سامانه های توکار (Embedded Systems)
بخش پنجم : رابط کاربری، پردازنده، بردهای کامپیوتری آماده
رابط کاربری
سامانه های توکار به سیستم های به طور کل بدون رابط کاربری (معمولاً طراحی شده برای انجام یک وظیفه) تا سیستم های با رابط گرافیکی پیشرفته که به کامپیوترهای دسکتاپ امروزی شباهت دارند تقسیم بندی می شوند، این سامانه ها از قطعات توکار ساده، از دکمه ها، نماشگرهای LED یا LCD کارکتری (به عنوان نمونه LCD محبوب HD44780) با یک منوی ساده استفاده می کنند.
فراتر از آن ممکن است این سامانه ها از قطعاتی در سطح بالاتر کنند، از جمله نمایشگرهای گرافیکی لمسی یا نمایشگر های دارای دکمه های حسی که راحتی کار را جهت کاهش فضای، مورد استفاده فراهم می کنند، بدین معنی که دکمه ها می توانند با دکمه های تصویری جایگزین شوند و کاربر برای انتخاب گزینه مورد نظر از طریق اشاره طبیعی انگشتان عمل کند، سامانه های توکار در برخی موارد دارای یک نمایشگر به همراه دکمه های جوی استیک (قطعه بندانگشتی برای انتخاب) هستند.
برخی از انواع سامانه های توکار با کمک یک پرت سریال (USB, RS-232, I2C) و یا از طریق ارتباط شبکه ای (Ethernet) در حضور نرم افزار مشتری و کابل های مورد نیاز، رابط کاربری با فاصله از سیستم مرکزی را فراهم می کنند.
چنین روشی مزایای زیادی را دربردارد، از جمله توسعه امکانات سامانه توکار، پرهیز از پرداخت قیمت یک نمایشگر برای نصب در محل، اختصار BSP، اجازه ایجاد رابط کاربری در یک PC. یکی از مدل های خوب پیاده شده از طریق این سیستم، ترکیب استفاده از سرور توکار درحال اجرا روی یک قطعه توکار و رابط کاربری موجود بر روی یک PC می باشد. (مدل استفاده شده در دوربین های مداربسته با قبلیت کنترل از طریق دراختیار داشتن IP سرور و یا مسیریاب های شبکه)
پردازنده ها در سامانه های توکار
پردازنده های توکار به طور معمول به دو برد ریزپردازنده ها (µp) و ریزکنترل کننده ها (µc) تقسیم می شوند که هرکدام دارای تعداد بیشتری از مولفه ها بر روی یک چیپ هستند از جمله کاهش قیمت و اندازه در مقابل در کامپیوتر های شخصی و سرور.
تعداد زیادی از معماری های پیاده سازی شده در معماری CPU در این پردازنده ها در حال استفاده است که عبارتند از معماری گلوگاه فن نیومن با درجات متفاوت از معماری هاروارد، RISC از جمله non-Risc و VLIW.
معماری آن ها از 4 بیت تا 64 بیت و بالاتر (به طور عمده در پردازنده های DSP) متفاوت است، هرچند بیشتر آن ها در محدوده 8 تا 16 بیت قرار دارند. بیشتر این معماری های پردازنده در طیف بزرگی از شکل ها و انواع مختلف بشمار می روند و هرکدام توسط شرکت های مختلفی تولید می شوند، در زیر تعداد زیادی از این معماری ها آورده شده است اما لیستی جامع و کامل نمی باشد:
65816, 65C02, 68HC08, 68HC11, 68k, 8051, ARM, AVR, AVR32, Blackfin, C167, Coldfire, COP8, Cortus APS3, eZ8, eZ80, FR-V, H8, HT48, M16C, M32C, MIPS, MSP430, PIC, PowerPC, R8C, SHARC, ST6, SuperH, TLCS-47, TLCS-870, TLCS-900, Tricore, V850, x86, XE8000, Z80, AsAP.
بردهای کامپیوتری آماده
PC/104 و PC/104+ نمونه هایی از بردهای کامپیوتری آماده هستند که برای سامانه های کوچک، کم ظرفیت و بادوام مناسب هستند، بیشتر آن ها مبتنی بر استاندارد x86 می باشند. این سامانه ها اغلب از DOS، Linux، NetBSD و یا یک سیستم عامل توکار به هنگام از قبیل MicroC/OS-II، QNX یا VxWorks استفاده می کنند.
در کاربردهای معین که در آن ها اندازه کوچک یا قدرت کافی فاکتورهای اصلی به شمار نمی روند، ممکن است اجزای مورد استفاده با استفاده های همان ها در کامیپوترهای شخصی چندمنظوره x86 سازگار باشند. بردهایی از قبیل بردهای قرارگرفته در رده VIA EPIA با وجود کامپیوتر شخصی سازگار اما کامل به ایجاد پل در فضاهای خالی کمک می کنند.
اندازه فیزیکی کوچک تر یا دیگر ویژگی های این بردها، آن ها را برای مهندسان سامانه های توکار جذاب ساخته است.
مزیت این خط مشی این است که ممکن است اجزایی با قیمت مناسبتر همراه با سایر ابزارهای توسعه نرم افزاری استفاده شده برای توسعه نرم افزارهای جامع استفاده شوند. سیستم های ساخته شده از این راه از زمانی که در قطعات بزرگتر ساخته شده اند و یک نقش تنها را برعهده دارند، هنوز در سامانه های توکار به کار می روند. نمونه ای از این قطعات که ممکن است از این راه ساخته شوند، ATM ها هستند.
با این های بیشتر بردهای آماده سیستم توکار PC محور نیستند و از ISA یا باس های PCI استفاده نمی کنند، زمانی که یک سامانه در یک چیپ پردازنده به کار می رود ممکن است برای داشتن یک باس استاندارد از اتصالات مولفه های گسسته فایده کمی داشته باشد و ابزارهای سخت افزاری و نرم افزاری ممکن است در هر سامانه بسیار متفاوت باشند.
نمونه ای از این قطعات که ممکن است از این راه ساخته شوند، ATM ها هستند.
یک سبک طراحی برای این سامانه ها از ماژول و دستگاه کوچکی، شاید در اندازه یک کارت ویزیت و برای نگهداری اطلاعات با تراکم بالا روی تراشه های BGA (از قبیل یک ARM مبتنی بر سیستم روی یک تراشه)، و لوازم جانبی دیگر مانند حافظه فلش خارجی برای ذخیره سازی و یک DRAM برای حافظه زمان اجرا استفاده می کند.
معمولاً فروشنده ماژول باید نرم افزار بوت را ارائه نماید و کاربر اطمینان یابد که گزینه انتخاب سیستم عامل (معمولاً Linux و برخی دیگر از سیستم عامل های به هنگام) در آن وجود داشته باشد. این ماژول ها می توانند در ابعاد وسیع به تولید کارخانه ای برسند و به وسیله سازمان تخصصی سنجش کیفیت مورد ارزیابی و تست قرار گیرند، سپس با حجم بسار کوچکتر از مادربردهای سفارشی و به همراه لوازم خاص خارجی مورد درخواست ترکیب شوند.
خطوط تولید Gumstix نمونه ای با محوریت سیستم عامل Linux از بردهای آماده هستند.
ادامه دارد...
بخش پنجم : رابط کاربری، پردازنده، بردهای کامپیوتری آماده
رابط کاربری
سامانه های توکار به سیستم های به طور کل بدون رابط کاربری (معمولاً طراحی شده برای انجام یک وظیفه) تا سیستم های با رابط گرافیکی پیشرفته که به کامپیوترهای دسکتاپ امروزی شباهت دارند تقسیم بندی می شوند، این سامانه ها از قطعات توکار ساده، از دکمه ها، نماشگرهای LED یا LCD کارکتری (به عنوان نمونه LCD محبوب HD44780) با یک منوی ساده استفاده می کنند.
فراتر از آن ممکن است این سامانه ها از قطعاتی در سطح بالاتر کنند، از جمله نمایشگرهای گرافیکی لمسی یا نمایشگر های دارای دکمه های حسی که راحتی کار را جهت کاهش فضای، مورد استفاده فراهم می کنند، بدین معنی که دکمه ها می توانند با دکمه های تصویری جایگزین شوند و کاربر برای انتخاب گزینه مورد نظر از طریق اشاره طبیعی انگشتان عمل کند، سامانه های توکار در برخی موارد دارای یک نمایشگر به همراه دکمه های جوی استیک (قطعه بندانگشتی برای انتخاب) هستند.
برخی از انواع سامانه های توکار با کمک یک پرت سریال (USB, RS-232, I2C) و یا از طریق ارتباط شبکه ای (Ethernet) در حضور نرم افزار مشتری و کابل های مورد نیاز، رابط کاربری با فاصله از سیستم مرکزی را فراهم می کنند.
چنین روشی مزایای زیادی را دربردارد، از جمله توسعه امکانات سامانه توکار، پرهیز از پرداخت قیمت یک نمایشگر برای نصب در محل، اختصار BSP، اجازه ایجاد رابط کاربری در یک PC. یکی از مدل های خوب پیاده شده از طریق این سیستم، ترکیب استفاده از سرور توکار درحال اجرا روی یک قطعه توکار و رابط کاربری موجود بر روی یک PC می باشد. (مدل استفاده شده در دوربین های مداربسته با قبلیت کنترل از طریق دراختیار داشتن IP سرور و یا مسیریاب های شبکه)
پردازنده ها در سامانه های توکار
پردازنده های توکار به طور معمول به دو برد ریزپردازنده ها (µp) و ریزکنترل کننده ها (µc) تقسیم می شوند که هرکدام دارای تعداد بیشتری از مولفه ها بر روی یک چیپ هستند از جمله کاهش قیمت و اندازه در مقابل در کامپیوتر های شخصی و سرور.
تعداد زیادی از معماری های پیاده سازی شده در معماری CPU در این پردازنده ها در حال استفاده است که عبارتند از معماری گلوگاه فن نیومن با درجات متفاوت از معماری هاروارد، RISC از جمله non-Risc و VLIW.
معماری آن ها از 4 بیت تا 64 بیت و بالاتر (به طور عمده در پردازنده های DSP) متفاوت است، هرچند بیشتر آن ها در محدوده 8 تا 16 بیت قرار دارند. بیشتر این معماری های پردازنده در طیف بزرگی از شکل ها و انواع مختلف بشمار می روند و هرکدام توسط شرکت های مختلفی تولید می شوند، در زیر تعداد زیادی از این معماری ها آورده شده است اما لیستی جامع و کامل نمی باشد:
65816, 65C02, 68HC08, 68HC11, 68k, 8051, ARM, AVR, AVR32, Blackfin, C167, Coldfire, COP8, Cortus APS3, eZ8, eZ80, FR-V, H8, HT48, M16C, M32C, MIPS, MSP430, PIC, PowerPC, R8C, SHARC, ST6, SuperH, TLCS-47, TLCS-870, TLCS-900, Tricore, V850, x86, XE8000, Z80, AsAP.
بردهای کامپیوتری آماده
PC/104 و PC/104+ نمونه هایی از بردهای کامپیوتری آماده هستند که برای سامانه های کوچک، کم ظرفیت و بادوام مناسب هستند، بیشتر آن ها مبتنی بر استاندارد x86 می باشند. این سامانه ها اغلب از DOS، Linux، NetBSD و یا یک سیستم عامل توکار به هنگام از قبیل MicroC/OS-II، QNX یا VxWorks استفاده می کنند.
در کاربردهای معین که در آن ها اندازه کوچک یا قدرت کافی فاکتورهای اصلی به شمار نمی روند، ممکن است اجزای مورد استفاده با استفاده های همان ها در کامیپوترهای شخصی چندمنظوره x86 سازگار باشند. بردهایی از قبیل بردهای قرارگرفته در رده VIA EPIA با وجود کامپیوتر شخصی سازگار اما کامل به ایجاد پل در فضاهای خالی کمک می کنند.
اندازه فیزیکی کوچک تر یا دیگر ویژگی های این بردها، آن ها را برای مهندسان سامانه های توکار جذاب ساخته است.
مزیت این خط مشی این است که ممکن است اجزایی با قیمت مناسبتر همراه با سایر ابزارهای توسعه نرم افزاری استفاده شده برای توسعه نرم افزارهای جامع استفاده شوند. سیستم های ساخته شده از این راه از زمانی که در قطعات بزرگتر ساخته شده اند و یک نقش تنها را برعهده دارند، هنوز در سامانه های توکار به کار می روند. نمونه ای از این قطعات که ممکن است از این راه ساخته شوند، ATM ها هستند.
با این های بیشتر بردهای آماده سیستم توکار PC محور نیستند و از ISA یا باس های PCI استفاده نمی کنند، زمانی که یک سامانه در یک چیپ پردازنده به کار می رود ممکن است برای داشتن یک باس استاندارد از اتصالات مولفه های گسسته فایده کمی داشته باشد و ابزارهای سخت افزاری و نرم افزاری ممکن است در هر سامانه بسیار متفاوت باشند.
نمونه ای از این قطعات که ممکن است از این راه ساخته شوند، ATM ها هستند.
یک سبک طراحی برای این سامانه ها از ماژول و دستگاه کوچکی، شاید در اندازه یک کارت ویزیت و برای نگهداری اطلاعات با تراکم بالا روی تراشه های BGA (از قبیل یک ARM مبتنی بر سیستم روی یک تراشه)، و لوازم جانبی دیگر مانند حافظه فلش خارجی برای ذخیره سازی و یک DRAM برای حافظه زمان اجرا استفاده می کند.
معمولاً فروشنده ماژول باید نرم افزار بوت را ارائه نماید و کاربر اطمینان یابد که گزینه انتخاب سیستم عامل (معمولاً Linux و برخی دیگر از سیستم عامل های به هنگام) در آن وجود داشته باشد. این ماژول ها می توانند در ابعاد وسیع به تولید کارخانه ای برسند و به وسیله سازمان تخصصی سنجش کیفیت مورد ارزیابی و تست قرار گیرند، سپس با حجم بسار کوچکتر از مادربردهای سفارشی و به همراه لوازم خاص خارجی مورد درخواست ترکیب شوند.
خطوط تولید Gumstix نمونه ای با محوریت سیستم عامل Linux از بردهای آماده هستند.
ادامه دارد...
