Ebben Beágyazott rendszerek oktatóanyagamegismerheti a beágyazott rendszerek különböző fogalmait, az alapoktól a haladókig. Ez az oktatóanyag elsősorban kezdőknek és profiknak készült, akik szeretnének többet tudni a beágyazott rendszerekről és azok valós alkalmazásokban való használatáról.
Ebben a bevezető fejezetben meg fogja érteni a beágyazott rendszer alapvető jelentését és szükségleteit. Ezután a következő fejezetben áttérünk néhány haladó fogalomra. Ez a fejezet néhány gyakori példát is tartalmaz a mindennapi életünkben látható beágyazott rendszerekre.
Bevezetés a beágyazott rendszerbe
An beágyazott rendszer egy elektronikus eszköz, amely hardver- és szoftverkomponenseket tartalmaz. Elsősorban egy kiterjedt elektronikus rendszer részeként vagy alkomponenseként tervezték és használják.
Például egy mosógép egy mikrokontrollert használ a ruhamosás automatizálási vezérlésére és műveleteire. Ezért a mikrokontroller a mosógépbe beágyazott rendszernek tekinthető.
Mielőtt továbblépnénk, tanuljunk meg néhány alapvető kifejezést a beágyazott rendszerekkel kapcsolatban.
Beágyazott rendszerek terminológiája
Összegyűjtöttünk és definiáltunk néhány, a beágyazott rendszerekkel kapcsolatos lényeges fogalmat. Ezek a kifejezések segítenek megérteni az oktatóanyagban tárgyalt fogalmakat.
Mikrokontroller
A mikrokontroller egy elektronikus eszköz, amelyet általában kompakt integrált áramkörként állítanak elő. Egy teljes számítási rendszer összetevőit, például processzort, memóriát, IO-t és szoftvert egyesíti egyetlen egységben. Az Arduino a mikrokontroller nagyon népszerű példája.
Beágyazott operációs rendszer
Az operációs rendszer olyan számítógépes programok összessége, amelyeket a rendszer hardverrészeinek funkcionalitásának meghatározására terveztek és használnak. Így az operációs rendszerek alapvető összetevői egy számítógépes gép működőképességének. A beágyazott operációs rendszereket kifejezetten a beágyazott rendszerekhez tervezték. A beágyazott operációs rendszerek példái közé tartozik a FreeRTOS, a beágyazott Linux stb. A beágyazott operációs rendszerekkel kapcsolatban a legfontosabb dolog, amit meg kell jegyezni, az az, hogy ezeket a minimális erőforrások kihasználására optimalizálták.
Valós idejű rendszerek
A valós idejű rendszereket úgy tervezték, hogy valós időben reagáljanak a bemeneteikre. A legtöbb beágyazott rendszert valós idejű funkcionalitásra tervezték; így ezek a rendszerek bizonyos időkorláton belül eredményeket tudnak produkálni.
IoT integráció
Az IoT (Internet of Things) integráció a beágyazott rendszerek olyan alkalmazása, amely kapcsolatot és kommunikációt biztosít intelligens eszközök, például otthoni vagy irodai automatizálási rendszerek között.
Bootloader
A rendszerbetöltő egy számítástechnikai vagy beágyazott rendszer része, amely betölti az operációs rendszert, és a beágyazott rendszer bekapcsolásakor elvégzi a hardver inicializálását.
Kernel
A kernel egy operációs rendszer része, amely a számítógép hardver- és szoftverkomponensei közötti interakciók létrehozásáért és kezeléséért felelős, például egy beágyazott rendszer.
Firmware
A firmware olyan gépi szintű szoftver, amely tartósan egy hardverkomponensbe van programozva. A BIOS egy példa a firmware-re.
Hibakeresési felületek
A beágyazott rendszerek vagy más számítástechnikai eszközök tesztelésére és hibaelhárítására kifejlesztett és használt eszközök és technológiák a kívánt funkcionalitás és teljesítmény biztosítása érdekében hibakereső interfészekként ismertek. Példák a hibakereső interfészekre: JTAG, SWD stb.
Hardver-szoftver közös tervezés
A beágyazott rendszer hardver- és szoftverelemeinek egyidejű fejlesztésének és tervezésének integrált folyamatát hardver-szoftver együtttervezésnek nevezik.
A beágyazott rendszerek fő összetevői
Egy tipikus beágyazott rendszer a következő három fő összetevőből áll:
- Hardver – Ezek a beágyazott rendszer fizikai és kézzelfogható összetevői. A beágyazott rendszerek hardverösszetevői például a mikroprocesszor, a memóriaegység, a tápegység IC, a kijelző egység és az I/O perifériák.
- Beágyazott rendszer RTOS – Az RTOS a Real-Time operációs rendszer rövidítése. Beágyazott rendszer Az RTOS olyan operációs rendszerek, amelyek célja a beágyazott rendszer működőképessége. Ez az összetevő interfészt is biztosít a beágyazott rendszerek hardvere és alkalmazásszoftvere között.
- Alkalmazási szoftver – A beágyazott rendszerek különböző típusú alkalmazásszoftverekkel rendelkezhetnek különböző feladatok végrehajtásához.
Miért van szükségünk beágyazott rendszerekre?
Ma a beágyazott rendszerek nélkülözhetetlenek a modern elektronikus rendszerekben, különösen a moduláris felépítésűeknél. Néhány kulcsfontosságú tényező, amely kiemeli a beágyazott rendszerek igényeit, itt található:
- Valósítson meg feladatspecifikus funkcionalitást meghatározott feladatok elvégzéséhez egy nagy elektronikus rendszerben.
- Valós idejű műveletek biztosítása olyan fejlett rendszerekben, mint az ipari automatizálás vagy robotrendszerek.
- Az energiahatékonyság és az erőforrás-felhasználás fokozása érdekében.
- Elektronikus rendszerek költséghatékony tervezésének kidolgozása.
- A kritikus alkalmazásokban, például orvosi, védelmi és repülési műveletekben használt rendszerek megbízhatóságának és stabilitásának növelése.
- Az elektronikus eszközök méretének csökkentése a hardver és a szoftver komponenseinek egyetlen egységbe és kisebb méretű integrálásával.
- A rendszerek teljesítményének optimalizálása speciális alkalmazási követelményekhez.
- Az IoT integráció engedélyezéséhez.
A beágyazott rendszerek evolúciója
Az alábbi táblázat néhány történelmi fejleményt mutat be a beágyazott rendszer technológia területén –
| Év | Fejlesztések |
| 1961 | Charlse Stark Draper integrált áramkört fejlesztett ki az Apollo Guidance Computer számára a méretének és súlyának megfelelően. |
| 1965 | Az első sorozatban gyártott beágyazott rendszert, a D-17B-t az Autonetics fejlesztette ki a Minuteman I rakétairányító rendszer használatára. |
| 1966 | Az NS-17-et a Minuteman II rakétairányító rendszerben való használatra fejlesztették ki. |
| 1968 | Az első beágyazott rendszert járművekben való használatra fejlesztették ki. A Volkswagen 1600-ban az elektronikus üzemanyag-befecskendező rendszer vezérlésére használták. |
| 1971 | A Texas Instruments bemutatta az első mikrokontrollert. |
| 1971 | Az Intel által kifejlesztett 4004-es mikroprocesszor kereskedelmi forgalomba került. |
| 1972 | Az Intel bemutatta a 8 bites mikroprocesszort, a 8008-at. |
| 1974 | A TMS1000 sorozatot, az általános célú mikrokontrollerek családját a Texas Instruments hozta forgalomba. |
| 1974 | Az Intel 8080 mikroprocesszort adott ki, 64 kb memóriával. |
| 1978 | Az Intel bemutatta az x86 sorozatú mikroprocesszorokat. |
| 1987 | Az első beágyazott operációs rendszert, a valós idejű VxWorks nevet a Wind River vezette be. |
| 1996 | A Microsoft kiadta a Windows Embedded CE-t. |
| 1990-es évek vége | A Linux elkezdett megjelenni a beágyazott rendszerekben. |
| 1990-2000-es évek | Gyors fejlődés volt megfigyelhető a beágyazott rendszerek területén. Megtörtént a 8 bitesről 16 bitesre, 16 bitről 32 bitre, valamint 32 bitről 64 bitre való áttérés. |
| 2010-es évek | A beágyazott rendszerek biztonsági funkcióiban jelentős fejlesztések történtek. |
| Ma | A beágyazott rendszereket olyan fejlett technológiákkal integrálják, mint a mesterséges intelligencia (AI) és a gépi tanulás (ML). |
A beágyazott rendszerek előnyei
Kompakt és nagy teljesítményű számítástechnikai eszköz lévén a beágyazott rendszer különféle előnyöket kínál a különböző területeken. A beágyazott rendszerek néhány fő előnyei a következők:
- A beágyazott rendszerek nagyon kevés energiát igényelnek, és alkalmasak akkumulátoros eszközökhöz, például okostelefonokhoz, okosórákhoz stb.
- A beágyazott rendszereket általában meghatározott feladatok elvégzésére tervezték; ezért ezekre a feladatokra optimalizálták, és működésükben megbízhatóbbnak tekinthetők.
- A beágyazott rendszerek a számítástechnikai rendszer összes lényeges összetevőjét egyetlen egységbe integrálják, így kompakt méretük van.
- Az RTOS támogatja a beágyazott rendszereket, és így valós idejű műveleteket biztosít.
- A dedikált feladatokra tervezett beágyazott rendszerek az alkalmazások igényei szerint testreszabhatók.
- A beágyazott rendszerek minimális hardvererőforrást igényelnek; ezért költséghatékonyak.
- A beágyazott rendszereket dedikált biztonsági funkciókkal tervezték; ennélfogva merevebbek a fenyegetésekkel szemben.
A beágyazott rendszerek korlátai
A beágyazott rendszereknek számos előnye van, de vannak bizonyos korlátai vagy hátrányai. A beágyazott rendszerek néhány jelentős korlátja vagy hátránya itt található –
- A beágyazott rendszerek feldolgozási teljesítménye korlátozott, főként az erőforrások minimális elérhetősége miatt.
- A beágyazott rendszerek feldolgozási teljesítmény- és teljesítményproblémákkal szembesülnek, ha összetett alkalmazásokban vesznek részt.
- A legtöbb beágyazott rendszert rögzített funkciókkal tervezték, amelyeket később nem lehet módosítani vagy frissíteni. Ez a korlátozott rugalmasság főként a hardver korlátaihoz kapcsolódik.
- A beágyazott rendszerek speciális tervezési és programozási ismereteket igényelnek.
- A korlátozott interfészek miatt a beágyazott rendszereken is nehéz a hibakeresés.
- A beágyazott rendszerek kutatásának, fejlesztésének és prototípus-készítésének költségei szintén magasak.
- Mivel a beágyazott rendszereket dedikált alkalmazásokhoz tervezték, és korlátozott erőforrásokat használnak, a növekvő terhelés és funkcionalitás miatt nehézkessé válik a méretezhetőségük.
Következtetés
Ez az egész a Bevezetés a beágyazott rendszerekbe és a beágyazott rendszer oktatóanyagáról szól. Térjünk át az oktatóanyag következő fejezetére, és ismerkedjünk meg részletesebben a beágyazott rendszerekkel.
