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  jakoœæ  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 doœæ 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 – odpornoœæ 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-

noœæ 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)