Calculele de astăzi sunt sisteme încorporate

„Până când Bill Gates a urcat pe scenă cu Windows, aceștia se alăturau deja în America, dar erau încă o majoritate dintre cei care nu înțelegeau importanța industriei software. Se pare că el însuși nu știa dinainte care va fi sfârșitul. … Revoluțiile vin cu paradoxuri și asta nu face excepție. … Nu mai aveți nevoie de nici un sens sau abilitate pentru a vă gestiona computerul și internetul, așa că atunci copilul nu va fi Bill Gates doar dacă își petrece viața în fața monitorului. ” [Tóta W. Árpád HVG 2015 Nr. 32].

Ce este, în prezent, forța motrice a dezvoltării?

Suntem înconjurați de tot mai multe instrumente informatice, dintre care majoritatea sunt încorporate în obiectele noastre de utilizare. Mai mult de 90% din toate cipurile nu sunt numite nici măcar procesoare. Acestea sunt microcontrolere, circuite ASIC și FPGA, elementele tehnice ale sistemelor încorporate care pot fi găsite în aparatele de uz casnic, precum și în mașini, mașini sau echipamente de producție din fabrică. Sistemele încorporate mențin contactul cu lumea exterioară prin intermediul senzorilor lor, realizându-și sarcina pe baza informațiilor din lumea exterioară, care pot fi observarea (măsurarea) mediului lor sau interferarea cu anumite proprietăți ale mediului lor (controlul).

Un sistem încorporat conține nu numai un cip inteligent, ci și componentele hardware necesare pentru operarea acestuia. Desigur, proiectarea hardware este simplificată, deoarece cea mai mare parte a muncii este realizată de cip. Nu este nevoie să proiectăm un circuit țintă pentru sarcini de calcul complexe, ci doar un program bun în microcontroler și suntem gata. Ei bine, nu este atât de simplu! Pentru ca un sistem încorporat să funcționeze bine, întregul circuit trebuie să fie fiabil. Gândiți-vă doar la o sursă de alimentare stabilă, la eliminarea diferitelor perturbări electromagnetice și de la rețea, la placa de circuite imprimate pregătite perfect, pregătite, la lipirea profesională a componentelor etc.

Când proiectați un sistem încorporat, trebuie mai întâi să decideți ce cip să utilizați. Odată ce am selectat cel mai potrivit și accesibil element hardware pentru sarcina dată, poate urma proiectarea circuitului. Fișele de date componente sunt de mare ajutor în proiectare, deoarece prezintă multe exemple tipice de aplicații care pot fi transferate în circuitul nostru fără aproape nicio modificare sau după o ușoară reproiectare. Nu trebuie să inventăm întotdeauna ceva nou pentru a crea bine.

Ce cip putem alege?

Cel mai eficient mod de a rezolva o sarcină complexă este de a utiliza un ASIC (Application Integrated Circuit). Aceste circuite integrate sunt concepute pentru a putea realiza o sarcină dată cu eficiență maximă. Ele pot include, de asemenea, circuite analogice și digitale. Marele lor dezavantaj este că sunt foarte scumpe de fabricat, deoarece necesită medii hardware și software speciale, astfel încât aplicația lor este rentabilă doar pentru produsele din seria mare.

Pentru numerele de lot mici, se recomandă FPGA. Proiectarea internă a circuitelor FPGA este determinată de dezvoltator. Folosind un limbaj de descriere hardware (de ex. VHDL), descrierea funcționării hardware-ului trebuie să fie dată într-o formă similară codului de program. Din program, compilatorul creează un fișier care, atunci când este încărcat în FPGA, stabilește conexiunea între componentele hardware interne. Aceste componente hardware interne se numesc blocuri logice, care sunt conectate la lumea exterioară prin intermediul blocurilor de intrare/ieșire. Un FPGA conține zeci de mii de blocuri logice care pot fi utilizate pentru a construi cu ușurință circuite digitale complexe. Marele avantaj al unui FPGA este că este de fapt capabil să ruleze fiecare proces în paralel, deoarece nu este un procesor central care controlează operațiunea care trebuie partajată de fiecare proces, ci circuitele pentru executarea proceselor. Există multe pachete software disponibile ca instrumente de dezvoltare software, dar compania Xilinx pentru a facilita dezvoltarea FPGA oferă un pachet software gratuit Xilinx ISE WebPACK instrumente de dezvoltare pentru aceasta.

Este important să menționăm așa-numitul soluții hibridet, care implementează periferice I/O reconfigurabile utilizând un FPGA și realizează execuție și comunicare rapidă cu un procesor, dar nu cu procesorul în sens tradițional. Acest procesor rulează un sistem de operare în timp real (RTOS) care este responsabil pentru îndeplinirea sarcinilor de calcul complexe, controlul, procesarea și implementarea protocoalelor de comunicații în sistemul nostru încorporat. Astfel de sisteme hibride sunt dispozitive RIO de la National Istruments (NI) care sunt potrivite pentru măsurători, achiziții de date și sarcini de control. Puteți utiliza instrumentul de dezvoltare grafică LabVIEW pentru a le programa.

Din cele descrise mai sus, este clar că aceasta nu mai este epoca computerelor bazate pe Neumann. Funcționarea rapidă, procesarea digitală a semnalelor analogice, funcționarea rapidă și fiabilă a comunicării, executarea instrucțiunilor paralele, consumul redus de energie, dimensiunea cea mai mică posibilă sunt toate cerințele care au depășit deja lumea computerelor.

PC-urile nu sunt încă în pericol de dispariție, dar au doar o mică parte din capacitățile de calcul disponibile în lume. Tehnologia computerelor este din ce în ce mai integrată în aplicații și dispozitive. Utilizarea lor este încă esențială astăzi pentru programarea sistemelor încorporate.