1

55

TEMATSKA CJELINATEMATSKA CJELINA

5.5.

Ugrađeni računarski sistemiVanr.prof.dr. Lejla Banjanović-Mehmedović

Izazov se zove ugrađeni sistemi... Digitalna informaciona tehnologija je totalnoDigitalna informaciona tehnologija je totalno

revolucionizirala svijet u kojem živimo! U svakodnevnom životu je duboko inkapsulirana

ekstenzivna digitalna infrastruktura. Kompjuteri su svakodnevni alat, duboko integrisan u sve pore socijalnih i biznis aktivnosti.

Mnogo značajnija, ali manje uočljiva i vidljiva je revolucija u domenu ugrađenih (embedded) i tsistema.

Ugrađena digitalna tehnologija je inkorporirana u sve vrste opreme i sistema, koji se koriste za uvećanje funkcionalnosti, kao i unapređenje operativnosti po nižim cijenama.

2

Ugrađeni sistemi Šta je zajedničko

bil i t l f imobilnim telefonima, industrijskim robotima, MP3 plejerima, kablovskom modemu , automobilima?

Ovo su primjeri proizvoda koji koriste ugrađene sisteme!ugrađene sisteme!

Ugrađeni sistemi su najčešće masovni proizvodi!

Primjene ugrađenih sistema

Od jednostavnih kućnih

Dojava alarma fiksnom telefonskom linijom

Dojava alarma SMS-om

Od jednostavnih kućnih aplikacija (uređaji koji imaju računarsko upravljanje kao što su mikrovalne pećnice koje imaju LED ili LCD ekran i tastaturu)

Sigurnosne brave

) digitalne kamere,

mobiteli, disk plejer, digitalni toplomjer, itd.

3

Primjene Ugrađenih sistema Svi uređaji kojima se Svi uređaji kojima se

upravlja daljinskimupravljačem

upravljanje zagrijavanjem, kondiciniranjem zraka

u proizvodnim j di i b ti i djedinicama u robotici do sistema proizvodne automatizacije i kontrolnih sistema

Primjene Ugrađenih sistema u medicini, djelimično u u ed c , dje č o u

dijagnostičkoj medicinskoj opremi, do inteligentnih uređaja koji se implementiraju u ljudsko tijelo

transport- moderni automobili imaju po barem jedan mikrokontroler, npr.j , pmikrokontroleri upravljaju motorom, ABS sistemkocenja, itd. pa do kamiona, vozova, letjelica...

4

Ugrađeni sistemi (eng. Embedded systems)

Definicija 1: Ugrađeni sistemi su računarski sistemi sa jako Definicija 1: Ugrađeni sistemi su računarski sistemi sa jako izraženom integracijom hardvera i softvera, prije svega namjenjeni da obavljaju specifične funkcije.

Definicija 2: Ugrađeni sistemi su računarsko bazirani sistemi ugrađeni u okviru drugog sistema, za koga obezbedjuju bolju funkcionalnost i performanse.

Definicija 3: Ugrađeni sistemi su sistemi specijalne namjene k d k jih j č t ti k li d tkod kojih je računar u potpunosti enkapsuliran od strane uredjaja koga on kontroliše. Nasuprot računaru opšte nemjene, kakav je personalni računar (PC mašina), ugrađeni sistem obavlja jedan ili veći broj unaprijed definisanih zadataka, obično sa veoma specifičnim zahtjevima.

Ugrađeni sistemi Evropa je svjetski lider Evropa je svjetski lider

u ugrađenoj tehnologiji za: Avioniku Automobilsku industriju Industriju Komunikacije Elektronsku industriju

90% svih kompjuterskih uređaja je u ugrađenim sistemima a ne u desktop sistemima!

5

Ugrađeni sistemi Tehnologija ugrađenih sistema je najbrži razvojniTehnologija ugrađenih sistema je najbrži razvojni

sektor u IT danas! Npr. ugrađena elektronika i softver učestvuju u 22%

industrijskih automatizovanih sistema, 41% korisničke elektronike, 33% medicinske opreme!

Zahvaljujući značajnom napretku u poluprovodničkoj tehnologiji, koja je bila vođena korisničkim zahtjevima za inovativnim proizvodima i servisima,

đ i i t i l i li d j d t ihugrađeni sistemi su evolvirali od jednostavnih jednoprocesorskih sistema u 1980-tim i ranim 1990-tim godinama do sofisticiranih multi-procesorskih sistema danas.

Razlike između ugrađenih sistema i mašina opšte namjene

1 Ugrađeni sistemi su namjenjeni da obavljaju specifične zadatke dok1. Ugrađeni sistemi su namjenjeni da obavljaju specifične zadatke dok se PC računari prvenstveno koriste kao računarske mašine opšte namjene.

2. Rad ugrađenih sistema podržan je od strane širokog dijapazona procesora i procesorskih arhitektura.

3. Ugrađeni sistemi treba da su jeftini. 4. Ugrađeni sistemi imaju ograničenja koja se odnose na rad u

realnom vremenu:realnom vremenu:1. vremensko osjetljiva ograničenja2. vremensko kritična ograničenja

5. Ako ugrađeni sistem koristi operativni sistem to obično mora biti RTOS (Real Time Operating System).

6

Razlike između embedded sistema i mašina opšte namjene

6. Implikacije softverskih grešaka su značajno ozbiljnije kod p j g j j jugrađenih sistema u odnosu na desktop sisteme.

7. Ugrađeni sistemi se u velikom broju slučajeva izrađuju kao baterijsko napajani uređaji pa zbog toga je imperativ da se oni izvode kao sistemi sa minimalnom potrošnjom.

8. Ugrađeni sistemi moraju da rade u ekstremnim ambijentnim uslovima.

9. Ugrađeni sistemi imaju daleko manji broj ugrađenih sistemskih resursa u poređenju sa desktop sistemima.Ugrađeni sistemi čuvaju sav svoj objektni kod u ROM u10. Ugrađeni sistemi čuvaju sav svoj objektni kod u ROM-u.

11. Ugrađeni sistemi zahtjevaju korištenje specijalnih sredstava i metoda za projektovanje.

Razvojna kros-platforma Softver za ugrađeni sistem se razvija na jednoj g j j j

platformi, a izvršava na drugoj. Host sistem je sistem na kome se ugrađeni softver

razvija. Ciljni (target) sistem je ugrađeni sistem koji se

razvija. U najvećem broju slučajeva, host i ciljni sistem nisu bazirani na istom procesoru.

Glavno softversko razvojno sredstvo koje čini j jrazvojnu kros-platformu mogućom predstavlja kros-kompajler. Kros-kompajler je kompajler koji se izvršava na jednom tipu procesorske arhitekture, a generiše objektni kod za drugi, različit tip procesorske arhitekture.

7

Softver ugrađenih sistema Embedded RTOS (Real Time Operating Sistem)Embedded RTOS (Real Time Operating Sistem)

Operativni sistem je specijalizirana kolekcija sistemskih programa koja upravlja fizičkim resursima računara.

Aplikacioni softver Aplikativni programi – su programi pisani za

rješavanje specifičnih problema (navigacija aviona, upravljanje kretanjem robota)p j j j )

While(1){

Embedded Program}

IC krugovi 3 tipa IC krugova srodnih mikrokontrolerima, koji se koriste u raznim3 tipa IC krugova srodnih mikrokontrolerima, koji se koriste u raznim

aplikacijama: mikroprocesori (μP) mikrokontroleri (μC) DSP (Digital Signal Processing)

Mikroprocesori su IC koji u sebi imaju CPU formiran kao procesor opšte namjene, te periferne jedinice odabrane tako da podržavaju primjenu procesora opšte namjene.

Mikrokontroleri su IC koji u sebi imaju CPU formiran kao siromašniji processor opšte namjene, te periferne jedinice koje su odabrane tako da pojednostavljuju primjenu u upravljackim aplikacijama te u radu uda pojednostavljuju primjenu u upravljackim aplikacijama, te u radu u realnom vremenu.

DSP su IC koji posjeduju CPU optimiziran za obradu digitalnih signala u realnom vremenu, te periferne jedinice podešene za upravljačke aplikacije, aplikacije u komunikacijama, aplikacije u akviziciji podataka, aplikacije kod obrade slike i zvuka i sl.

8

Osnove mikrokontrolera Mikrokontroler je elektronički uređaj koji, slično kao iMikrokontroler je elektronički uređaj koji, slično kao i

računar, ima zadaću da zamjeni čovjeka u kontroli dijela proizvodnog procesa ili gotovo cijelog proizvodnog procesa.

Mikrokontroleri su uglavnom dizajnirani za specifične zadaće, vrlo raznolike od slučaja do slučaja. Primjena ima mnogo, od jednostavne regulacije osvjetljenja, alarmnih sistema, pa do upravljanja robotima u industrijskim pogonimaindustrijskim pogonima.

Arhitekture mikrokontrolera Kao i mikroporocesori (CPU) i mikrokontroleri se klasificiraju kao p ( ) j

8,16, 32 ili 64 bitni što se odnosi na širinu internih registara i akumulatora.

8-bitni sistem obično podrazumijeva da se CPU konektuje na različite čipove preko 8 bitnih sabirnica.

Moć(brzina) mikrokontrolera: Izražava se u MIPS (miliona instrukcija u sekundi).

AVR 8 bitni ATmega max 16 MHz clock oscillator i budući da se većina instrukcija obavlja u jednom ciklusu clock-a MIPS je 16.

9

Hardware mikrokontrolera CPU CPU Interni clock ROM (engl. Read Only

Memory) RAM (engl. Read Access

Memory) Watchdog Tajmer I/O portovi A/D konvertor Serijski interfejs Paralelni interfejs

Clock oscillator (Sistemski sat)

Mikrokontroler izvršava program u tačno Mikrokontroler izvršava program u tačno određenim vremenskim taktovima.

Čim se mikrokontroler pokrene ovaj oscilator počinje sa radom.

10

Watchdog Za tačno izvršavanje programa mikrokontrolera brine se sigurnosni j p g g

sat (Watchdog). U sam mikrokontroler ugrađuje se jedan brojač koji se automatski

povećava za jedan poslije određenog broja mašinskih ciklusa. On starta od nule, poslije njegovog aktiviranja pa do maksimalne

vrijednosti koju može dostići korištena dužina brojača. Kada dostigne maksimanu vrijednost izvršit ce reset mikrokontrolera (automatski starta unutrašnji reset te će program započeti proceduru ispočetka).

Prilikom pisanja aplikacije, programer vodi računa o ovom brojaču, te izvrši njegovo resetovanje programski uvijek kada se programte izvrši njegovo resetovanje programski, uvijek kada se program završi do kraja, odnosno korektno. Ako se iz bilo kojeg razloga program zaglavi, on neće stići do kraja, te neće ni resetovati brojač.

Tajmer Brojači čiji se sadržaj mijenja u skladu sa takt impulsom kojeg j j j j j p j g

generiše sat (Clock) nazivaju se tajmerima. Brojanje kod tajmera može da starta od nule ili od neke druge

početne vrijednosti koja je programski upisana. Također, brojanje tajmera može ići u opadajućem smjeru, od neke maksimalne vrijednosti. Po dostizanju maksimalne (minimalne) vrijednosti tajmeri počinju brojati od početne vrijednosti.

Neki tajmeri kada dostignu svoju maksimalnu (minimalnu) vrijednost automatski generišu unutrašnji prekid, na osnovu kojeg se može realizirati neka upravljačka funkcija. ojeg se o e ea at e a up a jač a u c ja

Tajmeri se razlikuju po broju bita, pa tako imamo 8-bitne, 16-bitne, 32bitne itd., što određuje dužinu brojanja.

11

I/O portovi Ulazno/izlazni portovi predstavljaju dvosmjerne rastavne

k ji ć j CPU i if ih j di i k jstepene, koji omogućavaju vezu CPU-a i perifernih jedinica koje se dodaju kod specifičnih aplikacija.

To su u osnovi registri koji mogu prihvatiti podatak od vanjskog uređaja kada vrše funkciju ulaza ili od CPU-a (tada vrše funkciju izlaza). Upisani podatak se može pročitati i on ostaje prisutan u registru do upisivanja novog podatka ili isključenja napajanja.

Ulazno/izlaznom portu je moguce pristupiti kao grupi od 8 bita ili 16 bita, te pojedinačno svakom bitu.

Razlikuju se dva tipa ulazno/izlaznih portova: Razlikuju se dva tipa ulazno/izlaznih portova: oni koji prenose samo digitalne podatke; oni koji mogu da prenose digitalne podatke i/ili analogne signale.

Digitalni I/O port

Mikrokontroleri koriste digitalne I/O Mikrokontroleri koriste digitalne I/O komponente za razmjenu digitalnih podataka sa vanjskim svijetom.

Za razliku od serijskog porta koji podatke prenosi serijski bit po bit podaci naprenosi serijski bit po bit, podaci na digitalnom I/O portu se razmjenjuju kao bajti.

12

Analogni I/O port

Analogni ulaz se realizuje korištenjem analogno- Analogni ulaz se realizuje korištenjem analognodigitalnog konvertora (ADC).

Mikrokontroler može biti opremljen sa integrisanim ADC ili analognim komparatorom koji radi pod softverskom kontrolom i obavlja A/D konverziju.

ADC se koriste za prikupljanje podataka kao što su senzori temperature i pritiska koji daju analognesenzori temperature i pritiska koji daju analogne napone na svom izlazu.

U ovisnosti od izvedbe A/D konvertor se nalazi u čipu mikrokontrolera ili sa dodaje kao zaseban čip.

D/A konvertor

Analogni izlaz se ostvaruje korištenjem Analogni izlaz se ostvaruje korištenjemdigitalne/analogne konverzije (DAC).

DAC se koriste za upravljanje motorima,displejima, generisanje zvuka, muzike i sl.

13

Serijski interfejs

Serijski port: Koristi se za serijsku Serijski port: Koristi se za serijsku komunikaciju sa eksternim uređajima.

Zadatak interfejsa je da prevede: serijski podatak u paralelni kada mikrokontroler

prima podatke, paralelni podatak u serijski kad mikrokontroler

šalje podatke, t d t lj d tk ši i d d t i te da otpremljene podatke proširi sa dodatnim bitovima potrebnim za prenos.

Serijska komunikacija Dva osnovna tipa serijske komunikacije:

sinhrona i sinhrona i asinhrona komunikacija.

Kod sinhrone komunikacije u startu se šalju sinhronizacioni impulsi, a nakon toga informacija.

Kod asinhrone komunikacije prenosna linija drži se na logickoj jedinici, a svaki bit koji se šalje omeđen je sa START i STOP bitom (tj bitima) START je logička nula a STOP logička 1bitom (tj. bitima). START je logička nula, a STOP logička 1.

Frekvencija kojom se šalju ovi impulsi naziva se baud rate i njene uobičajene vrijednosti su: 1200, 2400, 4800, 9600 i 19200 Hz (bit/sec).

14

Programski jezici

Jezici za programiranje ugradjenih Jezici za programiranje ugradjenih računarskih sistema Asembleri C, C++, C# Java, Java++ Matlab

Dobre osobine C-a

C je dobro utvrdjen kao sistemski prog jezik C je dobro utvrdjen kao sistemski prog. jezik “sazrio” sa velikim brojem dokazanih kompajlera,

koji su raspoloživi mnogi soft. razvojni alati (editori, debageri i sl. )

razvijeni za C Proizveden veliki skup C biblioteka

15

C++ dominantan u svijetu mikroprocesora

Moćne metode za rad sa izuzecima Moćne metode za rad sa izuzecima Razvijene biblioteke funkcija za konkurentno

programiranje posebnih proizvođača Rapoloživost matematskih i opšte-namjenskih

biblioteka Raspoloživost na tržištu alata s bogatim okruženjem Alati za prevodjenje dizajna u programski dizajn at a p e odje je d aj a u p og a s d aj

jezika

Testiranje integracije hardwera i softwera

Razvoj i testiranjehardwera

Testiranje softwerainteraktivno u okiru

hosta i ciljnog sistema

Testiranje softveraunutar ciljnog

sistema

Razvoj i testiranjesoftvera u okviru

host sistema

Mikroprocesorski razvojni proces

16

Primjeri ugrađenih sistema

Boe-Bot: hardverska platforma Boe-Bot je mobilni robot firme

ParallaxM d l Modularan

Za njega postoji posebanprogramski jezik PBASIC na putu između asemblera i C

programskog jezika. Boe-Bot ima čvrstu a kvalitetnu

šasiju od aluminija Dobra platforma za servo motore i

štampanu ploču. Pogon: servo motori Senzori - Podržava veliki broj j

senzora infracrveni kontaktni „whiskers“ senzori Ultrazvučni (sonar) Video kamera Enkoderi...

Bluetooth i serijska komunikacija

17

“Mozak” BoeBot mobilnog robota Najvažniji dio:

mobilna štampana pločap p(Board Of Education) - nosiBASIC Stamp IImikrokontroler

BASIC Stamp je u stvari malaštampana ploča koja sadržiosnovne elementemikroprocesorskog sistema: Mikrokontroler

sadrži CPU, ugrađen ROMkoji sadrži BASIC interpreter

Memoriju (serijski EEPROM) Sat Radna brzina 20 MhzSat

obično u vidu keramičkogrezonatora

Napajanje Eksterne ulaze i izlaze

Radna brzina 20 Mhz

Brzina izvršavanja ~4.000 instr./s

RAM 32 B

EEPROM 2 kB

PBASIC naredbi 42

BASIC Stamp 2 BS2 je integralno kolo –

24-pin Dual Inline24 pin Dual Inline Package (DIP).

Baziran je na PIC 16C57 mikrokontroleru firme Microchip Inc.

BS2 se napaja sa 6-14V istosmjernim napajanjem.

Naponski regulator na BS2 pruža stabilan DC napon od 5V.

Serijski port za komunikacijukomunikaciju

BASIC Stamp 2

18

Boe-Bot sa infracrvenim senzorima

Boe-Bot sa ultrasoničnim senzorima i kamerom

19

Boe-Bot sa “brkovima”

Prikazujući binarne cifre pohranjene u P7 i P5 ulaz registara (IN7 i IN5) program pokazuje da li detektuje dodir sa brkovima.

Ako je vrijednost u ulaznom registru 1, brk nije naišao na prepreku, a ako je vrijednost 0 onda je naišao na prepreku.

Još neki primjeri robota kao ugrađenih sistema

20

Usporedba mikrokontrolerskih karakteristika ugrađenih mobilnih robotskih platformi

Parallax Boe-Bot EyeBot Kr-mega 32 Pioneer 3-DXPIC 16C57 mikrokontroler firme Microchip Inc.

32-bitni M68332 32-bitni Atmel 32-bitni Renesas SH2-7144

2KB EEPROM

30B RAM

512KB ROM (for system + user programs)

1-2MB RAM

32KB Flash mem.

1024 B EEPROM

2KB Internog SRAM

128 kB FLASH memorije

32 KB RAMa

po 1 serijski ulaz/izlaz

16 u/i pinova za opštu

1 paral. port

3 serij. porta

13 U/I digitalnih portova

8 Anal. Portova (kao ul.

4 RS-232 ser. porta (5 konektora)

2 8 bit bupotrebu 8 digitalnih ulaza

8 digitalnih izl.

16 U/I za Timing proc. jedinicu

8 analognih ulaza

ili kao digitalni U/I)

2 izalaza z amotore

2 servo priključka

2 8-bit bumpera /dig.ul.konektor. Hvataljka / I/O port sa8-bitnim digital I/O, analogni ulaz Motor/Power Board (drive system) interf. saPWM i 8-bit dig. ulazima

Robotski timovi

Multirobotski sistem –izbjegavanje prepreka, identifikacija robota i

komunikacija

Roboti za nadgledanje zgrada sa komunikacionim modulima

EATR roboti koji će se u budučnosti koristiti za nanotehnologiju