Upload
project-it3
View
712
Download
3
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Citation preview
NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 1Hanák Péter, BME VIK
Mélyfúrás
Beágyazott rendszerek
Hanák Pé[email protected]
NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 2Hanák Péter, BME VIK
Tézis
• Mesterséges tárgyaink nagy részét beágyazott rendszerek működtetik.
• Beépített intelligenciájuk révén– autonóm módon kommunikálnak egymással,– reagálnak az ember, továbbá más élőlények és
más tárgyak jelenlétére.
• Elterjedésükkel minden iparágban– alapvető technológiaváltás megy végbe, melynek
előfeltételeként – technológiaváltás lesz a beágyazott rendszerek
tervezésében és megvalósításában (szabványok, szoftverfejlesztés, rendszerintegráció).
NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 3Hanák Péter, BME VIK
Mottó
NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 4Hanák Péter, BME VIK
MottóHa sok cseresznyepaprikát madzagra fűzünk, abból
lesz a paprikakoszorú.Ha viszont nem fűzzük fel őket, nem lesz belőlük
koszorú.Pedig a paprika ugyanannyi, éppoly piros, éppoly erős.
De mégse koszorú.Csak a madzag tenné? Nem a madzag teszi. Az a
madzag, mint tudjuk, mellékes, harmadrangú valami.Hát akkor mi?
Aki ezen elgondolkodik, s ügyel rá, hogy gondolatai ne kalandozzanak összevissza, hanem helyes irányban
haladjanak, nagy igazságoknak jöhet a nyomára.
Örkény: Az élet értelme (Egyperces novellák)
NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 5Hanák Péter, BME VIK
Beágyazott rendszer (BR)
Minden beágyazott rendszert program és processzor működtet, de …
… nem minden programozott és processzorral működtetett rendszer beágyazott rendszer.
A beágyazott rendszer processzoralapú, programvezérlésű elektronikus
eszköz, illetve ilyen eszközökből alkotott rendszer, az őt befogadó mesterséges tárgyat autonóm módon
működteti, befogadó fizikai / kémiai / biológiai környezetét
− érzékelők segítségével megfigyeli és− beavatkozók segítségével befolyásolja.
NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 6Hanák Péter, BME VIK
A BR meghatározó jellemzői
Korlátos erőforrások(energia, tárkapacitás, utasításkészlet, végrehajtási sebesség stb.)
Kis fizikai méret(a hordozó lemez mérete néhány mm2-től egy-kétszáz cm2-ig terjed),
Magas megbízhatósági és rendelkezésre állási követelmények(a hétköznapi infokommunikációs alkalmazásokhoz képest).
NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 7Hanák Péter, BME VIK
A BR tipikus hardver komponensei
• CPU (8-32 bit),• Programtár (Flash; 48 kB - 64 MB),• Adattár (RAM; 4 kB – 64 MB),• Érzékelők
(pl. hőmérséklet-, fény-, nedvesség-, hang-, mozgás-, távolság-, irány-, helyzetérzékelők, AD-konverter, továbbá nyomógombok és kapcsolók),
• Beavatkozószervek(pl. relé, kapcsoló, motor, DA-konverter, továbbá LED-ek és más kijelzők),
• Vezeték nélküli és vezetékes adatátviteli eszközök(pl. Bluetooth; WiFi, WiMAX, ZigBee; USB).
NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 8Hanák Péter, BME VIK
A BR tipikus szoftver komponensei
• Eszközvezérlő programok(device drivers),
• Speciális operációs rendszer(pl. eCos, TinyOS, Contiki, Embedded Windows, Embedded Linux),
• Futtatórendszer(run-time system, RTS),
• Alkalmazás.
NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 9Hanák Péter, BME VIK
A BR megjelenési formái
• Befogadó rendszerbe integrálva– a befogadó rendszer is elektronikus, pl.
elektronikus fogyasztási cikkek, elektronikus műszerek
• Önálló részegység– a befogadó rendszerhez, beépítve, jelátalakítókkal
csatlakozik, pl. jármű, háztartási gép, ipari robot
• Önálló eszköz (?)– off-line, on-line kapcsolatban a környezetével
• Fix kiépítésű vagy ad-hoc hálózat (?)– a fenti háromféle csomópontból álló hálózatok
NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 10Hanák Péter, BME VIK
Tmote Sky
NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 11Hanák Péter, BME VIK
Tmote Sky
65,5×32mm2
65,5×32mm2
Moteiv, USA
NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 12Hanák Péter, BME VIK
Spec Mote egy MICA mote tetején
5mm2UC Berkeley, USA
NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 13Hanák Péter, BME VIK
Smart Dust Mote
UC Berkeley, USA
NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 14Hanák Péter, BME VIK
Befogadó rendszer
• Befogadó rendszer = a beágyazott rendszer által működtetett tárgy
• Az azonos alapfunkciójú hagyományos tárgyhoz képest– gazdagabb funkcionalitású („intelligensebb”),– változtatható tulajdonságú,– képes alkalmazkodni a változó
körülményekhez és igényekhez,– programozott eszköz lévén: változtatható,
bővíthető funkcionalitású.
NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 15Hanák Péter, BME VIK
Példák befogadó rendszerekre
• Irodagépek• Elektronikus fogyasztási cikkek• Háztartási és ház körüli gépek• Járművek, közlekedésirányítási eszközök• Orvostechnikai berendezések• Szerszámgépek• Vezérléstechnikai eszközök• Jön: bútorok és más lakberendezési cikkek,
játékok, ruházati cikkek, gyógyszerek, ...• … és szinte minden más tárgy
NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 16Hanák Péter, BME VIK
Önállóan és hálózatba kötve
A befogadó rendszerek• köre és funkcionalitása („intelligenciája”)
gyors ütemben bővül már ma is,• de hálózatba, rendszerbe kapcsolásuk
mértéke csak lassan nő:– elősegíti: vezeték nélküli adatátvitel gyors
terjedése– hátráltatja: komplexitás mértéke,
szabványok és jogi szabályozás hiánya
NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 17Hanák Péter, BME VIK
ABB-gyártórobotok munka közben
NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 18Hanák Péter, BME VIK
EKG-eseményrekorder
• MSP 430• Bluetooth
Meditech Kft., HU
NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 19Hanák Péter, BME VIK
Wireless Pressure Measurement
Külső elektronika Beépített szenzor
CardioMEMS
NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 20Hanák Péter, BME VIK
Healthcare massage chair
NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 21Hanák Péter, BME VIK
Befogadó vs. beágyazott rendszer
Példa: mobiltelefon• Elkülönítendő benne is a
beágyazott és a befogadó rendszer
• Beágyazott része: a perifériák és kezelő programjuk
• Befogadó része: a telefonfunkció és más funkciók megvalósítása
NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 22Hanák Péter, BME VIK
Befogadó vs. beágyazott rendszer
• Benne is elkülönítendő a beágyazott és a befogadó rendszer!
• Beágyazott része: a perifériák és kezelő programjuk
• Befogadó része: egyszerű funkciók megvalósítása
Példa: mót
Beágyazott rendszer = vezérlő logika ?
NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 23Hanák Péter, BME VIK
Négy tipikus alkalmazási környezet
• Ipari rendszerek– repülőgép-, autó-, gép-, orvostechnikai ipar stb.
• Nomád környezetek– mozgásban lévő és változó emberek, tárgyak,
alkalmazások
• Magánterek– otthon, munkahely, szórakozóhely
• Nyilvános infrastruktúra– épület, repülőtér, közút, vasút, hálózatok (energia,
telefon, számítógép stb.) stb.
NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 24Hanák Péter, BME VIK
Elvárások e négy környezetben
• Ipari rendszerek– minőség, biztonság, megbízhatóság, ...
• Nomád környezetek– kis energiaigény, kis tömeg, akadálytalan rádiós
adatátviteli kapcsolat, ...
• Magánterek– kényelem, biztonság, rádiós és vezetékes
kapcsolat, érzékelők, beavatkozószervek, ...
• Nyilvános infrastruktúra– elérhetőség, rendelkezésre állás, biztonság, ...
NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 25Hanák Péter, BME VIK
A BR célja e négy környezetben
• Ipari rendszerek– érték-, hatékonyság- és termelékenységnövekedés
• Nomád környezetek– új munkaszervezési módok, növekvő
termelékenység, másfajta életmód, ...
• Magánterek– személyre szabható, adaptív megoldások,
autonóm felügyelet, életvitel támogatása, ...
• Nyilvános infrastruktúra– intelligens környezet, biztonság, kezelhetőség,
karbantartás, védelem, ...
NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 26Hanák Péter, BME VIK
A jelenlegi helyzet jellemzése
• 2000-ben 10 milliárd mikroprocesszor volt használatban, 98%-uk beágyazott rendszerekben.
• Az elektronikus komponensek – beleértve a kijelzőket, érzékelőket, félvezetőket is – piaci értéke 257 milliárd euró volt, ebből Európa, Amerika és Japán 19-19%, a ázsiai-csendes óceáni régió 43%-kal részesedett.
• A beágyazott rendszerek világpiacát 2004-ben 37 milliárd euróra becsülték.
NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 27Hanák Péter, BME VIK
BR-t fokozottan használó ágazatok
FAST Study, 2005
NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 28Hanák Péter, BME VIK
BR aránya a végtermék költségében
FAST Study, 2005
NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 29Hanák Péter, BME VIK
BR aránya a végtermék értékében
FAST Study, 2005
NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 30Hanák Péter, BME VIK
Elektronika és BR piaci részesedése
FAST Study, 2005
NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 31Hanák Péter, BME VIK
BR-ek fejlesztési sajátosságai
• korlátos erőforrások (ROM, RAM, órajel, energia)• speciális perifériák• egyidejű hardver-szoftver fejlesztés• programozás alacsony szintű nyelven (assembly, C)• eltérő programfejlesztési és célkörnyezet• speciális fejlesztőeszközök szükségessége• nehéz hozzáférés a kész rendszer komponenseihez• a beágyazott és a befogadó rendszer egyidejű ismerete• sokféle szakértelem megléte egyszerre: csoportmunka,
interdiszciplináris tudás, együttműködési képesség
NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 32Hanák Péter, BME VIK
Technológiaváltás mindenütt
• Bármely termék funkcionalitásának bővítésére beágyazott rendszer beépítése a megoldás
• Minden iparágra kiterjedő technológiaváltás van folyamatban – ha ennek nem is vagyunk tudatában
• Az információs társadalomnak nevezett jelenséghez képest túl kevés szó esik a „beágyazott forradalomról”
• Ez a technológiaváltás alapvetően átrendezi az ipari termelést és a hozzá kapcsolódó szolgáltatásokat
• A high-tech iparágak után a többi iparágat, beleértve a kisipart is, átformálja, de erre nincsenek felkészülve
• A mai BR-technológia speciális felkészültséget igényel, nem alkalmas laikus-használatra
NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 33Hanák Péter, BME VIK
A technológiaváltás akadályai
• A szoftvertechnológia jelentős elmaradása a hardvertechnológiához képest
• A nyílt szabványok hiánya
• A jól képzett szakemberek hiánya
• A fejlesztési technológia fejletlensége
NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 34Hanák Péter, BME VIK
BR-perspektívák számokban
• 2010-re a mikroprocesszorok száma 2000-hez képest megduplázódik, azaz minden emberre három mikroprocesszor jut a Földön.
• A beágyazott rendszerek világpiaca 2009-re 71 milliárd euróra nő, becsült növekedési üteme 2004 és 2009 között évi 14% lesz.
• A PC-piac növekedési üteme ennél jóval kisebb, kb. évi 8% lesz, ami azt jelenti, hogy a beágyazott rendszerek piaca lesz az elektronikai ipar fő hajtóereje.
• A beágyazott szoftver piaci értékének növekedését még a hardverénél is nagyobbra, évi 16%-ra taksálják 2004-től 2009-ig.
NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 35Hanák Péter, BME VIK
Kutatási kihívások
• Szoftver: kritikus szerepe van a beágyazott rendszerekben
• Architektúra: heterogén, dinamikusan változó hálózatba kötött alrendszerek
• Bonyolultság: tervezés, tesztelés, üzembehelyezés, üzemeltetés során egyaránt
• Hardver-szoftver egyidejű tervezése• Interdiszciplinaritás: elméleti és gyakorlati tudás,
kommunikáció, csoportmunka!• Sérülékenység: különösen a vezeték nélküli
kapcsolatok miatt
NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 36Hanák Péter, BME VIK
Kutatási célok
• referenciatervek: sokféle alkalmazási területen különféle beágyazott platformokra és szoftver környezetre
• köztes szoftverrétegek: a gyors alkalmazásfejlesztést lehetővé tevő, észrevehetetlen, akadálytalan kapcsolódás megvalósítására nyílt adatátviteli hálózatokban
• nyílt szabványok és együttműködési képesség
• informatikai és kommunikációs technológiák: a jövő beágyazott rendszereinek megalapozására
• szoftver eszközök és fejlesztői platformok: a gyors tervezés és prototípuskészítés támogatására
NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 37Hanák Péter, BME VIK
BR-trend: hw, sw, programozás
NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 38Hanák Péter, BME VIK
Várható fejlődési irányok
Szabványok plug&play eszközök, elektronikus adatlapok,
adatátviteli módok, adattartalmakArchitektúrák
heterogén, elosztott, lazán csatolt, dinamikusan változó, sok komponensű rendszerek
Kommunikáció jellemzően vezeték nélkül
Tervezési minták, referenciarendszerek lesznek (jelenleg nincsenek)
NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 39Hanák Péter, BME VIK
Várható fejlődési irányok
• Modellező és analizáló eszközök– lesznek (jelenleg zömmel kutatási fázisban)
• Programozási nyelvek– magas szintű nyelvek elterjednek
• Operációs rendszerek– nagyon kis eszközökön is, nyílt forráskóddal
• Fejlesztő platformok– nem informatikus- és villamosmérnök-specialisták
által is használható platformok megjelenése várható
NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 40Hanák Péter, BME VIK
Technológiai előfeltételek
• Energiaforrások: méret, ár, élettartam, megbízhatóság
• Szenzorhálózatok:olcsó mótok, rádiós kapcsolat fejlődése
• Mótok és nomád eszközök: méret, súly, energiaszükséglet
• Vezeték nélküli adatátvitel: észrevehetetlen kapcsolódás, csökkentett energiaszükséglet, szabványok
• Szoftvertechnológia: modellezés, analizálás, verifikáció, validáció, köztes szoftver, kódgenerálás stb.
• Újra használható kódok: programkönyvtárak
• Operációs rendszerek: nyílt, nagyon kis eszközökre is
• Fordítóprogramok: erőforráskorlátok figyelembe vétele
• Fejlesztőeszközök: nyílt, félprofik által is használható
NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 41Hanák Péter, BME VIK
BR-kutatás, fejlesztés, gyártás Mo-n
• BME EJJT• BME VIK• BMF NIK és KVK• BZAKA IKTI• SZTE SZFT• ME AUT• MTA SZTAKI• ...
• Elektronika Szövetk.• GE Magyaro. Zrt.• Hexium Kft.• Innomed Kft.• Meditech Kft.• MicRed Kft.• Robert Bosch Kft.• 77 Elektronika Kft.• ...
NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 42Hanák Péter, BME VIK
Következtetések
• A technológiaváltás folytatódik– az eddig nem elektronizált iparágakban is,– a kisiparban is,– és ennek kevéssé vagyunk tudatában!
• Absztrakciós szintek, szabványok kellenek• A költsége nagy még a nagyok számára is
– fejlettebb szoftvertechnológiára van szükség– közös fejlesztésű, nyílt forráskódú, félprofik
által használható fejlesztő platformok kellenek
• Oktatás, képzés minden szinten!
NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13. 43Hanák Péter, BME VIK
A technológiaváltás hatásai
• A használókra– átláthatóság csökken– funkcionalitás bővül– szolgáltatási
színvonal nő– bonyolultság nő– függőség nő– sérülékenység nő
• A gyártókra– bonyolultság nő– tudásigény változik– interdiszciplinaritás nő– belépési költség nő– át/továbbképzés kell– funkcióbővítés
könnyebbé válik