Strona korzysta z plików cookies w celu realizacji usług i zgodnie z Polityką Plików Cookies.



05.09.2022

Łatwiejsza migracja do chmur

Commvault i Oracle rozszerzyły partnerską współpracę i wspólnie oferują rozwiązanie...
01.09.2022

Badanie sieci

QNAP ogłosił wprowadzenie oprogramowania ADRA Network Detection and Response (NDR) dla...
01.09.2022

5G w Polsce

Z badania Kearney 5G Readiness Index 2022 wynika, że Polska jest jednym z najgorzej...
01.09.2022

Zarządzanie działaniami

Fortinet zaprezentował chmurową usługę, która koreluje informacje dotyczące...
01.09.2022

Selektywna rejestracja

Naukowcy z UCLA przedstawili projekt inteligentnej kamery, która pozwala wybrać, jaki...
01.09.2022

Więcej mocy, komputer...

Profesjonalny komputer Dell Precision 7865 Tower z AMD Ryzen Threadripper PRO 5000...
01.09.2022

Rekord prędkości

Firma Aorus zapowiada superszybki dysk, następcę modelu Gen4 7000s SSD, który ma oferować...
01.09.2022

Beprzewodowe drukowanie

Firma Brother wprowadziła do swojego portfolio nowe urządzenie wielofunkcyjne z systemem...
01.09.2022

Obraz dobrze zaprogramowany

Monitor interaktywny Lyra to połączenie Androida 11, szyby antybakteryjnej, wbudowanego...

Systemy i komputery embedded

Data publikacji: 01-09-2022 Autor: Marcin Bieńkowski

System lub komputer klasy embedded to maszyna zbudowana z odpowiednio dobranych komponentów sprzętowych i z zainstalowanym oprogramowaniem, przygotowanym pod kątem określonej aplikacji. Maszyna taka odpowiada za realizację funkcji urządzenia, w które jest wbudowana, oraz sposób komunikacji z użytkownikiem i światem zewnętrznym.

 

Systemy klasy embedded to najczęściej maszyny realizujące zadania na pograniczu komputerów do zastosowań biznesowych, przemysłowych i sieciowych, które pełnią ściśle określoną funkcję w ramach większego systemu: mechanicznego, informatyczno-telekomunikacyjnego lub elektronicznego. Komputer taki jest osadzony (stąd nazwa „embedded”) jako część składowa kompletnego urządzenia, którym steruje, albo pozwala mu na komunikację ze światem i użytkownikiem.


Tego typu rozwiązania coraz częściej spotyka się jako integralne elementy systemów automatyki przemysłowej i sterowania maszyn czy urządzeń, a także jako urządzenia realizujące konkretne funkcje w sprzęcie wykorzystywanym w usługach. Są np. w bankomatach czy paczkomatach, może to być komputer realizujący autoryzację w terminalu płatniczym w sklepie. Komputerem klasy embedded jest też komputer pokładowy w samochodzie czy układ sterujący w domowej stacji pogody.


System wbudowany musi spełniać określone wymagania dostosowane do zadań, jakie ma wykonywać. Najczęściej jest to maszyna zaprogramowana pod kątem ograniczonej liczby operacji i bardzo często nie musi cechować się większą uniwersalnością czy większą mocą obliczeniową. Dlatego wykorzystuje się tu mikrokontrolery lub procesory starszych generacji, a pamięć może być liczona w kilobajtach czy megabajtach, a niekoniecznie w gigabajtach jak w wypadku standardowych pecetów czy serwerów.


> Przykłady zastosowań


Systemy wbudowane mają najróżniejsze rozmiary. Mogą być niewielkie (np. w smartwatchach, odtwarzaczach MP3/MP4, terminalach płatniczych czy sprzęcie AGD) lub średniej wielkości (komputery sterujące maszynami, liniami przemysłowymi, robotami, systemem pokładowym w samochodzie, sterownikami sygnalizacji świetlnej). Ale mogą to też być zaawansowane urządzenia spotykane przy sterowaniu budynków, całych linii produkcyjnych samochodów autonomicznych lub w systemach obrazowania medycznego (tomografia, rezonans).


Komputery embedded często są podsystemem innych maszyn, takich jak awionika w samolotach czy pojazdach kosmicznych. Co więcej, duże instalacje przemysłowe, np. fabryki, rurociągi i linie energetyczne czy kolejowe, wykorzystują wiele niezależnych systemów wbudowanych, połączonych ze sobą w sieć. Również urządzenia Internetu Rzeczy i Przemysłowego Internetu Rzeczy to urządzenia wyposażone w różnej mocy i wielkości systemy klasy embedded. Są nimi również standardowo wykorzystywane w przemyśle wszelkiego rodzaju programowalne sterowniki logiczne PLC, komputery IPC, maszyny Box PC, komputery jednopłytkowe czy terminale HMI. Co ciekawe, za pierwszy komputer tej klasy uważa się wykorzystywany w amerykańskich misjach księżycowych astronawigacyjny Apollo Guidance Computer opracowany w 1965 r.

 

Systemy wbudowane obejmują więc zarówno systemy o niskiej złożoności, z pojedynczym układem mikrokontrolera, jak i rozbudowane komputery przemysłowe z wielordzeniowymi procesorami, urządzeniami peryferyjnymi i modułami komunikacji, które mogą znajdować się w szafach rack lub są rozproszone na dużych obszarach geograficznych i komunikują się ze sobą np. za pomocą telefonii 5G.


Złożoność tych systemów jest również zróżnicowana – począwszy od prostych systemów powszechnego użytku bazujących na mikrokontrolerach i komputerach jednopłytkowych małej mocy, a skończywszy na tych wieloprocesorowych, rozproszonych. Do komputerów klasy embedded zalicza się też coraz częściej maszyny klasy Edge AI, które pozwalają na implementację na liniach produkcyjnych czy w systemach urządzeń zastosować algorytmy sztucznej inteligencji, bez konieczności posiłkowania się mocą obliczeniową chmury.


Należy jednak jeszcze raz podkreślić, że systemy wbudowane służą do wykonywania określonych zadań. Nie są komputerami ogólnego przeznaczenia, tak jak klasyczny pecet. W zależności od zastosowań niektóre z nich mają ograniczenia w wydajności czy w możliwości wykonywania zadań w czasie rzeczywistym – co pozwala na zmniejszenie kosztów. Inne będą zaś miały możliwości superkomputerów, np. maszyny klasy Edge AI, ale w ściśle ukierunkowanych zastosowaniach.


> Tajniki konstrukcji


Kolejną cechą wyróżniającą systemy wbudowane jest jakość przygotowanego do ich obsługi oprogramowania i zastosowanych komponentów sprzętowych. W przypadku zastosowań przemysłowych lub krytycznych muszą być też w pełni przetestowane i charakteryzować się stabilną pracą. Jakiekolwiek błędy – w oprogramowaniu czy wynikające z użytych komponentów – mogą mieć katastrofalne skutki.

 

Na konstrukcję systemu wbudowanego składa się zarówno dedykowana warstwa sprzętowa, jak i odpowiednie oprogramowanie w obszarze systemowym i aplikacyjnym. Warstwa systemowa tworzy środowisko wykonywalne dla aplikacji działających na urządzeniu i, w zależności od obszaru zastosowań, może mieć różny stopień skomplikowania. W przypadku prostych systemów klasy embedded o zamkniętej, nieskalowalnej architekturze warstwa systemowa często nie jest w ogóle wyodrębniona i stanowi zintegrowaną z zasadniczym programem część uruchomieniową.


Z kolei zaawansowane systemy, przeznaczone dla medycyny, lotnictwa, energetyki, kolejnictwa, systemów autonomicznych czy robotyki i automatyki przemysłowej, wykorzystują zaawansowane systemy operacyjne lub biblioteki, które zawierają mechanizmy i funkcje ułatwiające tworzenie aplikacji i testowanie systemu. Często rozwiązania te bazują na różnych wersjach i dystrybucjach systemu Linux, niemniej inżynierowie przygotowujący urządzenie muszą rozszerzyć tu warstwę systemową o sterowniki dedykowanych urządzeń. Nie obejdzie się tu też bez testów, zarówno warstwy systemowej, jak i przygotowanych aplikacji roboczych.

 

Tworzenie systemu wbudowanego wymaga przeanalizowania wymagań i opracowania odpowiedniej architektury. Złe decyzje projektowe pociągają za sobą konieczność modyfikacji całego systemu, a nie tylko oprogramowania. W wypadku systemów krytycznych pojawia się też problem bezpieczeństwa, rozumianego nie tylko jako cyberbezpieczeństwo, ale również jako odporność na awarie sprzętowe, zaburzenia elektromagnetyczne oraz błędy związane z niewłaściwym montażem, podłączeniem itp.


> Lista wymagań


Czynnikami wpływającymi na architekturę systemu wbudowanego są poziomy skomplikowania realizowanych przez niego zadań i obszar zastosowań. Zupełnie inne wymagania stawiane są przed systemami kontroli produkcji, a inne w wypadku urządzeń AGD. Te pierwsze powinny charakteryzować się dużą niezawodnością i odpornością na błędy, natomiast urządzenia powszechnego użytku muszą być przede wszystkim tanie i bezawaryjnie pracować przez założony przez konstruktorów czas związany z żywotnością urządzenia. Oznacza to, że ze względu na różnorodne wymagania i funkcje systemów wbudowanych nie jest możliwe zbudowanie jednej uniwersalnej platformy sprzętowej do wszystkich zastosowań. Najlepszym rozwiązaniem jest zaprojektowanie dedykowanego sprzętu na potrzeby konkretnej aplikacji, jednak takie postępowanie nie ma w większości wypadków uzasadnienia ekonomicznego i korzysta się z różnych gotowych rozwiązań, adaptując je, głównie na sposób programowy, do konkretnej aplikacji.


Warto podkreślić, że aby komputer klasy embedded mógł realizować swoje funkcje, musi być dostosowany do trudnych warunków panujących w fabrykach, liniach produkcyjnych, na zewnątrz
budynków, otwartym terenie lub we wnętrzu maszyny czy w komorze silnika autonomicznego pojazdu. W tych miejscach występują zapylenie lub drgania i wibracje, które są groźne dla standardowych komputerów. W nieogrzewanych pomieszczeniach lub na zewnątrz mogą być ujemne lub tropikalne temperatury, a nawet bardzo wysoka wilgotność.


System embedded musi również poradzić sobie z zakłóceniami elektromagnetycznymi oraz skokami napięć spowodowanymi np. włączaniem i wyłączaniem obrabiarek. Co więcej, komputery wbudowane pracujące np. w kopalniach węgla kamiennego muszą spełniać rygorystyczne normy bezpieczeństwa i wymagania europejskiej dyrektywy ATEX dotyczącej konstruowania urządzeń pracujących w strefach zagrożonych wybuchem.


W warunkach przemysłowych problemem bywa też wspomniana wilgoć, która dostając się z zewnątrz do wnętrza obudowy, może powodować zwarcia lub korozję podzespołów. Dlatego na rynku bardzo często spotykane są komputery klasy embedded zgodne ze specyfikacją IP67 lub IP68. Co ważne, w konstrukcji tego typu systemów unika się stosowania mechanicznych dysków twardych, które niemal w całości zastąpiono odpornymi na wstrząsy, elektronicznymi napędami SSD w postaci łatwych w montażu i wymianie modułów M.2.

 

[...]

 

Autor jest niezależnym dziennikarzem zajmującym się propagowaniem nauki i techniki.

Pełna treść artykułu jest dostępna w papierowym wydaniu pisma.

prenumerata Numer niedostępny Spis treści

.

Transmisje online zapewnia: StreamOnline

All rights reserved © 2019 Presscom / Miesięcznik \"IT Professional\"