Wszystkim z pewnością znane jest oprogramowanie dla komputera PC lub notebooka, ale zadomowiła się również inna forma aplikacji. W przypadku tak zwanych „systemów wbudowanych“ są one mocno połączone ze sprzętem i zapewniają, że urządzenie podąża za pewną logiką. Sterowanie odbywa się podobnie jak w przypadku komputera. W tym artykule wyjaśniamy, jak działa „oprogramowanie wbudowane“ i pokazujemy, do czego można je wykorzystać za pomocą kilku praktycznych przykładów.
Nie, programy wbudowane są opracowywane specjalnie dla konkretnego urządzenia lub funkcji i nie mogą być wymieniane ani modyfikowane.
Z jednej strony oprogramowanie wbudowane charakteryzuje się niskim zużyciem energii i zapotrzebowaniem na miejsce, a z drugiej strony jest również bardzo mało wymagające w utrzymaniu.
Aplikacje wbudowane są wykorzystywane we wszystkich obszarach IoT („Internet of Things“).
Spis treści
Definicja: Co to jest Embedded Software?
Oprogramowanie wbudowane“ to oprogramowanie, które zostało stworzone dla konkretnego sprzętu. Aplikacje te działają w dużej mierze niezauważalnie dla użytkownika w tle i zajmują się kontrolą, regulacją i monitorowaniem funkcji. Jako synonimu często używa się również terminu „firmware“.
Oprogramowanie wbudowane składa się zasadniczo z trzech elementów, które decydują o jego budowie i funkcjonalności:
- Bootloader zajmuje się ładowaniem lub aktualizacją systemu operacyjnego i oprogramowania aplikacyjnego.
- System operacyjny jest odpowiedzialny za zarządzanie plikami i pamięcią oraz kontroluje wielozadaniowość.
- Oprogramowanie aplikacyjne jest interfejsem do systemu hosta. Zawiera ono funkcje specyficzne dla urządzenia i przetwarza zebrane wcześniej dane.
Systemy wbudowane często charakteryzują się ścisłymi warunkami ramowymi. Należą do nich na przykład takie czynniki jak minimalizacja kosztów i miejsca, a także zmniejszenie zapotrzebowania na energię. Do tego dochodzą zazwyczaj wysokie wymagania w zakresie obsługi, niezawodności, zachowania w czasie rzeczywistym i oczywiście bezpieczeństwa. Dlatego trudno się dziwić, że platformy często znacznie odbiegają od typowej (standardowej) konstrukcji komputera PC.
Warto wiedzieć: Odpowiednikiem „systemu wbudowanego“ jest tak zwany „system samodzielny“, w którym funkcje są rozdzielone na kilka niezależnych systemów. Należą do nich np. oparte na mikrokontrolerach sterowniki samochodowe, ale także zwykła klawiatura komputerowa.
Podstawy inżynierii: Jak programować oprogramowanie wbudowane?
Tworzenie oprogramowania wbudowanego różni się od pisania konwencjonalnych programów komputerowych, a także jest znacznie bardziej wymagające. W systemie wbudowanym dostępna jest tylko ograniczona ilość pamięci; pamięć programu i danych są również oddzielone od siebie. Prędkość zegara procesora wbudowanego jest również często znacznie niższa niż w przypadku konwencjonalnego systemu PC.
Oznacza to, że wbudowany kod musi nie tylko oferować rozbudowaną funkcjonalność, ale także działać z wymaganą prędkością pomimo ograniczonych zasobów. Ponadto muszą być również spełnione wymagania dotyczące architektury, czasu i zużycia energii.
Na szczęście programiści embedded mają do dyspozycji szereg narzędzi i technik pozwalających na implementację takich projektów. Oprogramowanie wbudowane jest zwykle programowane w asemblerze, ale obecnie coraz częściej stosuje się języki wysokiego poziomu, takie jak C lub C++. Te z kolei mają zazwyczaj lepszy kompilator. Ponadto wiele technik analizy i optymalizacji można wykorzystać również w aplikacjach opartych na asemblerze.
3 Praktyczne przykłady wykorzystania oprogramowania wbudowanego
Urządzenie, o którym mowa, nie musi być koniecznie komputerem. Jednym z najbardziej widocznych przykładów systemu wbudowanego są nowoczesne samochody, którymi praktycznie nie da się poruszać bez elektroniki.
ABS, adaptacyjny układ jezdny, poduszka powietrzna czy automatyczna skrzy nia biegów – wszystkie one są sterowane przez wysoce wydajne oprogramowanie, które pełni precyzyjnie określoną funkcję jako podsystem w połączeniu z powiązanym sprzętem.
Przykładowo, jeśli ABS otrzyma informację z czujników prędkości opon, że koło może się zablokować podczas hamowania, to za pomocą zaworów hydraulicznych zmienia ciśnienie hamowania na danym kole. W ten sposób zachowana zostaje zdolność kierowania i stabilność jazdy.
3.1 Konstrukcja również korzysta z oprogramowania wbudowanego
Kolejną branżą, która czerpie korzyści z zastosowania oprogramowania wbudowanego jest budownictwo. Na przykład maszyny budowlane producenta Liebherr są wyposażone w system embedded firmy Zühlke Engineering, który odczytuje dane eksploatacyjne i przekazuje je za pomocą SMS-ów lub Internetu do centrum danych. Jeśli np. ciśnienie oleju jest zbyt wysokie, system ostrzega o nadmiernym obciążeniu przewodów hydraulicznych. Ponadto możliwe jest wsparcie techników na miejscu poprzez zdalną konserwację z centrum sterowania.
Również w produkcji coraz więcej procesów jest automatyzowanych za pomocą inteligentnego oprogramowania. Obecnie istnieją nawet maszyny wykrawające, które są w stanie wykryć nieprawidłowości w materiale. Ponadto rozpoznają one błędy w procesie produkcyjnym i dzięki aktualizacji oprogramowania na podstawie tych danych w ciągu kilku sekund dokonują korekty.
Poza tym w tych obszarach można znaleźć również oprogramowanie wbudowane:
- Elektronika użytkowa, np. telewizory, radia cyfrowe, telewizory, konsole do gier czy pudełka do streamingu.
- Urządzenia telekomunikacyjne, np. routery lub telefony komórkowe
- Technologia przemysłowa i medyczna
- Technologia wojskowa
- Przemysł lotniczy i kosmiczny
- Sterowniki do pralek, zmywarek i lodówek
Warto wiedzieć: Połączenie w sieć poszczególnych systemów wbudowanych stwarza szereg nowych możliwości dla złożonych środowisk, za pomocą których można odwzorować procesy w czasie rzeczywistym i bez stałej interwencji człowieka.
Jakie są zalety i wady oprogramowania wbudowanego?
Osadzenie oprogramowania w całym systemie ma kilka istotnych zalet. Ponieważ w większości przypadków systemy mają tylko jedną funkcję, nie tylko mieszczą się na bardzo małej przestrzeni, ale także charakteryzują się niskim zużyciem energii. Ponadto są stosunkowo niedrogie w zakupie, a tym samym stanowią bardzo tani i efektywny sposób sterowania urządzeniami.
Ponadto oprogramowanie wbudowane jest bardzo mało wymagające, co oznacza, że bardzo rzadko wymaga aktualizacji. Dzięki temu jest ono szczególnie interesujące w przypadku integracji w urządzeniach, które nie muszą być utrzymywane przez użytkownika końcowego oraz takich, które nie wymagają regularnych aktualizacji.
4.1 Oprogramowanie wbudowane ma też swoje ograniczenia
Pomimo wszystkich pozytywnych aspektów, oprogramowanie wbudowane ma również pewne wady, których nie chcemy tutaj pomijać. Z jednej strony jest ono niezbędne do działania całego systemu i niestety nie może być zastąpione, ponieważ jest wbudowane. Z drugiej strony, przy strukturze modułowej istnieje możliwość późniejszego dodawania i usuwania funkcji i procesów.
Modernizacja systemu wbudowanego jest również w zasadzie niemożliwa, ponieważ sprzęt i oprogramowanie są specjalnie zaprojektowane do ciągłej pracy bez aktualizacji. Aby zmodyfikować system wbudowany, trzeba najpierw całkowicie zdemontować urządzenie nadrzędne, aby po przeprogramowaniu złożyć je ponownie. W większości przypadków znacznie tańsza jest więc jego całkowita wymiana.
Innym punktem, który często prowadzi do problemów, jest fakt, że systemy wbudowane nie są całkowicie reaktywne. Komunikują się za pomocą czujników i elementów wykonawczych i oczekują prawidłowej odpowiedzi w czasie rzeczywistym. Jeśli nie zostanie ona dostarczona, wynikiem jest „FALSE“, co z kolei zaburza funkcjonowanie całego systemu.
W tym filmie można również dowiedzieć się, czym jest oprogramowanie wbudowane: