní embedded systém byl naváděcí počítač pro Apollo vyvinutý Charlesem Stark Draperem v přístrojové laboratoři na MIT. Pro každý let na měsíc byly použity dva. Běžel na nich naváděcí systém pro řídící modul a LEM.

Při zahájení projektu byl naváděcí systém považovaný za potenciálně nejnebezpečnější část celého projektu. Použití nově vyvinutých integrovaných obvodů pro snížení velikosti a váhy zvyšovalo riziko selhání.

První hromadně vyráběný embedded systém byl (jak jinak než vojenský) naváděcí systém D-17 firmy Autonetic pro rakety Minuteman, uvedený v roce 1961. Byl vytvořen z jednotlivých tranzistorů a jako hlavní paměť používal hard disk. Při zavádění výroby raket Minuteman II v roce 1966 byl systém D-17 nahrazen novým počítačem, který jako první používal velké množství integrovaných obvodů. Hromadná výroba těchto počítačů způsobila, že cena integrovaného obvodu obsahujícího čtyři hradla NAND klesla z 1000 dolarů na pouhé tři dolary a zlevnila a víceméně umožnila použití integrovaných obvodů v komerčních výrobcích.

U těchto prvních embedded systémů z počátku 60. let cena nehrála roli. Od té doby došlo ke značnému snížení ceny, zvýšení výpočetního výkonu a funkčnosti. Například první mikroprocesor Intel 4004, který se uplatnil například v kalkulačkách a dalších malých systémech, vyžadoval vnější paměť a další podpůrné obvody. V polovině 80. let byla většina původně externích součástek integrována na čipu spolu s procesorem a tato součáska se začala označovat jako microcontroler (česky se používá pojem „mikrokontrolér“ nebo „jednočip“, případně „jednočipový počítač“) a umožnila tak rozšíření embedded systémů.

S poklesem ceny jednočipového počítače pod jeden dolar začalo být výhodné nahrazovat knoflíky ovládané analogové součástky jako potenciometry nebo proměnné kondenzátory digitální elektronikou řízenou malým mikrokotrolérem s tlačítky „nahoru“ a „dolů“. Koncem 80. let se embeddeded systémy běžně používaly ve většině elektronických zařízení a tento trend dosud pokračuje.

[editovat] Charakteristika embedded systémů

Na rozdíl od všeobecně použitelného počítače (například osobního) embedded systémy jsou navrženy pro konkrétní činnosti. Některé také pracují v reálném čase, tzn. že zpoždění činnosti nebo akce ovládané řídícím procesorem může mít fatální následky nebo poruchu činnosti (přerušení hraní hudby, zaseknutí motoru,...).

U systémů vyráběných ve velkých sériích, jako například mp3 přehrávače nebo mobilní telefony je většinou jedním z primárních cílů ve fázi návrhu nízká cena. Tvůrci těchto zařízení často používají hardware který je přesně dostačujícící pro implementaci požadovaných funkcí. Například digitální přijímač DVB-S pro příjem satelitní televize zpracovává každou sekundu obrovská množství dat, ale zpracování je provedeno v zákaznickém integrovaném obvodu, který provádí pouze tuto jedinou činnost. Hlavní procesor pouze nastaví a spustí tento proces, případně zobrazuje menu, animace a podobně a proto stačí jeho menší výpočetní výkon.

Při malých sériích nebo prototypech embedded systémů lze použít hardware osobního počítače a použít pouze konkrétní programy neby nahradit původní operační systém operačním systémem pracujícím v reálném čase (RTOS).

Software určený pro embedded systémy je často označován jako firmware a je uložen v ROM nebo FLASH čipech na rozdíl od programů v osobním počítači, které jsou uloženy na pevném disku. Tento software často počítá s omezenými prostředky zařízení – malá nebo žádná klávesnice, omezený nebo žádný displej, malé množství paměti RWM-RAM a podobně.

Embedded systémy jsou vestavěny do zařízení, od nichž se očekává, že budou schopny pracovat léta bez chyb a v některých případech schopny se zotavit z poruchy. Proto bývají programy většinou vyvíjeny a testovány pečlivěji než programy pro osobní počítače a v návrhu se nepoužívají nespolehlivé mechanické součástky jako disky, přepínače, tlačítka. Zotavení z poruchy může využít například techniky watchdogu, který resetuje počítač pokud program po jistou dobu neupozornil watchdog, že je v pořádku.

[editovat] Uživatelská rozhraní u embedded systémů

Uživatelská rozhraní u embedded systémů se liší od nulového uživatelského rozhraní až po plné rozhraní podobné systému stolního PC jako například u PDA, MDA nebo inteligentních mobilních telefonů. Někde uprostřed bývají zařízení s malými displeji, které jsou schopny zobrazovat pouze některé znaky, a pouze několika tlačítky (kalkulačka, rotoped).

Jeden z přístupů čsato používaných u embedded systémů bez sofistikovaných displejů používá pouze několik tlačítek pro ovládání menu. Některá tlačítka se používají pro přechody mezi položkami a některá pro nastavení. U jednoduchých a také levných zařízení bez komplikovaných displejů je často použito několik tlačítek pro ovládání pomocí menu, kdy některá tlačítka slouží pro pohyb v menu a další pro nastavování hodnot. U těchto zařízení jsou používány jednoduchá a levná řešení, jako například LED diody pro indikaci stavu.

Při použití větších displejů bývají použity dotykové displeje nebo displeje s ovládacími klávesami vedle displeje (soft button), které poskytují dostatečnou flexibilitu při minimalizaci použitého prostoru. Výhodou tohoto řešení je, že funkce tlačítek se změní nápisem na displeji, a také přirozené ovládání. Systémy do ruky (PDA, MDA, mobilní telefony) často mají displej a „joystickové tlačítko“ ovládající kurzor.

Rozvoj webu dává tvůrcům embedded zařízení další, zcela novou možnost ovládání pomocí webové stránky dostupné prostřednictvím síťového připojení. Toto řešení je úspěšně používáno pro ovládání vzdálených, pevně instalovaných zařízení. Toto řešení eliminuje potřebu složitého displeje a přes to poskytuje možnost složitého nastavení a zobrazení v případě potřeby (na vzdáleném počítači).

[editovat] Spolehlivost embedded systémů

Spolehlivost může mít různé definice v závislosti na tom, co lidé od systému požadují:

1. Systém nelze kvůli opravě bezpečně vypnout nebo je pro opravu nepřístupný. Obecně se to týká testovacích podsystémů embedded systémů a přepínačů na síti. Místo hardwarové náhrady lze použít softwarový záložní režim, který poskytuje částečnou funkčnost. Příkladem jsou například systémy ve vesmíru, podmořské kabely, navigační majáky, systémy pro vrtání děr a automobily. Často do této kategorie patří také sériově vyráběná spotřební elektronika, protože opravny jsou relativně daleko a opravy jsou finančně náročnější než výroba nového výrobku.
2. Systém musí být neustále v chodu z bezpečnostních důvodů. Parametry jsou podobné jako u předešlého typu, ale záložní softwarové režimy nejsou v takové míře tolerovány. Často je nutné je zvolit operátorem. Mezi příklady patří navigační systémy letadel, řídicí systémy jaderných reaktorů, řízení nebezpečných provozů v chemických továrnách, signalizace provozu vlaků, řízení motorů u jednomotorových letadel.
3. Zastavení systému způsobí velké finanční ztráty (telefonní ústředny, řízení továren, ovládání mostů a výtahů, řízení bankovních převodů peněz a elektronická tržiště). Tyto systémy obvykle obsahují několik vestavěných testů indikujících správný chod systému a existuje online záložní systém nebo záložní softwarový režim a ruční ovládání.
4. Systém nemůže běžet v nebezpečném nebo nekorektním stavu. Například pokud by došlo k velkým finančním ztrátám nebo ohrožení zdraví (lékařské přístroje, zálohované letecké přístroje a stroje (například motor u více motorových letadel), řízení chemických procesů, automatické burzy, herní systémy). Při detekci nebezpečného stavu je jediným řešením ukončit chod systému a indikovat chybu.