Введение в RTOS и встраиваемые системы

Эту лекцию мы начнем с объяснения того, что такое система. Мы рассмотрим, как классифицируются системы и как они развивались на протяжении многих лет автоматизации. Затем обсудим, как электроника стала их частью и, как следствие, возникновение встраиваемых систем. После чего мы представим компоненты встраиваемой системы и объясним, как каждый из них вносит свой вклад в систему. Далее будут обсуждены типичные уровни встраиваемого программного обеспечения (ПО). В завершение лекции мы рассмотрим, что такое операционная система реального времени (RTOS) и как она может быть полезна в системе.

К концу этой лекции вы будете способны:

• понимать концепции инженерных и встраиваемых систем;
• определять аппаратные и программные компоненты встраиваемых систем;
• описывать уровни встраиваемого программного обеспечения;
• рассуждать о RTOS.

Презентация по лекции

Что такое система?

Система - это набор компонентов, собранных вместе для выполнения последовательности простых или сложных операций. Несколько систем могут также работать вместе, создавая более сложные системы.

За последние сто лет в ходе промышленного и технологического прогресса были разработаны различные типы систем. В целом их можно разделить на пять категорий.

1. Чисто механические (например, двигатель внутреннего сгорания).
2. Механические и электрические (например, традиционное заводское оборудование).
3. Механические, электрические и электронные (например, программируемые логические контроллеры, они же ПЛК).
4. Электромеханические с точным управлением (например, числовое программное управление, оно же ЧПУ).
5. Электромеханические и сетевые (например, автоматизированные заводы).

Встраиваемые системы (ВС) по праву должны называться встраиваемыми электронными системами, поскольку они в основном построены из электронных компонентов и используются для управления механическими или электромеханическими системами. Встраиваемые электронные системы чаще называют "встраиваемыми системами". В зависимости от сферы применения их можно разделить на следующие категории:

• общего назначения: созданы для решения различных задач и могут быть запрограммированы в соответствии с требованиями приложения;
• специального назначения: создаются для конкретных приложений и не могут быть легко использованы повторно для других;
• сетевые: позволяют объединять различные ВС в сеть для удовлетворения прикладных требований, например, для управления группой машин в унисон, как на современной производственной линии.

ВС также можно классифицировать на основе характера контроля, который они налагают на систему. Мы называем это системой управления (дополнительную информацию по этой теме можно посмотреть здесь). Системы управления обычно делятся на две отдельные группы.

1. Системы управления без обратной связи.

   Это системы, которые не учитывают вывод системы при определении последующих её операций. Такие системы обычно являются ручными или полуавтоматическими, где требуется определенное взаимодействие человека с системой.
2. Системы управления с обратной связью.

   Система способна получать обратную связь с выводом и компенсировать любые ошибки, обнаруженные в выводе. Эти типы систем обычно являются автоматическими и требуют очень мало или вообще не требуют вмешательства человека в течение своего рабочего цикла.

Ниже приведены некоторые примеры из множества областей, где широко используются встраиваемые системы:

• промышленность;
• медицина;
• автомобильная промышленность;
• оборона.

Изучение встраиваемых систем

Электронная встраиваемая система - это комбинация аппаратных и программных компонентов. Как упоминалось выше, эти системы стали называть просто встраиваемыми, отказавшись от части названия "электронная". Удаление части названия произошло от общего понимания того, что встраиваемые системы содержат значительное количество электроники. Во встраиваемых системах аппаратное и программное обеспечение работают вместе для реализации требуемой функциональности системы. В зависимости от вида применения количество аппаратного и программного обеспечения в системе может варьироваться.

Аппаратные компоненты

Аппаратные средства обычно представляют собой группу датчиков, соединенных вместе для сбора информации об окружающей среде и обмена ею с программными компонентами системы, которые обрабатывают эту информацию и предпринимают необходимые действия на её основе. Аппаратные компоненты могут также включать устройства ввода и вывода, чтобы получать ввод от пользователя, а также обмениваться с ним информацией. Ниже приведены некоторые специфические аппаратные компоненты встраиваемых систем.

• Печатная плата (printed circuit board, PCB).

  Печатная плата - это плата, которая удерживает электронные компоненты системы вместе; она также отвечает за обеспечение функциональности, такой как связь между электронными компонентами, механическая стабильность оборудования, стабильность сигнала и целостность сигнала.
• Электронные компоненты, установленные на печатной плате.

  Эти компоненты реализуют требуемую функциональность системы. Они работают согласованно для достижения требуемого потока управления и других функций системы.
• Система отображения.

  Она служит в качестве устройства вывода для отображения информации пользователю. Система отображения может варьироваться от набора небольших светодиодов до большого жидкокристаллического дисплея, который может отображать огромное количество информации.
• Устройства ввода.

  Устройства ввода, доступные во встраиваемых системах, обычно представляют собой небольшие клавиатуры или сенсорные экраны, которые позволяют пользователю подавать сигналы системе для получения ответа и управления поведением системы.
• Центральный контроллер.

  В дополнение к вышеперечисленным компонентам встраиваемые системы содержат центральный контроллер (микроконтроллер или микропроцессор), который функционирует как "мозг" системы и отвечает за её общее управление, реагирование на возникающие ошибки и настройку реакции системы в соответствии с пользовательскими настройками и пользовательским вводом.

Программные компоненты

Как и аппаратные компоненты, программные компоненты также должны работать сообща, чтобы обеспечить требуемую функциональность, ожидаемую пользователем. Программные компоненты работают на центральном контроллере. Программное обеспечение служит прослойкой между пользователем и машиной, которой он управляет. Ниже перечислены программные компоненты, обычно встречающиеся во встраиваемых системах.

• Программное обеспечение драйвера (или пакеты поддержки платы, BSP (board support packages)). Это самый нижний уровень программного компонента встраиваемой системы, который напрямую взаимодействует с аппаратным компонентом. Этот тип программного обеспечения также называют низкоуровневым драйвером, поскольку он отвечает за управление аппаратным обеспечением. Он взаимодействует с аппаратурой на уровне регистров и обычно написан на языке программирования C или на языке ассемблера. Как правило, эта часть программного компонента предоставляется производителем контроллера и никогда не изменяется.
• Промежуточное ПО. Программное обеспечение промежуточного уровня отвечает за взаимодействие между драйвером и более высоким прикладным уровнем программного компонента. Уровень промежуточного ПО является более абстрактным, чем уровень драйвера, и поэтому предоставляет пользователю больше контроля над поведением системы. Одним из ключевых компонентов промежуточного ПО является операционная система. Операционная система является своего рода "мозгом" программного компонента и отвечает за управление поведением системы в различных условиях эксплуатации. Она дает указания другим программным компонентам относительно того, какой компонент когда и как должен работать. В этом курсе мы рассмотрим, как ведет себя операционная система и как она управляет различными программными и аппаратными компонентами системы.
• Прикладное ПО. Прикладное программное обеспечение?-?это верхний уровень программного компонента, непосредственно взаимодействующий с пользователем. Этот тип программного обеспечения создан для удобства пользователя и призван обеспечить большую гибкость и практичность для пользователя. Этот уровень также взаимодействует с промежуточным программным обеспечением.

Типы операционных систем

В этом разделе мы поговорим об операционной системе, требованиях к ней и о том, какой тип следует использовать для конкретных приложений.

Основываясь на требованиях пользователя к выполнению задач, системы можно разделить на системы реального времени (real-time operating system) и общего назначения (non-real-time operating system).

Системы общего назначения

Системы, которые не обязаны отвечать на запрос пользователя в течение установленного времени, классифицируются как системы общего назначения.

Примерами таких систем являются персональные компьютеры. Получив запрос от пользователя (например, копирование файла из одного места в другое), система не обязана выполнить задание за определенный промежуток времени, поскольку это не критичная по времени задача.

Для таких систем достаточно операционной системы из семейств Windows или Linux. Кроме того, эти операционные системы требуют значительного объема памяти, который обычно недоступен для встраиваемых систем.