طراحی سیستم های تعبیه شده

طراحی سیستم های تعبیه شده

خلاصه

بیشتر سیستم های تعبیه شده محدودیت های طراحی متفاوتی نسبت به کاربردهای محاسباتی روزمره دارند. در میان طیف گوناگون این سیستم ها هیچ توصیف اختصاصی کاربرد ندارد. با وجود این،برخی ترکیبات فشار هزینه،احتیاجات بلادرنگ،ملزومات اعتبار،عدم کار فرهنگی؛ طراحی اجرای موفق روشها و ابزار طراحی محاسباتی سنتی را مشکل ساخته است. در بیشتر حالات سیستم های تعبیه شده برای دوره زندگی و عوامل تجاری بهینه سازی می شود تا حاصل کار محاسباتی بیشینه شود. امروزبسط طراحی کامپیوترهای تعبیه شده به طراحی جامع سیستم تعبیه شده حمایت ابزاری کمتری ارد. با وجود این،با آگاهی از نقاط ضعف و قوت رویکردهای جاری می توانیم توقعات را بدرستی بر گزینیم، مناطق خطر را مشخص نماییم و راه هایی که بتوانیم نیازهای صنعتی را برآورده کنیم،ارائه دهیم.               

 

 

1- مقدمه

های کوچکتر (4،8و16بیتی) CPU تعبیه شده، با  CPU درهر سال تقریبا 3 میلیارد

فروخته می شود. باوجود این بیشتر تحقیقات و توسعه ابزار به نظر می رسد که بر احتیاجات روزمره و محاسبات تعبیه شده فضایی/ نظامی تمرکز ارد. این مقال بدنبال این است که بحث هایی را به پیش بکشد تا بازه وسیعی از سیستم های تعبیه شده را دربرگیرد.                                                                                             

تنوع زیاد کاربردهای تعبیه شده ، تعمیم سازی را مشکل می سازد. با این وجود ،علاقه ای به کل ذامنه سیستم های تعبیه شده و طرح های سخت افزاری/ نرم افزاری هست.                                                                                                   

این مقاله بدنبال اینست که مناطق اصلی را که سیستم های تعبیه شده را از طرح های کامپیوتری روزمره سنتی متمایز می سازد معین می کند.                                   

مشاهدات این مقاله از تجارب نظامی و تجاری ،روش شناسی توسعه و حمایت دوره زندگی می آید.                                                                                        

تمام توصیفات تلویحا برای اشاره به حالات نمونه ،نماینده یا حدیثیفهمانده شده است. در حالیکه درک می شود که سیستم های تعبیه شده احتیاجات منحصربفرد خودشان را دارند. امید می رود که تعمیم سازی و مثال های ارائه شده در این مقاله پایه ای برای  و روش شناسی طرح بشمار آید.                           CAD بحث و تکامل ابزار های

 

2- مثال سیستم های تعبیه شده

شکل  1 یک نوع سازمان ممکن برای یک سیستم تعبیه شده را نشان می دهد.

  ،گوناگونی از میانجی ها وجود دارد تا سیستم را قادرCPUبه علاوه سلسله حافظه و

به سنجش ، اداره و تعامل با محیط خارجی کند. برخی از تفاوت ها با محاسبات روزمره را می توان اینگونه ذکر کرد:                                                          

● میانجی بشری می تواند به سادگی یک نور فلاش یا به پیچیدگی یک روبات همه کاره باشد.                                                                                                     

● پورت تشخیصی برای تشخیص سیستم کنترل شده نه تشخیص کامپیوتر استفاده می  شود.                                                                                                   

● زمینه برنامه نویسی همه منظوره ، خواص کاربرد ویا حتی سخت افزار غیر دیجیتال برای افزایش عملکرد و یا ایمنی استفاده می شود.                                    

● نرم افزار عمل ثابتی دارد و کاربرد خاصی می طلبد.

 

بعلاوه تاکید برتعامل با دنیای خارجی ، سیستم های تعبیه شده تابعیت خاصی به کاربرد هایشان ارائه می دهند.بجای اجرا صفحات گسترده و پردازشگرکلمه وتحلیل مهندسی سیستم های تعبیه شده عموما قانون های کنترلی را اجرا می کنندو همچنین الگوریتم های پردازش سیگنال . اینها اغلب باید شناسایی شوند و در مقابل کمبودهای محاسباتی و سیستم های الکترومکانیکی دوروبر واکنش دهند و قطعات کاربر میانجی را اداره کنند .                                                                                         

برای اینکه بحث عینی تر شو چهار سیستم را بعنوان مثال بحث می کنیم. هر مثال سیستمی واقعی در تولی جاری را به نمایش می گذارد. اما کمی برای نمایش مقطع عرضی کاربردها و حفاظت فواید ایره افقی تعمیم داده شده است.                          

این چهار مثال ، سیستم پردازش سیگنال،سیستم کنترل ماموریت بحرانی ، سیستم کنترل توزیع شده و سیستم کوچک مصرف کننده الکترونیکی هستند.سیستم های پردازش سیگنال و ماموریت بحرانی نماینده سیستم های تعبیه شده نظامی/ فضایی هستند. در حقیقت در طول زمان کاربردهای عمومی تجاری پیا می کنند.               

●با استفاده از این چهار مثال برای نشان ادن نقاط ،بخش های زیر مناطق و تفاوت نگرانی برای طراحی سیستم های تعبیه شده را نشان  می دهند: طرح کامپیوتر ،طرح سیستم- سطح، حفاظت چرخه زندگی ، حمایت مدل تجاری و تطابق فرهنگی طرح.

روش شناسی طرح محاسباتی روزمره و حمایت ابزار تا حد زیادی با طرح اولیه خود سیستم دیجیتال درگیر است. برای اطمینان طراحان با تجربه از دیگر جنبه ها با خبرند، اما با تاکید اخیربر طرح کمی بیرون از چرخه بهینه سازی گذاشته می شوند. با وجود این ، چنین رویکردی برای ایجاد سیستم های شده که بطور کارآمدی در بازار رقابت کنند ناکافی است. این به این دلیل است که در بسیاری حالات مطلب این نیست که آیا طرح چنین سیستم پیچیده ای عملی است یا نه، بلکه این است که چنین طرحی آیا می شود بهینه شود؟                                                                                  

از آنجائیکه ابزارهای طراحی دیجیتال ، طراحی کامپیوتری را کارآمد کرده است ، با مطالب مرکزی سروکار ندارند- سیستم های تعبیه شده درباره سیستم است نه کامپیوتر . در محاسبات روزمره ،طراحی اغلب بر ساخت سریعترین سی پی یو تمرکز دارد، از اینرو با بیشینه سرغت محاسباتی آنرا حمایت می کند.ر سیستم های تعبیه شده ترکیب میانجی های خارجی(حسگرها،محرک ها) و کنترل و یا ترتیب دهی الگوریتمها اهمیت اولیه دارد. سی پی یو راهی برای اداره این اعمال است.برای نشان دادن این نکته آزمایش زیر کمک می کند:                                                        

از یک اتاق پر از آدم بپرسید که از چه نوع سی پی یو در کامپیوتر های شخصی یا محل کارشان استفاده می کنند.دوباره از همان افراد بپرسید که چه سی پی یو را برای موتور کنترلی ماشین شان استفاده می کنند؟                                                    

در سیستم های تعبیه شده گرانتر ابزارهای استفاده شده برای کامپیوترهای بی ارزش هستند. با وجود این، بیشتر سیستم های تعبیه شده چه بزرگ و چه کوچک باید نیزهای اضافی که ماوراء حوزه ای است که با طرح اتوماسیون سروکار دارد را برآورده کند.این نیازهای اضافی به مقوله های پیش نیازهای طرح ویژه کامپیوتری، پیش نیازهای سطح سیستم ،مطالب حمایت چرخه زندگی ،سازگاری مدل تجاری و مطالب فرهنگی طرح تقسیم می شود.                                                                     

 

3- پیش نیازهای طراحی کامپیوتر

کامپیوترهای تعبیه شده عموما محدودیت محکمی هم بر عمل پذیری و هم اداره سازی دارند.بطور خاص، باید اینها عملیات واکنشی بلادرنگ نسبت به وقایع خارجی را گارانتی کنند، با محدودیت های وزن و اندازه مطابقت داشته باشند،و از نظر ایمنی تضمین شده باشند.                                                                                    

 

3-1- عملیات واکنش دار/ بلادرنگ

عملیات سیستم بلادرنگ بدین معناست که صحت محاسبات به زمان تحویل آن بستگی دارد.در بیشتر حالات طرح سیستم باید بدترین حالت عملکرد را در نظر بگیرد.در معماری های پیچیده پیش بینی بدترین حالت مشکل است و منجر به تخمین بدبینانه می شود. سیستمهای نمونه پردازش سیگنال و کنترل ماموریت پیش نیازهای مهمی برای عملیات بلادرنگ دارند تا ورودی/ خروجی و پیش نیازهای استحکام کنترل برآورده شود.                                                                                                    

محاسبات واکنش دار بدین معناست که نرم افزار در پاسخ به وقایع خارجی اجرا می شود.این وقایع ممکن است متفاوت باشند؛ در این حالت عملکرد گارانتی می شود. از طرف دیگر، بیشتر وقایع غیرمداوم هستند که بیشینه وقایع وروی باید جهت همسازی با بدترین شرایط تخمین زده شوند. بیشتر سیستم های تعبیه شده اجزای واکنشی دارند.

چالش طراحی :

      ●تجزیه و تحلیل های بدترین حالت طرح بدون بدبینی زیادی در صورت سخت افزار خصوصیات عملکرد آماری.                                                               

 

3-2- اندازه کوچک، وزن کم

بیشتر کامپیوترهای تعبیه شده بطور فیزیکی درون محصولات مصنوعی بزرگتری قرار دارند. از اینرو فرم آن بوسیله زیبایی شناسی تعیین می شود که قبلاًَ در نسخه های پیش الکترونیک موجود بودند یا با قطعات مکانیکی متناسب هستند. در سیستم های قابل حمل وزن از نظر اقتصادی و نیروی انسانی عامل مهمی است . در میان نمونه ها سیستم بحران مأموریت سایز و وزن دقیق تری نسبت به بقیه دارن و این بخاطر استفاده در وسایل حمل ونقل پروازی است اگر مثال محدودیتی از این نوع نشان می دهد.                                                                                                     

چالش طراحی :

    ● مقیاس غیر مسطح وغیر مثلثی.

    ● بسته بندی و یکپارچگی مدارهای دیجیتال وآنالوگ برای کاهش اندازه.

 

3-3- ایمنی و قابلیت اطمینان

برخی سیستم ها خطرات محرزی مرتبط با شکست دارند. در کاربرهای مأموریت بحرانی مثل کنترل پرواز هوایی صدمات حاد شخصی یا خسارات تجهیزاتی نقص یک کامپیوتر تعبیه شده است. بطور سنتی چنین سیستم هایی از کامپیوترهای چند افزونه یا پروتکل های اجماعی جهت اطمینان از عملیات مداوم پس از نقص تجهیزات استفاده می کنند.                                                                                                

با وجود این ، بیشتر سیستم های تعبیه شده که منجر به خسارات شخصی یا مالی می شوند ، نمی توانندهزینه اضافی افزونگی سخت افزار یا ظرفیت پرازش لازم برای فنون نقص یابی سنتی را تحمل کنند. این آسیب پذیری اغلب در سطوح سیستمی که بعداً بحث خواهد شد رفع می شود.                                                                 

چالش طراحی :

     ● قابلیت اطمینان کم هزینه با کمیته افزونگی

 

3-4- محیط تند

بیشتر سیستم های تعبیه شده در محیط کنترل شده عمل نمی کنند. گرمای زیاد اغلب مشکل ساز است، مخصوصاً در کاربردهایی که درگیر احتراق هستند. مشکلات اضافی برای سیستمهای تعبیه شده با احتیاج برای حفاظت از لرزش، شک، نور، نوسانات ذخیره برق ،آب،خوردگی ،آتش و ضایعات فیزیکی ایجاد می شود.برای مثال در نمونه کنترل بحران مأموریت کامپیوتر باید برای مدت زمان اندک و تضمین شده حتی تحت شرایط آتش سوزی عمل می کند.                                                     

چالش طراحی :

     ● نمونه گرمایی دقیق

     ● نرخ گذاری قطعات متفاوت هرطرح، بسته به محیط عملیاتی

 

3-5- حساسیت هزینه

حتی اگر کامپیوترهای تعبیه شده پیش نیازهای دقیقی داشته باشند، هزینه نیز مطلبی است. اگر چه طراحان سیستمهای بزرگ وکوچک به یکسان از هزینه ها صحبت می کنند ، حساسیت شان نسبت به تغییرات هزینه متغیر است. یک دلیل می تواند این باشد که اثر هزینه های کامپیوتر به سوددهی بیشتر عملکرد نسبت تغییرات هزینه در مقایسه با هزینه سیستم کلی است تا هزینه تنها الکترونیکی دیجیتال. برای مثال در سیستم پردازش سیگنال حساسیت هزینه بطور تقریبی 1000 دلار تخمین زده می شود. با وجود این تصمیمات سیستم کوچک با افزایش هزینه ها حتی چند سنت توجه مدیران را به چند برابر کنندگی کمیت تولید ترکیب شده با بالاترین درصد مجموع هزینه سیستمی که نمایانگر است جلب می کند.                                                

 چالش طراحی :

     ● متغیر حاشیه طرح برای اجازه دادن بهینه سازی بیشتر

 

4- پیش نیازهای سطوح سیستم

برای رقابت در بازار سیستم های تعبیه شده ، این سیستم ها باید طراحان آن تمام سیستم را هنگام تصمیم گیری در نظر داشته باشند.                                           

4-1- سودمندی محصول نهایی

سودمندی محصول نهایی هدفی است که هنگام طراحی یک سیستم تعبیه شده بکار می رود، نه ظرفیت خود کامپیوترهای تعبیه شده . محصولات تعبیه شده عموماً بر مبنای ظرفیت ها، ویژکیها وهزینه سیستم فروخته می شوند تا اینکه چه سی پی یو یی در آنها استفاده شده است یا هزینه/عملکرد آن سی پی یو چه بوده است.                      

یکی از راههای نگاه کردن به سیستمهای تعبیه شده این است که مکانیسم و ورودی/خروجی مرتبط با آنان با کاربرد آن تعریف می شود. از اینرو ، در نهایت سخت افزار کامپیوتر نیز بعنوان زیر بنایی برای اجزاء نرم افزار ومیانجی گری آن با تاکید بر کل عملیات پذیری تحویل شده بوسیله سیستم در دسترس است.                  

چالش طراحی :

     ● نرم افزار- سنتز ورودی/خروجی-سخت افزار مشتق ونرم افزار

 

4-2- ایمنی و قابلیت اطمینان سیستم

قبلاً در این باره در یک بخش مجزا بحث شد . اما مهم در اینجا ایمنی و قابلیت اطمینان کل سیستم تعبیه شده است. نمونه سیستم توزیع شده بحران میریت است، اما به افزونگی کامپیوتر منجر نمی شود ، در عوض پشتیبان ایمنی مکانیکی زمانیکه سیستم کامپیوتر کنترل از دست می دهد جهت خاموش کردن ایمن کامپیوتر فعال می شوند. مطلب مهمتر واصلی تر دیگر ر سطوح سیستم ایمنی سخت افزار و قابلیت اطمینان است. اهمیت این مسئله بقدری است که سالها طراحان سیستم را درگیر کرده است.   

چالش طراحی :

     ● نرم افزار قابل اطمینان

     ● سیستم های ر دسترس ارزان با قطعات غیر قابل اطمینان

     ● طرح های الکترونیکی ر مقابل غیر الکترونیکی

 

4-3- کنترل سیستم های فیزیکی

دلیل معمول برای جاسازی کامپیوتر تعامل با محیط است که اغلب با دیده بانی و کنترل ماشین آلات خارجی صورت می گیرد. برای این کار ورودیها و خروجیها ی باید از و به سطوح سیگنال دیجیتال منتقل شوند. بعلاوه، بارهای مهم جاری باید برای عملیات موتور راه گزینی شوند . تمام این پیش نیازها باید منجر به مدار کامپیوتری بزرگی با قطعات غیر دیجیتالی شوند.                                                            

در برخی سیستم ها از حسگرها وفعال کننده های هوشمند برای انتقال سخت افزار میانجی از کامپیوتر تعبیه شده مرکزی استفاده می شود. این عمل فایده زیادی دارد و سیمکشی و تعداد اتصالات را با استفاده از شبکه تعبیه شده کاهش می دهد. با وجو این ، این عمل باعث مشکلاتی در محاسبه نیز می شود.                                          

چالش طراحی :

     ● سیستم توزیع شده میان سخت افزار دیجیتال و آنالوگ ، قدرتی ، مکانیکی و شبکه بعلاوه نرم افزار.                                                                               

 

4-4- مدیریت قدرت

یکی از مطالب مرسوم احتیاج به مدیریت قدرت است تا هم تولید گرما کاهش یابد و هم قدرت باطری حفظ شود. از آنجائیکه هجوم به سیستم های لپ تاپ محاسباتی انواع دیگر از سی پی یو های کم قدرت را تولید کرده برای اجرا باطریهای ارزان قیمت تا 30 روز و در برخی موارد تا 5 سال قدرت کم مهم است.                                  

چالش طراحی :

     ● طرح فراکم قدرت برای عملیات دراز مدت باطری

 

5- حمایت چرخه زندگی

شکل 2 یک نما از چرخه تولید زنگی را نشان میدهد. ابتدا نیاز و یا فرصت کسترش فن آوری جدید مشخص می شود . سپس مفهوم محصولی توسعه می یابد. که این امر با محصول در زمان و طرح فرآیند تولید و ساخت و گسترش دنبال می شود. اما در بیشتر سیستم های تعبیه شده ، طراح باید گسترش های گذشته را ببیند وحمایت ، نگهداری ، ترفیع و مطالب ازکارافتادگی سیستم را در نظر بگیرد تا بدقت طرحی سودمند تولید کند. برخی از مطالبی که به این چرخه زندگی سوددهی اثر می کذارد در زیر به بحث گذاشته شده است.                                                                

 

 

5-1- اکتساب قطعات

به سبب اینکه سیستم تعبیه شده بیشتر کاربرد-مشتق است تا تکنولوژی-مشتق در انتخاب قطعه عقب افتادگی بیشتری دیده می شود. از اینرو هزینه های اکتساب قطعه را هنگام بهینه سازی سیستم باید در نظر بگیریم. برای مثال ، هزینه یک قطعه عموماً با کمیت کاهش می یابد، از اینرو تصمیمات طرح برای طرح های چندگانه باید برای تقسیم قطعات مشترک تا از آن سودد ببرد تعدیل شود.                                         

چالش طراحی :

     ● قطعه چرخه زندگی، مدل های هزینه قطعه و بهینه سازی

 

5-2- تصدیق سیستم

کامپیوترهای تعبیه شده می توانند هم به ایمنی هم بر عملکرد سیستم اثر بگذارند. از اینرو ، روش های صلاحیت بسیار دقیق در برخی سیستم ها بعد از هر تغییر طرح لازم است تا بدین ترتیب احتمال خطر خرابی یا شکست سیستم پیش بینی نشده را تخمین بزنند و یا کاهش بدهند. این هزینه های اضافی هر گونه پس اندازی که ممکن بود توسط ارتقاء طرح در کامپیوتر تعبیه شده یا نرم افزارش درک شده باشد را نفی می کند. این نکته بطور اخص به استفاده فن آوری جدید با تلفیق مجدد قطعات سخت افزاری اشاره می کند . قطعات مجدداً طراحی شده را نمی توان بدون آوردن هزینه ها تصدیق سازی مجد بکار برد . یک استراتژی برای کاهش این هزینه ها تاخیر تمام تغییرات طرح تا هنگام ارتقاء اصلی سیستم است . از آنجائیکه سیستم های تعبیه شده توزیع شده کاربر گسترده ای پیدا کرده ان ، یک استراتژی محتمل پارتیشن بندی سیستم به طریقی است که شمار سیستم های جانبی را که لازم است هنگام تغییر مجدداً تصدیق دهی شوند را کاهش دهد. اینجا مشکلی در پارتیشن بندی وجود دارد که با تغییرات طرح پتانسیل ، استراتژی های تکنولوژیکی و ملزومات تنظیمی تاثیر می پذیرد.                                                                                                    

چالش طراحی :

     ● ترکیب/پارتیشن بندی تا هزینه تا تصدیق دوباره را به حداقل برساند.

 

5-3- لجستیک و تعمیر

هر زمانی که یک کامپیوترتعبیه شده طراحی و تغییر می یابد ، بر بقاء ورودی محصول تاثیر می گذارد. نقص کامپیوتر منجر می شود که کل سیستم تا زمانیکه کامپیوتر تعمیر نشده بلا استفاه باشد. در بیشتر حالات سیستم های تعبیه شده در طی دقیقه تا ساعتی قابل تعمیر هستند، که قطعات اضافی را بطور ضمنی بیان می کند و کارکنان نگهداری باید نزدیک به سیستم واقع شده باشند. زمان تعمیر سریعتر نیز ممکن است آن تشخیص وسیع را بطور ضمنی بیان کند و قابلیت جمع آوری داده ها باید به سیستم  ساخته شود که ممکن است با پایین نگهداشتن هزینه های تولید مغایرت داشته باشد. بخاطر عمر دراز سیستم های تعبیه شده ، تکثیر تغییر های طرح می توانند هزینه های لجستیک معنی دار باعث شود. برای مثال اگر قطعات یک طرح تغییرداده شده باشد می تواند تغییرات را به موجودی قطعات اضافی ، تجهیزات نگهداری، و آموزش نگهاری بداند. بعلاوه هر تغییر طرح برای سازگاری با ترکیبهای سیستم گوناگون و جا داده شده توسط پایگاه داده مدیریت ترکیب آزمایش نموده خواهد شد.    

چالش طراحی :

     ● طرح های بهینه شده برای کاهش هزینه های اضافی

     ● تشخیص پوشش بالا و خودآزمایش در سطوح سیستم نه سطح قطعات دیجیتال.

 

5-4- ارتقاء

به علت عمر بلند سیستم های تعبیه شده ارتقاء قطعات الکترونیکی و نرم افزاری برای به روزدرآوردن قابلیت عملکر و  افزایش طول عمر سیستم استفاده می شو. تا زمانیکه اغلب آن حالت باشد که ارتقاء الکترونیک درگیر جایگزینی کامل تخته های مار باشد ، مهم است که بقیه قسمت هایی از سیستم که بی تغییر می مانند را درک بکنیم. از اینرو باید رفتارهای مخصوص ، میانجی ها ، و ویژگی های غیر قانونی را در نظر بگیریم که چه موقع با انجام ارتقاء بایستی برداشته شده باشد. همچنین ارتقاء ها ممکن است موضوع تصدیق مجدد نیز باشند. علاقه مخصوص نرم افزار در یک سیستم ارتقاء یافته است . نرم افزار موروثی را نمی توان روی سخت افزار جایگزین ارتقاء یافته و بی درنگ به واحد پردازشگر هدف جید اجرا کرد. حتی بدتر ، زمانبندی رفتار محتمل است که روی سخت افزار جدید بی تفاوت باشد اما می تواند در عملیات سیستم هم غیر قانونی هم بحرانی باشد.                                                                       

چالش طراحی :

     ● اطمینان از میانجی کامل ، زمانبندی و سازگاری عملکر زمان ارتقاء طرحها.

 

5-5- قابلیت دسترسی بلند مدت

درحالیکه سیستم های تعبیه شده بیش از چند سال نیستند برخی قطعات الکترونیک دیگر برای تولید تجهیزات جدید یا جایگزینها در دسترس نخواهد بو. این مسأله بخصوص با پردازنده های قدیمی و تراشه های حافظه کوچک سایز پویا دردسرساز است. زمانیکه یک محصول به نقطه ای می رسد که قطعات اضافی دیگر از نظر الکترونیکی در دسترس نیستند، کل کامپیوتر تعبیه شده را باید از نو طراحی و ارتقاء داد. این طرح نو حتی اگر سیستم در تولید نباشد بسته به قابلیت دسترسی سیستم جایگزین انجام می شود. این مشکل دغدغه مهمی ب

/ 0 نظر / 15 بازدید