NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 1Hanák Péter, BME VIK

Mélyfúrás

Beágyazott rendszerek

Hanák Péterhanak@inf.bme.hu

NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 2Hanák Péter, BME VIK

Tézis

• Mesterséges tárgyaink nagy részét beágyazott rendszerek működtetik.

• Beépített intelligenciájuk révén– autonóm módon kommunikálnak egymással,– reagálnak az ember, továbbá más élőlények és

más tárgyak jelenlétére.

• Elterjedésükkel minden iparágban– alapvető technológiaváltás megy végbe, melynek

előfeltételeként – technológiaváltás lesz a beágyazott rendszerek

tervezésében és megvalósításában (szabványok, szoftverfejlesztés, rendszerintegráció).

NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 3Hanák Péter, BME VIK

Mottó

NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 4Hanák Péter, BME VIK

MottóHa sok cseresznyepaprikát madzagra fűzünk, abból

lesz a paprikakoszorú.Ha viszont nem fűzzük fel őket, nem lesz belőlük

koszorú.Pedig a paprika ugyanannyi, éppoly piros, éppoly erős.

De mégse koszorú.Csak a madzag tenné? Nem a madzag teszi. Az a

madzag, mint tudjuk, mellékes, harmadrangú valami.Hát akkor mi?

Aki ezen elgondolkodik, s ügyel rá, hogy gondolatai ne kalandozzanak összevissza, hanem helyes irányban

haladjanak, nagy igazságoknak jöhet a nyomára.

Örkény: Az élet értelme (Egyperces novellák)

NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 5Hanák Péter, BME VIK

Beágyazott rendszer (BR)

Minden beágyazott rendszert program és processzor működtet, de …

… nem minden programozott és processzorral működtetett rendszer beágyazott rendszer.

A beágyazott rendszer processzoralapú, programvezérlésű elektronikus

eszköz, illetve ilyen eszközökből alkotott rendszer, az őt befogadó mesterséges tárgyat autonóm módon

működteti, befogadó fizikai / kémiai / biológiai környezetét

− érzékelők segítségével megfigyeli és− beavatkozók segítségével befolyásolja.

NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 6Hanák Péter, BME VIK

A BR meghatározó jellemzői

Korlátos erőforrások(energia, tárkapacitás, utasításkészlet, végrehajtási sebesség stb.)

Kis fizikai méret(a hordozó lemez mérete néhány mm2-től egy-kétszáz cm2-ig terjed),

Magas megbízhatósági és rendelkezésre állási követelmények(a hétköznapi infokommunikációs alkalmazásokhoz képest).

NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 7Hanák Péter, BME VIK

A BR tipikus hardver komponensei

• CPU (8-32 bit),• Programtár (Flash; 48 kB - 64 MB),• Adattár (RAM; 4 kB – 64 MB),• Érzékelők

(pl. hőmérséklet-, fény-, nedvesség-, hang-, mozgás-, távolság-, irány-, helyzetérzékelők, AD-konverter, továbbá nyomógombok és kapcsolók),

• Beavatkozószervek(pl. relé, kapcsoló, motor, DA-konverter, továbbá LED-ek és más kijelzők),

• Vezeték nélküli és vezetékes adatátviteli eszközök(pl. Bluetooth; WiFi, WiMAX, ZigBee; USB).

NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 8Hanák Péter, BME VIK

A BR tipikus szoftver komponensei

• Eszközvezérlő programok(device drivers),

• Speciális operációs rendszer(pl. eCos, TinyOS, Contiki, Embedded Windows, Embedded Linux),

• Futtatórendszer(run-time system, RTS),

• Alkalmazás.

NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 9Hanák Péter, BME VIK

A BR megjelenési formái

• Befogadó rendszerbe integrálva– a befogadó rendszer is elektronikus, pl.

elektronikus fogyasztási cikkek, elektronikus műszerek

• Önálló részegység– a befogadó rendszerhez, beépítve, jelátalakítókkal

csatlakozik, pl. jármű, háztartási gép, ipari robot

• Önálló eszköz (?)– off-line, on-line kapcsolatban a környezetével

• Fix kiépítésű vagy ad-hoc hálózat (?)– a fenti háromféle csomópontból álló hálózatok

NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 10Hanák Péter, BME VIK

Tmote Sky

NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 11Hanák Péter, BME VIK

Tmote Sky

65,5×32mm2

65,5×32mm2

Moteiv, USA

NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 12Hanák Péter, BME VIK

Spec Mote egy MICA mote tetején

5mm2UC Berkeley, USA

NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 13Hanák Péter, BME VIK

Smart Dust Mote

UC Berkeley, USA

NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 14Hanák Péter, BME VIK

Befogadó rendszer

• Befogadó rendszer = a beágyazott rendszer által működtetett tárgy

• Az azonos alapfunkciójú hagyományos tárgyhoz képest– gazdagabb funkcionalitású („intelligensebb”),– változtatható tulajdonságú,– képes alkalmazkodni a változó

körülményekhez és igényekhez,– programozott eszköz lévén: változtatható,

bővíthető funkcionalitású.

NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 15Hanák Péter, BME VIK

Példák befogadó rendszerekre

• Irodagépek• Elektronikus fogyasztási cikkek• Háztartási és ház körüli gépek• Járművek, közlekedésirányítási eszközök• Orvostechnikai berendezések• Szerszámgépek• Vezérléstechnikai eszközök• Jön: bútorok és más lakberendezési cikkek,

játékok, ruházati cikkek, gyógyszerek, ...• … és szinte minden más tárgy

NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 16Hanák Péter, BME VIK

Önállóan és hálózatba kötve

A befogadó rendszerek• köre és funkcionalitása („intelligenciája”)

gyors ütemben bővül már ma is,• de hálózatba, rendszerbe kapcsolásuk

mértéke csak lassan nő:– elősegíti: vezeték nélküli adatátvitel gyors

terjedése– hátráltatja: komplexitás mértéke,

szabványok és jogi szabályozás hiánya

NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 17Hanák Péter, BME VIK

ABB-gyártórobotok munka közben

NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 18Hanák Péter, BME VIK

EKG-eseményrekorder

• MSP 430• Bluetooth

Meditech Kft., HU

NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 19Hanák Péter, BME VIK

Wireless Pressure Measurement

Külső elektronika Beépített szenzor

CardioMEMS

NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 20Hanák Péter, BME VIK

Healthcare massage chair

NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 21Hanák Péter, BME VIK

Befogadó vs. beágyazott rendszer

Példa: mobiltelefon• Elkülönítendő benne is a

beágyazott és a befogadó rendszer

• Beágyazott része: a perifériák és kezelő programjuk

• Befogadó része: a telefonfunkció és más funkciók megvalósítása

NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 22Hanák Péter, BME VIK

Befogadó vs. beágyazott rendszer

• Benne is elkülönítendő a beágyazott és a befogadó rendszer!

• Beágyazott része: a perifériák és kezelő programjuk

• Befogadó része: egyszerű funkciók megvalósítása

Példa: mót

Beágyazott rendszer = vezérlő logika ?

NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 23Hanák Péter, BME VIK

Négy tipikus alkalmazási környezet

• Ipari rendszerek– repülőgép-, autó-, gép-, orvostechnikai ipar stb.

• Nomád környezetek– mozgásban lévő és változó emberek, tárgyak,

alkalmazások

• Magánterek– otthon, munkahely, szórakozóhely

• Nyilvános infrastruktúra– épület, repülőtér, közút, vasút, hálózatok (energia,

telefon, számítógép stb.) stb.

NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 24Hanák Péter, BME VIK

Elvárások e négy környezetben

• Ipari rendszerek– minőség, biztonság, megbízhatóság, ...

• Nomád környezetek– kis energiaigény, kis tömeg, akadálytalan rádiós

adatátviteli kapcsolat, ...

• Magánterek– kényelem, biztonság, rádiós és vezetékes

kapcsolat, érzékelők, beavatkozószervek, ...

• Nyilvános infrastruktúra– elérhetőség, rendelkezésre állás, biztonság, ...

NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 25Hanák Péter, BME VIK

A BR célja e négy környezetben

• Ipari rendszerek– érték-, hatékonyság- és termelékenységnövekedés

• Nomád környezetek– új munkaszervezési módok, növekvő

termelékenység, másfajta életmód, ...

• Magánterek– személyre szabható, adaptív megoldások,

autonóm felügyelet, életvitel támogatása, ...

• Nyilvános infrastruktúra– intelligens környezet, biztonság, kezelhetőség,

karbantartás, védelem, ...

NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 26Hanák Péter, BME VIK

A jelenlegi helyzet jellemzése

• 2000-ben 10 milliárd mikroprocesszor volt használatban, 98%-uk beágyazott rendszerekben.

• Az elektronikus komponensek – beleértve a kijelzőket, érzékelőket, félvezetőket is – piaci értéke 257 milliárd euró volt, ebből Európa, Amerika és Japán 19-19%, a ázsiai-csendes óceáni régió 43%-kal részesedett.

• A beágyazott rendszerek világpiacát 2004-ben 37 milliárd euróra becsülték.

NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 27Hanák Péter, BME VIK

BR-t fokozottan használó ágazatok

FAST Study, 2005

NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 28Hanák Péter, BME VIK

BR aránya a végtermék költségében

FAST Study, 2005

NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 29Hanák Péter, BME VIK

BR aránya a végtermék értékében

FAST Study, 2005

NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 30Hanák Péter, BME VIK

Elektronika és BR piaci részesedése

FAST Study, 2005

NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 31Hanák Péter, BME VIK

BR-ek fejlesztési sajátosságai

• korlátos erőforrások (ROM, RAM, órajel, energia)• speciális perifériák• egyidejű hardver-szoftver fejlesztés• programozás alacsony szintű nyelven (assembly, C)• eltérő programfejlesztési és célkörnyezet• speciális fejlesztőeszközök szükségessége• nehéz hozzáférés a kész rendszer komponenseihez• a beágyazott és a befogadó rendszer egyidejű ismerete• sokféle szakértelem megléte egyszerre: csoportmunka,

interdiszciplináris tudás, együttműködési képesség

NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 32Hanák Péter, BME VIK

Technológiaváltás mindenütt

• Bármely termék funkcionalitásának bővítésére beágyazott rendszer beépítése a megoldás

• Minden iparágra kiterjedő technológiaváltás van folyamatban – ha ennek nem is vagyunk tudatában

• Az információs társadalomnak nevezett jelenséghez képest túl kevés szó esik a „beágyazott forradalomról”

• Ez a technológiaváltás alapvetően átrendezi az ipari termelést és a hozzá kapcsolódó szolgáltatásokat

• A high-tech iparágak után a többi iparágat, beleértve a kisipart is, átformálja, de erre nincsenek felkészülve

• A mai BR-technológia speciális felkészültséget igényel, nem alkalmas laikus-használatra

NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 33Hanák Péter, BME VIK

A technológiaváltás akadályai

• A szoftvertechnológia jelentős elmaradása a hardvertechnológiához képest

• A nyílt szabványok hiánya

• A jól képzett szakemberek hiánya

• A fejlesztési technológia fejletlensége

NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 34Hanák Péter, BME VIK

BR-perspektívák számokban

• 2010-re a mikroprocesszorok száma 2000-hez képest megduplázódik, azaz minden emberre három mikroprocesszor jut a Földön.

• A beágyazott rendszerek világpiaca 2009-re 71 milliárd euróra nő, becsült növekedési üteme 2004 és 2009 között évi 14% lesz.

• A PC-piac növekedési üteme ennél jóval kisebb, kb. évi 8% lesz, ami azt jelenti, hogy a beágyazott rendszerek piaca lesz az elektronikai ipar fő hajtóereje.

• A beágyazott szoftver piaci értékének növekedését még a hardverénél is nagyobbra, évi 16%-ra taksálják 2004-től 2009-ig.

NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 35Hanák Péter, BME VIK

Kutatási kihívások

• Szoftver: kritikus szerepe van a beágyazott rendszerekben

• Architektúra: heterogén, dinamikusan változó hálózatba kötött alrendszerek

• Bonyolultság: tervezés, tesztelés, üzembehelyezés, üzemeltetés során egyaránt

• Hardver-szoftver egyidejű tervezése• Interdiszciplinaritás: elméleti és gyakorlati tudás,

kommunikáció, csoportmunka!• Sérülékenység: különösen a vezeték nélküli

kapcsolatok miatt

NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 36Hanák Péter, BME VIK

Kutatási célok

• referenciatervek: sokféle alkalmazási területen különféle beágyazott platformokra és szoftver környezetre

• köztes szoftverrétegek: a gyors alkalmazásfejlesztést lehetővé tevő, észrevehetetlen, akadálytalan kapcsolódás megvalósítására nyílt adatátviteli hálózatokban

• nyílt szabványok és együttműködési képesség

• informatikai és kommunikációs technológiák: a jövő beágyazott rendszereinek megalapozására

• szoftver eszközök és fejlesztői platformok: a gyors tervezés és prototípuskészítés támogatására

NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 37Hanák Péter, BME VIK

BR-trend: hw, sw, programozás

NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 38Hanák Péter, BME VIK

Várható fejlődési irányok

Szabványok plug&play eszközök, elektronikus adatlapok,

adatátviteli módok, adattartalmakArchitektúrák

heterogén, elosztott, lazán csatolt, dinamikusan változó, sok komponensű rendszerek

Kommunikáció jellemzően vezeték nélkül

Tervezési minták, referenciarendszerek lesznek (jelenleg nincsenek)

NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 39Hanák Péter, BME VIK

Várható fejlődési irányok

• Modellező és analizáló eszközök– lesznek (jelenleg zömmel kutatási fázisban)

• Programozási nyelvek– magas szintű nyelvek elterjednek

• Operációs rendszerek– nagyon kis eszközökön is, nyílt forráskóddal

• Fejlesztő platformok– nem informatikus- és villamosmérnök-specialisták

által is használható platformok megjelenése várható

NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 40Hanák Péter, BME VIK

Technológiai előfeltételek

• Energiaforrások: méret, ár, élettartam, megbízhatóság

• Szenzorhálózatok:olcsó mótok, rádiós kapcsolat fejlődése

• Mótok és nomád eszközök: méret, súly, energiaszükséglet

• Vezeték nélküli adatátvitel: észrevehetetlen kapcsolódás, csökkentett energiaszükséglet, szabványok

• Szoftvertechnológia: modellezés, analizálás, verifikáció, validáció, köztes szoftver, kódgenerálás stb.

• Újra használható kódok: programkönyvtárak

• Operációs rendszerek: nyílt, nagyon kis eszközökre is

• Fordítóprogramok: erőforráskorlátok figyelembe vétele

• Fejlesztőeszközök: nyílt, félprofik által is használható

NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 41Hanák Péter, BME VIK

BR-kutatás, fejlesztés, gyártás Mo-n

• BME EJJT• BME VIK• BMF NIK és KVK• BZAKA IKTI• SZTE SZFT• ME AUT• MTA SZTAKI• ...

• Elektronika Szövetk.• GE Magyaro. Zrt.• Hexium Kft.• Innomed Kft.• Meditech Kft.• MicRed Kft.• Robert Bosch Kft.• 77 Elektronika Kft.• ...

NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 42Hanák Péter, BME VIK

Következtetések

• A technológiaváltás folytatódik– az eddig nem elektronizált iparágakban is,– a kisiparban is,– és ennek kevéssé vagyunk tudatában!

• Absztrakciós szintek, szabványok kellenek• A költsége nagy még a nagyok számára is

– fejlettebb szoftvertechnológiára van szükség– közös fejlesztésű, nyílt forráskódú, félprofik

által használható fejlesztő platformok kellenek

• Oktatás, képzés minden szinten!

NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 43Hanák Péter, BME VIK

A technológiaváltás hatásai

• A használókra– átláthatóság csökken– funkcionalitás bővül– szolgáltatási

színvonal nő– bonyolultság nő– függőség nő– sérülékenység nő

• A gyártókra– bonyolultság nő– tudásigény változik– interdiszciplinaritás nő– belépési költség nő– át/továbbképzés kell– funkcióbővítés

könnyebbé válik