It3 4 2 3 2 1

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

Mélyfúrás

Beágyazott rendszerek

Hanák Pé[email protected]


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).


Mottó


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)


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.


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).


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).


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.


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


Tmote Sky


Tmote Sky

65,5×32mm2

65,5×32mm2

Moteiv, USA


Spec Mote egy MICA mote tetején

5mm2UC Berkeley, USA


Smart Dust Mote

UC Berkeley, USA


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.


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


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


ABB-gyártórobotok munka közben


EKG-eseményrekorder

• MSP 430• Bluetooth

Meditech Kft., HU


Wireless Pressure Measurement

Külső elektronika Beépített szenzor

CardioMEMS


Healthcare massage chair


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


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 ?


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.


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, ...


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, ...


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.


BR-t fokozottan használó ágazatok

FAST Study, 2005


BR aránya a végtermék költségében

FAST Study, 2005


BR aránya a végtermék értékében

FAST Study, 2005


Elektronika és BR piaci részesedése

FAST Study, 2005


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


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


A technológiaváltás akadályai

• A szoftvertechnológia jelentős elmaradása a hardvertechnológiához képest

• A nyílt szabványok hiánya

• A jól képzett szakemberek hiánya

• A fejlesztési technológia fejletlensége


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.


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


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


BR-trend: hw, sw, programozás


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)


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


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


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.• ...


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!


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

It3 4 2 3 2 1

Sports

Transcript of It3 4 2 3 2 1