Этот духовой шкаф TMIO ConnectIO является встроенной системой. Он может охладить продукты перед их приготовлением. Им можно удаленно управлять через Интернет или по телефону. Он использует ОС Windows Embedded CE OS. Позвоните ему по пути домой и ваша еда будет готова, когда вы будете дома. Фотография с разрешения TMIO LLC.

Встроенная система является электронным устройством, которое включает в своей реализации компьютер. Пользователь встроенного устройства часто даже не знает, что в устройстве имеется компьютер. Компьютер используется, прежде всего, для обеспечения гибкости и для упрощения конструкции системы. В отличие от ПК программный код хранится обычно в ROM, а не на жестком диске. Обычно конечный пользователь не разрабатывает новое программное обеспечение для встроенного устройства. С развитием технологии VLSI встроенные системы стали настолько недорогими, что их можно найти в большинстве современных электронных устройств.

Примеры встроенных систем

Робот, такой как марсоход, показанный на рисунке 1.1, является встроенной системой. Сотовый телефон, PDA, или портативный мультимедиа плеер, показанные на рисунке 1.2, являются встроенными устройствами. Даже электрическая зубная щетка, показанная на рисунке 1.2, является встроенной системой. Небольшой микроконтроллер в зубной щетке обеспечивает программируемое управление скоростью и индикацию состояния заряда батареи. Высококачественные автомобили могут содержать около ста встроенных микроконтроллеров. Типичное домовладение среднего класса имеет около пятидесяти встроенных устройств. Для каждого ПК в мире имеется более сотни встроенных устройств. В общей сложности, встроенные устройства составляют большую часть мирового производства микропроцессоров.

Рис. 1.1.  Роботы, такие как марсоход, являются встроенными системами. Фотография с разрешения NASA/JPL CALTECH

Как видно в таблице 1.1, встроенные устройства можно найти в разнообразных продуктах, включая самолеты и военные системы, биомедицинские системы, автомобили, коммуникацию, компьютерные устройства в/в, электронные инструменты, домашняя электроника, промышленное оборудование, офисные машины, персональные устройства, роботы, и интеллектуальные игрушки. Встроенные устройства можно найти повсюду.

Конструкторы встроенных систем часто сталкиваются со сложными проектными задачами. Встроенные системы должны быть надежными. Многие встроенные устройства не могут ломаться, и не могут быть перезагружены. Программное обеспечение невозможно обновить во многих встроенных устройствах. Многие устройства имеют жесткие конструкционные ограничения по производительности и потреблению энергии. Некоторым устройствам необходимо работать от батареи длительный период времени. Кроме того, потребительские устройства обычно очень быстро выходят на рынок с новыми продуктами и имеют жесткую ценовую конкуренцию. Во многих приложениях существуют ограничения реального времени и многие устройства имеют ограниченную память и вычислительную мощность.

Рис. 1.2.  Сотовые телефоны, PDA, и мультимедийные плееры, все являются встроенными системами. Даже эта электрическая зубная щетка! Фотографии с разрешения Motorola, Microsoft, и Philips Sonicare

Операционные системы реального времени

Системы реального времени должны отвечать на внешние параметры ввода и создавать новые результаты вывода за ограниченное время, как показано на рисунке 1.3. Время ответа должно быть ограничено. Очень длительное время ответа может привести к отказу систем реального времени.

Иллюстративным примером системы реального времени является контроллер автомобильной воздушной подушки безопасности. Когда датчики движения воздушной подушки (акселерометры) распознают столкновение, системе необходимо среагировать, раскрывая воздушную подушку в течение 10 мс, или система не сработает нужным образом. На высокой скорости с задержкой более 10 мс водитель уже столкнется с рулевым колесом до того, как раскроется подушка.

Рис. 1.3.  Система реального времени должна отвечать на внешние параметры ввода и создавать новые результаты вывода за ограниченное время или система откажет. Время реакции может быть в интервале от 0.5 до 10 мс

В мягкой системе реального времени приоритет имеют критически важные задачи. Мягкая система реального времени обычно удовлетворяет ограничениям отклика реального времени. Примером типичной мягкой системы реального времени является плеер мультимедиа. Плеер может иногда пропустить видео кадр или аудио сэмпл, и пользователь может это даже не заметить, пока плеер правильно работает большую часть времени.

В жесткой системе реального времени новый результат вывода всегда должен быть вычислен в указанных границах времени, или система не сработает. В качестве примера жесткой системы реального времени рассмотрим систему дистанционного управления рулями (т.е., управляемую компьютером). В системе управления полетом самолета, когда летчик перемещает штурвал управления, рули управления полетом должны в ответ переместиться очень быстро, или самолет потеряет устойчивость и упадет. Чтобы обеспечить безопасность, FAA постоянно проверяет и сертифицирует реакцию в реальном времени управляемых компьютером симуляторов полета и самолеты.

Процедуры обмена страниц виртуальной памяти и сборки мусора, необходимые объектно-ориентированным языкам, могут вызывать проблемы в жестких системах реального времени. Даже кэширование является иногда проблемой, так как может приводить к изменению времени выполнения программы.

Многие встроенные системы являются системами реального времени с несколькими входами и выходами. Несколько событий происходят независимо друг от друга. Программирование упрощается при разделении задач, но это требует от ЦП постоянного переключения между различными задачами. Операционная система, которая поддерживает мультизадачность, обеспечивает разделение времени ЦП между несколькими задачами. ОС обеспечивает также элементы синхронизации, необходимые для координации действий между различными задачами, выполняющимися параллельно.

Операционные системы часто классифицируют по их характеристикам реального времени. Операционная система реального времени должна быть тщательно спроектирована, чтобы поддерживать приложения реального времени. Недавнее исследование приходит к выводу, что 95% приложений реального времени требуют ограниченного времени ответа в диапазоне от 0.5 до 10 мсек. Только 10% отклонение (колебание от 50 микросекунд до 1 мсек) во времени ответа может быть допустимо. Согласно таким требованиям большинство операционных систем общего назначения не являются системами реального времени. Согласно этим критериям встроенная ОС, такая как Windows Embedded CE, квалифицируется как операционная система реального времени (ОС РВ) (Основывается на определении и оценках времени принятых рабочей группой Open, Modular, Architecture Control (OMAC): Жесткой системой реального времени является система, которая отказывает, если ее требования по времени не удовлетворяются; мягкая система реального времени может допускать значительные вариации при предоставлении служб операционной системы, таких как прерывания, таймеры, и планирование).

Код ядра в ОС РВ написан таким образом, что прерывания процессора отключаются только на очень короткие периоды времени. Максимальное время реакции прерывания (задержка) является ключевым фактором во времени ответа ОС РВ. Традиционная ОС настольного компьютера, такая как Windows XP, может рассматриваться в лучшем случае только как мягкая ОС реального времени. Для Windows XP существуют некоторые инструменты сторонних поставщиков, которые улучшают время ответа.

Операционные системы для встроенных систем

Большинство новых устройств имеет сложное программное обеспечение, которое требуется для мультизадачности, синхронизации задач, поддержки широкого диапазона устройств ввода/вывода, планирования и буферизации операций ввода/вывода, управления памятью, поддержки графических дисплеев, файловых систем, сетей, безопасности и управления питанием. Операционная система может предоставить все эти возможности, чтобы помочь разработчикам приложений. Прикладные программисты будут более продуктивными, так как они работают на более высоком уровне абстракции, используя эти средства, предоставляемые операционной системой.

Выпущенная недавно модель сотового телефона содержит более пяти миллионов строк кода. Немногие, если вообще какие-то проекты, будут иметь время и средства, необходимые для разработки всего этого кода полностью самостоятельно. В таких случаях имеет экономический смысл использовать существующую операционную систему. Сокращение времени разработки и снижение расходов вполне оправдают стоимость лицензии операционной системы.

Лицензионные отчисления типичной коммерческой встроенной ОС составляют только несколько долларов на устройство. Некоторые очень простые устройства могут обходиться без ОС, но новые устройства постоянно становятся все более сложными.

В связи с этим большинство встроенных устройств используют встроенную операционную систему. Встроенные операционные системы обычно разрабатываются большей частью на C/C++ и поставляются вместе с компилятором C/C++, ассемблером, и инструментами отладки, чтобы помочь разработчикам в разработке прикладных программ и тестировании устройства. Инструменты разработки встроенных систем должны также поддерживать выполнение программ с помощью кода, хранящегося в энергонезависимой памяти, такой как ROM или память Flash.