Ενσωματωμένο λογισμικό

Η Siemens προσφέρει και τα δύο ενσωματωμένο λογισμικό αυτοκινήτων και ενσωματωμένη μηχανική λογισμικού λύσεις. Η Siemens σταμάτησε να προσφέρει αυτόνομο ενσωματωμένο λογισμικό για SoC με τη συνταξιοδότηση τον Νοέμβριο του 2023 των προϊόντων Nucleus, Nucleus Hypervisor, Nucleus ReadyStart, Sokol Flex Linux, Sokol Omni Linux και Sourcery CodeBench (συμπεριλαμβανομένων των σχετικών πρόσθετων). Οι υφιστάμενες συμβάσεις υποστήριξης για αυτά τα προϊόντα εξακολουθούν να τηρούνται, επικοινωνήστε με τη Siemens Κέντρο Υποστήριξης για περισσότερες πληροφορίες.

Ποιοι είναι οι διαφορετικοί τύποι ενσωματωμένου λογισμικού και οι σκοποί τους;

• Λειτουργικό σύστημα - Ένα λειτουργικό σύστημα (OS), με την πιο γενική του έννοια, είναι λογισμικό που επιτρέπει σε έναν χρήστη να εκτελεί άλλες εφαρμογές σε μια υπολογιστική συσκευή. Το λειτουργικό σύστημα διαχειρίζεται τους πόρους υλικού ενός επεξεργαστή, συμπεριλαμβανομένων συσκευών εισόδου όπως πληκτρολόγιο και ποντίκι, συσκευών εξόδου όπως οθόνες ή εκτυπωτές, συνδέσεις δικτύου και συσκευών αποθήκευσης όπως σκληροί δίσκοι και μνήμη. Το λειτουργικό σύστημα παρέχει επίσης υπηρεσίες για τη διευκόλυνση της αποτελεσματικής εκτέλεσης και διαχείρισης και κατανομής μνήμης για προγράμματα εφαρμογών λογισμικού.
• Firmware - Το υλικολογισμικό είναι ένας τύπος λογισμικού που γράφεται απευθείας για ένα κομμάτι υλικού. Λειτουργεί χωρίς να περνά από τα API, το λειτουργικό σύστημα ή τα προγράμματα οδήγησης συσκευών - παρέχοντας τις απαραίτητες οδηγίες και οδηγίες για την επικοινωνία με άλλες συσκευές ή την εκτέλεση βασικών εργασιών και λειτουργιών όπως προβλέπεται.
• Middleware - Το ενδιάμεσο λογισμικό είναι ένα επίπεδο λογισμικού που βρίσκεται μεταξύ εφαρμογών και λειτουργικών συστημάτων. Το ενδιάμεσο λογισμικό χρησιμοποιείται συχνά σε κατανεμημένα συστήματα όπου απλοποιεί την ανάπτυξη λογισμικού παρέχοντας τα ακόλουθα:
  • Απόκρυψη των περιπλοκών των κατανεμημένων εφαρμογών
  • Κάλυψη της ετερογένειας του υλικού, των λειτουργικών συστημάτων και των πρωτοκόλλων
  • Παροχή ομοιόμορφων και υψηλού επιπέδου διεπαφών που χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία διαλειτουργικών, επαναχρησιμοποιήσιμων και φορητών εφαρμογών.
  • Παροχή ενός συνόλου κοινών υπηρεσιών που ελαχιστοποιούν την επικάλυψη των προσπαθειών και ενισχύουν τη συνεργασία μεταξύ εφαρμογών
• Εφαρμογή - Ο τελικός χρήστης αναπτύσσει την τελική εφαρμογή λογισμικού που εκτελείται στο λειτουργικό σύστημα, χρησιμοποιεί ή αλληλεπιδρά με το ενδιάμεσο λογισμικό και το υλικολογισμικό και είναι το κύριο επίκεντρο της λειτουργίας-στόχου των ενσωματωμένων συστημάτων. Κάθε τελική εφαρμογή είναι μοναδική, ενώ τα λειτουργικά συστήματα και το υλικολογισμικό μπορούν να είναι πανομοιότυπα από συσκευή σε συσκευή.

Ενσωματωμένο λογισμικό έναντι ενσωματωμένων συστημάτων

Τα στοιχεία υλικού σε μια συσκευή που εκτελεί ενσωματωμένο λογισμικό ονομάζονται «ενσωματωμένο σύστημα». Μερικά παραδείγματα εξαρτημάτων υλικού που χρησιμοποιούνται σε ενσωματωμένα συστήματα είναι κυκλώματα τροφοδοσίας, κεντρικές μονάδες επεξεργασίας, συσκευές μνήμης flash, χρονοδιακόπτες και θύρες σειριακής επικοινωνίας. Κατά τη διάρκεια των πρώιμων φάσεων σχεδιασμού μιας συσκευής, αποφασίζεται το υλικό που θα αποτελέσει το ενσωματωμένο σύστημα - και η διαμόρφωσή του μέσα στη συσκευή -. Στη συνέχεια, το ενσωματωμένο λογισμικό αναπτύσσεται από το μηδέν για να τρέχει αποκλειστικά σε αυτό το υλικό σε αυτήν την ακριβή διαμόρφωση. Αυτό καθιστά το σχεδιασμό ενσωματωμένου λογισμικού ένα εξειδικευμένο πεδίο που απαιτεί βαθιά γνώση των δυνατοτήτων υλικού και του προγραμματισμού υπολογιστών.

Παραδείγματα ενσωματωμένων λειτουργιών που βασίζονται σε λογισμικό

Σχεδόν κάθε συσκευή με πλακέτες κυκλωμάτων και τσιπ υπολογιστών έχει αυτά τα στοιχεία διατεταγμένα σε ένα ενσωματωμένο σύστημα λογισμικού. Ως αποτέλεσμα, τα ενσωματωμένα συστήματα λογισμικού είναι πανταχού παρόντα στην καθημερινή ζωή και βρίσκονται σε όλη την καταναλωτική, βιομηχανική, αυτοκινητοβιομηχανία, αεροδιαστημική, ιατρική, εμπορική, τηλεπικοινωνιακή και στρατιωτική τεχνολογία.

Τα κοινά παραδείγματα ενσωματωμένων λειτουργιών που βασίζονται σε λογισμικό περιλαμβάνουν:

• Συστήματα επεξεργασίας εικόνας που βρίσκονται σε ιατρικό εξοπλισμό απεικόνισης
• Συστήματα ελέγχου fly-by-wire που βρέθηκαν σε αεροσκάφη
• Συστήματα ανίχνευσης κίνησης σε κάμερες ασφαλείας
• Συστήματα ελέγχου κυκλοφορίας που βρέθηκαν στα φανάρια
• Συστήματα χρονισμού και αυτοματισμού που βρίσκονται σε έξυπνες οικιακές συσκευές

Ποιοι είναι οι διαφορετικοί τύποι ενσωματωμένων συστημάτων;

Όταν βασίζονται στις επιδόσεις και τις λειτουργικές απαιτήσεις, υπάρχουν πέντε κύριες κατηγορίες ενσωματωμένων συστημάτων:

• Τα ενσωματωμένα συστήματα σε πραγματικό χρόνο ολοκληρώνουν εργασίες με ντετερμινιστικό και επαναλαμβανόμενο τρόπο, ο οποίος επηρεάζεται από την υποκείμενη αρχιτεκτονική και τον προγραμματισμό των λειτουργικών συστημάτων, καθώς και από την απόδοση των νημάτων, τη διακλάδωση και τη διακοπή καθυστέρησης. Τα ενσωματωμένα συστήματα γενικής χρήσης δεν περιέχουν απαίτηση σε πραγματικό χρόνο και μπορούν να διαχειριστούν διακοπές ή διακλάδωση χωρίς εξάρτηση από χρόνο ολοκλήρωσης. Οι οθόνες γραφικών και η διαχείριση πληκτρολογίου και ποντικιού είναι καλά παραδείγματα γενικών συστημάτων.
• Τα αυτόνομα ενσωματωμένα συστήματα μπορούν να ολοκληρώσουν εργασίες χωρίς κεντρικό σύστημα ή εξωτερικούς πόρους επεξεργασίας. Μπορούν να εξάγουν ή να λαμβάνουν δεδομένα από συνδεδεμένες συσκευές, αλλά δεν εξαρτώνται από αυτές για να ολοκληρώσουν την εργασία τους.
• Τα αυτόνομα ενσωματωμένα συστήματα μπορούν να ολοκληρώσουν την εργασία τους χωρίς κεντρικό σύστημα ή εξωτερικούς πόρους επεξεργασίας. Μπορούν να εξάγουν ή να λαμβάνουν δεδομένα από συνδεδεμένες συσκευές, αλλά δεν εξαρτώνται από αυτές για να ολοκληρώσουν την εργασία τους.
• Τα δικτυωμένα ενσωματωμένα συστήματα εξαρτώνται από ένα συνδεδεμένο δίκτυο για την εκτέλεση εργασιών που έχουν ανατεθεί.
• Με βάση την πολυπλοκότητα της αρχιτεκτονικής υλικού του συστήματος, υπάρχουν τρεις κύριοι τύποι ενσωματωμένων συστημάτων: Τα δικτυωμένα ενσωματωμένα συστήματα εξαρτώνται από ένα συνδεδεμένο δίκτυο για την εκτέλεση καθηκόντων που έχουν ανατεθεί.

Πώς οι τελικές αγορές επηρεάζουν τα ενσωματωμένα συστήματα

Οι απαιτήσεις και τα εξαρτήματα του ενσωματωμένου συστήματος θα διαφέρουν ανάλογα με τις απαιτήσεις της αγοράς-στόχου. Μερικά παραδείγματα περιλαμβάνουν:

• Καταναλωτής - Σε εφαρμογές όπως καταναλωτικά αγαθά όπως πλυντήρια, φορητές συσκευές και κινητά τηλέφωνα ενσωματωμένα συστήματα τονίζουν το μειωμένο μέγεθος του
• Σύστημα σε τσιπ, χαμηλή κατανάλωση ενέργειας ή λειτουργία μπαταρίας και διεπαφές γραφικών. Σε αυτές τις εφαρμογές, εκτιμώνται τα διαμορφώσιμα λειτουργικά συστήματα και η δυνατότητα απενεργοποίησης μη λειτουργικών «τομέων» του σχεδιασμού.
• Δικτύωση - Εφαρμογές που επιτρέπουν τη συνδεσιμότητα, επικοινωνία, λειτουργίες και διαχείριση ενός εταιρικού δικτύου. Παρέχει τη διαδρομή επικοινωνίας και τις υπηρεσίες μεταξύ χρηστών, διαδικασιών, εφαρμογών, υπηρεσιών και εξωτερικών δικτύων/διαδικτύου. Οι ενσωματωμένες εφαρμογές δικτύου επικεντρώνονται στην ταχύτητα απόκρισης, την επεξεργασία πακέτων και τις διαδρομές περιφερειακού υλικού.
• Βιομηχανική - Για εφαρμογές όπως η διαχείριση εργοστασίων, οι κινητήρες και οι ανεμόμυλοι, η έμφαση τείνει στην ασφαλή συνδεσιμότητα στο cloud και τη ντετερμινιστική λειτουργία «σε πραγματικό χρόνο» και μπορεί να επικεντρωθεί σε μεγάλο βαθμό στο middleware.
• Ιατρική, αυτοκινητοβιομηχανία και αεροδιαστημική - Αυτές οι βιομηχανίες χρειάζονται μικτά συστήματα κρίσιμης σημασίας για την ασφάλεια, όπου τμήματα του σχεδιασμού είναι απομονωμένα μεταξύ τους για να διασφαλιστεί ότι μόνο τα απαραίτητα δεδομένα εισέρχονται ή εξέρχονται από το σύστημα (ασφάλεια), ενώ δεν εγγυώνται καμία βλάβη στον τελικό χρήστη (ασφάλεια). Παραδείγματα είναι τα αυτόνομα συστήματα οδήγησης σε αυτοκίνητα και ιατρικές συσκευές. Αυτά τα ενσωματωμένα συστήματα μπορούν να διαθέτουν ένα συνδυασμό ανοιχτού κώδικα (Linux) και ντετερμινιστικών λειτουργικών συστημάτων σε πραγματικό χρόνο (RTOS) και χρησιμοποιούν σε μεγάλο βαθμό αποδεδειγμένο ενδιάμεσο λογισμικό.

Γιατί είναι διαφορετικό το ενσωματωμένο λογισμικό αυτοκινήτων;

Στην ηλεκτρονική αυτοκινητοβιομηχανία, πολύπλοκες αλληλεπιδράσεις σε πραγματικό χρόνο συμβαίνουν σε πολλαπλά ενσωματωμένα συστήματα που κάθε ελέγχει, όπως φρενάρισμα, τιμόνι, ανάρτηση, σύστημα κίνησης κ.λπ. Το φυσικό περίβλημα που περιέχει κάθε ενσωματωμένο σύστημα αναφέρεται ως ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου (ECU). Κάθε ECU και το ενσωματωμένο λογισμικό του είναι μέρος μιας σύνθετης ηλεκτρικής αρχιτεκτονικής γνωστής ως κατανεμημένο σύστημα.

Επικοινωνώντας μεταξύ τους, τα ECU που αποτελούν το κατανεμημένο σύστημα ενός οχήματος μπορούν να εκτελέσουν μια ποικιλία λειτουργιών, όπως αυτόματο φρενάρισμα έκτακτης ανάγκης, προσαρμοστικό σύστημα ελέγχου ταχύτητας, έλεγχος ευστάθειας, προσαρμοστικοί προβολείς και πολλά άλλα. Μια ενιαία λειτουργία μπορεί να χρειάζεται αλληλεπιδράσεις σε 20 ή περισσότερες ενσωματωμένες εφαρμογές λογισμικού που κατανέμονται σε πολυάριθμα ECU συνδεδεμένα με πολλαπλά πρωτόκολλα δικτύωσης. Οι σύνθετοι αλγόριθμοι ελέγχου που αναπτύσσονται με το ενσωματωμένο λογισμικό εξασφαλίζουν τον σωστό χρονισμό των λειτουργιών, τις απαραίτητες εισόδους και εξόδους και την ασφάλεια των δεδομένων.

Τα κοινά παραδείγματα λειτουργιών που βασίζονται σε εφαρμογές λογισμικού αυτοκινήτων περιλαμβάνουν:

• Χαρακτηριστικά ADAS (Advanced Driver Assist Systems) όπως προσαρμοστικό σύστημα ελέγχου ταχύτητας, αυτόματο φρενάρισμα έκτακτης ανάγκης, υποβοήθηση διατήρησης λωρίδας κυκλοφορίας, προειδοποιήσεις αναχώρησης λωρίδας κυκλοφορίας, προειδοποιήσεις αναχώρησης από λωρίδα κυκλοφορίας
• Διαχείριση μπαταριών
• Αντιστάθμιση ροπής
• Έλεγχος ρυθμού ψεκασμού καυσίμου

Στοίβα λογισμικού ECU

Η ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου ή ECU αποτελείται από μια κύρια υπολογιστική μονάδα με υλικό σε επίπεδο τσιπ και μια στοίβα ενσωματωμένου λογισμικού. Ωστόσο, υπάρχει μια αυξανόμενη τάση μεταξύ των κατασκευαστών αυτοκινήτων να σχεδιάζουν ECU με πολύπλοκα ολοκληρωμένα κυκλώματα που περιέχουν πολλαπλούς υπολογιστικούς πυρήνες σε ένα μόνο τσιπ - αυτό που αναφέρεται ως σύστημα σε ένα τσιπ (SoC). Αυτά τα SoC μπορούν να φιλοξενήσουν ένα πλήθος αφαιρέσεων ECU προκειμένου να ενοποιήσουν το υλικό. Η στοίβα λογισμικού για ένα ECU περιλαμβάνει συνήθως μια σειρά λύσεων, από υλικολογισμικό χαμηλού επιπέδου έως ενσωματωμένες εφαρμογές λογισμικού υψηλού επιπέδου.