na 2025/03/31 7,427

Razumevanje vdelanih sistemov: definicija, značilnosti in razvrstitev

Ta vodnik pojasnjuje, kaj so vgrajeni sistemi in zakaj so pomembni.Vgrajeni sistem je majhen računalnik, vgrajen v večjo napravo, ki bo opravljal eno določeno delo.Našli jih boste v stvareh, kot so mikrovalovne pečice, avtomobili, fitnes sledilci in tovarniški stroji.Za razliko od rednih računalnikov so narejeni, da opravljajo samo eno ali nekaj nalog res dobro, pogosto v realnem času.Ta priročnik primerja tudi vgrajene sisteme s splošnimi računalniki in prikazuje različne vrste glede na to, kaj počnejo in kako močni so.

Katalog

Kaj so vgrajeni sistemi?

An vgrajen sistem je specializiran računalnik, zasnovan za izvajanje določene funkcije znotraj večje naprave ali sistema.Za razliko od splošnih namestnih računalnikov, ki lahko obravnavajo široko paleto nalog, so vgrajeni sistemi osredotočeni na eno ali nekaj tesno opredeljenih operacij.Ti sistemi so pogosto potrebni, da izpolnjujejo stroge zahteve za časovno razporeditev in delujejo dosledno v realnem času.Beseda "vdelana" se nanaša na to, kako je računalniški sistem fizično in funkcionalno integriran v izdelek, ki mu služi.Ta integracija združuje tako programsko kot strojno opremo v samostojno enoto.Mikrokontrolerji ali mikroprocesorji običajno upravljajo s strani programske opreme, ki izvaja kodo, ki nadzoruje vedenje, medtem ko strojne komponente, kot so tiskana vezja (PCB), senzorji in vhodni/izhodni vmesniki, omogočajo, da sistem interakcijo z njegovim okoljem.

Vgrajeni sistemi so povsod v sodobnem življenju in tiho napajajo številne naprave, ki jih uporabljamo vsak dan.V potrošniški elektroniki jih najdemo v pametnih telefonih, pametnih urah, mikrovalovni pečici in pomivalnih strojih, pri čemer ravnajo z vsem, od uporabniških vmesnikov do notranjega nadzora.V zdravstvenem varstvu so vgrajeni sistemi vgrajeni v medicinske pripomočke, kot so spodbujevalniki in glukozni monitorji, kjer je kritična natančna, zanesljiva zmogljivost.Avtomobilska industrija jih uporablja za upravljanje motorjev, nadzorovanje zabave v vozilih in zagotavljanje varnosti s funkcijami, kot so protiblokirne zaviranja in sistemi zračnih blazin.V industrijskih nastavitvah se vgrajeni sistemi uporabljajo za nadzor in spremljanje strojev na tovarniških nadstropjih, kar pomaga ohranjati produktivnost in učinkovitost.Zaradi tega je vgrajene sisteme tako učinkovite, je tesno usklajevanje med programsko opremo in strojno opremo.Ta tesna integracija omogoča, da se vsak sistem natančno prilagodi svoji natančni vlogi, kar ima za posledico hitre, zanesljive zmogljivosti z minimalnimi odpadki energije ali procesne moči.

Značilnosti vdelanih sistemov

Ciljno usmerjena in namensko usmerjena funkcionalnost

Vgrajeni sistemi so zasnovani za izvajanje dobro opredeljenih vlog.Niso zgrajeni za prilagodljivost, ampak za natančnost.Vzemite za primer digitalni termostat.Njegova naloga je spremljati in prilagoditi temperaturo na podlagi vnosa senzorjev in notranje logike.Ni treba brskati po internetu ali izvajati iger, samo opraviti svojo eno nalogo in to dosledno.Ta osredotočena zasnova velja za široko paleto izdelkov.Osnovna naprava, kot je toaster, potrebuje preprost čas in nadzor toplote.Po drugi strani pa mora avtomobilski krmilnik motorja v realnem času uskladiti več senzorjev in mehanskih komponent.Ker je vsak sistem zgrajen s svojim posebnim delom v mislih, so nepotrebne lastnosti izpuščene.To ohranja naprave enostavnejše, cenovno ugodnejše in pogosto bolj zanesljive.

Odzivnost v realnem času

V mnogih vgrajenih sistemih, ko se zgodi dejanje, je prav tako pomembno kot to, kar se zgodi.Ti sistemi pogosto delujejo v skladu s strogimi časovnimi pravili.Če se naloga ne konča pravočasno, lahko celoten sistem okvari ali postane nevaren.Sistemi v realnem času spadajo v dve kategoriji, trdi in mehki sistemi v realnem času.

• Trdi sistemi v realnem času

V težkih sistemih v realnem času je treba vsako operacijo dokončati v strogo določenem časovnem okviru, ki se pogosto meri v milisekundah ali celo mikrosekundah.Ni prilagodljivosti.Če se sistem odzove prepozno, tudi po najmanjši marži, je rezultat lahko katastrofalen.Ti sistemi se uporabljajo v varnostnih kritičnih okoljih, kjer okvara ni možnost.Na primer, v avtomobilski nesreči morajo senzorji zračnih blazin skoraj takoj zaznati udarce in sprožitev.Če sistem zaostaja, lahko tudi na kratko, zračna blazina namesti prepozno, da zaščiti potnike.Podobno morajo v kemijskem obdelovanju krmilni sistemi v realnem času uravnavati temperaturo in tlak.Če se ventil ne odpre po potrebi, je rezultat lahko eksplozija ali strupeno puščanje.Da bi dosegli to raven odzivnosti, so trdi sistemi v realnem času zgrajeni s predvidljivo strojno opremo z nizko zamudo in zelo optimizirano programsko opremo.Celoten sistem je zasnovan tako, da zagotavlja, da se vsaka naloga izvaja v roku, brez izjeme.To pogosto vključuje namenske procesorje, operacijske sisteme v realnem času (RTO) in deterministične metode načrtovanja, ki zagotavljajo, da se zaradi drugih operacij v sistemu zavleče nobena naloga.Tudi testiranje in potrjevanje za te sisteme sta stroga.

• Mehki sistemi v realnem času

Mehki sistemi v realnem času se zanašajo tudi na pravočasne odzive, vendar omogočajo večjo prožnost.Občasne zamude so sprejemljive, in čeprav se zmogljivost lahko poslabša, ko roki zamudijo, celotni sistem ostaja funkcionalen.Ti sistemi so zgrajeni tako, da prenašajo nepopolnosti, dokler zamuda ne prekine uporabniške izkušnje ali povzroči kritične napake.Razmislite o aplikaciji za videokonference.Njegov cilj je prenos zvoka in videoposnetkov v realnem času, če pa okvir pade ali na kratko zasuka zvok, se pogovor nadaljuje.Prav tako lahko v spletnih igrah kratek zamik moti igranje, vendar ne bo zrušil sistema.Sistem lahko dohiteva, obnovi ali uporabi algoritme glajenja, da ohrani sprejemljivo izkušnjo.Ti sistemi so še vedno zasnovani z odzivnostjo, vendar so omejitve mehkejše.Lahko uporabljajo operacijske sisteme splošnih namenov z razširitvami v realnem času ali se zanašajo na medpomnilne in prilagodljive tehnike, da se gladijo v kratkih vrzeli v zmogljivosti.Ker mehki sistemi v realnem času pogosto delujejo na deljenih ali večopravilnostnih platformah, morate vzpostaviti ravnovesje med odzivnostjo in porabo virov.Učinkovito načrtovanje, razporeditev virov in upravljanje kakovosti storitve so ključni za zagotavljanje dobrih zmogljivosti, ne da bi sistem pretiravali.

Stroškovno učinkovitost pri proizvodnji in obratovanju

Eden glavnih ciljev pri oblikovanju vgrajenih sistemov je ohraniti nizke stroške ne le za končni izdelek, ampak skozi celoten postopek, od izbire strojne opreme do razvoja programske opreme in dolgoročnega vzdrževanja.Ugotavljanje je tisto, kar omogoča uporabo vgrajenih sistemov v širokem obsegu izdelkov, od kuhinjskih aparatov do medicinskih pripomočkov.Pomnilnik in shranjevanje sta tudi minimalna in se osredotočata le na to, kar je potrebno.Ta pametna uporaba virov pomaga zmanjšati proizvodne stroške, hkrati pa še vedno zagotavlja zanesljive zmogljivosti.Zaradi tega pristopa lahko proizvajalci vgrajene sisteme izdelujejo v velikih količinah, ne da bi izdelki postali predragi.Zato lahko celo cenovno ugodni pripomočki, kot so kavni stroji, fitnes ali otroške igrače, ponujajo napredne funkcije.Za kulisami dela kompakten, dobro nameščen vgrajen sistem.

Uravnoteženje moči in uporabe pomnilnika procesorja

Izbira ustreznega procesorja in konfiguracije pomnilnika je pomemben del vgrajenega sistema.Izbira je v veliki meri odvisna od zahtevkov za zapletenost in uspešnosti aplikacije.Za osnovne funkcije, kot so vklop LED, temperaturo branja s senzorja ali upravljanje preprostega časa, običajno zadostuje mikrokontroler z nizko močjo z omejenim RAM-om in minimalno zmogljivostjo obdelave.Ti čipi so kompaktni, cenovno dostopni in zelo energetsko učinkoviti, zato so idealni za majhne naprave, ki jih poganjajo baterijo.Vendar pa zahtevnejše aplikacije, kot so obdelava videov v realnem času, GPS navigacija s 3D preslikavo ali avtonomni polet brez drona, zahtevajo večjo procesno moč in pomnilnik.Ti sistemi se pogosto zanašajo na napredne procesorske procesorje ali digitalne signalne procesorje (DSP), skupaj z večjimi zmogljivostmi RAM -a in shranjevanja.Zmogljivost pravega ravnovesja zagotavlja, da sistem deluje zanesljivo in učinkovito, ne da bi pretirano določil ali presegel tehnične ali finančne omejitve projekta.

Fizične in funkcionalne omejitve oblikovanja

Vgrajeni sistemi morajo pogosto delovati v strogih fizičnih in okoljskih omejitvah in te omejitve oblikujejo vse vidike njihovega razvoja.Eden najpogostejših izzivov je velikost.Naprave morajo biti pogosto dovolj kompaktne, da se lahko prilegajo v omejene prostore, kot so znotraj ročne ure, pametni senzor ali armaturna plošča vozila.To zahteva premišljeno izbiro komponent in učinkovito oblikovanje postavitve.Poraba energije je še ena skrb, zlasti za baterije ali na daljavo nameščene sisteme.V teh primerih je treba vsako komponento optimizirati, da se zmanjša poraba energije, podaljša življenjsko dobo baterije ali zmanjša potrebo po pogostem vzdrževanju.Močno učinkovita zasnova je ključna za zagotavljanje dolgoročnega delovanja na terenu.

Stroški igrajo tudi glavno vlogo, ki presega začetno proizvodnjo in vključuje vzdrževanje, posodobitve programske opreme in skupne stroške lastništva v življenju sistema.Kljub vsem tem omejitvam morajo vgrajeni sistemi še vedno zagotavljati zanesljive in dosledne zmogljivosti.Ne glede na to, ali gre za zbiranje podatkov iz nosljivega monitorja za zdravje ali nadzoruje pot letala drona, mora sistem delovati natančno in brez okvare.Navsezadnje mora vsaka izbira oblikovanja podpirati sposobnost sistema za izvajanje dodeljene naloge v mejih tesne velikosti, moči, stroškov in zmogljivosti.

Vgrajeni sistemi v primerjavi s splošnimi namestnimi sistemi

Namen

Računalniki s splošnim namenom: Ti računalniki so zgrajeni za obravnavo številnih različnih nalog.So prilagodljivi in ​​lahko vodijo široko paleto programske opreme, od urejanja videov in brskanja po internetu do finančnega modeliranja in pretakanja glasbe.Isti računalnik lahko služi različnim uporabnikom samo s spremembo programske opreme.Operacijski sistemi, kot so Windows, MacOS ali Linux, pomagajo pri upravljanju več programov hkrati, kar uporabnikom omogoča hitro preklapljanje nalog.Pomislite na splošne namenske računalnike kot digitalne švicarske vojske vsestranske, močne in uporabne v mnogih situacijah.

Vgrajeni sistemi: Vgrajeni sistemi so zasnovani tako, da opravljajo eno ali nekaj posebnih nalog in so vgrajeni v večje stroje.Na primer, pralni stroj ima majhen računalnik, ki nadzoruje samo funkcije pranja, kot so vrtenje in vodostaj.Ni treba storiti ničesar drugega.Ti sistemi so običajno programirani enkrat in redko posodobljeni.V avtomobilih vgrajeni sistemi nadzorujejo stvari, kot so zaviranje, zračne blazine in čas motorja.Hitro in zanesljivo se odzovejo, ker so zgrajeni za eno samo delo.Tiho ohranjajo vse v ozadju.

Omejitve

Računalniki s splošnim namenom: Ti sistemi niso zgrajeni z veliko omejitvami.Običajno sedijo na mestih z veliko moči, prostora in hlajenja.To pomeni, da lahko uporabljajo močne dele, kot so hitri procesorji, veliko pomnilnika in veliki pogoni za shranjevanje, tudi če ti deli porabijo veliko energije in se vročejo.Prav tako jih je enostavno nadgraditi, lahko dodate več pomnilnika, boljšo grafično kartico ali večjo pomnilnik, če je potrebno.Zaradi tega so prilagodljivi in ​​prilagodljivi, vendar pomeni tudi, da so pogosto večji, dražji in manj energetsko učinkoviti od naprav, zgrajenih za eno samo delo.

Vgrajeni sistemi: vgrajeni sistemi morajo delovati v strogih mejah.So majhni, porabijo zelo malo moči (včasih iz baterije) in morajo za dalj časa zanesljivo teči, pogosto brez popravljanja ali posodabljanja.Uporabljajo se lahko v težkih razmerah, kot so toplota, vibracija ali prah, na primer v avtomobilih ali zunanjih strojih.Ker so pogosto izdelani v velikem številu, morajo biti poceni za proizvodnjo, vendar še vedno zanesljivi.Vključujejo le dele in moč, potrebno za njihovo določeno delo brez dodatkov.Ko so zgrajeni, običajno tečejo leta brez sprememb.

Uspešnost

Računalniki s splošnim namenom: Ti računalniki so zgrajeni za hitrost in večopravilnost.Naenkrat lahko izvajajo številne programe kot video klic, nalagajo datoteke, igrajo glasbo in skenirajo za viruse, vse, ne da bi se upočasnili.Uporabljajo močne procesorje z več jedri, veliko RAM -a in hitro shranjevanje za obvladovanje velikih delovnih mest, kot so igranje, 3D oblikovanje ali razvoj programske opreme.Njihova zasnova se osredotoča na hitre odzive in gladke zmogljivosti.Uravnotežijo strojno in programsko opremo za upravljanje nalog, prestavljanje virov in hitro okrevanje od težav, zaradi česar so hitri in zanesljivi za številne vrste dela.

Vgrajeni sistemi: Za vdelane sisteme zmogljivost ne gre za hitrost, ampak za to, da zanesljivo in pravočasno opravljate določeno delo.Na primer, računalnika spodbujevalnika ni treba biti hiter, vendar mora v pravem trenutku poslati signale v srce.Čas in natančnost sta bolj pomembna kot moč.Številni vgrajeni sistemi so v realnem času, kar pomeni, da se morajo odzvati v strogih časovnih mejah.Osredotočajo se na to, da odlično opravljajo nekaj nalog, ne na veliko nalog.Njihovo uspešnost ocenjujejo po tem, kako zanesljivi, energetsko učinkoviti in toplotno odporni so, zlasti v težkih okoljih.

Uporabniški vmesnik

Računalniki s splošnim namenom: Ti računalniki so zasnovani za neposredno interakcijo ljudi.Uporabljajo stvari, kot so tipkovnice, miši, zasloni na dotik in celo nadzor glasov ali kretnje.Vmesnik je narejen tako, da je prilagodljiv in enostaven za uporabo, ne glede na to, ali brskate po spletu, urejate dokumente, igrate igre ali ustvarjate videoposnetke.Programska oprema je pogosto videti lepo, daje takojšnje povratne informacije in jo je mogoče prilagoditi.Vse je zgrajeno okoli uporabnikovih potreb, ki ponuja orodja za vse vrste nalog.

Vgrajeni sistemi: Večina vgrajenih sistemov ne potrebuje veliko interakcij uporabnikov, nekateri pa sploh nimajo.Če imajo vmesnik, je običajno preprost in do potankosti.Mikrovalovna pečica ima na primer majhen zaslon in nekaj gumbov.Fitnes sledilnik lahko pokaže vaše korake ali srčni utrip, medtem ko se prek telefonske aplikacije obravnava več nastavitev.Nekateri sistemi namesto zaslonov uporabljajo luči ali zvoke.Cilj je dati ravno dovolj nadzora, da lahko napravo enostavno in varno uporabite, hkrati pa v ozadju stvari preprosto in pogosto skrite.

Vgrajene vrste sistema s funkcijo in zmogljivostjo

Vgrajeni sistemi v realnem času

Vgrajeni sistemi v realnem času so specializirane računalniške enote, zasnovane za delovanje v strogih omejitvah.Ti sistemi so vgrajeni v večje naprave in so programirani tako, da se odzovejo na vhode ali dogodke v zajamčenem časovnem okviru.Njihov glavni cilj je zagotoviti predvidljivo in pravočasno vedenje v scenarijih, kjer lahko tudi rahle zamude vodijo do resnih posledic.Ti sistemi združujejo komponente programske opreme in strojne opreme, optimizirane za časovno občutljive naloge.Sistemi v realnem času so zasnovani za določanje prednostnih rokov, s posebnimi mehanizmi, kot so ravnanje z prekinitvami, determinirano načrtovanje in minimalne zamude.Na podlagi kritičnosti izpolnjevanja teh rokov so sistemi v realnem času na splošno razvrščeni v dve kategoriji: trdi sistemi v realnem času in mehki sistemi v realnem času.

Slika 2. Vgrajeni sistemi v realnem času

Vgrajeni sistemi v realnem času se uporabljajo v najrazličnejših panogah in okoljih.Na primer, v vojaški sistemi, omogočajo hitre in natančne reakcije v obrambnih operacijah, na primer pri sledenju z raketami ali komunikacijami na bojišču.V Naprave za medicinske spremljanje, sistemi v realnem času so odgovorni za nenehno spremljanje vitalnih vital pacientov in po potrebi izdajanje opozoril ali intervencij.Podobno, v Sistemi za nadzor prometa, Upravljajo signalne čase in spremljajo gibanje vozil v realnem času, da se zagotovi nemoten pretok prometa in se izognejo trkom.Težki sistemi v realnem času so uporabljeni v kontekstih, kjer bi lahko manjkali rok, na primer katastrofalni, v sistemih za vodenje raket, kjer lahko celo milisekundna zamuda ogrozi uspeh misije ali v defibrilatorjev, kjer je treba v pravilni trenutek za obnovo srčne funkcije izvajati električne šoke.Po drugi strani pa mehki sistemi v realnem času omogočajo manjša odstopanja časa, zaradi česar so primerni za manj kritične scenarije, kot je pretakanje videov, kjer lahko majhne zamude povzročijo pufer, ne pa okvare ali v mikrovalovnih pečicah, kjer je rahla zamuda pri času kuhanja splošno sprejemljiva.

Samostojni vgrajeni sistemi

Samostojni vgrajeni sistemi so samostojne računalniške naprave, namenjene neodvisnemu izvajanju določenih nalog, ne da bi potrebovali stalno komunikacijo z osrednjim gostiteljskim računalnikom ali omrežjem.Za razliko od vdelanih sistemov, ki delujejo kot del večjega sistema, so samostojne različice zgrajene tako, da delujejo samostojno, upravljajo z lastnimi vhodi, obdelavo in izhodi.Sestavljeni so iz namenskega procesorja, pomnilnika, vhodnih/izhodnih vmesnikov in programske opreme, specifične za aplikacijo, ki je vgrajena v kompaktni faktor oblike.Njihova zasnova je pogosto optimizirana za nizko porabo energije, zanesljivost in učinkovito delovanje v realnem času.Ključna značilnost samostojnih vgrajenih sistemov je njihova sposobnost delovanja brez zunanje podpore po uvajanju.Ko so programirani in napajani, lahko naloge izvajajo večkrat ali kot odgovor na posebne sprožilce, zaradi česar so idealne za okolja, kjer je omrežna povezljivost omejena ali nepotrebna.Uporabljajo se v aplikacijah, kjer so prednostna naloga zanesljivost, avtonomija in kompaktnost.Zaradi tega so dragoceni v scenarijih, ki zahtevajo dosledne zmogljivosti brez ročnega nadzora ali zunanjih računalniških virov.

Slika 3. Samostojni vgrajeni sistemi

Uporaba samostojnih vgrajenih sistemov so razširjena tako v potrošniških kot v industrijskih okoliščinah.Na primer, MP3 predvajalniki so klasične samostojne naprave, ki neodvisno upravljajo predvajanje glasbe.Za predvajanje medijskih datotek integrirajo digitalno shranjevanje, dekodiranje in zvočno strojno opremo, ne da bi potrebovali računalniško povezavo. Kalkulatorji, še en dobro znan primer, uporabite vdelane procesorje za izvajanje aritmetičnih in naprednih matematičnih funkcij na zahtevo v izobraževanju, poslovanju in inženiringu.Drugi pogosti primeri vključujejo mikrovalovne pečice in digitalne ure .Vgrajeni sistem mikrovalovne pečice obravnava vhod, čas in nadzor moči za upravljanje funkcij kuhanja brez zunanje pomoči.Podobno se digitalne ure zanašajo na natančne notranje oscilatorje in vdelano programsko opremo, da ohranijo čas in zagotavljajo funkcije, kot so alarmi ali časovniki, vse znotraj popolnoma samozadostne enote.Ti primeri kažejo, kako samostojni vgrajeni sistemi izpolnjujejo namenske vloge v vsakodnevnih orodjih, ki brezhibno združujejo avtonomijo z učinkovitostjo.

Omrežni vgrajeni sistemi

Omrežni vgrajeni sistemi so specializirane računalniške enote, povezane z različnimi komunikacijskimi protokoli, ki jim omogočajo, da brezhibno delijo podatke in vire po omrežju.Ti sistemi so zasnovani tako, da delujejo tako nad žičnimi kot brezžičnimi konfiguracijami, odvisno od posebnih potreb in omejitev aplikacije.Številni komunikacijski protokoli podpirajo to povezljivost, vključno z lokalnimi omrežji (LAN), širokim območjem (WAN), Zigbee, Bluetooth in avtobusom za krmiljenje (CAN).Vsak od teh protokolov ponuja različne prednosti glede na obseg, hitrost podatkov, porabo energije in topologijo omrežja, kar omogoča prilagodljivo in učinkovito oblikovanje sistema.

Slika 4. Omrežni vgrajeni sistemi

Aplikacije omrežnih vgrajenih sistemov obsegajo več domen, kjer sta potrebna izmenjava podatkov in avtomatizacija.Na primer, v finančnem sektorju so vgrajeni v avtomatizirane stroje za prodajalce (bankomati), kar omogoča varno, transakcije in daljinsko vzdrževanje.V energetski infrastrukturi pametna omrežja te sisteme izkoristijo za učinkovito spremljanje in upravljanje distribucije električne energije, pri čemer se dinamično odzivajo na vzorce porabe.Vremenske postaje uporabljajo omrežne vgrajene sisteme za zbiranje, obdelavo in prenašanje okoljskih podatkov, ki podpirajo natančno napovedovanje in spremljanje podnebja.V stanovanjskih in poslovnih okoljih sistemi za avtomatizacijo doma integrirajo takšno tehnologijo za izboljšanje varnosti, nadzorovanje razsvetljave in temperature ter izboljšanje splošnega upravljanja z energijo.S temi raznolikimi aplikacijami imajo omrežni vgrajeni sistemi vlogo v sodobnih tehnoloških ekosistemih, ki omogočajo inteligentno, odzivno in povezano okolje.

Mobilni vdelani sistemi

Mobilne vdelane sisteme odlikujejo njihova kompaktna velikost in prenosljivost, zaradi česar so dobro primerni za integracijo v ročne ali nosljive naprave.Te sisteme, zasnovane za učinkovito delovanje v omejitvah mobilnosti, poganjajo baterije in vključujejo energijsko učinkovito strojno opremo in programsko opremo za podaljšanje življenjske dobe baterije, ne da bi pri tem ogrozili zmogljivost.Zaradi fizičnih in operativnih omejitev imajo mobilni vgrajeni sistemi običajno omejeno procesno moč in pomnilnik v primerjavi s stacionarnimi kolegi.Vendar so optimizirani za izvajanje specializirane, lahke programske opreme, ki zagotavlja odzivnost in funkcionalnost, hkrati pa ohranja vire.

Slika 5. Vgrajeni sistemi

Ti sistemi najdemo v različnih elektroniki, ki dajejo prednost udobju in mobilnosti.Pametni telefoni so na primer prefinjeni mobilni vgrajeni sistemi, ki ponujajo široko paleto zmogljivosti, ki presegajo glasovno komunikacijo, vključno z brskanjem po internetu, fotografiranjem, navigacijo in aplikacijami.Fitnes sledilci so še en primer, ki uporablja vgrajene senzorje in programsko opremo za spremljanje zdravstvenih meritev, kot so srčni utrip, sprejeti koraki in kakovost spanja, kar zagotavlja vpogled v realni čas v njihovo telesno aktivnost.Podobno se prenosne igralne konzole zanašajo na vdelane sisteme, da bi na poti dostavile potopne igralne izkušnje, ki uravnotežijo zmogljivost z učinkovitostjo baterije.Ti primeri skupaj poudarjajo vsestranskost in vse večji pomen mobilnih vgrajenih sistemov za izboljšanje sodobnih življenjskih slogov s prenosno, inteligentno tehnologijo.

Vgrajene vrste sistema z zmogljivostjo mikrokontrolerja

Vgrajeni sistemi v majhnih obsegu

Majhni vgrajeni sistemi se običajno zanašajo na 8-bitne ali 16-bitne mikrokontrolerje, na primer široko uporabljene serije 8051.Ti procesorji so izbrani zaradi svoje preprostosti, cenovne dostopnosti in potreb po nizki moči, zaradi česar so primerni za ravnanje z neposrednimi, vnaprej določenimi nalogami.Zaradi omejenih računskih zmogljivosti so ti sistemi idealni za aplikacije, kjer je zapletena obdelava nepotrebna.Pomnilniški viri v majhnih vgrajenih sistemih so minimalni, pogosto zadostujejo za shranjevanje kompaktnega programa in ravnanje z majhnimi nabori podatkov.Ta omejena zmogljivost pomnilnika se uskladi z njihovo preprosto funkcionalnostjo in zmanjšuje tako stroške kot porabo energije.Zato ti sistemi ne potrebujejo obsežne podpore za programsko opremo ali velike zmogljivosti za shranjevanje.Poraba energije je ključna zasnova, saj je veliko majhnih vgrajenih sistemov baterije.Optimizirani so za nizko porabo energije za podaljšanje življenjske dobe baterije, kar je pomembno v prenosnih ali oddaljenih napravah, kjer je pogosto polnjenje ali vzdrževanje nepraktično.Te sisteme običajno najdemo v napravah, kot so elektronske igrače, digitalni termometri, prodajni avtomati in drugi aparati, ki opravljajo posebne, ponavljajoče se naloge.Te aplikacije zahtevajo malo interakcije uporabnikov in pričakujejo, da bodo v dolgih obdobjih zanesljivo delovale z minimalnim posegom.Majhni vgrajeni sistemi so rešitve na ravni, prilagojene za aplikacije, specifične za naloge.Njihove odločilne značilnosti vključujejo nizke stroške, minimalno zapletenost in energetsko učinkovitost.Medtem ko so omejene v zmogljivosti v primerjavi z naprednejšimi sistemi, so zelo učinkovite in zanesljive v predvidenem obsegu delovanja.

Vgrajeni sistemi srednje lestvice

Vgrajene sisteme srednje lestvice poganjajo bolj sposobni procesorji, običajno 16-bitni do 32-bitni mikrokontrolerji ali digitalni procesorji signalov (DSP).Ti naprednejši procesorji omogočajo sistemu, da obravnava večje količine podatkov in izvaja izračune z večjo hitrostjo kot njihovi majhni kolegi.Kot rezultat, so primerne za aplikacije, ki zahtevajo večjo procesno moč in učinkovitost.Glede na programsko opremo ti sistemi pogosto uporabljajo programske jezike na višji ravni, kot so C, C ++ in občasno Java.Ti jeziki podpirajo bolj zapleteno in vsestransko oblikovanje programske opreme, kar omogoča izvajanje prefinjenih funkcionalnosti in uporabniških vmesnikov.Uporaba strukturiranih, objektno usmerjenih ali modularnih programskih tehnik prav tako poveča vzdrževanje in razširljivost pri razvoju programske opreme.

Slika 6. Primer vgrajenih sistemov srednje lestvice

Razvojna orodja za sisteme srednjega obsega so naprednejša in vključujejo integrirana razvojna okolja (IDE), prevajalnike in napake.Ta orodja omogočajo učinkovitejše in robustne razvojne delovne tokove, ki ponujajo funkcije, kot so navigacija v kodi, odkrivanje napak v realnem času in simulacija za odpravljanje napak in rafiniranje programske opreme v bolj zapletenih sistemih.Uporaba vgrajenih sistemov srednjega obsega so zelo razširjena, zlasti v napravah, ki zahtevajo ravnovesje med zmogljivostjo in zapletenostjo.Pogosti primeri vključujejo avtomatizirane stroje za prodajalce (ATM), globalne sisteme za pozicioniranje (GPS), sisteme industrijskega krmiljenja in omrežne usmerjevalnike.Te naprave zahtevajo več kot preproste kontrolne funkcije, zanašajo se na obdelavo podatkov, komunikacijske zmogljivosti in interakcijo.Vgrajeni sistemi srednje lestvice služijo kot most med majhnimi, preprostimi napravami in velikimi, zapletenimi vgrajenimi aplikacijami.Ponujajo izboljšano delovanje, zmerno funkcionalno zapletenost ter izboljšano podporo za programsko opremo in povezljivost, zaradi česar so idealni za široko paleto zmerno zahtevnih vgrajenih rešitev.

Prefinjeni vgrajeni sistemi

Prefinjeni vgrajeni sistemi predstavljajo najnaprednejšo stopnjo vgrajene tehnologije, ki uporablja visokozmogljive 32-bitne do 64-bitne procesorje, pogosto z večkorskimi arhitekturami.Ti močni procesorji so zasnovani tako, da z visoko učinkovitostjo ravnajo z zapletenimi izračuni, obdelavo podatkov in večopravilnosti, kar omogoča sistemom, da v različnih aplikacijah izpolnjujejo zahtevne zahteve glede zmogljivosti.Da bi podprli takšno zapletenost, se ti sistemi pogosto izvajajo v operacijskih sistemih v realnem času (RTO) ali bolj celovitih operacijskih okoljih, kot je vgrajeni Linux.Izbira operacijskega sistema je odvisna od posebne aplikacije, zlasti kadar so potrebni večopravilnost, odzivnost v realnem času ali napredni uporabniški vmesniki.Prisotnost operacijskega sistema olajša tudi lažji razvoj, razširljivost in vzdrževanje prefinjenih aplikacij.

Slika 7. Primer prefinjenih vgrajenih sistemov

Strojna arhitektura prefinjenih vgrajenih sistemov je bolj zapletena kot njihovi majhni in srednje obsežni kolegi.Ti sistemi vključujejo široko paleto vmesnikov za povezljivost, vključno z USB, Ethernet in Wi-Fi, in pogosto vključujejo več senzorjev in aktuatorjev.To bogastvo strojne opreme jim omogoča, da dinamično komunicirajo s svojim okoljem, zbirajo in obdelujejo ogromne količine podatkov ter opravljajo zapletene nadzorne funkcije.Aplikacije za te sisteme najdemo v misijonskih kritičnih okoljih, kjer zanesljivost, natančnost in hitrost niso pogajanja.Primeri vključujejo sateliti, avionične sisteme, napredno medicinsko diagnostično opremo in vrhunske industrijske avtomatizacijske platforme.V teh okoliščinah ima lahko okvara sistema hude posledice, zaradi česar je potrebna uspešnost in zanesljivost.Prefinjeni vgrajeni sistemi predstavljajo vrhunec vgrajene zasnove.Sposobni so izvesti zelo zapletene in naloge, pogosto po strogih regulativnih in varnostnih standardih.Ti sistemi zahtevajo robustne okvire programske opreme, napredne strategije upravljanja električne energije in pozornost tako na zanesljivost strojne in programske opreme, zaradi česar so najbolj zahteven, a močan razred vgrajenih sistemov.

Zaključek

Vgrajeni sistemi so velik del naprav, ki jih uporabljamo vsak dan, tudi če jih ne vidimo.Stvari pomagajo nemoteno, hitro in zanesljivo, ali gre za pralni stroj, medicinski pripomoček ali GPS.Ta vodnik je pokazal, kako delujejo, kaj se razlikuje od običajnih računalnikov in številnih oblik, ki jih lahko sprejmejo.Ne glede na to, kako preprosti ali napredni, vgrajeni sistemi so zasnovani tako, da svoje delo dobro opravljajo s čim manj prostora, moči in stroškov.