TECHNiKA AUTOMATYKA
Systemy wbudowane

System wbudowany można zdefiniować
w ogólny sposób jako dedykowany sys-
tem komputerowy, składający się z odpo-
wiednio dobranych komponentów sprzę-
towych i programowych, zaprojektowany
pod kątem wykonania okreS
lonej aplikacji
programowej. Aplikacja odpowiada za rea-
lizację funkcji systemu wbudowanego
i wpływa na sposób jego postrzegania
przez użytkownika końcowego.
Rys. 1. Karta w standardzie CPCI typu MIC-3365 produkcji Advantech
ystemy wbudowane spotykane są tantom systemów wbudowanych, którzy po- kniętej, nieskalowalnej architekturze, war-
w bardzo wielu dziedzinach życia, winni odznaczać się szeroką wiedzą i doS
- stwa systemowa nie jest S
ciS
le wyodręb-
Sa obszar ich zastosowań, wraz z pos- wiadczeniem. Olbrzymi postęp w dziedzi- niona i nie zawiera mechanizmów wspie-
tępem technologicznym, ulega ciągłemu po- nie mikroelektroniki i nauk komputerowych rających tworzenie aplikacji. Zaawansowa-
szerzaniu. Systemy wbudowane to produk- sprawił, że poza umiejętnoS
ciami, jedyne ne systemy, przeznaczone dla medycyny,
ty elektroniczne, z którymi stykamy się każ- praktyczne ograniczenia dla projektanta sta- lotnictwa, telekomunikacji czy robotyki, re-
dego dnia w naszych samochodach, biu- nowią jego wyobrax
nia oraz znajomoS
ć dos- alizowane są w oparciu o specjalne syste-
rach i wielu innych miejscach, gdzie wy- tępnych rozwiązań sprzętowych i progra- my operacyjne lub biblioteki ekstrakodów,
korzystywana jest  elektroniczna in- które zawierają mechanizmy
teligencja . Nowoczesne telefony i funkcje ułatwiające tworzenie
Podstawową cechą wyróżniającą systemy
komórkowe, odtwarzacze MP3, aplikacji i testowanie systemu.
wbudowane na tle innych systemów
kioski informacyjne, systemy ste- Mimo tego projektant musi roz-
rowania stosowane w motoryzacji, komputerowych, oprócz dedykowanego szerzyć warstwę systemową
systemy nawigacji satelitarnej, urzą- o sterowniki dedykowanych
charakteru, jest jakoS
ć oprogramowania
dzenia wykorzystywane w diagnos- urządzeń, wykonać odpowiednie
i stosowanych komponentów sprzętowych
tyce medycznej, rozwiązania dla te- testy i przygotować oprogramo-
lekomunikacji i teleinformatyki, wanie aplikacyjne. Od funkcjo-
specjalizowane roboty i maszyny nalnoS
ci i użytecznoS
ci aplika-
przemysłowe, systemy kontroli lotu w sa- mowych (systemy operacyjne, biblioteki, cji zależy w dużej mierze powodzenie ca-
molotach, wahadłowcach oraz sondach metodyka projektowa), ich zalet, wad łego projektu.
kosmicznych to najbardziej reprezentatyw- i przeznaczenia. Niniejszy artykuł ma na Tworzenie systemu wbudowanego wy-
ne przykłady systemów wbudowanych. celu przybliżenie problematyki systemów maga dokładnego przeanalizowania wyma-
Poziom złożonoS
ci systemów wbudowa- wbudowanych. Stanowi przegląd dostęp- gań, opracowania odpowiedniej architek-
nych jest bardzo różny, począwszy od nych rozwiązań sprzętowych, systemów tury i przemyS
lanej dekompozycji. Każdy
prostych rozwiązań powszechnego użytku, operacyjnych oraz omawia podstawowe pro- błąd, czy zlekceważenie pewnych wyma-
bazujących na mikrokontrolerach i mikro- blemy związane z projektowaniem syste- gań we wstępnych fazach projektu może
procesorach małej mocy, a skończywszy na mów wbudowanych. prowadzić do niepowodzenia całego przed-
wieloprocesorowych, rozproszonych syste- sięwzięcia. Złe decyzje projektowe pocią-
mach, stosowanych w robotyce, telekomu- Projektowanie systemów wbudowanych gają za sobą często koniecznoS
ć modyfi-
nikacji i lotnictwie. Projektowanie systemu wbudowanego kacji nie tylko oprogramowania, lecz tak-
Podstawową cechą wyróżniającą syste- jest procesem skomplikowanym. Składa się że sprzętu. W przypadku systemów do zas-
my wbudowane na tle innych systemów zarówno z opracowania dedykowanej war- tosowań krytycznych pojawia się też pro-
komputerowych, oprócz dedykowanego stwy sprzętowej jak i odpowiedniego opro- blem wiarygodnoS
ci, czyli odpornoS
ci sys-
charakteru, jest jakoS
ć oprogramowania gramowania. Oprogramowanie dzieli się na temu na awarie sprzętu, zakłócenia elek-
i stosowanych komponentów sprzętowych. warstwę systemową i aplikacyjną. Warstwa tromagnetyczne, błędy implementacyjne.
System wbudowany ze względu na obsza- systemowa tworzy S
rodowisko wykonania Analiza wiarygodnoS
ci oprogramowania
ry zastosowań musi być dobrze przetesto- dla aplikacji wbudowanej i w zależnoS
ci jest cały czas przedmiotem wielu prac ba-
wany i stabilny. Błędy w oprogramowaniu od obszaru zastosowań cechuje się różnym dawczych i nie opracowano do tej pory żad-
mogą być katastrofalne w skutkach. Na- stopniem skomplikowania. W przypadku nej metodyki postępowania. W przypadku,
rzuca to doS
ć wysokie wymagania projek- prostych systemów wbudowanych, o zam- gdy projektowany system jest skompliko-
32
KWiECiEŃ 2003
AUTOMATYKA
wany, na przykład system sterujący robo- chuje się innymi parametrami użytkowymi
tem w fabryce układów scalonych, projekt i obszarem zastosowań.
przeobraża się w skomplikowane przedsięw-
zięcie logistyczne, wymagające koordyna- Systemy Compact PCI
cji prac kilku zespołów inżynierów elek- Rozwiązania Compact PCI znajdują zas-
troników, mechatroników i informatyków. tosowanie w odpowiedzialnych systemach
sterowania i zaawansowanych urządze-
Stosowane platformy sprzętowe niach telekomunikacyjnych, gdzie koniecz-
Podstawowymi czynnikami wpływający- ne jest zapewnienie dużego stopnia nieza-
mi na architekturę systemu wbudowanego wodnoS
ci sprzętu, a niekiedy nawet wymia-
jest poziom skomplikowania realizowa- na jego komponentów w trakcie działania.
nych przez niego funkcji i obszar zastoso- Systemy oparte o Compact PCI charakte-
wań. Zupełnie inne wymagania stawiane są ryzują się budową modułową, dzięki cze-
przed odpowiedzialnym systemem kontro- mu są skalowalne i mogą doS
ć łatwo zos-
li lotu, inne w przypadku urządzeń pow- tać rozszerzone o nową funkcjonalnoS
ć.
szechnego użytku. System kontroli lotu po- W przypadku urządzeń telekomunikacyj-
winien cechować się dużą niezawodnoS
cią nych cecha ta nabiera istotnego znaczenia.
i odpornoS
cią na błędy. Urządzenia pow- Pojedyncze urządzenie może zostać wypo-
szechnego użytku powinny być tanie i da- sażone w odpowiednie moduły, dopasowa-
wać radoS
ć z długiej ne do konkretnej kon-
bezawaryjnej pracy. figuracji sieci teleko-
Ze względu na bardzo
Ze względu na bardzo munikacyjnej. Dodat-
różnorodne wymagania kowo w przypadku
różnorodne wymagania
i funkcje systemów awarii pojedynczego
i funkcje systemów
wbudowanych nie jest modułu nie jest koniecz-
wbudowanych nie jest
możliwe zbudowanie na wymiana całego
możliwe zbudowanie
jednej uniwersalnej urządzenia, a uszkodzo-
platformy sprzętowej ny element może zos-
jednej uniwersalnej
dla wszystkich zastoso- tać wymieniony w trak-
platformy sprzętowej dla
wań. Z punktu widze- cie jego działania, co nie
wszystkich zastosowań
nia technicznego naj- powoduje przerwy
lepszym rozwiązaniem w dostarczaniu usług.
jest zaprojektowanie de- Należy podkreS
lić, że
dykowanego sprzętu na potrzeby konkret- wymiana modułów w trakcie pracy, mimo
nego zastosowania, jednak takie postępo- odpowiedniej konstrukcji elektrycznej ma-
wanie nie ma uzasadnienia ekonomiczne- gistrali Compact PCI, jest możliwa wyłącz-
go przy produkcji małoseryjnej. W takim nie wtedy, gdy wspiera ją odpowiednio zap-
wypadku lepiej zastosować gotowe platfor- rojektowane oprogramowanie urządzenia.
my sprzętowe dla aplikacji wbudowanych, Historia standardu Compact PCI, zwa-
opierające się o ustalone standardy. Do naj- nego dalej w skrócie CPCI sięga 1994 ro-
bardziej znanych można zaliczyć systemy ku, kiedy to został on zaprojektowany
typu: Compact PCI, PC/104 i SOM. Waż- przez grupę producentów systemów auto-
ną grupę stanowią także miniaturowe i sub- matyki i komputerów przemysłowych, dzia-
miniaturowe rozwiązania potocznie zwane łających pod wspólnym szyldem organiza-
komputerami  ciasteczkowymi (biscuit cji PICMG (PC Industrial Computers Ma-
PC). Każdy z powyższych standardów ce- nufacturers Group). WS
ród członków or-
Rys. 2. Obudowa CPCI typu MIC-3041 produkcji Advantech. Po prawej stronie widoczne są
wsuwki zasilacza redundantnego
ZAKRER
L 14
33
KWiECiEŃ 2003
TECHNiKA AUTOMATYKA
turowe i subminiaturowe moduły w standar-
dzie PC/104 oraz komputery  ciasteczkowe .
Rozwiązania  platerowe z kartami pro-
cesorowymi zapewniają elastycznoS
ć  moż-
liwoS
ć montowania dużej iloS
ci standardo-
wych kart rozszerzeń, wykorzystujących ma-
gistralę PCI lub ISA. Podstawowe cechy roz-
wiązania to:
dostosowanie do pracy w trudnych wa-
runkach otoczenia  odpornoS
ć na wib-
racje i zakłócenia,
możliwoS
ć montażu typowych kart roz-
szerzeń,
zastosowanie standardowych rozwiązań,
wykorzystywanych w komputerach PC,
ułatwiony serwis,
długi  czas życia poszczególnych ele-
mentów systemu.
Dzięki uznaniu standardu przez wielu
producentów komputerów przemysłowych,
dostępna jest bardzo szeroka gama kart
procesorowych, platerów i obudów. Daje
to w efekcie rozwiązanie charakteryzują-
ce się dużą elastycznoS
cią, a jednoczeS
nie,
Rys. 3.  Plater z zamontowaną kartą procesorową
dzięki zastosowaniu typowych rozwiązań
układowych ze standardowych kompute-
ganizacji są takie firmy jak: Intel, rów PC, pozwala na wygodne
Hewlet-Packard, IBM, Motorola, Sie- wytwarzanie aplikacji.
Z punktu widzenia interfejsu standard
mens, SUN. CPCI jako podstawową Dostępne karty procesorowe
PC/104 stanowi zmodyfikowaną magistralę
magistralę komunikacyjną wykorzys- wyposażone są w procesory
ISA o zredukowanym poborze mocy
tuje popularną magistralę PCI, stoso- o różnej mocy obliczeniowej 
waną w komputerach PC i stacjach od procesorów czwartej gene-
roboczych. Dzięki zastosowaniu po- racji po najnowsze Pentium IV.
pularnego PCI, rozwiązania CPCI są Jako układy sterujące stosowa-
tańsze od systemów opartych o magistralę daryzowanych kaset. Karty mogą być ne są typowe rozwiązania produkcji firm
VME, stosowanych od wielu lat w prze- umieszczane poziomo lub pionowo w ka- Intel czy SIS. Karty procesorowe wyposa-
myS
le. CzęstotliwoS
ć pracy magistrali PCI setach o różnej liczbie gniazd, różnych roz- żone są zwykle w kilka interfejsów komu-
to 66MHz, zaS
maksymalna przepustowoS
ć wiązaniach układów zasilania i chłodzenia nikacyjnych  co najmniej jeden interfejs
133Mbit/s. Najnowsza specyfikacja CPCI (układy z redundancją). Kasety w formacie sieci Ethernet (10/100 Mbps lub gigabito-
wykorzystuje 64 bitowy PCI-X, zapewnia- 19 posiadają po osiem złącz w jednym seg- wy), szeregowy RS-232C/RS-422, równo-
jący transfer z szybkoS
cią powyżej mencie dla kart procesorowych, jednak po- legły Centronics, interfejsy dla pamięci ma-
1Gbit/s i pozwala na wymianę kart bez wy- przez dodanie dodatkowego mostka PCI- sowych IDE, SCSI i układy grafiki.
łączania zasilania. -PCI można łatwo zwiększyć ich liczbę do
Od strony mechanicznej CPCI nawiązu- 24. Charakteryzują się różnymi ga-
je do standardu Eurokarty i VME. Poszcze- barytami i wagą  wysokoS
ci od
gólne moduły w postaci kart o wymiarach 1U (1 karta) do 12U.
zgodnych ze standardem Eurokarty i o wy- Karty procesorowe stosowane
sokoS
ciach 3 lub 6U są wkładane do stan- w Compact PCI wyposażone są
w procesory różnych producentów.
Spotykane są zarówno procesory
o modelach programowych typu RISC
(np. ARM, Power PC, MIPS), jak i CISC
(Intel IA32, Motorola 68K). Wybór proce-
sora uzależniony jest przede wszystkim od
Rys. 4. Chassis dla kart procesorowych 
specyfiki aplikacji wbudowanej oraz jej za-
idealne rozwiązanie do wbudowania w maszynę
potrzebowania na moc obliczeniową.
Systemy CPCI są wydajne, elastyczne
i niezawodne, jednak charakteryzują się wy- Obudowy komputerów platerowych wys-
soką ceną, znacznymi gabarytami i wagą, tępują w formie modułów 19 montowa-
co czyni je nieprzydatnymi w aplikacjach, nych w stojaku, szafie lub są przystosowa-
gdzie istotne są małe rozmiary i niski koszt ne do powieszenia na S
cianie. Występują
systemu. także jako moduły do wbudowania tzw.
chassis (rys. 4). Dzięki zastosowaniu wie-
Komputery  platerowe losekcyjnych platerów możliwe jest zabu-
Dla tańszych aplikacji wbudowanych dowanie do 4 jednostek procesorowych
właS
ciwym rozwiązaniem są komputery bu- w jednej obudowie, które mogą pracować
dowane przy wykorzystaniu pasywnych pla- w układzie redundantnym lub niezależnie.
terów oraz kart procesorowych lub minia- Niezwykła elastycznoS
ć tego rozwiązania
ZAKRER
L 57
34
KWiECiEŃ 2003
AUTOMATYKA
Rys. 5. Po lewej  konstrukcja kanapkowa, po prawej moduł procesorowy PC/104 firmy
Microsys. Widoczne są złącza ISA (czarne z lewej strony) i PCI (białe z prawej strony)
powoduje, że komputery te znakomicie do uzyskania dzięki zastosowaniu energo-
sprawdzają się w stacjonarnych systemach oszczędnych procesorów zgodnych z mo-
wbudowanych, gdzie nie ma ostrych wy- delem programowym IA32. Jednym z częS
-
magań co do gabarytów i pobieranej mo- ciej stosowanych procesorów jest NS Ge-
cy, natomiast potrzebny jest system sto- ode 300MHz. Parametry przykładowego
sunkowo niedrogi, o dużych możliwoS
- modułu wykorzystującego ten procesor
ciach obliczeniowych, pozwalający na (Advantech, PCM-3350) są następujące:
łatwe serwisowanie i rozbudowę. Bardzo procesor klasy Pentium: NS Geode 300
często istotnymi parametrami systemu MHz  zredukowany pobór mocy (pra-
wbudowanego są małe gabaryty, waga i po- ca bez wentylatora),
bór mocy. Dla tej klasy systemów wbu- układ sterujący (chipset) NS CS 5530A,
dowanych zaprojektowano platformy układ graficzny (zintegrowany z proce-
sprzętowe w standardzie PC/104. sorem): CS 5530A, sterowanie matry-
cą TFT 18bit,
Komputery PC/104 pamięć RAM: SODIMM SDRAM do
Standard PC/104 został zdefiniowany 128 MB,
w 1992 roku i okreS
la zarówno paramet- interfejs sieci Ethernet 10/100 Mbps: In-
ry elektryczne, jak i mechaniczne stoso- tel 82559,
wanych modułów. Z punktu widzenia in- zakres temperatur pracy: 0-60�C,
terfejsu standard PC/104 stanowi zmody- interfejsy komunikacyjne: 2 x USB, 2 x
fikowaną magistralę ISA o zredukowanym RS-232C/RS-485,
poborze mocy. Nazwa standardu  pocho- interfejsy pamięci masowej: IDE 44pin,
dzi od liczby styków na złączu modułu  FDD, Compact Flash (CFC).
104 styki. Wszystkie moduły mają S
ciS
le Moduły procesorowe PC/104 wyposażo-
okreS
lone gabaryty (90 x 96mm). Łączy ne są zazwyczaj w interfejs Compact Flash,
się je w samonoS
ną  konstrukcję kanap- który pozwala wyeliminować mechanicz-
kową , która charakteryzuje się dużą wy- ny dysk twardy IDE i zastąpić go dyskiem
trzymałoS
cią mechaniczną. Dzięki specjal- typu FLASH. Dzięki temu system staje się
nej konstrukcji złącza o długich stykach znacznie bardziej odporny na wibracje
i zastosowaniu tulei spinających moduły, i niezawodny. JednoczeS
nie zmniejsza się
wyeliminowano potrzebę stosowania do- pobór mocy ze x
ródła zasilania.
datkowych konstrukcji, przytrzymujących Warto zwrócić także uwagę na warun-
jednostkę procesorową i karty rozszerzeń. ki S
rodowiskowe, jakim musi sprostać sys-
W 1996 roku powstała kolejna wersja tem wbudowany. Często zachodzi koniecz-
PC/104 nazwana PC/104+, wyposażona noS
ć zapewnienia poprawnej pracy w roz-
w dwie magistrale ISA i PCI (33/66 MHz). szerzonym zakresie temperatur. Niektórzy
Zastosowanie PCI, zapewniającej dużo producenci oferują moduły zdolne do pra-
większą przepływnoS
ć, pozwoliło na sto- cy w zakresie temperatur od  40�C do
sowanie urządzeń o dużo większych wy- +120�C. Moduły PC/104 dzięki małym ga-
maganiach magistralowych, takich jak na barytom, odpornej mechanicznie kon-
przykład karty akwizycji obrazów, stoso- strukcji i zredukowanemu poborowi mo-
wane w robotyce i medycynie. cy znajdują zastosowanie w wielu syste-
Oprócz standardu magistrali, PC/104 ok- mach wbudowanych, zarówno przenoS
-
reS
la również maksymalną moc pobiera- nych, jak i stacjonarnych.
ną przez każdy z modułów interfejsowych. Paweł Pisarczyk, Rafał Jurkiewicz,
Maksymalna moc modułu interfejsowego Michał Sadowski
została okreS
lona jako 2W, natomiast dos-
tępne moduły procesorowe pobierają moc Dokończenie tekstu
nieprzekraczającą 7,5W. Jest to możliwe opublikujemy za miesiąc.
KWiECiEŃ 2003