Mélyfúrás

1. Mélyfúrás Beágyazott rendszerek Hanák Péter hanak@inf.bme.hu

2. 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).

3. Mottó

4. Ha 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) Mottó

5. 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.

6. 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).

7. 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).

8. 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.

9. 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

10. Tmote Sky

11. Tmote Sky 65,5×32mm2 65,5×32mm2 Moteiv, USA

12. Spec Mote  egy MICA mote tetején 5mm2 UC Berkeley, USA

13. Smart Dust Mote UC Berkeley, USA

14. 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.

15. 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

16. 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

17. ABB-gyártórobotok munka közben

18. EKG-eseményrekorder • MSP 430 • Bluetooth Meditech Kft., HU

19. Wireless Pressure Measurement Beépített szenzor Külső elektronika CardioMEMS

20. Healthcare massage chair

21. 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

22. 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 ?

23. 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.

24. 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, ...

25. 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, ...

26. 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.

27. BR-t fokozottan használó ágazatok FAST Study, 2005

28. BR aránya a végtermék költségében FAST Study, 2005

29. BR aránya a végtermék értékében FAST Study, 2005

30. Elektronika és BR piaci részesedése FAST Study, 2005

31. 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

32. 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

33. A technológiaváltás akadályai • A szoftvertechnológia jelentős elmaradása a hardvertechnológiához képest • A nyílt szabványok hiánya • A jól képzett szakemberek hiánya • A fejlesztési technológia fejletlensége

34. 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.

35. 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

36. 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

37. BR-trend: hw, sw, programozás

38. Várható fejlődési irányok • Szabványok • plug&play eszközök, elektronikus adatlapok, adatátviteli módok, adattartalmak • Architektúrák • heterogén, elosztott, lazán csatolt, dinamikusan változó, sok komponensű rendszerek • Kommunikáció • jellemzően vezeték nélkül • Tervezési minták, referenciarendszerek • lesznek (jelenleg nincsenek)

39. 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

40. 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

41. Elektronika Szövetk. GE Magyaro. Zrt. Hexium Kft. Innomed Kft. Meditech Kft. MicRed Kft. Robert Bosch Kft. 77 Elektronika Kft. ... BR-kutatás, fejlesztés, gyártás Mo-n • BME EJJT • BME VIK • BMF NIK és KVK • BZAKA IKTI • SZTE SZFT • ME AUT • MTA SZTAKI • ...

42. 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!

43. A gyártókra bonyolultság nő tudásigény változik interdiszciplinaritás nő belépési költség nő át/továbbképzés kell funkcióbővítés könnyebbé válik A technológiaváltás hatásai • A használókra • átláthatóság csökken • funkcionalitás bővül • szolgáltatási színvonal nő • bonyolultság nő • függőség nő • sérülékenység nő