طراحي سيستم هاي تعبيه شده
خلاصه
بيشتر سيستم هاي تعبيه شده محدوديت هاي طراحي متفاوتي نسبت به كاربردهاي محاسباتي روزمره دارند. در ميان طيف گوناگون اين سيستم ها هيچ توصيف اختصاصي كاربرد ندارد. با وجود اين،برخي تركيبات فشار هزينه،احتياجات بلادرنگ،ملزومات اعتبار،عدم كار فرهنگي؛ طراحي اجراي موفق روشها و ابزار طراحي محاسباتي سنتي را مشكل ساخته است. در بيشتر حالات سيستم هاي تعبيه شده براي دوره زندگي و عوامل تجاري بهينه سازي مي شود تا حاصل كار محاسباتي بيشينه شود. امروزبسط طراحي كامپيوترهاي تعبيه شده به طراحي جامع سيستم تعبيه شده حمايت ابزاري كمتري ارد. با وجود اين،با آگاهي از نقاط ضعف و قوت رويكردهاي جاري مي توانيم توقعات را بدرستي بر گزينيم، مناطق خطر را مشخص نماييم و راه هايي كه بتوانيم نيازهاي صنعتي را برآورده كنيم،ارائه دهيم.

۱- مقدمه
هاي كوچكتر (۴،۸و۱۶بيتي) CPU تعبيه شده، با CPU درهر سال تقريبا ۳ ميليارد
فروخته مي شود. باوجود اين بيشتر تحقيقات و توسعه ابزار به نظر مي رسد كه بر احتياجات روزمره و محاسبات تعبيه شده فضايي/ نظامي تمركز ارد. اين مقال بدنبال اين است كه بحث هايي را به پيش بكشد تا بازه وسيعي از سيستم هاي تعبيه شده را دربرگيرد.

تنوع زياد كاربردهاي تعبيه شده ، تعميم سازي را مشكل مي سازد. با اين وجود ،علاقه اي به كل ذامنه سيستم هاي تعبيه شده و طرح هاي سخت افزاري/ نرم افزاري هست.
اين مقاله بدنبال اينست كه مناطق اصلي را كه سيستم هاي تعبيه شده را از طرح هاي كامپيوتري روزمره سنتي متمايز مي سازد معين مي كند.
مشاهدات اين مقاله از تجارب نظامي و تجاري ،روش شناسي توسعه و حمايت دوره زندگي مي آيد.

تمام توصيفات تلويحا براي اشاره به حالات نمونه ،نماينده يا حديثيفهمانده شده است. در حاليكه درك مي شود كه سيستم هاي تعبيه شده احتياجات منحصربفرد خودشان را دارند. اميد مي رود كه تعميم سازي و مثال هاي ارائه شده در اين مقاله پايه اي براي و روش شناسي طرح بشمار آيد. CAD بحث و تكامل ابزار هاي

۲- مثال سيستم هاي تعبيه شده
شكل ۱ يك نوع سازمان ممكن براي يك سيستم تعبيه شده را نشان مي دهد.
،گوناگوني از ميانجي ها وجود دارد تا سيستم را قادرCPUبه علاوه سلسله حافظه و
به سنجش ، اداره و تعامل با محيط خارجي كند. برخي از تفاوت ها با محاسبات روزمره را مي توان اينگونه ذكر كرد:
● ميانجي بشري مي تواند به سادگي يك نور فلاش يا به پيچيدگي يك روبات همه كاره باشد.
● پورت تشخيصي براي تشخيص سيستم كنترل شده نه تشخيص كامپيوتر استفاده مي شود.
● زمينه برنامه نويسي همه منظوره ، خواص كاربرد ويا حتي سخت افزار غير ديجيتال براي افزايش عملكرد و يا ايمني استفاده مي شود.
● نرم افزار عمل ثابتي دارد و كاربرد خاصي مي طلبد.

 

بعلاوه تاكيد برتعامل با دنياي خارجي ، سيستم هاي تعبيه شده تابعيت خاصي به كاربرد هايشان ارائه مي دهند.بجاي اجرا صفحات گسترده و پردازشگركلمه وتحليل مهندسي سيستم هاي تعبيه شده عموما قانون هاي كنترلي را اجرا مي كنندو همچنين الگوريتم هاي پردازش سيگنال . اينها اغلب بايد شناسايي شوند و در مقابل كمبودهاي محاسباتي و سيستم هاي الكترومكانيكي دوروبر واكنش دهند و قطعات كاربر ميانجي را اداره كنند .

براي اينكه بحث عيني تر شو چهار سيستم را بعنوان مثال بحث مي كنيم. هر مثال سيستمي واقعي در تولي جاري را به نمايش مي گذارد. اما كمي براي نمايش مقطع عرضي كاربردها و حفاظت فوايد ايره افقي تعميم داده شده است.
اين چهار مثال ، سيستم پردازش سيگنال،سيستم كنترل ماموريت بحراني ، سيستم كنترل توزيع شده و سيستم كوچك مصرف كننده الكترونيكي هستند.سيستم هاي پردازش سيگنال و ماموريت بحراني نماينده سيستم هاي تعبيه شده نظامي/ فضايي هستند. در حقيقت در طول زمان كاربردهاي عمومي تجاري پيا مي كنند.
●با استفاده از اين چهار مثال براي نشان ادن نقاط ،بخش هاي زير مناطق و تفاوت نگراني براي طراحي سيستم هاي تعبيه شده را نشان مي دهند: طرح كامپيوتر ،طرح سيستم- سطح، حفاظت چرخه زندگي ، حمايت مدل تجاري و تطابق فرهنگي طرح.

روش شناسي طرح محاسباتي روزمره و حمايت ابزار تا حد زيادي با طرح اوليه خود سيستم ديجيتال درگير است. براي اطمينان طراحان با تجربه از ديگر جنبه ها با خبرند، اما با تاكيد اخيربر طرح كمي بيرون از چرخه بهينه سازي گذاشته مي شوند. با وجود اين ، چنين رويكردي براي ايجاد سيستم هاي شده كه بطور كارآمدي در بازار رقابت كنند ناكافي است. اين به اين دليل است كه در بسياري حالات مطلب اين نيست كه آيا طرح چنين سيستم پيچيده اي عملي است يا نه، بلكه اين است كه چنين طرحي آيا مي شود بهينه شود؟
از آنجائيكه ابزارهاي طراحي ديجيتال ، طراحي كامپيوتري را كارآمد كرده است ، با مطالب مركزي سروكار ندارند- سيستم هاي تعبيه شده درباره سيستم است نه كامپيوتر . در محاسبات روزمره ،طراحي اغلب بر ساخت سريعترين سي پي يو تمركز دارد، از اينرو با بيشينه سرغت محاسباتي آنرا حمايت مي كند.ر سيستم هاي تعبيه شده تركيب ميانجي هاي خارجي(حسگرها،محرك ها) و كنترل و يا ترتيب دهي الگوريتمها اهميت اوليه دارد. سي پي يو راهي براي اداره اين اعمال است.براي نشان دادن اين نكته آزمايش زير كمك مي كند:
از يك اتاق پر از آدم بپرسيد كه از چه نوع سي پي يو در كامپيوتر هاي شخصي يا محل كارشان استفاده مي كنند.دوباره از همان افراد بپرسيد كه چه سي پي يو را براي موتور كنترلي ماشين شان استفاده مي كنند؟

در سيستم هاي تعبيه شده گرانتر ابزارهاي استفاده شده براي كامپيوترهاي بي ارزش هستند. با وجود اين، بيشتر سيستم هاي تعبيه شده چه بزرگ و چه كوچك بايد نيزهاي اضافي كه ماوراء حوزه اي است كه با طرح اتوماسيون سروكار دارد را برآورده كند.اين نيازهاي اضافي به مقوله هاي پيش نيازهاي طرح ويژه كامپيوتري، پيش نيازهاي سطح سيستم ،مطالب حمايت چرخه زندگي ،سازگاري مدل تجاري و مطالب فرهنگي طرح تقسيم مي شود.

۳- پيش نيازهاي طراحي كامپيوتر
كامپيوترهاي تعبيه شده عموما محدوديت محكمي هم بر عمل پذيري و هم اداره سازي دارند.بطور خاص، بايد اينها عمليات واكنشي بلادرنگ نسبت به وقايع خارجي را گارانتي كنند، با محدوديت هاي وزن و اندازه مطابقت داشته باشند،و از نظر ايمني تضمين شده باشند.

۳-۱- عمليات واكنش دار/ بلادرنگ
عمليات سيستم بلادرنگ بدين معناست كه صحت محاسبات به زمان تحويل آن بستگي دارد.در بيشتر حالات طرح سيستم بايد بدترين حالت عملكرد را در نظر بگيرد.در معماري هاي پيچيده پيش بيني بدترين حالت مشكل است و منجر به تخمين بدبينانه مي شود. سيستمهاي نمونه پردازش سيگنال و كنترل ماموريت پيش نيازهاي مهمي براي عمليات بلادرنگ دارند تا ورودي/ خروجي و پيش نيازهاي استحكام كنترل برآورده شود.

محاسبات واكنش دار بدين معناست كه نرم افزار در پاسخ به وقايع خارجي اجرا مي شود.اين وقايع ممكن است متفاوت باشند؛ در اين حالت عملكرد گارانتي مي شود. از طرف ديگر، بيشتر وقايع غيرمداوم هستند كه بيشينه وقايع وروي بايد جهت همسازي با بدترين شرايط تخمين زده شوند. بيشتر سيستم هاي تعبيه شده اجزاي واكنشي دارند.

چالش طراحي :
●تجزيه و تحليل هاي بدترين حالت طرح بدون بدبيني زيادي در صورت سخت افزار خصوصيات عملكرد آماري.

۳-۲- اندازه كوچك، وزن كم

بيشتر كامپيوترهاي تعبيه شده بطور فيزيكي درون محصولات مصنوعي بزرگتري قرار دارند. از اينرو فرم آن بوسيله زيبايي شناسي تعيين مي شود كه قبلاًَ در نسخه هاي پيش الكترونيك موجود بودند يا با قطعات مكانيكي متناسب هستند. در سيستم هاي قابل حمل وزن از نظر اقتصادي و نيروي انساني عامل مهمي است . در ميان نمونه ها سيستم بحران مأموريت سايز و وزن دقيق تري نسبت به بقيه دارن و اين بخاطر استفاده در وسايل حمل ونقل پروازي است اگر مثال محدوديتي از اين نوع نشان مي دهد.

چالش طراحي :
● مقياس غير مسطح وغير مثلثي.
● بسته بندي و يكپارچگي مدارهاي ديجيتال وآنالوگ براي كاهش اندازه.

۳-۳- ايمني و قابليت اطمينان
برخي سيستم ها خطرات محرزي مرتبط با شكست دارند. در كاربرهاي مأموريت بحراني مثل كنترل پرواز هوايي صدمات حاد شخصي يا خسارات تجهيزاتي نقص يك كامپيوتر تعبيه شده است. بطور سنتي چنين سيستم هايي از كامپيوترهاي چند افزونه يا پروتكل هاي اجماعي جهت اطمينان از عمليات مداوم پس از نقص تجهيزات استفاده مي كنند.
با وجود اين ، بيشتر سيستم هاي تعبيه شده كه منجر به خسارات شخصي يا مالي مي شوند ، نمي توانندهزينه اضافي افزونگي سخت افزار يا ظرفيت پرازش لازم براي فنون نقص يابي سنتي را تحمل كنند. اين آسيب پذيري اغلب در سطوح سيستمي كه بعداً بحث خواهد شد رفع مي شود.
چالش طراحي :
● قابليت اطمينان كم هزينه با كميته افزونگي

۳-۴- محيط تند
بيشتر سيستم هاي تعبيه شده در محيط كنترل شده عمل نمي كنند. گرماي زياد اغلب مشكل ساز است، مخصوصاً در كاربردهايي كه درگير احتراق هستند. مشكلات اضافي براي سيستمهاي تعبيه شده با احتياج براي حفاظت از لرزش، شك، نور، نوسانات ذخيره برق ،آب،خوردگي ،آتش و ضايعات فيزيكي ايجاد مي شود.براي مثال در نمونه كنترل بحران مأموريت كامپيوتر بايد براي مدت زمان اندك و تضمين شده حتي تحت شرايط آتش سوزي عمل مي كند.

چالش طراحي :
● نمونه گرمايي دقيق
● نرخ گذاري قطعات متفاوت هرطرح، بسته به محيط عملياتي

۳-۵- حساسيت هزينه
حتي اگر كامپيوترهاي تعبيه شده پيش نيازهاي دقيقي داشته باشند، هزينه نيز مطلبي است. اگر چه طراحان سيستمهاي بزرگ وكوچك به يكسان از هزينه ها صحبت مي كنند ، حساسيت شان نسبت به تغييرات هزينه متغير است. يك دليل مي تواند اين باشد كه اثر هزينه هاي كامپيوتر به سوددهي بيشتر عملكرد نسبت تغييرات هزينه در مقايسه با هزينه سيستم كلي است تا هزينه تنها الكترونيكي ديجيتال. براي مثال در سيستم پردازش سيگنال حساسيت هزينه بطور تقريبي ۱۰۰۰ دلار تخمين زده مي شود. با وجود اين تصميمات سيستم كوچك با افزايش هزينه ها حتي چند سنت توجه مديران را به چند برابر كنندگي كميت توليد تركيب شده با بالاترين درصد مجموع هزينه سيستمي كه نمايانگر است جلب مي كند.

چالش طراحي :
● متغير حاشيه طرح براي اجازه دادن بهينه سازي بيشتر

۴- پيش نيازهاي سطوح سيستم
براي رقابت در بازار سيستم هاي تعبيه شده ، اين سيستم ها بايد طراحان آن تمام سيستم را هنگام تصميم گيري در نظر داشته باشند.
۴-۱- سودمندي محصول نهايي
سودمندي محصول نهايي هدفي است كه هنگام طراحي يك سيستم تعبيه شده بكار مي رود، نه ظرفيت خود كامپيوترهاي تعبيه شده . محصولات تعبيه شده عموماً بر مبناي ظرفيت ها، ويژكيها وهزينه سيستم فروخته مي شوند تا اينكه چه سي پي يو يي در آنها استفاده شده است يا هزينه/عملكرد آن سي پي يو چه بوده است.
يكي از راههاي نگاه كردن به سيستمهاي تعبيه شده اين است كه مكانيسم و ورودي/خروجي مرتبط با آنان با كاربرد آن تعريف مي شود. از اينرو ، در نهايت سخت افزار كامپيوتر نيز بعنوان زير بنايي براي اجزاء نرم افزار وميانجي گري آن با تاكيد بر كل عمليات پذيري تحويل شده بوسيله سيستم در دسترس است.
چالش طراحي :
● نرم افزار- سنتز ورودي/خروجي-سخت افزار مشتق ونرم افزار

۴-۲- ايمني و قابليت اطمينان سيستم
قبلاً در اين باره در يك بخش مجزا بحث شد . اما مهم در اينجا ايمني و قابليت اطمينان كل سيستم تعبيه شده است. نمونه سيستم توزيع شده بحران ميريت است، اما به افزونگي كامپيوتر منجر نمي شود ، در عوض پشتيبان ايمني مكانيكي زمانيكه سيستم كامپيوتر كنترل از دست مي دهد جهت خاموش كردن ايمن كامپيوتر فعال مي شوند. مطلب مهمتر واصلي تر ديگر ر سطوح سيستم ايمني سخت افزار و قابليت اطمينان است. اهميت اين مسئله بقدري است كه سالها طراحان سيستم را درگير كرده است.

چالش طراحي :
● نرم افزار قابل اطمينان
● سيستم هاي ر دسترس ارزان با قطعات غير قابل اطمينان
● طرح هاي الكترونيكي ر مقابل غير الكترونيكي

۴-۳- كنترل سيستم هاي فيزيكي

دليل معمول براي جاسازي كامپيوتر تعامل با محيط است كه اغلب با ديده باني و كنترل ماشين آلات خارجي صورت مي گيرد. براي اين كار وروديها و خروجيها ي بايد از و به سطوح سيگنال ديجيتال منتقل شوند. بعلاوه، بارهاي مهم جاري بايد براي عمليات موتور راه گزيني شوند . تمام اين پيش نيازها بايد منجر به مدار كامپيوتري بزرگي با قطعات غير ديجيتالي شوند.
در برخي سيستم ها از حسگرها وفعال كننده هاي هوشمند براي انتقال سخت افزار ميانجي از كامپيوتر تعبيه شده مركزي استفاده مي شود. اين عمل فايده زيادي دارد و سيمكشي و تعداد اتصالات را با استفاده از شبكه تعبيه شده كاهش مي دهد. با وجو اين ، اين عمل باعث مشكلاتي در محاسبه نيز مي شود.
چالش طراحي :
● سيستم توزيع شده ميان سخت افزار ديجيتال و آنالوگ ، قدرتي ، مكانيكي و شبكه بعلاوه نرم افزار.

۴-۴- مديريت قدرت
يكي از مطالب مرسوم احتياج به مديريت قدرت است تا هم توليد گرما كاهش يابد و هم قدرت باطري حفظ شود. از آنجائيكه هجوم به سيستم هاي لپ تاپ محاسباتي انواع ديگر از سي پي يو هاي كم قدرت را توليد كرده براي اجرا باطريهاي ارزان قيمت تا ۳۰ روز و در برخي موارد تا ۵ سال قدرت كم مهم است.
چالش طراحي :
● طرح فراكم قدرت براي عمليات دراز مدت باطري

۵- حمايت چرخه زندگي
شكل ۲ يك نما از چرخه توليد زنگي را نشان ميدهد. ابتدا نياز و يا فرصت كسترش فن آوري جديد مشخص مي شود . سپس مفهوم محصولي توسعه مي يابد. كه اين امر با محصول در زمان و طرح فرآيند توليد و ساخت و گسترش دنبال مي شود. اما در بيشتر سيستم هاي تعبيه شده ، طراح بايد گسترش هاي گذشته را ببيند وحمايت ، نگهداري ، ترفيع و مطالب ازكارافتادگي سيستم را در نظر بگيرد تا بدقت طرحي سودمند توليد كند. برخي از مطالبي كه به اين چرخه زندگي سوددهي اثر مي كذارد در زير به بحث گذاشته شده است.

۵-۱- اكتساب قطعات
به سبب اينكه سيستم تعبيه شده بيشتر كاربرد-مشتق است تا تكنولوژي-مشتق در انتخاب قطعه عقب افتادگي بيشتري ديده مي شود. از اينرو هزينه هاي اكتساب قطعه را هنگام بهينه سازي سيستم بايد در نظر بگيريم. براي مثال ، هزينه يك قطعه عموماً با كميت كاهش مي يابد، از اينرو تصميمات طرح براي طرح هاي چندگانه بايد براي تقسيم قطعات مشترك تا از آن سودد ببرد تعديل شود.
چالش طراحي :
● قطعه چرخه زندگي، مدل هاي هزينه قطعه و بهينه سازي

۵-۲- تصديق سيستم
كامپيوترهاي تعبيه شده مي توانند هم به ايمني هم بر عملكرد سيستم اثر بگذارند. از اينرو ، روش هاي صلاحيت بسيار دقيق در برخي سيستم ها بعد از هر تغيير طرح لازم است تا بدين ترتيب احتمال خطر خرابي يا شكست سيستم پيش بيني نشده را تخمين بزنند و يا كاهش بدهند. اين هزينه هاي اضافي هر گونه پس اندازي كه ممكن بود توسط ارتقاء طرح در كامپيوتر تعبيه شده يا نرم افزارش درك شده باشد را نفي مي كند. اين نكته بطور اخص به استفاده فن آوري جديد با تلفيق مجدد قطعات سخت افزاري اشاره مي كند . قطعات مجدداً طراحي شده را نمي توان بدون آوردن هزينه ها تصديق سازي مجد بكار برد . يك استراتژي براي كاهش اين هزينه ها تاخير تمام تغييرات طرح تا هنگام ارتقاء اصلي سيستم است . از آنجائيكه سيستم هاي تعبيه شده توزيع شده كاربر گسترده اي پيدا كرده ان ، يك استراتژي محتمل پارتيشن بندي سيستم به طريقي است كه شمار سيستم هاي جانبي را كه لازم است هنگام تغيير مجدداً تصديق دهي شوند را كاهش دهد. اينجا مشكلي در پارتيشن بندي وجود دارد كه با تغييرات طرح پتانسيل ، استراتژي هاي تكنولوژيكي و ملزومات تنظيمي تاثير مي پذيرد.

چالش طراحي :
● تركيب/پارتيشن بندي تا هزينه تا تصديق دوباره را به حداقل برساند.

۵-۳- لجستيك و تعمير
هر زماني كه يك كامپيوترتعبيه شده طراحي و تغيير مي يابد ، بر بقاء ورودي محصول تاثير مي گذارد. نقص كامپيوتر منجر مي شود كه كل سيستم تا زمانيكه كامپيوتر تعمير نشده بلا استفاه باشد. در بيشتر حالات سيستم هاي تعبيه شده در طي دقيقه تا ساعتي قابل تعمير هستند، كه قطعات اضافي را بطور ضمني بيان مي كند و كاركنان نگهداري بايد نزديك به سيستم واقع شده باشند. زمان تعمير سريعتر نيز ممكن است آن تشخيص وسيع را بطور ضمني بيان كند و قابليت جمع آوري داده ها بايد به سيستم ساخته شود كه ممكن است با پايين نگهداشتن هزينه هاي توليد مغايرت داشته باشد. بخاطر عمر دراز سيستم هاي تعبيه شده ، تكثير تغيير هاي طرح مي توانند هزينه هاي لجستيك معني دار باعث شود. براي مثال اگر قطعات يك طرح تغييرداده شده باشد مي تواند تغييرات را به موجودي قطعات اضافي ، تجهيزات نگهداري، و آموزش نگهاري بداند. بعلاوه هر تغيير طرح براي سازگاري با تركيبهاي سيستم گوناگون و جا داده شده توسط پايگاه داده مديريت تركيب آزمايش نموده خواهد شد.