Стивен Барретт - Встраиваемые системы. Проектирование приложений на микроконтроллерах семейства 68HC12/HCS12 с применением языка С

Рис. 1.1.Области применения встраиваемых систем

Встраиваемые системы существенно отличаются от компьютеров общего применения. В данном параграфе мы обсудим специфические проблемы, которые должны быть решены разработчиком встраиваемой системы на начальном этапе проектирования.

Когда мы говорим, что встраиваемая система должна работать в реальном масштабе времени, мы подразумеваем, что система должна производить определенные вычисления за строго определенные временные интервалы. Если система не может произвести необходимые вычисления за отведенный временной интервал, то в лучшем случае объект ее управления будет работать с низкими техническими характеристиками, а в худшем случае будет создана аварийная ситуация. Используя термин «вычисления в реальном времени», мы имеем в виду, что интервал времени, предоставляемый для этих вычислений, ограничен. При этом его численное значение определяется конкретной задачей и может существенно различаться для разных систем. Например, система антиблокировки колес автомобиля должна опросить датчики состояния каждого из четырех колес (колесо скользит или катится) и выработать необходимые сигналы для приводов тормозов в течение нескольких миллисекунд. О такой задаче мы говорим, что она исполняется в реальном времени. Другой пример — система GPS навигации автомобиля, которая должна обновлять карту на дисплее в кабине водителя за несколько секунд. Это тоже будет система реального времени. Однако вычислительную систему, которая рассчитывает оптимальные коэффициенты сложного цифрового фильтра в течение трех часов, мы не называем системой реального времени, поскольку время ее исполнения важно, но не критично для пользователя.

Познакомившись с терминологией, давайте обсудим, какой должна быть встраиваемая система для того, чтобы успешно работать в реальном времени. Во–первых, система должна быть разработана таким образом, чтобы необходимый цикл вычислений укладывался в отведенный временной интервал. Для этого необходимо выбрать соответствующую вычислительную производительность микроконтроллера, разработать эффективный по быстродействию алгоритм, разработать схемы интерфейсов с минимально возможными задержками в передаче сигналов. Во–вторых, встраиваемая система должна обладать устойчивостью по отношению к внешним данным. Допустим, для формирования результата система должна получать данные извне. А эти данные не пришли вовремя. Тогда система не может выдать необходимый результат в требуемый момент времени, однако она не должна «зависнуть». Она должна продолжить поставлять результаты в реальном времени, но в ином, возможно сокращенном виде.

В противоположность системам реального времени компьютеры общего назначения не имеют жесткого ограничения по времени выполнения программы. Долгое ожидание завершения расчетов может расстроить пользователя, но не приведет к заметным негативным последствиям. А вот если встроенная в медицинское оборудование система не выполнит задачу за отведенный для нее срок, то это может закончиться в некоторых случаях и смертельным исходом. Поэтому организация работы встраиваемых систем в реальном времени является одной из основных проблем проектирования.

Многие современные системы должны встраиваться в достаточно миниатюрные устройства, такие как мобильный телефон, пульт управления телевизором, датчик расхода воды и т.д. Очень часто геометрия печатной платы системы определяется корпусом того устройства, для которого она предназначается. Поэтому миниатюризация исполнения – одна из проблем разработчика современных встраиваемых систем.

Другая важная проблема — учет на начальной стадии разработки способов тестирования готового изделия, как на этапе разработки, так и на этапе производства. Большинство встраиваемых систем должны иметь внутренние тестовые программы, которые позволяют быстро и с большой степенью достоверности убедиться в работоспособности программы управления.

Разработчики компьютеров общего назначения (за исключением ноутбуков) уделяют значительно меньше внимания вопросам энергопотребления устройства, нежели разработчики встраиваемых систем. Дело в том, что, во–первых, персональные компьютеры питаются от централизованной сети, которая не накладывает существенных ограничений на энергию потребления, и, во–вторых, объем корпуса персонального компьютера достаточно велик для размещения в нем устройства принудительного охлаждения. В противоположность компьютерам общего назначения, современные встраиваемые системы должны работать в условиях резкого ограничения потребляемой энергии, поскольку число встраиваемых систем с автономным питанием непрерывно возрастает. К тому же пользователи предъявляют все большие требования к миниатюризации систем. Вспомните современный мобильный телефон, карманный электронный органайзер, CD–плеер.