Введение во встроенные системы

Процессоры и программное обеспечение, используемые в новых конструкциях встроенных систем

Ежегодные обзоры разработчиков, работающих над новыми встроенными устройствами, выполняются несколькими популярными отраслевыми изданиями (Представленные данные содержатся в обзоре 2006 г. рынка встроенных устройств, выполненного EETimes и Embedded Systems Design Magazine, www.embedded.com). Интересно пронаблюдать за общими тенденциями, раскрытыми этими обзорами, и увидеть, какие типы новых встроенных систем разрабатываются в настоящее время. Рисунок 1.4 показывает разрядность процессоров, которые используются в настоящее время в новых разработках встроенных устройств. Как можно видеть, большинство текущих разработок сосредоточено вокруг 32-битных процессоров. Это не удивительно, так как с учетом продолжающегося развития технологии VLSI тенденция всегда была направлена в сторону использования во встроенных устройствах все более мощных процессоров. Программный код и приложения, выполняющиеся на новых встроенных устройствах, также продолжают усложняться и требуют все больше памяти.

Рис. 1.4. Разрядность процессоров, используемых в новых разработках встроенных устройств

Рисунок 1.5 показывает данные годовых продаж 32 и 64-битных микропроцессоров за 2002 г. Процессоры на основе ARM и X86 имеют самую большую долю рынка, а вслед за ними следуют несколько других RISC-процессоров, MIPS, SuperH, и PowerPC. Считается, что текущие данные должны быть похожими, но они недоступны публично. Процессоры ARM являются 32-битными RISC процессорами с низким энергопотреблением английской компании, ARM ltd (Advanced RISC Machines) http://www.arm.com/.

ARM не производит никаких микросхем процессоров, но получает прибыль от лицензирования своей разработки ARM IP производителям полупроводников, которые производят свои собственные версии процессора ARM. Разработка процессора ARM лицензирована более чем 100 производителям микросхем. ARM используется во многих устройствах, таких как сотовые телефоны, iPod Nano, фотокамеры, игровые приставки, HDTV, декодерах каналов кабельного ТВ. 80% процессоров ARM находится в сотовых телефонах. Хорошее соотношение производительность/энергопотребление делает его очень популярным выбором в устройствах, работающих со слабым источником питания и на батареях. Специальное подмножество инструкций ARM кодируется как 16-битные и распаковывается на лету в 32-битные инструкции. Он может переключаться из 16-битных в 32-битные инструкции на уровне подпрограмм. Это помогает уменьшить стоимость памяти в небольших устройствах.

Рис. 1.5. Данные готовых продаж 32 и 64-битных процессоров в 2002 г

Семейство процессоров X86 основывается на множестве инструкций Intel 80X86 CISC, которое используется в процессорах настольных ПК со средины 1980-х. Процессоры на основе X86 имеют достаточно низкую стоимость благодаря своему широкому применению в технологии ПК. Процессоры X86 и микросхемы поддержки доступны от множества поставщиков. В устройствах X86 доступен широкий диапазон значений отношения цена/производительность. Большинство процессоров X86 для настольных ПК были оптимизированы для производительности, а не для низкого потребления энергии. Основные поставщики процессоров настольных ПК (Intel, AMD) развивают новые конструкции и 64-битную архитектуры, но ряд других производителей делают теперь процессоры X86 для встроенных устройств.

Рис. 1.6. Число процессоров в каждом встроенном устройстве

Рисунок 1.6 показывает число процессоров в каждой новой конструкции встроенного устройства. Один или два процессора являются обычными в новых конструкциях встроенных продуктов. Многие современные сотовые телефоны имеют одновременно как процессор общего назначения, так и процессор DSP для обработки более высоких скоростей обмена, необходимых для коммуникационных задач и протоколов. Процессоры, используемые во встроенных системах, составляют 98 процентов продаж на рынке процессоров с ежегодным объемом пятьдесят миллиардов долларов (D. J. Jackson and P. Caspi, "Embedded systems education: future directions, initiatives, and cooperation," SIGBED Rev., vol. 2, no. 4, pp. 1–4, 2005 and J. Turley, The Two Percent Solution, Embedded Systems Programming, Dec. 2002.).

Рис. 1.7. Использование ядер ОС реального времени в новых встроенных конструкциях

Рисунок 1.7 показывает, что большинство новых встроенных устройств имеет операционную систему. В этих устройствах с операционной системой наиболее популярным выбором является готовая коммерческая операционная система. Несколько исследований и обзоров показали, что ОС с открытым исходным кодом сохраняют существующую или, возможно, даже теряют свою долю рынка. Одно из исследований указывает, что общая стоимость разработки продукта может в реальности быть выше для ОС с открытым исходным кодом, если будут включены время разработки, зарплата, и другие лицензионные отчисления. Одной из упоминаемых причин этого является зрелость продукта и легкость разработки, предоставляемая коммерческими операционными системами, доступными в настоящее время для встроенных устройств. Лицензии Open Source могут также требовать, чтобы производитель опубликовал исходный код устройства, и многие не хотят делать это, так как конкуренты могут использовать его для разработки аналогичных продуктов.

В обзоре коммерческих операционных в 2006 г. система Microsoft Embedded имела самую большую долю рынка, как видно на рисунке 1.8. Microsoft Embedded состоит из обоих систем, Windows Embedded XP и Windows Embedded CE. Затем идет VxWorks OS компании Wind River Systems. Symbian является ОС, которая широко используется в сотовых телефонах.

Рис. 1.8. Коммерческие операционные системы, используемые в новых встроенных разработках

Рисунок 1.9 показывает распределение ответов, которые дали разработчики на вопрос "какой язык вы используете для разработки встроенных систем". Семейство языков С очевидно используется в большинстве разработок встроенных систем. Для языка ассемблера ответы указывают, что около трети разработчиков встроенных систем все еще должны использовать язык ассемблера для некоторой небольшой части своих разработок.

Рис. 1.9. Языки программирования, используемые во встроенных устройствах

Отметим, что форма, в которой был поставлен вопрос в опросе, предполагает, что этот ответ не означает, что одна треть кода написана на языке ассемблера. Этот ответ означает скорее, что одна треть разработчиков все еще вынуждена использовать язык ассемблера в некоторых местах своей разработки. Другие обзоры указывают, что объем кода на языке ассемблера будет где-то меньше чем 5-10 процентов разработанного для новых встроенных устройств кода. Даже код ROM BIOS персонального компьютера, который является одним из последних бастионов языка ассемблера, в настоящее время преобразуется в С основными производителями ПК.

В заключение необходимо отметить, что большинство встроенных устройств используют достаточно мощные 32-битные процессоры. Большинство устройств достаточно сложные, так что требуют наличия операционной системы. В тех устройствах, которые имеют операционную систему, это будет, скорее всего, коммерческая операционная система. Большая часть работы по разработке для встроенных устройств в настоящее время выполняется с помощью языков семейства С. Язык ассемблера может все еще использоваться в небольшом количестве низкоуровневых процедур на некоторых устройствах, но его использование продолжает сокращаться.

В оставшейся части этого документа мы будем использовать Windows Embedded CE, одну из наиболее популярных коммерческих встроенных операционных систем реального времени, в примерах и лабораторных проектах на встроенной компьютерной системе eBox.