esys.ir »

Download Article News دانلود

دانلودها

    معرفی کلی سیستمهای Embedded و مزایای آنها در کاربردهای دانشگاهی و صنعتی

    (دانلود فایل PDF مقاله)

    سیستمهای کامپیوتری Embedded دسته ای عمومی از سیستمهای کامپیوتری هستند که در جریان تکامل فناوری کامپیوتر تا نزدیک حال حاضر مشخصه های زیر را داشته اند:

    1. توانایی پردازشی کم تا متوسط
    2. قیمت واحد پایین
    3. مصرف انرژی کم یا بسیار کم
    4. پیش بینی پذیری (predictability) منتج از سادگی
    5. قابلیت اطمینان (reliability) قابل توجه
    6. ورودیها، خروجیها، و منابع وقفه (interrupt source) متعدد

    ویژگیهای اخیر این سیستمها را برای گروهی از کاربردها بسیار مناسب ساخته است. از قبیل خودکارسازی در خودروها (car automation)، خودکارسازی در اماکن و تاسیسات (facilities automation)، کنترل و پایش (monitoring) صنعتی، ابزارهای علمی-فنی از فاصله یابهای دیجیتال تا انواع اسکوپ تا میکروسکوپها و تلسکوپها، و لوازم الکترونیکی مصرفی نیازمند تصمیم گیری مانند یخچالها، ماشینهای لباسشویی، اجاقها و بسیاری لوازم خانگی «هوشمند».

    تا زمانی نزدیک به پانزده سال پیش، یعنی میانه های دهه نود قرن بیستم میلادی، شکافی قابل توجه بین سیستمهای Embedded و انواع سیستمهای کامپیوتری دیگر وجود داشت. برای مثال در حالی که در عرصه کامپیوترهای تجاری و رومیزی معماری میکروپروسسوری x86 یا IA-32 اینتل بر بازار چیرگی داشت در حوزه سیستمهای Embedded معماریهای متعدد میکروکنترلری مانند Atmel AVR و Microchip PIC غالب بودند. معماریهای میکروکنترلری مذکور تمام مشخصات مورد نیاز سیستمهای Embedded را داشتند و دارند اما چندان برای کاربردهای خارج از محدوده های ذکر شده مناسب نیستند. برنامه ریزی و عیب یابی میکروکنترلرها کاری پر زحمت است که فرآیند تولید نرم افزار و به تبع آن فرآیند تولید محصول مبتنی بر مجموعه سخت افزار و نرم افزار را کند می کند. سازگاری این گونه سیستمها با بسترها، سیستمهای عامل، ابزارهای توسعه نرم افزار، و نرم افزارهای عام منظوره محدود است.

    در پی تغییرات ناگزیر فن آوری بالاخره دسته ای از سیستمها تولید شدند تا شکافی که پیشتر ذکرش رفت پر شود. این سیستمها هم ویژگیهای سیستمهای Embedded را دارند و هم به جهت قرابت با سیستمهای کامپیوتری عام منظوره فرآیند تولید نرم افزار را ساده تر می کنند. اضافه شدن واحد مدیریت حافظه (memory management, MMU) به معماریهای میکروکنترلری پیشین آنها را بسیار به معماریهای میکروپروسسوری نزدیک کرد. پرکاربردترین این سیستمها در حال حاضر هسته های معماری ARM هستند که با در اختیار داشتن بیش از نود درصد بازار پرفروش ترین گروه ریزپردازنده هایRISC و 32-بیتی نیز هستند. معماری SuperH نیز در این حوزه رقیبی نه چندان نیرومند برای ARM است. در حوزه خاص پردازش شبکه و ارتباطات راه دور معماری بسیار ساده شده MIPS رقیبی بسیار جدی برای ARM است به گونه ای که به جرأت می توان گفت اکثر تجهیزات الکترونیکی مخابراتی از خانگی، مانند مودمهای DSL، تا تجاری و صنعتی، مانند روترهای مرکزی (core router)، از گونه ای محصول مبتنی بر MIPS استفاده می کنند.

    معماری ARM در ابتدا هدف خود را رقابت در رایانش (computing) رومیزی و همه منظوره با معماری اینتل قرار داده بود. از این رو نخستین کامپیوترهای مبتنی بر آن کامپیوترهای شخصی رومیزی شرکت بریتانیایی Acorn بودند. این کامپیوترها به رغم موفقیت محدود قادر به جایگزینی معماری اینتل نشدند. اما میراث حاصل از فرآیند طراحی ARM(Advanced RISC Machine) و دارایی معنوی (intellectual property) مربوطه به دلیل اساس RISC و برتریهای متعدد بر معماری اینتل، به دلیل توجه به نقایص پیشین، راه خود به بازار Embedded باز کرد. امروز عمده ابزارهای محصول دوره جدید همگرایی (convergence) فناوری مخابراتی، شبکه های داده، و پردازش قابل حمل از هسته های پردازنده ARM در ترکیب با سکوهای ارتباطاتی استفاده می کنند. از این جمله می توان به انواع ابزارهای قابل حمل (handheld devices)، تلفنهای همراه «هوشمند» (smartphones)، کامپیوترهای لوحی (tablets)، و ابزارهای اینترنتی قابل حمل (mobile internet devices, MIDs) اشاره کرد.

    آنچه معمولاً برتری قابل توجهی به سیستمهای مبتنی بر ARM می دهد رویکرد تولیدکنندگان آنها به ساخت سیستمهای یکپارچه در یک چیپ (system-on-chip, SoC) است. این گونه سیستمها متشکل از یک هسته پردازنده عام منظوره، چندین کنترلر ورودی و خروجی، گاه مقادیری حافظه ، و گاه هسته های پردازنده خاص منظوره از قبیل هسته های DSP هستند. به عبارت دیگر مجموعه ای معادل یک پردازنده عادی رومیزی و تمام مداربندیهای پشتبیان آن از قبیل chipset در یک بسته بسیار سبک، ارزان، و کم مصرف گرد هم می آیند. از پرکاربردترین نمونه های SoC خانواده S3C تولید سامسونگ و خانواده Kirkwood تولید مارول هستند. البته هسته های خاص منظوره مستقل مانند خانواده IOP تولید اینتل همچنان کاربرد خود را حفظ کرده اند.

    توانایی پردازشی SoC های جدید تا جاییست که در کاربردهای خاص به راحتی امکان رقابت با کامپیوترهای رومیزی را با صرف کسر کوچکی از هزینه و انرژی برای کار معادل دارند. از سوی دیگر گسترش کاربرد آنها سبب شده است دامنه ابزارهای توسعه نرم افزار برای آنها کم کم به پایه وسعت ابزارهای موجود برای کامپیوترهای رومیزی برسد. بسیاری محدودیتهای معماریهای میکروکنترلری دیگر درباره این سیستمها صادق نیست و فاصله میان طراحی و تولید نرم افزار برای آنها بسیار کوتاهتر از پیش، حتی قابل مقایسه با نرم افزارهای تجاری معمول، شده است.

    در بحبوحه رقابت با ARM چند تولید کننده اصلی پردازنده های معماری x86 (32 یا 64-بیت) یعنی اینتل، AMD، و VIA نیز پردازنده ها یا SoC هایی مبتنی بر x86 و با هدف بازار Embedded تولید کرده اند. این محصولات اگرچه از بسیاری جهات توانایی رقابت با محصولات مبتنی بر ARM را ندارند برای برخی کاربردها مناسبترند. پردازنده Atom از اینتل، SoC های Geode از AMD، SoC های CoreFusion از VIA و پردازنده های کم مصرف Nano را می توان از این دسته نام برد.

    مزایای عمده سیستمهای ARM فعلی به طور خلاصه از قرار زیر هستند:

    • دسترسی آسان،
    • تنوع سیستمها برای انواع کاربرد،
    • قیمت پایین،
    • طیف وسیع توانایی پردازشی از 0.33 DMIPS/MHz تا 5 DMIPS/MHz،
    • طیف وسیع سرعت کلاک از8MHz تا  2GHz،
    • صرف توان پایین در حالت کاملاً فعال از چند ده میلی وات تا حداکثر دو وات،
    • امکان راه اندازی و استفاده از تمام امکانات سیستمهای عامل کاملی چون Linux و Windows CE
    • امکان راه اندازی و استفاده از سیستمهای عامل خاص منظوره مانند VxWorks، uC/OS-II، FreeRTOS، RTLinux، و QNX،
    • موجود بودن کامپایلرهای مناسب برای تمام بسترهای مورد استفاده در کاربردهای Embedded
    • امکان راه اندازی بسیاری از نرم افزارهای مورد استفاده در سیستمهای عامل شبه-UNIX، از قبیل Linux، بدون نیاز به تغییرات در متن نرم افزار،
    • تمام ویژگیهای کلیدی سیستمهای Embedded به ویژه اعتمادپذیری و پیش بینی پذیری که برای کاربردهای زمان واقعی (hard real-time) حیاتیند.

    در مقابل سیستمهای Embedded مبتنی بر x86 نیز مزایایی دارند:

    • قیمت ارزان
    • سازگاری کامل با سیستمهای عامل و نرم افزارهای موجود برای کامپیوترهای رومیزی
    • مصرف توان نسبتاً پایین از کمتر از یک تا ده وات
    • آمادگی برای راه اندازی سریع در محیطهای تجاری
    • آمادگی برای استفاده از سرمایه های نرم افزاری شرکتها در قالب استفاده مجدد
    • سازگاری با طیف وسیعی از سخت افزارهای موجود برای کامپیوترهای رومیزی
    • بی نیاز از سرمایه گذاری مجدد در بازآموزی منابع انسانی به جهت فراگیر بودن معماری