Что такое встроенные системы, где они применяются и как разрабатываются
Встроенная система ( В страиваемая система, Embedded System) — это компьютерная система, состоящая из надлежащим образом подобранных аппаратных и программных компонентов, часто разработанная для конкретного программного приложения. Встроенная система отвечает за выполнение своих функций и влияет на способ общения с пользователем.
Еще одно определение: Встроенная система — это система аппаратного и программного обеспечения на базе микропроцессора или микроконтроллера, предназначенная для выполнения специальных функций в более крупной механической или электрической системе.
В этой статье представлена информация о различных аспектах современных встроенных систем.
Что такое встроенная система?
Сегодня сложно представить современное мультимедийное электронное оборудование без возможности свободно выбирать параметры музыки, которую вы слушаете, или изображения, которое вы смотрите. Это возможно благодаря использованию микропроцессоров, управляющих работой этих устройств и размещенных внутри них (отсюда и название: Embedded System).
Компьютерные системы как сложные цифровые системы впервые были использованы для автоматизации вычислительных процессов по определенному алгоритму. Однако автоматизация может касаться не только вычислительных процессов. Следовательно, отправной точкой для разработки встраиваемых систем являются две дисциплины: автоматизация и информатика.
Комбинация методов и инструментов, используемых как в автоматизации, так и в информационных технологиях, позволила достичь совершенно нового качества. Несомненно, основной исходный контент содержится в термине: «Компьютерные системы управления». Они включают анализ и оценку компьютерных систем с точки зрения реализации управления объектами и процессами, а также необходимых требований к программному обеспечению для этих систем.
Развитие компьютерных систем и растущие требования к качеству контроля привели к появлению двух направлений в специализированных решениях для контроля. Это программируемые логические контроллеры (ПЛК) и микроконтроллеры. На основе этих тенденций создаются специализированные системы, которые выполняют все функции управления объектами или процессами и тесно связаны с ними.
Встроенная система должна соответствовать определенным требованиям, которые строго определены. Поэтому ее нельзя назвать типичным многофункциональным персональным компьютером.
Каждая встроенная система основана на микропроцессоре (или микроконтроллере), запрограммированном на выполнение ограниченного числа задач или даже только одной задачи.
В зависимости от назначения он может содержать программное обеспечение, предназначенное только для данного устройства (прошивка) или операционная система со специализированным программным обеспечением. Обычно это определяется степенью надежности, которую должна предложить встроенная система.
Как правило, чем менее сложным и специализированным является программное обеспечение, тем надежнее система и позволяет быстрее реагировать на критические события.
Надежность системы можно повысить за счет разделения заданий на более мелкие подсистемы, а также за счет резервирования, которое может заключаться в использовании двух идентичных устройств для одной задачи, одно из которых берет на себя задачи другого в случае его сбоя.
Где применяются встроенные системы?
Встроенные системы используются во многих сферах жизни, и область их применения, наряду с техническим прогрессом, постоянно расширяется.
Такие решения можно найти в измерительном оборудовании, в том числе осциллографах, анализаторах спектра, в автомобилях (например, бортовые компьютеры), компьютерном оборудовании (жесткие диски, оптические приводы, маршрутизаторы), в решениях для телекоммуникаций, в так называемых интеллектуальных зданиях, в устройствах, используемых в медицинской диагностике, системах управления полетом, а также, естественно, в станках с ЧПУ, роботах и промышленных машинах и ряде систем управления в автоматизации.
Мобильные телефоны, телевизоры, плееры, бытовая техника, термостаты, кондиционеры, банкоматы, информационные киоски, мультимедийные и интерактивные развлекательные системы, игровые приставки, игровые автоматы, принтеры, копировальные аппараты, калькуляторы, спутниковые навигационные системы, светофоры, системы сигнализации для защиты людей и имущества, например, противовзломные, охранные, пожарные — это наиболее характерные примеры встроенных систем.
Сложность этого типа решений очень разнообразна — от простых потребительских систем на основе маломощных микроконтроллеров до многопроцессорных распределенных систем, используемых в робототехнике или на железных дорогах.
Главной особенностью, которая отличает встроенные системы от других компьютерных систем, является, помимо специализированного характера, качество программного обеспечения и используемых аппаратных компонентов.
Встроенная система из-за области ее применения также должна быть полностью протестирована и стабильна — программные ошибки здесь могут иметь катастрофические последствия.
История встроенных систем
Первой современной встроенной вычислительной системой реального времени был компьютер Apollo Guidance Computer, разработанный в 1960-х годах доктором Чарльзом Старком Дрейпером из Массачусетского технологического института для программы Apollo. Управляющий компьютер Apollo был разработан для автоматического сбора данных и выполнения критически важных расчетов для командного модуля Apollo и лунного модуля.
Apollo Guidance Computer
В 1971 году Intel выпустила первый коммерчески доступный микропроцессор — Intel 4004, для которого все еще требовались микросхемы поддержки и внешняя память.
В 1978 году Национальная ассоциация производителей машиностроения выпустила стандарт для программируемых микроконтроллеров, улучшив конструкцию встроенных систем и к началу 1980-х компоненты системы памяти, ввода и вывода были интегрированы в тот же чип, что и процессор, образуя микроконтроллер.
Встроенная система на основе микроконтроллера будет впоследствии включена во все аспекты повседневной жизни потребителей, от устройств чтения кредитных карт и сотовых телефонов до светофоров и термостатов.
Как работает встроенная система?
Встроенные системы управляются микроконтроллерами или процессорами цифровых сигналов (DSP), специализированными интегральными схемами (ASIC), программируемыми логическими матрицами (FPGA). Эти системы обработки интегрированы с компонентами, предназначенными для работы с электрическими и / или механическими интерфейсами.
Инструкции по программированию встроенных систем, называемые микропрограммами, хранятся в постоянном запоминающем устройстве или микросхемах флэш-памяти, работающих с ограниченными аппаратными ресурсами компьютера. Встроенные системы соединяются с внешним миром через периферийные устройства, связывая устройства ввода и вывода.
Как разрабатываются встроенные системы?
Проектирование и создание встроенных систем не укладывается в существующие рамки стандартных дисциплин, с которыми эти решения связаны. Обязательно требуются знания как электроники, так и информатики. Несомненно, наиболее правильным решением было бы заняться вопросами разработки встраиваемых систем после получения подготовки также в области автоматизации и управления, а также мехатроники и робототехники.
Проектирование встроенной системы включает в себя как разработку специального аппаратного уровня, так и соответствующего программного обеспечения. В последнем можно разделить системную область и область приложения.
Системный уровень создает среду выполнения для встроенного приложения и, в зависимости от области приложения, имеет разную степень сложности. Для простых встроенных систем с закрытой не масштабируемой архитектурой системный уровень не является строго отдельным и не содержит механизмов для поддержки разработки приложений.
Передовые системы для медицины, авиации, телекоммуникаций и робототехники реализованы на основе специальных операционных систем или библиотек, которые содержат механизмы и функции, облегчающие разработку приложений и тестирование системы. Тем не менее, разработчик должен расширить системный уровень специальными драйверами.
Популярный онлайн видео курс:
Успех всего проекта во многом зависит от функциональности и удобства использования приложения. Создание встроенной системы требует анализа требований, разработки соответствующей архитектуры и ее сознательной декомпозиции.
Любая ошибка или игнорирование определенных требований на начальных этапах проекта может привести к провалу всего проекта. Плохие дизайнерские решения часто влекут за собой необходимость модификации не только программного, но и аппаратного обеспечения.
В случае систем для критических приложений также существует проблема безопасности, то есть в основном устойчивость системы к сбоям оборудования, электромагнитным помехам и ошибкам реализации.
В случае, если спроектированная система является сложной, например, система управления роботом на производственном предприятии, проект превращается в сложное логистическое мероприятие, требующее координации работы нескольких различных команд инженеров.
Будущие тенденции встраиваемых систем
Согласно последнему отчету Global Market Insights, рынок встраиваемых систем растет — в настоящее время его стоимость превышает 12 миллиардов долларов США, а, по оценкам, к 2025 году он вырастет до 20 миллиардов долларов США. Согласно прогнозам, растущий спрос на Linux и операционные системы реального времени (ОСРВ) с открытым исходным кодом обеспечит значительный рост рынка встроенного программного обеспечения.
Ожидается, что индустрия встраиваемых систем будет продолжать быстро расти благодаря постоянному развитию искусственного интеллекта (AI), виртуальной реальности (VR) и дополненной реальности (AR), машинного обучения, глубокого обучения и Интернета вещей (IoT).
В основе встроенных систем ближайшего будущего будут лежать такие тенденции, как снижение энергопотребления и повышение безопасности встроенных устройств, а также активное использование облачных технологий, приложений для глубокого обучения и инструментов визуализации данных в режиме реального времени.
Разница между встроенной системой и компьютером
Видео: Разбираемся в типах МФУ (принтер+сканер+копир) — лазерный, струйный или СНПЧ | Советы по выбору (Октября 2022)
Разница между встроенной системой и компьютерной системой общего назначения заключается в ее предназначении и, в гораздо меньшей степени, в дизайне. Хотя универсальная система может использоваться для многих целей, встроенная система предназначена только для одной цели.
Разница между встроенной системой и компьютерным кредитом: Rawpixel Ltd / iStock / Getty Images
Системы общего назначения
Компьютерная система общего назначения — это то, о чем вы думаете, когда кто-то произносит слово «компьютер». Отличительной особенностью компьютера общего назначения является то, что он может быть перенастроен для новой цели. В первые дни цифровых компьютеров это включало в себя перемонтаж всей системы. Сегодня большинство конечных пользователей даже не осознают, что это происходит, поскольку процесс стал полностью прозрачным.
Встроенные системы
Встроенную систему немного сложнее определить. Он посвящен одной цели или небольшому набору целей. Встраиваемые системы можно найти практически в каждом элементе современной электроники — фактически они являются электроникой. Современный телевизор, портативный музыкальный проигрыватель, управляемая компьютером система кондиционирования воздуха или практически все, что сделано за последние 10 лет, не является системой общего назначения и требует электричества: это то, что представляет собой встроенная система.
Кроссоверы
Некоторые устройства не подходят ни к одному лагерю. Смартфоны являются лучшим примером этого. Хотя они используют философию дизайна, которая имитирует встроенную систему, они также могут функционировать как машины общего назначения. У них может быть одна общая цель (в конце концов, это сотовые телефоны), но они не ограничиваются этой целью.
Разница между настольным компьютером и башенным компьютером
Настольные и башенные компьютеры — это два разных стиля корпусов компьютеров, которые по-разному используют пространство на столе. Настольные компьютеры предназначены для того, чтобы лежать на столе, а башни .
В чем разница между системой ERP и SAP?
Если вы слышали термины SAP и ERP (планирование ресурсов предприятия), вы можете подумать, что одно и то же, что и другое. SAP ERP — это термин, который можно использовать, потому что SAP — это решение для .
Передача файлов между устройством Android и компьютером без проводов
AirDroid — это простое в использовании приложение для беспроводной передачи файлов между устройством Android и компьютером под управлением Mac, Linux или Windows. Вот как это использовать.
Что представляют собой компьютеры – типы, цели использования – краткий обзор
Эта статья содержит краткий обзор компьютеров: рассказывает о том, что такое компьютеры, чем они отличаются и для чего нужны.
Что такое персональный компьютер
Компьютеры – это электронно-вычислительные машины, которые выполняют задания или вычисления в соответствии с набором инструкций, или программ. Первые полностью электронные компьютеры, созданные в 1940-х годах, были огромные, их обслуживало много людей. По сравнению с теми ранними машинами, сегодняшние компьютеры – это просто чудо. Они не только в тысячи раз быстрее, но и несравненно компактнее: могут поместиться на вашем столе, на коленях или даже в кармане.
Компьютеры работают при взаимосвязи оборудования и программного обеспечения. Оборудованием называют видимые и материальные составляющие компьютера, включающие корпус и всё его содержимое. Важнейшей устройство в оборудовании – это маленькая прямоугольная микросхема внутри компьютера, которая называется центральный процессор или микропроцессор. Это «мозг» компьютера – часть, которая интерпретирует команды и выполняет вычисления. Компоненты оборудования, такие как монитор, клавиатура, мышь, принтер и другие, часто называют устройствами.
Программным обеспечением называются команды, или программы, которые указывают оборудованию, что делать. Например, один из типов программного обеспечения – текстовый редактор, с помощью которого на компьютере можно писать письма. Операционная система – это программное обеспечение, которое управляет компьютером и подключенными к нему устройствами. Windows – широко-используемая операционная система.
ЭНИАК
Разработанный в 1946 ЭНИАК (Электронный числовой интегратор и вычислитель) был первым электронным компьютером общего назначения. Он был построен для армии Соединенных Штатов, чтобы вычислять траектории артиллерийских снарядов.
ЭНИАК был огромным по размерам, весил более 27 000 килограммов и заполнял большую комнату. Для обработки данных ЭНИАК использовал около 18 000 электронных ламп, каждая размером с обычную лампочку. Лампы быстро перегорали, и их постоянно нужно было заменять.
Типы компьютеров
Компьютеры различаются по размерам и способностями. На одном конце шкалы – суперкомпьютеры, очень большие компьютеры с тысячами соединенных микропроцессоров, которые могут выполнять сверхсложные вычисления.
На другой стороне – маленькие компьютеры, встроенные в авто, телевизоры, стереосистемы, калькуляторы и домашние приборы. Эти компьютеры предназначены для выполнения ограниченного числа задач.
Персональный компьютер или ПК, – это компьютер, предназначенный для использования одним человеком одновременно. В этом разделе описаны различные виды персональных компьютеров: настольные, портативные, карманные и планшетные ПК .
Настольные компьютеры
Настольные компьютеры предназначены для работы за столом. Обычно они больше и мощнее других типов персональных компьютеров. Настольные компьютеры состоят из отдельных компонентов. Основной компонент называется системный блок – обычно это прямоугольный корпус, который находится на или под столом. Другие компоненты, такие как монитор, мышь и клавиатура, подключаются к системному блоку.
Портативные компьютеры и нетбуки
Нетбуки (часто называются мини-ноутбуками) – это небольшие и доступные по цене портативные электронной почты.
Смартфоны
Смартфоны – это мобильные телефоны, которые имеют схожие с компьютером возможности.
С помощью смартфона можно осуществлять телефонные звонки, доступ в Интернет, хранить контактную информацию, отправлять сообщения электронной почты и текстовые сообщения, играть в игры и создавать фотографии. Смартфоны обычно имеют клавиатуру и широкий экран.
Карманные компьютеры
Карманные компьютеры, или КПК, достаточно малы, чтобы носить их почти повсеместно. Хотя карманные компьютеры и не такие мощные, как настольные или портативные компьютерные игры.
Некоторые КПК имеют расширенные возможности, например, осуществление телефонных звонков или Интернет. Вместо клавиатуры карманные ПК оснащен сенсорным экраном, который распознает прикосновение пальца или стилуса.
Планшетные компьютеры
Для чего можно использовать компьютер
На работе много людей используют компьютеры для хранения записей, анализа данных, проведения исследований и управления проектами. Дома компьютеры можно использовать для поиска информации, хранения музыки и изображений, учета финансов, игр и общения – этот список можно продолжить.
Также с помощью компьютера можно подключиться к интернету, сети, которая объединяет компьютеры во всем мире. Доступ в интернет обычно доступен за ежемесячную плату в большинстве городов, а сейчас распространяется и в менее населенных районах. Подключившись к Интернету, можно общаться с людьми со всего мира и находить большие объемы информации.
Вот несколько популярных способов использования компьютеров:
Серфинг в сети Интернет
Веб (его еще называют всемирная сеть или Интернет-сеть) – это гигантское хранилище информации. Веб – это самая популярная часть Интернета, частично потому, что в ней информация отображается в визуально-привлекательном формате.
На одной странице заголовки, тексты, изображения (как на странице журнала) могут сочетаться с озвучкой и анимацией. Веб-сайт – это сборник взаимосвязанных веб-страниц. Веб содержит миллионы сайтов и миллиарды веб-страниц.
Навигация Интернета означает просмотр различных веб-страниц. В Вебе можно найти информацию почти на любую тему, которую можно представить. Например, можно читать новости и рецензии на фильмы, проверять расписания самолетов, просматривать карту города, получать прогноз погоды или узнавать о состоянии здоровья. Большинство компаний, учреждений, музеев и библиотек имеют веб-сайты с информацией о своих продуктах, услугах или коллекции. Также широко доступны справочные источники, например словари и энциклопедии.
Интернет – это также радость для покупателя. На сайтах крупных торговых заведений можно просматривать и покупать товары: книги, музыку, игрушки, одежду, электронику и многое другое. Также можно покупать и продавать подержанные вещи через веб-сайты, которые предлагают их с аукционов.
Электронная почта
Электронная почта (сокращенно эл. почта) – это быстрый и удобный способ общения. Посланное по электронной почте сообщение почти мгновенно появляется в папке «Входящие» электронной почты получателя.
Сообщения электронной почты можно отправлять нескольким адресатам одновременно, а также сохранять их, печатать и пересылать другим пользователям. В сообщении электронной почты можно передавать почти любые типы файлов: документы, изображения и музыку. К тому же, для электронной почты не нужны марки!
Мгновенные сообщения
Обмен мгновенными сообщениями напоминает беседу с другим человеком или группой людей в реальном времени. После ввода и передачи мгновенного сообщения оно немедленно отображается у всех участников беседы.
В отличие от электронной почты, для обмена мгновенными сообщениями нужно, чтобы все участники присутствуют в Интернете (подключенные к Интернету) и находились перед экранами своих компьютеров. Общения посредством мгновенных сообщений называется чатом.
Изображение, музыка и фильмы
Если у вас есть цифровая камера, можно перемещать изображения с камеры на компьютер. Затем эти изображения можно печатать, создавать из них слайд-шоу или предоставлять к ним общий доступ, публикуя на сайте или посылая по электронной почте.
Кроме того, на компьютере можно прослушивать музыку: музыкальные записи нужно импортировать компакт-дисков или приобрести на музыкальном сайте. Можно также настроить компьютер на прием любой из тысяч радиостанций, которые транслируют свои программы в Интернете. Если компьютер оснащен DVD-проигрывателем, вы сможете еще и смотреть фильмы.
Вам нравятся игры? Существуют тысячи компьютерных игр всех возможных категорий. Испытайте себя за рулем спортивного авто, в бою с ужасными подземными существами или владычествуйте цивилизациями и империями!
Многие игры позволяют соревноваться с игроками со всего мира через Интернет. В состав Windows входят разнообразные карточные, стратегические игры и головоломки.
Использование встраиваемых компьютеров
Встраиваемые компьютеры являются многофункциональными, высокотехнологичными изобретениями, которые отличаются компактными габаритами. Такие промышленные эвм чаще всего используются в качестве элемента мобильной системы, которая должна функционировать в ограниченном пространстве. Также, компьютеры такого типа используются в условиях, когда существуют специфические требования к габаритам ЭВМ.
Чаще всего промышленные мониторы можно установить на разных поверхностях. Компактные габариты таких ЭВМ не влияют на их производительность и достаточно высокую функциональность.
Где именно востребованы такие вычислительные машины:
Промышленные системы для сбора, а также, обработки или хранения определенных данных;
- Контроль количества пассажиров, необходимой рабочей информации в транспорте, ее передача на соответственные пульты управления;
- Системы наблюдения, которые позволяют обеспечивать безопасность;
- Электронные очереди, а также, системы, которые позволяют выполнять онлайн-платежи;
- Инженерное оборудование и системы, которые позволяют им управлять;
- Медицина – здесь такие мониторы используются для просмотра результатов диагностики, хранения определенных материалов, имеющих отношение к пациентам;
- Автодорожные системы, которые позволяют контролировать поток транспортных средств, наблюдать за тем, насколько они соблюдают ПДР.
Промышленные компактные мониторы отличаются следующими функциональными возможностями:
- Никаких отличий от полноразмерных приборов в плане производительности. Компактные мониторы потребляют меньше энергии, работают практически бесшумно;
- Продуманная конструкция и отсутствие движущихся элементов, позволяют существенно продлить эксплуатационный период изделия. В таком случае, вы сможете пользоваться надежным ЭВМ в любой требуемый момент;
- Есть защищенные модели, которые идеально подойдут для эксплуатации в экстремальных условиях. Они могут использоваться на улице, не боятся воздействия внешних факторов.
Практически все современные предприятия, вне зависимости от сегмента, используют встраиваемые специальные компьютеры. Это позволяет существенно модернизировать производство, получить более эффективное выполнение поставленных заданий. Наиболее популярным производителем на отечественном рынке является iROBO Embedded.