Встраиваемая система

Микросхемы на основе интегральных схем с технологией МОП-транзисторов (металло-оксидные полевые транзисторы; MOSFET) были созданы в начале 1960-х годов. Уже к 1964 году МОП-микросхемы превосходили биполярные по плотности размещения транзисторов и стоимости производства. Усложнение МОП-микросхем в соответствии с законом Мура привело к появлению крупноинтегральных схем (LSI), позволивших размещать сотни транзисторов на одном чипе к концу 1960-х. Применение МОП LSI в вычислительной технике позволило создать первые микропроцессоры: инженеры поняли, что весь процессор можно реализовать на нескольких таких чипах^[5].

Первым многокристальным микропроцессором стала Four-Phase Systems AL1 (1969), а также MP944 от Garrett AiResearch (1970), оба на основе нескольких МОП-чипов. Первый однокристальный микропроцессор — Intel 4004 — был выпущен в 1971 году; над ним работали Федерико Фаджин (создавший технологию кремниевых затворов), а также инженеры Intel — Марсиан Хофф и Стэн Мазор, при участии Busicom (инженер Масатоси Сима)^[6].

Одной из первых современных встраиваемых систем считается навигационный компьютер «Аполлон» (Apollo Guidance Computer)^[7], разработанный около 1965 года под руководством Чарльза Дрейпера в лаборатории MIT. Эта система использовала монолитные интегральные схемы для снижения веса и габаритов.

Одной из первых массовых встраиваемых систем являлся вычислитель наведения Autonetics D-17 для ракеты «Минитмэн» (1961). В 1966 году с началом выпуска Минитмэн-2 стали использовать новый вычислитель, что стало первой крупной интеграцией ИС в массовом производстве.

С тех пор встраиваемые системы существенно снизились в цене, а производительность и функциональность резко возросли. Одним из первых микропроцессоров, предназначенных для калькуляторов и малых систем, стал Intel 4004 (1971), но он требовал внешних чипов памяти и поддержки. К началу 1980-х память, устройства ввода-вывода и процессор стали интегрироваться в один микроконтроллер, нашедший применение там, где обычный компьютер был бы слишком дорог. Снижение стоимости микропроцессоров и микроконтроллеров обеспечило массовое распространение встраиваемых систем.

Дешёвый микроконтроллер может выполнять функции множества отдельных компонентов. Даже в потребительских изделиях стало оправдано заменять аналоговые детали (например, потенциометры, переменные конденсаторы) цифровыми элементами, контролируемыми микропроцессором. Хотя такая система зачастую сложнее традиционной, большая часть сложности перенесена в микроконтроллер и софт, а схема устройства упрощается.

Встраиваемые системы применяются в потребительской электронике, промышленности, транспорте, бытовой технике, медицине, телекоммуникациях, коммерции, авиации и военной технике.

В телекоммуникациях используются встраиваемые системы в коммутаторах сетей и пользовательских мобильных телефонах. Компьютерные сети реализуют специализированные маршрутизаторы и мосты для передачи данных.

В потребительских устройствах — MP3-плееры, телевизоры, мобильные телефоны, игровые приставки, камеры, GPS-приёмники, принтеры. Бытовая техника (микроволновки, стиральные машины, посудомоечные машины) содержит встраиваемые системы для гибкости, эффективности и расширенных функций. Современные системы отопления, вентиляции и кондиционирования используют сетевые термостаты для более точного и эффективного управления. Умный дом опирается на встроенные устройства для управления освещением, климатом, безопасностью, мультимедиа и т. п.

В транспорте современные самолёты используют сложную авионику, включая инерциальные системы и GPS, имеющие строгие требования безопасности. Космические аппараты полагаются на астронику для коррекции траектории. Электродвигатели — от бесщёточных ДПТ до асинхронных — оснащаются электронными контроллерами. Автомобили, электромобили и гибриды все активнее используют встраиваемые системы для повышения эффективности и снижения загрязнения: ABS, ESC/ESP, TCS, автоматические полные приводы.

В медицинской технике — системы мониторинга, визуализации (ПЭТ, ОФЭКТ, КТ, МРТ). В встраиваемых медицинских системах используются промышленные компьютеры^[9].

Встроенные системы применяются в критически важных для безопасности отраслях (авиация, оборона). При отсутствии сетевого подключения (например, для IoT-мониторинга и управления) системы могут быть изолированы для повышения безопасности. Для пожарной безопасности системе могут быть обеспечены высокотемпературные режимы работы и устойчивость при отказах коммуникации и питания.

Миниатюрные беспроводные датчики — мота (англ. mote) — формируют сенсорные беспроводные сети. Миниатюризация ИС позволяет объединять эти устройства с полноценной беспроводной подсистемой. Такие моты обычно полностью автономны и работают от батареи годы.

Встраиваемые системы проектируются для выполнения строго определённой задачи, в отличие от универсальных, предназначенных для широкого спектра функций. Некоторые должны отвечать требованиям реального времени, обусловленным безопасностью или эксплуатацией, другие — наоборот, могут быть максимально упрощены ради снижения стоимости.

Встраиваемая система не всегда автономна: часто она является частью большего устройства общего назначения (например, тюнер в электрогитаре Gibson Robot Guitar или управляющая подсистема современного автомобиля)^[10].

Программное обеспечение встраиваемых систем называют прошивкой (firmware), оно хранится в ПЗУ или флеш-памяти и работает с сильно ограниченными аппаратными ресурсами (минимум памяти, часто без клавиатуры или дисплея).

Встраиваемые устройства могут вообще не иметь интерфейса (например, при выполнении одной функции) или обеспечивать сложную графику как в настольных ОС. Простые устройства используют кнопки, светодиоды, текстовые или графические ЖКИ с простым меню. Более сложные системы — сенсорный экран, экранные клавиши, гибко переназначаемые функции.

Некоторые системы предоставляют интерфейс удалённо — через последовательное соединение (например, RS-232) или сеть (например, Ethernet) — что упрощает плату и позволяет вынести сложный GUI на ПК (типичный пример — встроенный HTTP-сервер).

Типичный встроенный компьютер мал и экономичен (по сравнению с универсальным), работает в расширенных температурных диапазонах, имеет низкую стоимость, однако жертвует производительностью и ресурсами.

Используются как специализированные микроконтроллеры, так и обычные микропроцессоры с внешней логикой и памятью.

Стандарты PC/104 и PC/104+ — пример готовых модулей для малосерийных, компактных либо защищённых от внешних воздействий решений; они чаще базируются на x86 и существенно компактнее классического ПК, зачастую используют DOS, FreeBSD, Linux, NetBSD, OpenHarmony или встраиваемые операционные системы реального времени — MicroC/OS-II, QNX, VxWorks.

Нередко (где размеры и энергопотребление не важны) применяют обычные компоненты ПК, позволяя использовать стандартные средства разработки и ПО. Однако такие системы всё ещё считаются встроенными (например, банкоматы или игровые автоматы).

Большинство готовых модулей не используют шины компьютерной архитектуры (ISA/PCI), а системы на одном кристалле (SoC — system-on-a-chip) соединяют большую часть логики без стандартных шин.

Существуют миниатюрные вычислительные модули размером с визитку на базе BGA-чипов (например, SoC на ядре ARM), внешней флеш-памяти и DRAM. Производители обеспечивают рабочее ПО и выбор ОС (обычно Linux и RTOS). Широко известны Arduino, Raspberry Pi.

Система на кристалле (SoC) — это полный компьютер на одном чипе: один или несколько процессоров, специализированные блоки (например, графический или сигнальный процессор), различные виды памяти, периферия. SoC реализуется как специализированное ASIC-устройство или программируемая ПЛИС (FPGA).

ASIC характерны для массовых устройств (смартфоны и т. п.), FPGA — для малотиражных изделий с нестандартными требованиями к производительности, интерфейсам и надёжности (например, авионика).

Типичные периферийные устройства:

• Последовательные интерфейсы: RS-232, RS-422, RS-485;
• Синхронные интерфейсы: I2C, SPI, SSC, ESSI;
• USB;
• Носители: SD, CompactFlash;
• Сетевые: Ethernet, WiFi;
• Fieldbus: CAN, LIN, PROFIBUS;
• Таймеры: фазовая автоподстройка (PLL), программируемые интервальные таймеры;
• GPIO;
• Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи;
• Отладка: JTAG, внутрисистемное программирование, порты DB9 и др.

Для разработки ПО применяются компиляторы, ассемблеры, отладчики и специальные инструменты:

• Внутрисхемные отладчики/эмуляторы;
• Утилиты для вставки контрольных сумм/CRC;
• Системы моделирования (например, для систем с цифровой обработкой сигналов);
• Инструменты системного моделирования (библиотечные блоки, имитация поведения, анализ производительности и энергопотребления);
• Средства графического проектирования и генерации кода (UML-диаграммы, моделирование фильтров, контроллеров и т. д.);
• Специализированные компиляторы и линкеры;
• Собственные языки или модифицированные версии (например, Forth, Basic);
• Встраиваемые операционные системы реального времени (RTOS);
• UML-средства кодогенерации на основе машин состояний.

Разработчики пользуются продуктами специализированных ПО-компаний, портированными средствами GNU, иногда инструментами, рассчитанными на ПК, если процессор родственен x86.

С ростом сложности востребованы языки высокого уровня (C++, Rust, Python), а для графических интерфейсов — фреймворки вроде Qt. Выбор инструментов определяется требованиями реального времени, интеграцией с железом и энергоэффективностью.

Современные системы всё чаще требуют сложного ПО, разрабатываемого сторонними организациями — например, для мобильных устройств критичны открытые среды Linux, NetBSD, FreeBSD, OSGi, Embedded Java.

Отладка встраиваемых систем проводится на разных уровнях с учётом разных факторов (скорость работы, возможности по установке точек останова и инспекции состояния — памяти, регистров и т. д.).

Типовые методы:

• Проста интерактивная отладка (встроенный shell — чаще в Forth, Basic);
• Программные отладчики без аппаратных изменений, с минимизацией влияния на работу и сохранения данных^[11];
• Внешняя отладка через журналы или последовательный порт;
• Внутрисхемный отладчик (ICD) — аппаратное устройство для внешнего управления по JTAG/Nexus-интерфейсу^[12];
• Внутрисхемный эмулятор (ICE), целиком заменяющий процессор на эмулируемый;
• Полная эмуляция аппаратной части — все аспекты контролируются и могут модифицироваться (медленно и дорого);
• Для SoC — верификация и отладка на FPGA-плате с помощью интеграции специальных probe-инструментов для доступа к сигналам^[13].

Обычно программист может загружать и запускать ПО, просматривать код на разных уровнях (язык высокого уровня, ассемблер).

Системы реального времени часто поддерживают трассировку событий. Графическое представление исполняемого кода строится на ПК по записанному поведению системы: возможно как аппаратное, так и программное выполнение трассировки^[14]. Программная трассировка может внедряться макросами, вызываемыми в ключевых точках, и реализующими user-defined hooks.

Встраиваемые системы должны работать непрерывно в течение многих лет, зачастую в случае ошибки самостоятельно восстанавливаться. ПО разрабатывается и тестируется с повышенным вниманием, ненадёжные механические части (например, жёсткий диск) исключаются.

Типовые проблемы:

• Невозможность безопасно остановить/отключить для ремонта (например, космос, подводные кабели, автотранспорт и др.);
• Для безопасности требуется постоянная работа; сбой — недопустим (навигация, управление реактором, химзаводы);
• Крупные финансовые потери при остановке (телеком, производство, лифты, финансовые транзакции).

Техники повышения надёжности:

• Сторожевой таймер (watchdog timer), автоматический перезапуск при сбое;
• Проектирование с архитектурой доверенная вычислительная база^[15];
• Применение гипервизоров для ограничения воздействия компрометированных компонентов^[16];
• Иммунологическое программирование^[17][18];
• Руководства и правила программирования (например, MISRA C/C++) для повышения надёжности и переносимости ПО, предотвращения ошибок времени выполнения (утечек памяти, неверных указателей и т. д.); допускается проверка с помощью статических анализаторов и моделирования временных характеристик кода^[17].

Для массовых изделий (например, мобильные телефоны, бытовая электроника) оптимальным является снижение стоимости — выбираются минимальные по мощности и цене компоненты.

В прототипах и малых сериях допустимо использование обычных ПК/ОДК с заменой ОС на RTOS/embedded.

В 1978 году Национальная ассоциация электротехнических производителей США приняла стандарт ICS 3-1978, охвативший программируемые микроконтроллеры (включая одноплатные контроллеры, числовые и событийно-ориентированные контроллеры)^[19].

Применяются различные архитектуры ПО.

Простейшая схема — цикл, последовательно опрашивающий входы и вызывающий подпрограммы для управления различными частями оборудования. Такая архитектура называется программно-управляемым вводом-выводом.

В системах, где требуется немедленная реакция, ядром является обработка прерываний (например, по таймеру, по внешнему событию от контроллера порта). Основной цикл выполняет обслуживающие задачи, а длительные задачи могут ставиться в очередь для последующей обработки вне прерываний.

Близка к циклической архитектуре, но цикл спрятан в API^[3][1]. Программист определяет множество задач, каждая с собственным контекстом. При простое задача вызывает функцию ожидания, передавая управление другой задаче.

На этом уровне переключение между задачами автоматизировано через прерывания или таймер: появляется полноценное ядро ОС. При отсутствии MMU любые задачи могут повредить данные друг друга, поэтому требуется строгая организация синхронизации доступа — через очереди сообщений, семафоры, неблокирующую синхронизацию.

Из-за сложности часто применяют готовые RTOS. Выбор ОС определяется на ранних стадиях, что ограничивает изменения архитектуры устройства позже^[20]. Современные требования приводят к развитию внутреннего middleware наряду с RTOS.

Микроядро отвечает за распределение памяти и переключение контекстов, а файловые системы, сетевые стек и др. работают как отдельные модули.

Экзоядро (exokernel) предоставляет эффективное управление через обычные вызовы подпрограмм, вся система открыта для расширения и модификаций прикладными разработчиками.

Монолитное ядро — масштабное (по меркам embedded) ядро с широкими возможностями, дающее разработчикам привычную среду (напоминая настольные ОС, вроде Linux или Windows). Требует больше аппаратных ресурсов и дороже, менее надёжны и предсказуемы.

Характерные примеры: встраиваемый Linux, VXWorks, Windows CE.

Она набирает популярность там, где ресурсные ограничения не так строги, например, в маршрутизаторах, GPS-устройствах.

В ряде случаев необходимы дополнительные верхнеуровневые компоненты: сетевые стеки (CAN, TCP/IP, FTP, HTTP, HTTPS), файловые системы (FAT), драйверы/кодеки для аудио/видео. В монолитных ядрах они интегрированы в ядро, в RTOS — доступны как опциональные модули.

В автомобильной промышленности распространён стандарт AUTOSAR.