تحقیق مقاله طراحی سیستم های تعبیه شده

خلاصه

بیشتر سیستم های تعبیه شده محدودیت های طراحی متفاوتی نسبت به کاربرد های 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.

(تصاویر در فایل اصلی موجود است)

  ،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

- 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.