Проектирование и разработка встроенных систем определяются требованиями приложений и ИТ-технологиями. Благодаря постоянным инновациям и развитию микроэлектронных технологий уровень интеграции и технологический уровень крупномасштабных интегральных схем постоянно улучшаются. В частности, внедрение встроенной операционной системы реального времени (RTOS) обеспечивает базовую поддержку и высокоэффективную платформу для разработки сложного прикладного программного обеспечения для встроенных систем.
Процесс проектирования встроенных систем
Этап проектирования
Начальная фаза концептуального проектирования нового продукта включает в себя некоторое предвидение продукта на основе прогнозов рынка, потребностей клиентов и развития технологий. При планировании продукта составляется бизнес-план с оценкой количества единиц продаж, цены и прибыли. Это приводит к созданию первоначальной компоновки продукта, технических характеристик и плана маркетинга продукта. На этом этапе могут также привлекаться промышленные дизайнеры для создания концепции упаковки нового продукта.
Не забывайте, что цена продажи должна покрывать расходы компании на маркетинг, дизайн и разработку в дополнение к стоимости производства каждой единицы продукта. Это зависит от объема продаж, но уровень цены, в два-три раза превышающий стоимость производства единицы продукта, не является чем-то необычным.
Этап разработки
Большая часть работ по внедрению аппаратного и программного обеспечения выполняется в конце этапа проектирования и на этапе разработки. Критический анализ проектных решений помогает определить, возможно ли физически реализовать концепцию проекта на основе его технических характеристик. Перед анализом проектных решений часто создаются электрические и программные макеты. Затем проектируется, конструируется и используется небольшое количество прототипов для более детального тестирования аппаратного и программного обеспечения.
этап производства
Наконец, на этапе производства выпускается большое количество продукции. Сначала, как правило, создается небольшая пилотная партия для дополнительного тестирования и оценки перед началом массового производства. Инженеры по качеству постоянно работают над улучшением качества продукции и технологического процесса. Инженеры по технической поддержке занимаются изменениями, которые следуют за внедрением нового продукта, и предоставляют техническую поддержку для продукта. Учитывая современные тенденции глобализации, массовое производство нового встроенного устройства часто осуществляется в другой стране, где это более рентабельно. Для многих встроенных устройств весь процесс занимает от шести месяцев до года, но конкурентный рынок постоянно вынуждает сокращать жизненный цикл продукта.
Разработка проекта встроенной системы
Основные работы по разработке программного обеспечения и инженерному проектированию выполняются на этапе разработки, который будет описан более подробно ниже. Прежде всего, проектировщики должны выбрать процессор и операционную систему. При выборе процессора для встраиваемого устройства необходимо учитывать множество факторов, таких как цена, производительность, энергопотребление и поддержка программного обеспечения.
выбрать процессор
Производители предоставляют руководства с описанием своих процессоров и, как правило, предоставляют разработчикам полную разработку эталонной платы, которую можно использовать в качестве отправной точки при разработке новой конструкции компьютера, в которой используется этот процессор. Подробное описание каждого отдельного процессора, устройства памяти и всех необходимых микросхем выходит за рамки данного руководства, но некоторые из наиболее общих свойств аппаратного обеспечения, которые непосредственно влияют на создание программного обеспечения, будут рассмотрены ниже.
подключать аппаратные устройства к процессору
После того, как разработчик аппаратного обеспечения встроенной системы выбрал процессор и соответствующие ему устройства памяти, следующим шагом является добавление аппаратных устройств ввода-вывода и соответствующей структуры шины, необходимой для подключения требуемых устройств к процессору. Проектирование встроенных устройств включает в себя выбор и подключение аппаратного обеспечения, необходимого для различных устройств ввода-вывода, требуемых в новом проекте.
Тестирование, отладка и перепроектирование
После тщательного ввода схематического диаграммы конструкции, печатная плата (PCB) проектируется для встроенного устройства с использованием системы автоматизированного проектирования (CAD) печатных плат. Этот инструмент импортирует информацию о соединениях выводов из схемы и использует ее для проектирования и тестирования медных проводников, используемых для соединения интегральных схем (ICS) на печатной плате. Создается несколько печатных плат, заполняемых необходимыми компонентами, которые затем используются для проведения обширных программных испытаний новой конструкции. Любые ошибки в конструкции оборудования, обнаруженные во время испытаний, потребуют изменения схемы, модификации конструкции печатной платы и создания новой. Это увеличит производственный цикл печатных плат и испытаний, что соответственно увеличит время разработки.
выбрать операционную систему
Инструменты для разработки программного обеспечения обычно поставляются вместе с ОС. Поскольку ОС написана на языке C / C++, для создания новой ОС требуются компилятор, редактор ссылок, отладчик и инструменты для работы с двоичными образами. Те же инструменты обычно используются для разработки приложений.
Разработка программного обеспечения происходит параллельно с разработкой аппаратного обеспечения, чтобы сократить общее время разработки продукта. Это становится еще более важным, учитывая постоянно сокращающийся жизненный цикл современных встроенных устройств. Для разработки и тестирования программного обеспечения можно использовать инструменты эмуляции и встроенные компьютерные платы с аналогичным аппаратным обеспечением, на которых работает та же ОС, до того как станет доступна новая аппаратная платформа. Поскольку большая часть кода написана на языках C / C++/C#, большую часть программного обеспечения можно даже разрабатывать и тестировать на другом процессоре или эмуляторе. Затем код перекомпилируется для нового процессора для последнего этапа разработки и тестирования, когда становится доступно новое аппаратное обеспечение.
После завершения разработки программного обеспечения его можно перенести на реальное устройство для тестирования и окончательного выпуска. Windows Embedded CE имеет эмулятор ARM вместе с инструментами разработки. Эмулятор позволяет запускать программное обеспечение на ПК со значительно более высокой скоростью, чем на реальном аппаратном обеспечении. Эмулятор можно использовать для отладки и профилирования программного обеспечения, а также для разработки программного обеспечения для удаленных устройств.
Технологии памяти для встраиваемых устройств
В настоящее время в большинстве встроенных устройств используются два типа памяти: SDRAM или, в некоторых случаях, SRAM для основной памяти и Flash или ROM для энергонезависимой памяти. SDRAM имеет значительно более низкую стоимость на бит памяти, чем SRAM, но требует более сложного аппаратного контроллера для периодических циклов динамического обновления памяти. Одно из наиболее важных решений, которое необходимо принять в начале процесса проектирования, — это объем памяти каждого типа, необходимый для устройства.
память SDRAM
SDRAM — это сокращение от Synchronous Dynamic Random Access Memory (синхронная динамическая память с произвольным доступом). Она использует рабочее напряжение 3,3 В и полосу пропускания 64 бита. Она также долгое время была основным типом памяти: от чипсета 430TX до чипсета 845 все поддерживали SDRAM. SDRAM синхронизирует работу процессора и оперативной памяти с помощью одного и того же тактового генератора, так что процессор и оперативная память могут использовать один такт и работать синхронно с одинаковой скоростью. Передача данных начинается с нарастающего фронта каждого тактового импульса, а скорость на 50 % выше, чем у памяти EDO.
Флэш-память
Операционная система и прикладные программы обычно хранятся во флэш-памяти, поскольку большинство встроенных устройств не имеют жесткого диска.
Устройства флэш-памяти хранят данные на флэш-чипах. Флэш-чипы содержат структуру электронов, которые движутся по кругу. Электроны хранятся в ячейке памяти и перемещаются между различными битами данных на чипе. Количество битов измеряется скоростью перемещения электронов между ячейками, или битами.
Когда в один бит вносится изменение, оно записывается в следующий бит. Если одновременно изменяются два бита, то в программу добавляются два новых байта, и так далее.
SDRAM против Flash
SDRAM работает быстрее, чем флэш-память, что делает ее идеальной для приложений, требующих быстрого доступа к данным.
SDRAM потребляет меньше энергии, чем флэш-память, что делает ее идеальной для портативных устройств.
SDRAM дороже флэш-памяти, поэтому она менее подходит для приложений, в которых важна стоимость.
Флэш-память более долговечна, чем SDRAM, поэтому ее часто используют в приложениях, где данные необходимо хранить в течение длительного времени.
Флэш-память имеет гораздо более низкую скорость чтения по сравнению с SDRAM.
Флэш-память поддерживает только ограниченное количество операций записи, поэтому использование системы виртуальной памяти с подкачкой по требованию (как в настольном ПК) с флэш-памятью (вместо жесткого диска), служащей устройством обмена страницами виртуальной памяти, обычно не используется во встроенных устройствах.
