AUTOMATYKA

TECHNIKA

Elektronik

KWIECIEÑ 2003

System wbudowany mo¿na zdefiniowaæ

w ogólny sposób jako dedykowany sys-

tem komputerowy, sk³adaj¹cy siê z odpo-

wiednio dobranych komponentów sprzê-

towych i programowych, zaprojektowany

pod k¹tem wykonania okreœlonej aplikacji

programowej. Aplikacja odpowiada za rea-

lizacjê funkcji systemu wbudowanego

i wp³ywa na sposób jego postrzegania

przez u¿ytkownika koñcowego.

Systemy wbudowane

– kompendium

S

ystemy wbudowane spotykane s¹

w bardzo wielu dziedzinach ¿ycia,

a obszar ich zastosowañ, wraz z pos-

têpem technologicznym, ulega ci¹g³emu po-

szerzaniu. Systemy wbudowane to produk-

ty elektroniczne, z którymi stykamy siê ka¿-

dego dnia w naszych samochodach, biu-

rach i wielu innych miejscach, gdzie wy-

korzystywana jest „elektroniczna in-

teligencja”. Nowoczesne telefony

komórkowe, odtwarzacze MP3,

kioski informacyjne, systemy ste-

rowania stosowane w motoryzacji,

systemy nawigacji satelitarnej, urz¹-

dzenia wykorzystywane w diagnos-

tyce medycznej, rozwi¹zania dla te-

lekomunikacji i teleinformatyki,

specjalizowane roboty i maszyny

przemys³owe, systemy kontroli lotu w sa-

molotach, wahad³owcach oraz sondach

kosmicznych to najbardziej reprezentatyw-

ne przyk³ady systemów wbudowanych.

Poziom z³o¿onoœci systemów wbudowa-

nych jest bardzo ró¿ny, pocz¹wszy od

prostych rozwi¹zañ powszechnego u¿ytku,

bazuj¹cych na mikrokontrolerach i mikro-

procesorach ma³ej mocy, a skoñczywszy na

wieloprocesorowych, rozproszonych syste-

mach, stosowanych w robotyce, telekomu-

nikacji i lotnictwie.

Podstawow¹ cech¹ wyró¿niaj¹c¹ syste-

my wbudowane na tle innych systemów

komputerowych, oprócz dedykowanego

charakteru, jest jakoϾ oprogramowania

i stosowanych komponentów sprzêtowych.

System wbudowany ze wzglêdu na obsza-

ry zastosowañ musi byæ dobrze przetesto-

wany i stabilny. B³êdy w oprogramowaniu

mog¹ byæ katastrofalne w skutkach. Na-

rzuca to doϾ wysokie wymagania projek-

tantom systemów wbudowanych, którzy po-

winni odznaczaæ siê szerok¹ wiedz¹ i doœ-

wiadczeniem. Olbrzymi postêp w dziedzi-

nie mikroelektroniki i nauk komputerowych

sprawi³, ¿e poza umiejêtnoœciami, jedyne

praktyczne ograniczenia dla projektanta sta-

nowi¹ jego wyobraŸnia oraz znajomoœæ dos-

têpnych rozwi¹zañ sprzêtowych i progra-

mowych (systemy operacyjne, biblioteki,

metodyka projektowa), ich zalet, wad

i przeznaczenia. Niniejszy artyku³ ma na

celu przybli¿enie problematyki systemów

wbudowanych. Stanowi przegl¹d dostêp-

nych rozwi¹zañ sprzêtowych, systemów

operacyjnych oraz omawia podstawowe pro-

blemy zwi¹zane z projektowaniem syste-

mów wbudowanych.

n

Projektowanie systemów wbudowanych

Projektowanie systemu wbudowanego

jest procesem skomplikowanym. Sk³ada siê

zarówno z opracowania dedykowanej war-

stwy sprzêtowej jak i odpowiedniego opro-

gramowania. Oprogramowanie dzieli siê na

warstwê systemow¹ i aplikacyjn¹. Warstwa

systemowa tworzy œrodowisko wykonania

dla aplikacji wbudowanej i w zale¿noœci

od obszaru zastosowañ cechuje siê ró¿nym

stopniem skomplikowania. W przypadku

prostych systemów wbudowanych, o zam-

kniêtej, nieskalowalnej architekturze, war-

stwa systemowa nie jest œciœle wyodrêb-

niona i nie zawiera mechanizmów wspie-

raj¹cych tworzenie aplikacji. Zaawansowa-

ne systemy, przeznaczone dla medycyny,

lotnictwa, telekomunikacji czy robotyki, re-

alizowane s¹ w oparciu o specjalne syste-

my operacyjne lub biblioteki ekstrakodów,

które zawieraj¹ mechanizmy

i funkcje u³atwiaj¹ce tworzenie

aplikacji i testowanie systemu.

Mimo tego projektant musi roz-

szerzyæ warstwê systemow¹

o sterowniki dedykowanych

urz¹dzeñ, wykonaæ odpowiednie

testy i przygotowaæ oprogramo-

wanie aplikacyjne. Od funkcjo-

nalnoœci i u¿ytecznoœci aplika-

cji zale¿y w du¿ej mierze powodzenie ca-

³ego projektu.

Tworzenie systemu wbudowanego wy-

maga dok³adnego przeanalizowania wyma-

gañ, opracowania odpowiedniej architek-

tury i przemyœlanej dekompozycji. Ka¿dy

b³¹d, czy zlekcewa¿enie pewnych wyma-

gañ we wstêpnych fazach projektu mo¿e

prowadziæ do niepowodzenia ca³ego przed-

siêwziêcia. Z³e decyzje projektowe poci¹-

gaj¹ za sob¹ czêsto koniecznoœæ modyfi-

kacji nie tylko oprogramowania, lecz tak-

¿e sprzêtu. W przypadku systemów do zas-

tosowañ krytycznych pojawia siê te¿ pro-

blem wiarygodnoœci, czyli odpornoœci sys-

temu na awarie sprzêtu, zak³ócenia elek-

tromagnetyczne, b³êdy implementacyjne.

Analiza wiarygodnoœci oprogramowania

jest ca³y czas przedmiotem wielu prac ba-

dawczych i nie opracowano do tej pory ¿ad-

nej metodyki postêpowania. W przypadku,

gdy projektowany system jest skompliko-

!

Rys. 1. Karta w standardzie CPCI typu MIC-3365 produkcji Advantech

Podstawow¹ cech¹ wyró¿niaj¹c¹ systemy

wbudowane na tle innych systemów

komputerowych, oprócz dedykowanego

charakteru, jest jakoϾ oprogramowania

i stosowanych komponentów sprzêtowych

AUTOMATYKA

!!

wany, na przyk³ad system steruj¹cy robo-

tem w fabryce uk³adów scalonych, projekt

przeobra¿a siê w skomplikowane przedsiêw-

ziêcie logistyczne, wymagaj¹ce koordyna-

cji prac kilku zespo³ów in¿ynierów elek-

troników, mechatroników i informatyków.

n

Stosowane platformy sprzêtowe

Podstawowymi czynnikami wp³ywaj¹cy-

mi na architekturê systemu wbudowanego

jest poziom skomplikowania realizowa-

nych przez niego funkcji i obszar zastoso-

wañ. Zupe³nie inne wymagania stawiane s¹

przed odpowiedzialnym systemem kontro-

li lotu, inne w przypadku urz¹dzeñ pow-

szechnego u¿ytku. System kontroli lotu po-

winien cechowaæ siê du¿¹ niezawodnoœci¹

i odpornoœci¹ na b³êdy. Urz¹dzenia pow-

szechnego u¿ytku powinny byæ tanie i da-

waæ radoœæ z d³ugiej

bezawaryjnej pracy.

Ze wzglêdu na bardzo

ró¿norodne wymagania

i funkcje systemów

wbudowanych nie jest

mo¿liwe zbudowanie

jednej uniwersalnej

platformy sprzêtowej

dla wszystkich zastoso-

wañ. Z punktu widze-

nia technicznego naj-

lepszym rozwi¹zaniem

jest zaprojektowanie de-

dykowanego sprzêtu na potrzeby konkret-

nego zastosowania, jednak takie postêpo-

wanie nie ma uzasadnienia ekonomiczne-

go przy produkcji ma³oseryjnej. W takim

wypadku lepiej zastosowaæ gotowe platfor-

my sprzêtowe dla aplikacji wbudowanych,

opieraj¹ce siê o ustalone standardy. Do naj-

bardziej znanych mo¿na zaliczyæ systemy

typu: Compact PCI, PC/104 i SOM. Wa¿-

n¹ grupê stanowi¹ tak¿e miniaturowe i sub-

miniaturowe rozwi¹zania potocznie zwane

komputerami „ciasteczkowymi” (biscuit

PC). Ka¿dy z powy¿szych standardów ce-

chuje siê innymi parametrami u¿ytkowymi

i obszarem zastosowañ.

n

Systemy Compact PCI

Rozwi¹zania Compact PCI znajduj¹ zas-

tosowanie w odpowiedzialnych systemach

sterowania i zaawansowanych urz¹dze-

niach telekomunikacyjnych, gdzie koniecz-

ne jest zapewnienie du¿ego stopnia nieza-

wodnoœci sprzêtu, a niekiedy nawet wymia-

na jego komponentów w trakcie dzia³ania.

Systemy oparte o Compact PCI charakte-

ryzuj¹ siê budow¹ modu³ow¹, dziêki cze-

mu s¹ skalowalne i mog¹ doœæ ³atwo zos-

taæ rozszerzone o now¹ funkcjonalnoœæ.

W przypadku urz¹dzeñ telekomunikacyj-

nych cecha ta nabiera istotnego znaczenia.

Pojedyncze urz¹dzenie mo¿e zostaæ wypo-

sa¿one w odpowiednie modu³y, dopasowa-

ne do konkretnej kon-

figuracji sieci teleko-

munikacyjnej. Dodat-

kowo w przypadku

awarii pojedynczego

modu³u nie jest koniecz-

na wymiana ca³ego

urz¹dzenia, a uszkodzo-

ny element mo¿e zos-

taæ wymieniony w trak-

cie jego dzia³ania, co nie

powoduje

przerwy

w dostarczaniu us³ug.

Nale¿y podkreœliæ, ¿e

wymiana modu³ów w trakcie pracy, mimo

odpowiedniej konstrukcji elektrycznej ma-

gistrali Compact PCI, jest mo¿liwa wy³¹cz-

nie wtedy, gdy wspiera j¹ odpowiednio zap-

rojektowane oprogramowanie urz¹dzenia.

Historia standardu Compact PCI, zwa-

nego dalej w skrócie CPCI siêga 1994 ro-

ku, kiedy to zosta³ on zaprojektowany

przez grupê producentów systemów auto-

matyki i komputerów przemys³owych, dzia-

³aj¹cych pod wspólnym szyldem organiza-

cji PICMG (PC Industrial Computers Ma-

nufacturers Group). Wœród cz³onków or-

Rys. 2. Obudowa CPCI typu MIC-3041 produkcji Advantech. Po prawej stronie widoczne s¹

wsuwki zasilacza redundantnego

Ze wzglêdu na bardzo

ró¿norodne wymagania

i funkcje systemów

wbudowanych nie jest

mo¿liwe zbudowanie

jednej uniwersalnej

platformy sprzêtowej dla

wszystkich zastosowañ

Elektronik

KWIECIEÑ 2003

ZAKREŒL 14

AUTOMATYKA

ganizacji s¹ takie firmy jak: Intel,

Hewlet-Packard, IBM, Motorola, Sie-

mens, SUN. CPCI jako podstawow¹

magistralê komunikacyjn¹ wykorzys-

tuje popularn¹ magistralê PCI, stoso-

wan¹ w komputerach PC i stacjach

roboczych. Dziêki zastosowaniu po-

pularnego PCI, rozwi¹zania CPCI s¹

tañsze od systemów opartych o magistralê

VME, stosowanych od wielu lat w prze-

myœle. Czêstotliwoœæ pracy magistrali PCI

to 66MHz, zaœ maksymalna przepustowoœæ

133Mbit/s. Najnowsza specyfikacja CPCI

wykorzystuje 64 bitowy PCI-X, zapewnia-

j¹cy transfer z szybkoœci¹ powy¿ej

1Gbit/s i pozwala na wymianê kart bez wy-

³¹czania zasilania.

Od strony mechanicznej CPCI nawi¹zu-

je do standardu Eurokarty i VME. Poszcze-

gólne modu³y w postaci kart o wymiarach

zgodnych ze standardem Eurokarty i o wy-

sokoœciach 3 lub 6U s¹ wk³adane do stan-

daryzowanych kaset. Karty mog¹ byæ

umieszczane poziomo lub pionowo w ka-

setach o ró¿nej liczbie gniazd, ró¿nych roz-

wi¹zaniach uk³adów zasilania i ch³odzenia

(uk³ady z redundancj¹). Kasety w formacie

19” posiadaj¹ po osiem z³¹cz w jednym seg-

mencie dla kart procesorowych, jednak po-

przez dodanie dodatkowego mostka PCI-

-PCI mo¿na ³atwo zwiêkszyæ ich liczbê do

24. Charakteryzuj¹ siê ró¿nymi ga-

barytami i wag¹ – wysokoœci od

1U (1 karta) do 12U.

Karty procesorowe stosowane

w Compact PCI wyposa¿one s¹

w procesory ró¿nych producentów.

Spotykane s¹ zarówno procesory

o modelach programowych typu RISC

(np. ARM, Power PC, MIPS), jak i CISC

(Intel IA32, Motorola 68K). Wybór proce-

sora uzale¿niony jest przede wszystkim od

specyfiki aplikacji wbudowanej oraz jej za-

potrzebowania na moc obliczeniow¹.

Systemy CPCI s¹ wydajne, elastyczne

i niezawodne, jednak charakteryzuj¹ siê wy-

sok¹ cen¹, znacznymi gabarytami i wag¹,

co czyni je nieprzydatnymi w aplikacjach,

gdzie istotne s¹ ma³e rozmiary i niski koszt

systemu.

n

Komputery „platerowe”

Dla tañszych aplikacji wbudowanych

w³aœciwym rozwi¹zaniem s¹ komputery bu-

dowane przy wykorzystaniu pasywnych pla-

terów oraz kart procesorowych lub minia-

turowe i subminiaturowe modu³y w standar-

dzie PC/104 oraz komputery „ciasteczkowe”.

Rozwi¹zania „platerowe” z kartami pro-

cesorowymi zapewniaj¹ elastycznoœæ – mo¿-

liwoœæ montowania du¿ej iloœci standardo-

wych kart rozszerzeñ, wykorzystuj¹cych ma-

gistralê PCI lub ISA. Podstawowe cechy roz-

wi¹zania to:

l dostosowanie do pracy w trudnych wa-

runkach otoczenia РodpornoϾ na wib-

racje i zak³ócenia,

l mo¿liwoœæ monta¿u typowych kart roz-

szerzeñ,

l zastosowanie standardowych rozwi¹zañ,

wykorzystywanych w komputerach PC,

l u³atwiony serwis,

l d³ugi „czas ¿ycia” poszczególnych ele-

mentów systemu.

Dziêki uznaniu standardu przez wielu

producentów komputerów przemys³owych,

dostêpna jest bardzo szeroka gama kart

procesorowych, platerów i obudów. Daje

to w efekcie rozwi¹zanie charakteryzuj¹-

ce siê du¿¹ elastycznoœci¹, a jednoczeœnie,

dziêki zastosowaniu typowych rozwi¹zañ

uk³adowych ze standardowych kompute-

rów PC, pozwala na wygodne

wytwarzanie aplikacji.

Dostêpne karty procesorowe

wyposa¿one s¹ w procesory

o ró¿nej mocy obliczeniowej –

od procesorów czwartej gene-

racji po najnowsze Pentium IV.

Jako uk³ady steruj¹ce stosowa-

ne s¹ typowe rozwi¹zania produkcji firm

Intel czy SIS. Karty procesorowe wyposa-

¿one s¹ zwykle w kilka interfejsów komu-

nikacyjnych – co najmniej jeden interfejs

sieci Ethernet (10/100 Mbps lub gigabito-

wy), szeregowy RS-232C/RS-422, równo-

leg³y Centronics, interfejsy dla pamiêci ma-

sowych IDE, SCSI i uk³ady grafiki.

Obudowy komputerów platerowych wys-

têpuj¹ w formie modu³ów 19” montowa-

nych w stojaku, szafie lub s¹ przystosowa-

ne do powieszenia na œcianie. Wystêpuj¹

tak¿e jako modu³y do wbudowania tzw.

chassis (rys. 4). Dziêki zastosowaniu wie-

losekcyjnych platerów mo¿liwe jest zabu-

dowanie do 4 jednostek procesorowych

w jednej obudowie, które mog¹ pracowaæ

w uk³adzie redundantnym lub niezale¿nie.

Niezwyk³a elastycznoœæ tego rozwi¹zania

TECHNIKA

!"

Elektronik

KWIECIEÑ 2003

Z punktu widzenia interfejsu standard

PC/104 stanowi zmodyfikowan¹ magistralê

ISA o zredukowanym poborze mocy

ZAKREŒL 57

Rys. 4. Chassis dla kart procesorowych –

idealne rozwi¹zanie do wbudowania w maszynê

Rys. 3. „Plater” z zamontowan¹ kart¹ procesorow¹

AUTOMATYKA

powoduje, ¿e komputery te znakomicie

sprawdzaj¹ siê w stacjonarnych systemach

wbudowanych, gdzie nie ma ostrych wy-

magañ co do gabarytów i pobieranej mo-

cy, natomiast potrzebny jest system sto-

sunkowo niedrogi, o du¿ych mo¿liwoœ-

ciach obliczeniowych, pozwalaj¹cy na

³atwe serwisowanie i rozbudowê. Bardzo

czêsto istotnymi parametrami systemu

wbudowanego s¹ ma³e gabaryty, waga i po-

bór mocy. Dla tej klasy systemów wbu-

dowanych zaprojektowano platformy

sprzêtowe w standardzie PC/104.

n

Komputery PC/104

Standard PC/104 zosta³ zdefiniowany

w 1992 roku i okreœla zarówno paramet-

ry elektryczne, jak i mechaniczne stoso-

wanych modu³ów. Z punktu widzenia in-

terfejsu standard PC/104 stanowi zmody-

fikowan¹ magistralê ISA o zredukowanym

poborze mocy. Nazwa standardu – pocho-

dzi od liczby styków na z³¹czu modu³u –

104 styki. Wszystkie modu³y maj¹ œciœle

okreœlone gabaryty (90 x 96mm). £¹czy

siê je w samonoœn¹ „konstrukcjê kanap-

kow¹”, która charakteryzuje siê du¿¹ wy-

trzyma³oœci¹ mechaniczn¹. Dziêki specjal-

nej konstrukcji z³¹cza o d³ugich stykach

i zastosowaniu tulei spinaj¹cych modu³y,

wyeliminowano potrzebê stosowania do-

datkowych konstrukcji, przytrzymuj¹cych

jednostkê procesorow¹ i karty rozszerzeñ.

W 1996 roku powsta³a kolejna wersja

PC/104 nazwana PC/104+, wyposa¿ona

w dwie magistrale ISA i PCI (33/66 MHz).

Zastosowanie PCI, zapewniaj¹cej du¿o

wiêksz¹ przep³ywnoœæ, pozwoli³o na sto-

sowanie urz¹dzeñ o du¿o wiêkszych wy-

maganiach magistralowych, takich jak na

przyk³ad karty akwizycji obrazów, stoso-

wane w robotyce i medycynie.

Oprócz standardu magistrali, PC/104 ok-

reœla równie¿ maksymaln¹ moc pobiera-

n¹ przez ka¿dy z modu³ów interfejsowych.

Maksymalna moc modu³u interfejsowego

zosta³a okreœlona jako 2W, natomiast dos-

têpne modu³y procesorowe pobieraj¹ moc

nieprzekraczaj¹c¹ 7,5W. Jest to mo¿liwe

do uzyskania dziêki zastosowaniu energo-

oszczêdnych procesorów zgodnych z mo-

delem programowym IA32. Jednym z czêœ-

ciej stosowanych procesorów jest NS Ge-

ode 300MHz. Parametry przyk³adowego

modu³u wykorzystuj¹cego ten procesor

(Advantech, PCM-3350) s¹ nastêpuj¹ce:

l procesor klasy Pentium: NS Geode 300

MHz – zredukowany pobór mocy (pra-

ca bez wentylatora),

l uk³ad steruj¹cy (chipset) NS CS 5530A,

l uk³ad graficzny (zintegrowany z proce-

sorem): CS 5530A, sterowanie matry-

c¹ TFT 18bit,

l pamiêæ RAM: SODIMM SDRAM do

128 MB,

l interfejs sieci Ethernet 10/100 Mbps: In-

tel 82559,

l zakres temperatur pracy: 0-60°C,

l interfejsy komunikacyjne: 2 x USB, 2 x

RS-232C/RS-485,

l interfejsy pamiêci masowej: IDE 44pin,

FDD, Compact Flash (CFC).

Modu³y procesorowe PC/104 wyposa¿o-

ne s¹ zazwyczaj w interfejs Compact Flash,

który pozwala wyeliminowaæ mechanicz-

ny dysk twardy IDE i zast¹piæ go dyskiem

typu FLASH. Dziêki temu system staje siê

znacznie bardziej odporny na wibracje

i niezawodny. Jednoczeœnie zmniejsza siê

pobór mocy ze Ÿród³a zasilania.

Warto zwróciæ tak¿e uwagê na warun-

ki œrodowiskowe, jakim musi sprostaæ sys-

tem wbudowany. Czêsto zachodzi koniecz-

noϾ zapewnienia poprawnej pracy w roz-

szerzonym zakresie temperatur. Niektórzy

producenci oferuj¹ modu³y zdolne do pra-

cy w zakresie temperatur od –40°C do

+120°C. Modu³y PC/104 dziêki ma³ym ga-

barytom, odpornej mechanicznie kon-

strukcji i zredukowanemu poborowi mo-

cy znajduj¹ zastosowanie w wielu syste-

mach wbudowanych, zarówno przenoœ-

nych, jak i stacjonarnych.

Pawe³ Pisarczyk, Rafa³ Jurkiewicz,

Micha³ Sadowski

Dokoñczenie tekstu

opublikujemy za miesi¹c.

Elektronik

KWIECIEÑ 2003

Rys. 5. Po lewej – konstrukcja kanapkowa, po prawej modu³ procesorowy PC/104 firmy

Microsys. Widoczne s¹ z³¹cza ISA (czarne z lewej strony) i PCI (bia³e z prawej strony)