Mówiąc o systemach wbudowanych, z reguły mamy na myśli dość skomplikowane układy z komputerem jednopłytkowym, powszechnie wykorzystywane w sektorze automatyki przemysłowej.
Ta technologia jednak ewoluowała do tego stopnia, że obecnie stosuje się ją praktycznie we wszystkich dziedzinach życia – w tym w urządzeniach codziennego użytku. Stąd znacznie wzrosło znaczenie inżynierii systemów wbudowanych, a inżynierowie specjalizujący się w tym obszarze są wręcz rozchwytywani na rynku.
W GlobalLogic projektujemy systemy wbudowane (embedded) na potrzeby naszych klientów, dostarczając im niezawodne rozwiązania bez względu na oczekiwany stopień zaawansowania urządzenia.
Dowiedz się, czym są systemy wbudowane i poznaj przykłady ich zastosowania.
Systemy wbudowane – czym właściwie są?
Pisząc możliwie jak najprościej, mianem systemu wbudowanego określamy sterownik elektroniczny, którego pracę nadzoruje system operacyjny – zwykle jest to system RTOS, czyli czasu rzeczywistego. Rozwiązanie to jest częścią większego systemu mechanicznego lub elektrycznego, np. automatyki przemysłowej i – zgodnie z nazwą – wbudowuje się je w konkretne urządzenie.
Celem stosowania systemów wbudowanych jest oczywiście uzyskanie kontroli nad urządzeniem wymagającym automatyzacji. Obecnie mamy do czynienia z powszechną popularyzacją komputerów jednopłytkowych, co pozwala stosować systemy wbudowane w nawet najprostszych rozwiązaniach dla domu czy indywidualnych konsumentów – na przykład w komputerach osobistych, zegarkach czy urządzeniach RTV i AGD.
Systemy wbudowane – ciekawostka
Do kategorii systemów wbudowanych zaliczamy również procesory, w tym te stosowane w elektronice użytkowej.
Jak działa system wbudowany?
Systemy wbudowane zawsze funkcjonują jako część kompletnego urządzenia, stąd właśnie określenie „wbudowany”. Są to tanie, energooszczędne, małe komputery, które są wbudowane w inne systemy mechaniczne lub elektryczne. Na ogół składają się z procesora, zasilacza oraz pamięci i portów komunikacyjnych.
Wykorzystują one porty komunikacyjne do przesyłania danych między procesorem a urządzeniami peryferyjnymi, często innymi systemami wbudowanymi, przy użyciu protokołu komunikacyjnego. Procesor interpretuje te dane z minimalnym użyciem pamięci operacyjnej.
Historia systemów wbudowanych
Historia systemów wbudowanych sięga lat 60. XX wieku. Wtedy to powstał pierwszy system wbudowany czasu rzeczywistego – Apollo Guidance Computer, czyli komputer pokładowy, stworzony przez doktora Charlesa Starka Drapera na potrzeby Programu Apollo. Służył on do kierowania Modułem Dowodzenia/Serwisowym (ang. Command/Service Module) oraz modułem księżycowym (ang. Lunar Module) w statku kosmicznym.
W 1971 roku miał miejsce kolejny ważny rozdział w historii tych systemów. Intel wypuścił na rynek pierwszy na świecie komercyjny jednoukładowy procesor komputerowy – Intel 4004. Wciąż wymagał on jednak wsparcia układów i pamięci zewnętrznej.
Na początku lat 80. podzespoły układu pamięci, wejścia i wyjścia zostały zintegrowane do tego samego układu scalonego, co procesor, tworząc mikrokontroler.
System wbudowany oparty na mikrokontrolerach wkrótce stał się integralną częścią urządzeń wykorzystywanych przez nas wszystkich na co dzień – od terminali i smartfonów, przez zmywarki i pralki, po sygnalizację świetlną czy termostaty.
Czym są mikrokontrolery?
Aby dobrze zrozumieć, czym są systemy wbudowane, warto wiedzieć także, czym są wspomniane mikrokontrolery.
Są to niewielkie mikrokomputery jednoukładowe, zwane też scalonymi systemami mikroprocesorowymi. Zawierają takie podzespoły, jak pamięć RAM, jednostka CPU i różne układy wejścia/wyjścia, a także pamięć napisanego programu ROM lub Flash (lub FRAM i MRAM).
I choć mikrokontrolery nie posiadają wielkiej mocy obliczeniowej, doskonale sprawdzają się w sterowaniu większością urządzeń elektronicznych – i właśnie do tego służą.
Przykłady systemów wbudowanych
Systemy wbudowane są wykorzystywane w wielu urządzeniach i branżach. Na pewno miałeś okazję już się z nimi zetknąć – być może nie zdajesz sobie jedynie z tego sprawy!
Oto kilka przykładów ich zastosowania:
- Urządzenia przenośne: telefony komórkowe, zegarki cyfrowe, konsole do gier czy odtwarzacze MP3. Każdym z tego typu urządzeń sterujesz za pomocą systemu operacyjnego, będącego właśnie systemem wbudowanym – jak np. Android cz IOS.
- Sprzęty AGD – kuchenki mikrofalowe, zmywarki czy pralki. Za sprawą systemów wbudowanych możesz korzystać z różnych funkcji tych urządzeń.
- Samochody. Współczesne pojazdy składają się z wielu komputerów odpowiadających za poszczególne funkcje. Dzięki systemom wbudowanym możesz korzystać np. z czujników cofania, systemu kontroli trakcji, nawigacji czy regulować zawieszenie.
- Sprzęt medyczny. Wszelkie urządzenia monitorujące parametry życiowe (jak np. tętno) wykorzystują systemy wbudowane.
- Oprogramowanie sterujące samolotami, rakietami czy pociskami rakietowymi.
- Urządzenia przemysłowe – mowa tu zarówno o sprzętach wyposażonych w różnego rodzaju czujniki, jak i w pełni zautomatyzowanych maszynach.
Podobne zastosowania można mnożyć – systemy wbudowane towarzyszą nam dziś tak naprawdę na każdym kroku, a wszystko wskazuje na to, że ich udział w naszym życiu będzie coraz bardziej powszechny.
W GlobalLogic tworzymy rozwiązania wbudowane dla wielu branż. Nasze doświadczenie w łączeniu sprzętu z chmurami obliczeniowymi pomaga nam w projektowaniu najwyższej jakości oprogramowania dla przemysłu motoryzacyjnego, urządzeń medycznych i elektroniki użytkowej.
Rodzaje systemów wbudowanych
Istnieje kilka rodzajów owych systemów wbudowanych, które można wydzielić ze względu na ich funkcje. Oto one:
- Mobilne systemy wbudowane, czyli takie, które są przenośne. Jako przykład takiego oprogramowania możemy wymienić aparaty cyfrowe.
- Sieciowe systemy wbudowane – są połączone do sieci, co umożliwia im dostarczanie danych do innych systemów. Przykładem są systemy alarmowe.
- Samodzielne systemy wbudowane – są niezależne od innego systemu. Przykłady to kalkulatory czy odtwarzacze MP3.
- Systemy wbudowane czasu rzeczywistego – dostarczają wymaganych danych wyjściowych w określonym przedziale czasu. Są często używane w sektorze medycznym, przemysłowym i wojskowym, ponieważ służą do realizacji zadań, w których czas jest kluczowy. Przykładem jest system kontroli ruchu.
O rodzajach systemów wbudowanych można także mówić w kontekście wydajności. Mamy wtedy do czynienia z:
- Systemami wbudowanymi, które wykorzystują nie większe niż 8-bitowe mikrokontrolery (small-scale emebedded systems).
- Systemami wbudowanymi, które korzystają z większych mikrokontrolerów (16-32 bitowych) i często integrują kilka mikokontrolerów (medium-scale embedded systems).
- Systemami wbudowanymi, które wykorzystują kilka algorytmów i wymagają użycia zaawansowanego oprogramowania (sophisticated-scale embedded systems).
Trendy w projektowaniu systemów wbudowanych
Aktualnie najważniejszym trendem jest tworzenie systemów wbudowanych opartych na mikrokontrolerach. Dzięki zintegrowaniu pamięci i interfejsów peryferyjnych w jednym procesorze oszczędzamy sporo miejsca, co jest odpowiedzią na obecne wymagania i niezbędne wobec w dobie powszechnej miniaturyzacji urządzeń – zwłaszcza mobilnych. Oczywiście w sytuacji, gdy wymagane jest zaprojektowanie bardzo skomplikowanego systemu wbudowanego, nadal wykorzystuje się standardowe mikroprocesory z zewnętrznymi układami scalonymi.
Kolejnym ważnym trendem jest dążenie do specjalizacji. Projektujemy systemy wbudowane z myślą o konkretnym zastosowaniu lub grupie zbliżonych zastosowań. Ma to tę zaletę, że możemy od razu zoptymalizować dany system ściśle pod kątem parametrów urządzenia, jego przeznaczenia oraz oczekiwanej funkcjonalności. Dzięki temu np. elementy automatyki przemysłowej działają niezwykle precyzyjnie i wydajnie.
Specjalizacja ma również pozytywny wpływ na koszty produkcji i późniejszej eksploatacji systemu wbudowanego, ponieważ zyskujemy możliwość standaryzacji i wyeliminowania potencjalnych problemów użytkowych. Otwiera to także drzwi do masowej produkcji systemu wbudowanego, co oczywiście zawsze obniża cenę jednostkową urządzenia.
Podsumowanie
Każdy z nas pośrednio korzysta z systemów wbudowanych na co dzień. Znajdziemy je w osobistych urządzeniach elektronicznych (zegarek, smartfon), to dzięki nim możemy w miarę bezpiecznie poruszać się po ulicach (zawiadują pracą sygnalizacji świetlnych lub latarni ulicznych), komfortowo wjeżdżać do garażu (automatyka do bram) czy szybko zweryfikować swój stan zdrowia (kontrolowanie pracy rezonansu magnetycznego). Systemy wbudowane masowo wykorzystuje się także w transporcie drogowym i lotniczym.
Nie jesteśmy sobie w stanie wyobrazić funkcjonowania jakiejkolwiek istotnej branży bez systemów wbudowanych. To dzięki nim istnieją i rozwijają się sektory motoryzacyjny, spożywczy, medyczny, telekomunikacyjny czy przemysłowy. Systemy oparte na mikroprocesorach umożliwiają nam komfortową pracę na komputerze, w tym szybkie udostępnianie danych – szczególnie doceniane w pracy zdalnej.
Docelowo na systemach wbudowanych będzie oparta cała infrastruktura Internetu Rzeczy (IoT), a więc technologii, która już teraz zaczyna mocno porządkować nasze codzienne życie, a wkrótce stanie się standardem w komunikacji, pracy, transporcie, funkcjonowaniu miast i korzystaniu z rozrywek.
Rozwijaj się zawodowo w GlobalLogic!
W GlobalLogic stale poszukujemy utalentowanych inżynierów, którzy chcą rozwijać się w branży IT – w tym, między innymi, tworzyć dla naszych klientów systemy wbudowane. Dołącz do nas, jeżeli chcesz się uczyć każdego dnia, pracując dla najlepszych.
Do tej pory zrealizowaliśmy projekty między innymi dla takich marek jak McDonald’s, Costa Coffee, Lego czy The Economist. Projektujemy innowacje w obszarze Smart Home i Smart City. Tworzymy rozwiązania, które zmieniają otaczającą nas rzeczywistość.
Możesz pracować z jednego z sześciu naszych biur w Polsce (Wrocławiu, Krakowie, Szczecinie, Koszalinie, Zielonej Górze i Bydgoszczy) lub z dowolnego miejsca na świecie.
Sprawdź, kogo aktualnie szukamy i wyślij nam swoje CV! Odwiedź zakładkę kariera.