Встроенные системы и их программное обеспечение

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ПО РАЗВИТИЮ ИНФОРМАТИЗАЦИИ И КОММУНИКАЦИЙ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН ТАШКЕНТСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ИМЕНИ МУХАММАДА АЛЬ-ХОРЕЗМИЙ

КАФЕДРA АППАРАТНОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ В ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ

Самостоятельная работа

По дисциплине: Встроенные системы и их программное обеспечение

Ташкент

2021 г.

1. Этапы проектирования и разработка встроенных вычислительных систем

Начальная фаза концептуального проектирования нового продукта включает некоторое предвидение продукта на основе предсказаний рынка, потребностей клиентов, и развития технологии. При планировании продукта делается экономическое обоснование для продукта с оценками количества единиц продаж, цены, и прибыли. Это приводит к созданию начального макета продукта, проектной спецификации, и маркетингового плана продукта.

Большая часть усилий по аппаратной и программной реализации происходят в конце этапа проектирования и на стадии разработки. Критический анализ проектных решений помогает определить, возможно ли физически реализовать концепцию проекта с учетом спецификаций проекта. Электротехнический и программный макет часто создается перед анализом проектных решений. Затем проектируется небольшое число прототипов, конструируется, и используется для более детального аппаратного и программного тестирования.

2. Определение ВС.Сферы применения встраиваемых систем

Встрамиваемая системма (встроменная системма, англ. embedded system) -- специализированная микропроцессорная система управления, контроля и мониторинга, концепция разработки которой заключается в том, что такая система будет работать, будучи встроенной непосредственно в устройство, которым она управляет.

Сферы применения ВС:

• измерительная техника и приборостроение

• медицина

• авиация

• промышленное оборудование

• транспорт

• мобильные и портативные устройства

• торговое оборудование

• робототехника

• системы связи

• бытовая электроника

3. Основные характеристики ВС. Характеристики мобильных ВС

• сложный набор функций и многозадачность

• работа в режиме реального времени

• низкая стоимость производства

• низкое энергопотребление

• ограничение объема памяти

• Интерфейс пользователя и сопряжения с объектом для программирования

• Миниатюризация размеров и процесс тестирования

4. Процесс создания ВС характеризуется высокой сложностью

Это определяется сочетанием таких условий проектирования, как:

• Нестандартность задачи

• Требование технической оптимальности решений (модель ограниченных вычислительных ресурсов),

• Минимальные временные и финансовые бюджеты разработки

• Присутствие большого числа дополнительных требований и ограничений (надежность, ограничения реального времени, тяжелые условия эксплуатации и многое другое).

5. В разработке ВС ключевую роль играют следующие факторы

• минимальное собственное энергопотребление;

• минимальные собственные габариты и вес;

• собственная защита (корпус) - прочностью и жёсткостью конструкции;

• функции отвода тепла (охлаждения).

• Микропроцессор и системная логика по возможности совмещены на одном кристалле

• Специальные требования по радиационной и электромагнитной стойкости и т. д.

6. Услуги разработки ВС

1) Разработка аппаратных компонентов

• Схема

• Макет

• Спецификация

• RTL кодирование

• Моделирование

2) Разработка программных компонентов

• Графический интерфейс

• Программное обеспечение

• Связующее ПО

3) Разработка прошивки

• пакет поддержки платы

• загрузчик

• драйверы устройств

• перенос

• стек протоколов

4) Разработка механики

• Промышленный дизайн

• 3Д моделирование

• Детальная механическая разработка

• Прототип

7. Проектирование ВС (CoDesign)

Размещено на http://www.allbest.ru/

8. Проектирование аппаратное части ВС

Производители предоставляют руководства с описанием своих процессоров и обычно предоставляют разработчикам полную разработку эталонной платы, которую можно использовать в качестве исходной точки при разработке новой конструкции компьютера, использующей этот процессор.

После того как конструктор оборудования встроенной системы выбрал процессор и его соответствующие устройства памяти, следующий шаг состоит в добавлении аппаратных устройств ввода/вывода и соответствующей структуры шины, необходимой для соединения требуемых устройств с процессором. Так как процессоры уже спроектированы производителем и интерфейсы памяти в большой степени диктуются процессором, то значительная часть усилий по проектированию оборудования во встроенных устройствах посвящена выбору и соединению оборудования, необходимого для различных устройств ввода/вывода, требуемого в новой конструкции.

9. Процессор выбирается по следующим параметрам

· Архитектура

· Разрядность

· Количество портов

· Тактовая частота

· Объём кеш-памяти

· Мультиядерность

· Энергопотребления

· Тепловыделения

Все датчики классифицируются по измеряемому параметру. Помимо этого, они также могут быть классифицированы как пассивные или активные. В пассивных датчиках мощность, необходимая для получения выхода, обеспечивается самим измеренным физическим явлением (например, температурой), тогда как для активных датчиков требуется внешний источник питания.

Кроме того, датчики классифицируются как аналоговые или цифровые на основе типа выходного сигнала.

Коммуникационные технологии выбираются по след критериям:

· работа в реальном масштабе времени (почти всегда);

· различные, часто тяжелые, условия эксплуатации;

· автономность работы (отсутствие оператора, ограничения электропитания);

· высокие требования по надежности и безопасности функционирования;

· ограниченные ресурсы;

· критические применения (Dependable Applications), связанные со здоровьем и жизнью человека.

10. Главный акцент разработчики системы делают на надёжность и отказоустойчивость. А также учитываются такие параметры как:

· отказаустойчивость

· функциональная достаточность/избыточность

· открытость

· необходимая квалификация разработчика

· поддерживаемые архитектуры

· интерфейс

· цена

11. Основы методологии проектирования ИКС

В реальных условиях проектирование -- это поиск способа, который удовлетворяет требованиям функциональности системы средствами имеющихся технологий с учетом заданных ограничений.

Системный подход: любая система представляет собой совокупность взаимосвязанных элементов, функционирующих совместно для достижения общей цели.

Метод проектирования: организованная совокупность процессов создания ряда моделей, которые описывают различные аспекты создаваемой системы с использованием четко определенной нотации.

Технология проектирования: совокупность технологических операций в их последовательности и взаимосвязи, приводящая к разработке проекта системы.

12. Предназначение нормативных документов

Нормативно-методические документы регламентируют:

n порядок разработки, внедрения и сопровождения ИУС;

n общие требования к составу ПО ИУС и связям между его компонентами;

n требования к качеству ПО;

n виды, состав и содержание проектной и программной документации.

13. Единое информационное пространство компонентов ИКС

Единое информационное пространство складывается из следующих главных компонентов:

n информационных ресурсов, содержащих данные и знания, зафиксированные на соответствующих носителях;

n организационных структур, обеспечивающих функционирование и развитие единого информационного пространства - сбор, обработку, хранение, поиск, распространение информации;

n средств информационного взаимодействия граждан и организаций, в том числе программно-технических средств и организационно-нормативных документов, обеспечивающих доступ к информационным ресурсам.

14. Международные организации по стандартизации ИКС

n ISO - Международная организация по стандартизации;

n IEC (МЭК) - Международная электротехническая комиссия;

n МСЭ - Международный союз электросвязи;

n IEEE - Институт инженеров по электротехнике и электронике;

n OMG - Группа объектного управления и т.д.

15.Что устанавливают стандарты проектирования

Стандарты проектирования

Стандарт проектирования устанавливает:

n набор необходимых моделей на каждой стадии проектирования и степень их детализации;

n правила фиксации проектных решений на диаграммах;

n требования к конфигурации рабочих мест разработчиков;

n механизм обеспечения совместной работы над проектом:

n правила интеграции подсистем проекта;

n правила поддержания проекта в одинаковом для всех разработчиков состоянии;

n правила проверки проектных решений на непротиворечивость.

16. Что устанавливает Стандарт оформления проектной документации ,Стандарт интерфейса пользователя

Стандарт оформления проектной документации

Стандарт оформления проектной документации устанавливает:

n комплектность, состав и структуру документации на каждой стадии проектирования;

n требования к оформлению документации;

n правила подготовки, рассмотрения, согласования и утверждения документации с указанием предельных сроков для каждой стадии;

требования к настройке издательской системы и CASE-средств, используемых в качестве встроенного средства подготовки документации

Стандарт интерфейса пользователя

Стандарт интерфейса пользователя устанавливает:

n правила оформления экранов (шрифты и цветовая палитра), состав и расположение окон и элементов управления;

n правила использования клавиатуры и мыши;

n правила оформления текстов помощи;

n перечень стандартных сообщений;

n правила обработки реакции пользователя.

17. Жизненный цикл ИКС. Основные стадии и процессы ЖЦ

Жизненный цикл ИУС

n Жизненный цикл - период создания и использования ИС, охватывающий ее различные состояния, начиная с момента возникновения необходимости в данной ИС и заканчивая моментом ее полного выхода из употребления у пользователей.

n ЖЦ состоит из стадий, для каждой из которых определяются:

n состав и последовательность выполняемых работ,

n получаемые результаты,

n методы и средства, необходимые для выполнения работ,

n роли и ответственность участников.

Совокупность процессов

Процесс ЖЦ - совокупность взаимосвязанных действий, преобразующих входные данные в выходные.

Цели процесса:

n формулировка потребности в новой ИС;

n выбор направления и определение экономической целесообразности проектирования ИС.

Совокупность процессов

Процесс ЖЦ - совокупность взаимосвязанных действий, преобразующих входные данные в выходные.

Цели процесса:

n формулировка потребности в новой ИС

n выбор направления и определение экономической целесообразности проектирования ИС.

Совокупность моделей

n модели организации;

n модели требований к ИС;

n модели функционирования ИС;

n системные модели проекта ИС

Основные стадии ЖЦ ИУС

1. Анализ требований

2. Проектирование

3. Реализация

4. Внедрение

5. Эксплуатация

18. Основные участники разработки ИКС

Заказчик

Поставщик

Разработчик

Оператор

Служба сопровождения

19. Дайте объяснение основным процессам ЖЦ

Основные процессы ЖЦ

Приобретение

Поставка

Разработка

Эксплуатация

Сопровождение

Процесс «Приобретение»

Инициирование; Подготовка заявочных предложений; Подготовка договора; Контроль деятельности поставщика; Приемка ИС.	· Решение о начале работ по внедрению ИС; · Результаты обследования деятельности заказчика; · Результаты анализа рынка ИС/ тендера; · План поставки/ разработки; Комплексный тест ИС.	· Технико-экономическое обоснование внедрения ИС; · Техническое задание на ИС; · Договор на поставку/ разработку; · Акты приемки этапов работы; Акт приемо-сдаточных испытаний.

Инициирование; Подготовка заявочных предложений; Подготовка договора; Контроль деятельности поставщика; Приемка ИС.	· Решение о начале работ по внедрению ИС; · Результаты обследования деятельности заказчика; · Результаты анализа рынка ИС/ тендера; · План поставки/ разработки; Комплексный тест ИС.	· Технико-экономическое обоснование внедрения ИС; · Техническое задание на ИС; · Договор на поставку/ разработку; · Акты приемки этапов работы; Акт приемо-сдаточных испытаний.

Процесс «Поставка»

Работы	Вход	Результат
· Инициирование; · Ответ на заявочные предложения; · Подготовка договора; · Планирование исполнения; Поставка ИС.	· Техническое задание на ИС; · Решение руководства об участии в разработке; · Результаты тендера; · План управления проектом; · Разработанная ИС и документация.	· Решение об участии в разработке; · Коммерческие предложения/ конкурсная заявка; · Договор на поставку/ разработку; · План управления проектом; · Реализация/ корректировка; · Акт приемно-сдаточных испытаний.

Процесс «Разработка»

Работы	Вход	Результат
· Подготовка; · Анализ требований к ИС; · Проектирование архитектуры ИС; · Разработка требований к ПО; · Проектирование архитектуры ПО; · Детальное проектирование ПО; · Кодирование и тестирование ПО; · Интеграция ПО и квалификационное тестирование ПО; Интеграция ИС и квалификационное тестирование ИС.	· Техническое задание на ИС; · Модель ЖЦ; · Подсистемы ИС; · Спецификации требований к компонентам ПО; · Архитектура ПО; · Материалы детального проектирования ПО; · План интеграции ПО; · Тесты; · Документация на ИС	· Используемая модель ЖЦ, стандарты разработки; · План работ; · Состав подсистем, компоненты оборудования; · Спецификации требования к компонентам ПО; · Состав компонентов ПО, интерфейсы с БД, план интеграции ПО; · Проект БД, спецификации интерфейсов между компонентами ПО, требования к тестам; · Тексты модулей ПО, акты автономного тестирования; · Оценка соответствия ПО, БД, технического комплекса и комплекта документации требованиям ТЗ.

21. Стадии и этапы ЖЦ по ГОСТ 34.601-90

Стадии ЖЦ по ГОСТ 34.601-90

Стадия	Этапы
1. Формирование требований к АС	1.1. Обследование объекта и обоснование необходимости создания АС. 1.2. Формирование требований пользователя к АС. 1.3. Оформление отчёта о выполненной работе и заявки на разработку АС (тактико-технического задания)
2. Разработка концепции АС.	2.1. Изучение объекта. 2.2. Проведение необходимых научно-исследовательских работ. 2.3. Разработка вариантов концепции АС, удовлетворяющего требованиям пользователя. 2.4. Оформление отчёта о выполненной работе.
3. Техническое задание.	3.1. Разработка и утверждение технического задания на создание АС.
4. Эскизный проект.	4.1. Разработка предварительных проектных решений по системе и её частям. 4.2. Разработка документации на АС и её части
5. Технический проект.	5.1. Разработка проектных решений по системе и её частям. 5.2. Разработка документации на АС и её части. 5.3. Разработка и оформление документации на поставку изделий для комплектования АС и (или) технических требований (технических заданий) на их разработку. 5.4. Разработка заданий на проектирование в смежных частях проекта объекта автоматизации.
6. Рабочая документация.	6.1. Разработка рабочей документации на систему и её части. 6.2. Разработка или адаптация программ.
7. Ввод в действие.	7.1. Подготовка объекта автоматизации к вводу АС в действие. 7.2. Подготовка персонала. 7.3. Комплектация АС поставляемыми изделиями (программными и техническими средствами, программно-техническими комплексами, информационными изделиями). 7.4. Строительно-монтажные работы. 7.5. Пусконаладочные работы. 7.6. Проведение предварительных испытаний. 7.7. Проведение опытной эксплуатации. 7.8. Проведение приёмочных испытаний.
8. Сопровождение АС	8.1. Выполнение работ в соответствии с гарантийными обязательствами. 8.2. Послегарантийное обслуживание.

22. Модели жизненного цикла ИКС. Достоинства и недостатки основных моделей ЖЦ

Существующие модели ЖЦ определяют порядок исполнения этапов в ходе разработки, а также критерии перехода от этапа к этапу.

В соответствии с этим наибольшее распространение получили три следующие модели ЖЦ:

n каскадная модель;

n поэтапная модель с промежуточным контролем;

n спиральная (итерационная) модель.

23. Основные проблемы, характерные для области проектирования ВПО

• Основные проблемы, характерные для области проектирования ВПО:

– необходимость увеличения степени повторного использования;

– Co-Design ПО и аппаратуры;

– создание средств моделирования;

– усиление роли в проектировании уровня архитектуры систем и ПО;

– проверка достоверности и верификация;

– адаптация ПО и аппаратуры с использованием реконфигурируемых архитектур;

– разработка общей технологии и стандартов процесса проектирования.

24.Технология проектирования ПО ВС

25.Проектирование программно-реализованных встраиваемых систем

• Первый состоит в широком использовании на уровне аппаратуры программируемых процессоров: последовательных и параллельно-последовательных программных интерпретаторов.

• Второй проявляется в использовании языковых методов представления решаемой задачи (представление вычислительного процесса в виде программ того или иного стиля)

• Естественным является использование иерархии аппаратно и программно реализованных интерпретаторов в сочетании со специализированной аппаратурой.

26. Программно-аппаратное моделирование ВС. Реализация программно-аппаратного моделирования

• Программно-аппаратное моделирование встроенных систем

• Метод, который используется в разработке и испытании сложных встроенных систем реального времени

• Математическое представление всех связанных динамических систем

• Математическое представление это «Программное моделирование»

• Встроенная система взаимодействует программным моделированием и позволяет тестировать её

Реализация программно-аппаратного моделирования

1. ПАМ включает в себя электрически эмулируемые датчики и приводы.

2. Они выступают в качестве интерфейса между инструментом моделирования и встроенной тестируемой системой.

3. Значение каждого датчика контролируется программной средой и считывается тестируемой системой.

4. Встроенная тестируемая система осуществляет свои алгоритмы с помощью сигналов, подаваемых на привод.

5. Изменения в этих сигналах приведут к изменениям в значениях программной среды.

27. Преимущества использования САПР в моделировании

Основные требования к САПР

Основные требования к САПР связаны в основном с их эксплуатационными характеристиками, универсальностью САПР, а также возможностью адаптации к быстроменяющимся условиям проектирования и производства. К основным требованиям относятся:

1) Простой доступ пользователя к САПР. Под простым доступом понимается возможность реализации проектной процедуры, необходимой пользователю, на основе специальных языковых средств, ориентированных на пользователя. Система автоматизированного проектирования снимает с пользователя трудоемкие задачи создания математического описания и программирования модели. Чем выше «интеллект» системы, тем более прост и лаконичен язык общения пользователя с САПР. Основой простоты взаимодействия пользователя с системой САПР является программное обеспечение. Внешне эта простота проявляется в виде соответствующих языков, ориентированных на взаимодействие пользователя с САПР.

2) Прямой доступ пользователя к САПР. Под прямым доступом понимается возможность непосредственного обращения пользователя к программно-информационным средствам САПР, иначе говоря, возможность оперативного ввода данных и отображение результатов проектирования. В подобном режиме прямого доступа пользователь может формировать и отлаживать программу, вводить новые данные, получать в виде распечаток и графических результатов проектные и расчетные операции.

3) Требования к пользователю САПР. Для настоящего времени будущие пользователи автоматизированного проектирования (АП) во время их профессиональной учебы недостаточно или совершенно не готовятся к работе с САПР. Это замечание, прежде всего, относится к направленности курсов основных дисциплин, которые почти исключительно ориентированы на традиционные методы обучения или работы. Для пользователя, прежде всего, необходимо знание методов обработки данных, английского языка и дисциплины.

Универсальность программного обеспечения (ПО) и адаптация САПР к условиям проектирования. Универсальность определяется степенью инвариантности программ по отношению к проектным задачам. Универсальное программное обеспечение позволяет решать с помощью одних и тех же средств широкий круг проектных задач.

Этапы моделирования ВС

Объектно-событийная модель

Объектно-событийные модели (в программировании) -- формализм представления сложных алгоритмических, информационных, порождающих и иных систем, заключающийся в присоединении к формальному сетевому графу продуцирующих или иным образом проявляющих активность объектов календаря событий, причем на каждой обработке события граф объектов реинтерпретируется снова по концепции, схожей с трактовкой сетевого графика работ. Важной особенностью является соблюдение всех трактовок объектно-ориентированного программирования к таким объектам, а также передача структурированной информации по дугам графа при исполнении активного события. Передача данных вне дуг осуществляется через глобальную ленту данных. Реальной предельной параллельной объектно-событийной моделью является процедура с планированием повторного входа, а ее теоретическим предельным случаем -- расширенная машина Тьюринга, упомянутая далее.

Теоретическая база (теория алгоритмов)

Теоретической базой теории объектных моделей являются идеи расширения машин Тьюринга. В отличие от классической универсальной машины Тьюринга (МТ), расширенная машина принципиально одноленточна, дабы не усложнять трактовку. В теории ОСМ дан строгий вывод расширенных МТ (РМТ), необходимых и достаточных для реализации произвольного алгоритма.

Обзор сред моделирования ВС AnyLogic,Proteus, MATLAB Simulink

AnyLogic - это уникальный набор отраслевых инструментов в одном комплекте:

Библиотека моделирования процессов?для типовых производственных и бизнес-процессов.

Библиотека моделирования потоков для процессов транспортировки насыпных и жидких грузов в таких отраслях как горная промышленность или добыча нефти и газа.

Железнодорожная библиотека?для железнодорожных перевозок, терминалов и сортировочных станций.

Пешеходная библиотека для пешеходных потоков в аэропортах, торговых центрах, на стадионах или вокзалах.

Библиотека дорожного движения для моделирования машин, грузовиков и автобусов на дорогах, парковках и производственных площадках.

Производственно-складская библиотека для моделирования процессов на заводах и в распределительных центрах.

Библиотека дорожного движения, а также пешеходная и железнодорожная библиотеки позволяют моделировать перемещение и взаимодействие объектов на физическом уровне, что невозможно с другим ПО общего назначения для моделирования.

Proteus - это универсальная программа, с помощью которой можно создавать различные виртуальные электронные устройства и выполнять их симуляцию. Она содержит огромную библиотеку аналоговых и цифровых микросхем, датчиков, дискретных элементов: резисторов, конденсаторов, диодов, транзисторов и т.п. Также имеется широкий набор компонентов оптоэлектроники: дисплеи, светодиоды,оптопары и др.

Главным преимуществом и отличием Протеус от других подобных программ для симуляции работы электрических цепей, -- это возможность выполнять симуляцию работы микропроцессоров и микроконтроллеров (МК). Библиотека Proteus содержит такие основные типы МК: AVR, ARM, PIC, Cortex.

Simulink - это среда графического программирования на основе MATLAB для моделирования, моделирования и анализа многодоменных динамических систем . Его основной интерфейс - это графический инструмент для построения блок-схем и настраиваемый набор библиотек блоков . Он предлагает тесную интеграцию с остальной частью среды MATLAB и может либо управлять MATLAB, либо создаваться из него сценариями. Simulink широко используется в автоматическом управлении и цифровой обработке сигналов для многодоменного моделирования и проектирования на основе моделей.

Дайте определение активной мощности, как она может быть определена

Активная мощность может быть определена как

P=CV2f,

где C - емкостная нагрузка, V - разность напряжений на устройстве, f - частота переключения.

Конструкторы схем имеют прямой контроль над всеми тремя факторами, но емкостная нагрузка является следствием физического расположения схемы и, следовательно, невозможно управлять или динамически изменять ее. Напряжение и частота, однако, могут быть изменены во время работы схемы, хотя для этого требуется существенное усиление схемы. Можно спроектировать схемы и, действительно, целые логические устройства, такие как ЦП, для того, чтобы рабочее напряжение и частоты отвечали требованиям . Например, при снижении производительности можно получить возможность снизить потребление энергии.

Динамическая мощность и Статическая мощность, как они влияют на профиль потребляемой мощности?

Динамическая мощность - не единственная форма рассеивания мощности.

Статическая мощность также потребляется в между циклами переключения транзисторов. Исторически сложилось так, что эта мощность утечки была незначительной, но две тенденции выдвинули его на первый план.

Во-первых, чтобы получить высокие частоты, проектировщики обычно используют транзисторы, которые работают при напряжениях очень близких к порогу переключения. Это позволяет быстро увеличить временя, в течение которого заряд может протекать через устройство.

Во-вторых, современные субмикронные КМОП-процессы используют очень тонкие структуры , осуществлен переход от использования традиционного диэлектрика затвора, диоксид кремния, в пользу высокопрочных диэлектриков, на основе гафния. Оперативная система может управлять мощностью утечки, полностью отключая цепи и увеличивая порог. Проектировщики схем и инженеры имеют многолетние наработки которые можно использовать для повышения энергоэффективности интегральных схем. Однако разработчики систем и программисты должны знать и понимать, какие средства в их распоряжении влияют и минимизируйте потребление энергии.

34. Профиль мощности встроенной вычислительной системы

Встроенные системы разнообразны, а также их профили мощности. Многие типы дисплеев, контроллеров и сетевых устройств имеют модели, которые требуют, чтобы они обеспечивали почти максимальную производительность все время. Другие типы встроенных компьютерных систем имеют переменную рабочую нагрузку. Мобильные телефоны и например, на мобильных компьютерах часто возникают очень сильные рабочие нагрузки, которые различаются в зависимости от поведения пользователя. При различной рабочей нагрузке появляется возможность изменять эксплуатационные характеристики системы. В например, для мобильных систем, ориентированных на пользователя, часто бывает, что системные компоненты могут «спать» , чтобы снизить общую потребляемую мощность без воздействия на пользователя .

35. Постоянная и динамическая мощность ВС- различия

Постоянная мощность

Встроенный компьютер потребляет постоянное минимальное количество энергии при включении, независимо от уровня активности системы. К сожалению, часто бывает, что эта постоянная мощность доминирует в общем бюджете мощности системы. За исключением того, что система полностью отключена или переходит в состояние сна, программное обеспечение не может влиять на постоянную мощность системы.

Динамическая мощность

Если большинство компонентов встроенной системы поддерживают режимы малой мощности, то динамическая мощность потребления может быть значительно проконтролировано путем тщательного использования ресурсов. Операционная система может либо наблюдать нагрузку, либо получать явные сигналы от приложений, чтобы принять решение о более низком энергопотребление и, следовательно, более низким рабочим состоянием.

36. Цель принятия стандарта ACPI. Основные компоненты ACPI

ACPI (англ. Advanced Configuration and Power Interface -- усовершенствованный интерфейс управления конфигурацией и питанием) -- открытый промышленный стандарт, впервые выпущенный в декабре 1996 года и разработанный совместно компаниями HP, Intel, Microsoft, Phoenix и Toshiba, который определяет общий интерфейс для обнаружения аппаратного обеспечения, управления питанием и конфигурации материнской платы и устройств.

Наиболее известной частью стандарта ACPI является управление питанием, имеющее два значительных усовершенствования по сравнению с предшествующими стандартами. Во-первых, концепция ACPI передаёт управление питанием операционной системе (ОS). Такая модель выгодно отличается от существовавшей до этого модели APM, в которой за управление питанием ответственен BIOS материнской платы, а возможности ОС в этом отношении сильно ограничены. В модели ACPI BIOS предоставляет операционной системе методы для прямого детализированного управления аппаратным обеспечением. Таким образом, ОС получает практически полный контроль над энергопотреблением.

Другая важная часть спецификации ACPI -- это предоставление на серверах и настольных компьютерах таких возможностей по управлению питанием, которые до того были доступны только на портативных компьютерах. Например, система может быть переведена в состояние чрезвычайно низкого энергопотребления, в котором питание подается лишь на оперативную память (а возможно, и она находится без питания), но при этом прерывания некоторых устройств (часы реального времени, клавиатура, модем и т. д.) могут достаточно быстро перевести систему из такого состояния в нормальный рабочий режим (то есть «пробудить» систему).

Помимо требований к программному интерфейсу, ACPI также требует специальной поддержки от аппаратного обеспечения. Таким образом, поддержку ACPI должны иметь ОС, чипсет материнской платы и даже центральный процессор.

В наши дни различные версии ACPI поддерживаются многими ОС -- в том числе всеми версиями Microsoft Windows, начиная с Windows 98, системами GNU/Linux, FreeBSD, OpenBSD, NetBSD и eComStation.

ACPI состоит из трех компонентов: ACPI-регистры, ACPI BIOS и ACPI-таблица.

ACPI-таблица. ACPI-таблица описывает интерфейсы аппаратных средств. Некоторые из этих описаний могут ограничивать использование устройством каких-либо функций, но большинство из них позволяют устройствам выполнять произвольные последовательности операций. ACPI-таблица содержит так называемые блоки определения (Definition Blocks), которые могут быть запрограммированы из-под ОС. Другими словами, ACPI использует встроенный интерпретатор псевдокода, называемый ACPI Machine Language (AML). AML исполняет код, содержащийся в блоках определения.

ACPI-регистры. Здесь содержится ограниченная часть описания интерфейсов из ACPI-таблиц для быстрого доступа к таким данным.

ACPI BIOS. Это часть кода BIOS, которая совместима с ACPI-спецификациями. Как правило, это код, отвечающий за загрузку, засыпание/пробуждение и перезагрузку машины. ACPI-таблицы также обеспечиваются за счет ACPI BIOS.

37. Снижение энергопотребления

Для снижения энергопотребления необходимо как уменьшение частоты, так и уменьшение времени работы устройства в этом режиме. В случае достижения аккумуляторной батареей критического уровня запаса энергии процессор запрограммирован на переход в режим sleep, когда все его блоки неактивны, кроме часов реального времени (RTC). Для поддержания правильной работы RTC необходим ток от батареи менее 1 мА. Наличие такого программно реализуемого способа сохранения энергии на раннем этапе развития портативных устройств было достаточно. С расширением их функциональности и постоянным повышением объема информации возросла необходимость еще больше снизить потребление энергии для использования всего потенциала портативного устройства.

Методы уменьшения энергопотребления

• Режим сна

• Перевод портов ввода-вывода в состояние с минимальным энергопотреблением

• Отключение блоков микроконтроллера, которые в данный момент не используются

• Отключение питания внешних устройств на плате

• Уменьшение тактовой частоты микроконтроллера

38. Проблемы энергопотребление дисплея, внешних устройств и коммуникационных интерфейсов коммуникационных интерфейсов

• Wi-Fi

• Bluetooth

• ZigBee

• RFID

• NFC

• IrDA

• Cellular technologies

Дисплея

- Яркость

- цветогамма

39. Уменьшение тактовой частоты

Как влияет уменьшение тактовой частоты на энергопотребление и производительность в различных микроконтроллерах

• Уменьшение тактовой частоты процессора является одним из самых простых способ уменьшения энергопотребления.

• В зависимости от типа микроконтроллера может быть достигнуто снижение потребляемой мощности в единицы - десятки раз.

•

Микроконтроллер	f1/P	f2/P
Motorola 68HC705KJ1	1,0 МГц/ 4,0 мВт	2,1 МГц / 4.6 мВт
Microchip PIC 18	32 кГц / 3 мВт	40 МГц/60 мВт
Philips LPC 9xx (MCS51)	12 МГц/25 мВт	18 МГц/40 мВт
Philips LPC 2292 (ARM7)	10 МГц/13 мВт	60 МГц/90 мВт

• Энергопотребление одних схем в большей степени зависит от частоты, других - в меньшей.

40. Проблемы энергопотребления памяти

41. Режим сна, виды и типы, схема работы встраиваемой системы в режиме сна

Режим сна является одним из самых мощных способов уменьшения энергопотребления микроконтроллера.

В зависимости от типа микроконтроллера и режима сна можно получить выигрыш в энергопотреблении от нескольких раз до нескольких порядков.

В режиме сна:

тактирование микроконтроллера прекращается

выполнение программы останавливается

энергопотребление становится минимальным

Выход из этого режима возможен в следующих случаях:

при выключении и последующем включении питания;

по сигналу RESET, в том числе, вырабатываемым сторожевым таймером (watchdog);

при возникновении не запрещенного прерывания.

В зависимости от типа микроконтроллера, режим сна может отличаться по способу влияния на состояние

тактового генератора,

регистров,

памяти и

периферии.

В настоящее время для обозначения различных режимов сна в литературе используют термины

sleep,

standby,

stop,

wait и т.д.

Обычно схема работы встраиваемой системы в режиме сна такова:

– при отсутствии каких-либо внешних событий система спит, энергопотребление минимально;

– при возникновении какого-либо события микроконтроллер просыпается, выполняет необходимые действия по обработке события и вновь засыпает.

Периодические и апериодические режимы работы ВС

При использовании сна возможны периодические и апериодические режимы работы.

В периодическом режиме микроконтроллер выходит из сна через одинаковые промежутки времени, по прерыванию от таймера.

В апериодическом режиме выход из сна происходит по факту прихода внешнего сигнала, к примеру, по факту появления сигнала на дискретном порте ввода вывода, на входе UART или I2C. В большинстве случаев, при использовании режима сна нет особого смысла понижать тактовую частоту процессора. При высоком быстродействии задача выполняется быстрее и микроконтроллер раньше засыпает, что приводит к большей экономии электроэнергии. Необходимо заметить, что существует великое множество различных микроконтроллеров, и все они сделаны по разному. Поэтому, в каждом конкретном случае необходимо ставить эксперименты и искать

43. Состояние ВС по стандарту ACPI

В современном компьютере программная поддержка управления питанием осуществляется со стороны системы ACPI, а аппаратная поддержка отводится следующим компонентам системной платы:

1. Разъему для подключения основного кабеля блока питания и разъемам для подключения вентиляторов.

2. Системе пробуждения по сигналам из сети.

3. Технологии “мгновенной готовности компьютера”.

4. Технологии “возобновления работы по звонку”.

5. Пробуждения по сигналам из порта USB.

6. Пробуждения по сигналам от устройств PS/2.

7. Поддержка пробуждения при получении сигнала управления питанием (PME#).

8. Поддержка драйверов технологии Intel Quick Resume (QRTD).

Для перевода различных устройств ПК из одного режима питания в другой особое место в ACPI отведено представлению о состояниях функциональной готовности или отключения устройств, имеющих непосредственное отношение к уровням энергопотребления и энергосбережению. В стандарте ACPI для каждой группы управления существует определенный комплект состояний. Уровни состояний различаются потребляемой мощностью, величиной тока нагрузки, тактовой частотой системы и процессора, а также скоростью «пробуждения» устройств системы. ACPI опирается на функции управления Windows и BIOS. Если BIOS системной платы поддерживает систему ACPI, то управление питанием передается операционной системе. Это упрощает конфигурирование параметров системы, поскольку автоматические регулировки находятся в одном месте в операционной системе.

44. Классы устройств, определенные ACPI и состояние питания устройства (состояния Dx)

Отдельные устройства ПК также могут быть переключены в одно из возможных для них состояний:

1. D0 - рабочее состояние устройства. Это состояние (Normal) говорит о том, что устройство включено и поддерживает функциональную готовность работы в системе.

2. D1 - состояние ожидания включения, или дежурного режима (Standby). Латентность пробуждения устройства при выходе из этого состояния составляет 5 секунд.

3. D2 - состояние приостановки работы устройства (Suspend). Состояние D2 отличается от D1 тем, что латентность пробуждения при выходе из этого состояния составляет 10 с. Соответственно, отличаются и уровни энергопотребления. Состояния D2 и D1 реализуются путем снижения тактовой частоты, напряжения питания, а также отключением отдельных модулей устройства.

4. D3 - состояние представляет собой полное отключение питания (Off). Этот режим имеет несколько состояний, начиная с отключения питания от устройства, за исключением шины логики пробуждения, до полного снятия напряжения питания со всех модулей устройства.

45.Специальные функции в ВС для обеспечения низкого энергопотребления

Методы уменьшения энергопотребления

· Режим сна

· Перевод портов ввода-вывода в состояние с минимальным энергопотреблением

· Уменьшение тактовой частоты микроконтроллера

· Отключение блоков микроконтроллера, которые в данный момент не используются

· Отключение питания внешних устройств на плате

Уменьшение тактовой частоты процессора является одним из самых простых способ уменьшения энергопотребления.

В зависимости от типа микроконтроллера может быть достигнуто снижение потребляемой мощности в единицы - десятки раз.

Энергопотребление одних схем в большей степени зависит от частоты, других - в меньшей.

46. Тестирование ВС

Тестирование - процесс оценки качества системы.

Тестирование - проверка системы на соответствие заданным функциям. Проверяется функциональность системы, соответствие условиям эксплуатации (механическим, климатическим, электромагнитным воздействиям).

Средств тестирования:

• Осциллографы и логические анализаторы;

• JTAG;

• Программно-аппаратные отладочные стенды (testbench);

• Климатические установки;

• Установки для генерации электромагнитных помех;

• Вибростенды

Требования к тестируемой системе

• Разрабатываемая система должна проектироваться так, чтобы ее можно было быстро и эффективно протестировать.

• Необходимо знать, в каких местах системы нужно разместить средства для съема показаний.

• Необходимо заранее знать, что мы должны увидеть на выходе тестируемой системы при заданном входном воздействии.

• Необходимо уметь составить такие тестовые наборы, которые обеспечат максимально возможное тестовое покрытие.

47. Инструментальных средств тестирования ВС

Профилировщики. Они позволят определить, сколько времени выполняется тот или иной участок кода. Анализ покрытия позволяет выявить неисполняемые участки кода.

Дизассемблеры позволяют посмотреть ассемблерный код исполняемого файла

Снифферы аппаратных интерфейсов позволяют увидеть данные, которыми обмениваются система и устройство.

Логи системы.

Инициализация - “Оживления” аппаратных средств и проверки некоторых базовых вычислительных механизмов (JTAG-интерфейсы тестирования, эмуляторы ПЗУ)

Отладка - проверка работоспособности системы с постоянным повышением уровня и сложности тестов. Повышение уровня связано с иерархичностью целевой системы

.Цель и задачи верификации и валидации ВС

Верификация - подтверждение на основе представления объективных свидетельств того, что установленные требования были выполнены.

В термин верификация попадают такие понятия, как испытания, исследования, тестирование, рецензирование.

Верификация - попытка найти ошибки, выполняя программу в тестовой или моделируемой среде.

Цель верификации - удостовериться на практике, что решение задачи удовлетворяет поставленным требованиям

Валидация - это подтверждение на основе представления объективных свидетельств того, что требования, предназначенные для конкретного использования или применения, выполнены.

Основная цель валидации - подтвердить, что предложенное решение подходит для исходной задачи на основе ранее полученных объективных свидетельств.

С точки зрения программного обеспечения, валидация - попытка найти ошибки, выполняя программу в заданной реальной среде

Основные способы и методы отладки ПО ВС

Отладка -- этап разработки программы, на котором обнаруживают, локализуют и устраняют ошибки

Отладка - доведение до работоспособного состояния системы в процессе ее проектирования.

Отладчик (Debugger) - инструментальное средство, помогающее найти ошибку.

Типы инструментов проверки:

Инициализация - “Оживления” аппаратных средств и проверки некоторых базовых вычислительных механизмов (JTAG-интерфейсы тестирования, эмуляторы ПЗУ)

Отладка - проверка работоспособности системы с постоянным повышением уровня и сложности тестов. Повышение уровня связано с иерархичностью целевой системы

Уровни отладки

Непосредственная отладка - отладочные средства и отлаживаемые объекты располагаются в пределах одной и той же вычислительной платформы и тесно друг с другом связаны.

Прямая (удаленная) отладка - отлаживаемые компоненты удалены от средств отладки, но между ними существует прямая связь.

Вложенная отладка - Данный способ отладки предназначен для обеспечения прямой отладки модулей, не имеющих собственных выделенных инструментальных каналов.

Инструментальные средства - это комплекс технических и программных средств, позволяющий производить процесс

разработки

отладки

тестирования ВС

Симулятор - система для полной или частичной имитации поведения и структуры какого-либо объекта.

Симулятор относится к инструментальным средствам отладки, тестирования и верификации программных и аппаратных компонент вычислительной системы

Разрабатываемая система должна проектироваться так, чтобы ее можно было быстро и эффективно протестировать

Необходимо знать, в каких местах системы нужно разместить средства для съема показаний.

Необходимо заранее знать, что мы должны увидеть на выходе тестируемой системы при заданном входном воздействии.

Необходимо уметь составить такие тестовые наборы, которые обеспечат максимально возможное тестовое покрытие.

54.Особенности тестирования встроенного ПО

В связи с тем, что встроенныесистемы, как правило, используются дляответственных применений и имеют непосредственный контакт с реальныммиром (объектом управления), к тестам предъявляются особые требования.

Особенности тестирования встроенного ПО:

1. По сравнению с ПО систем общего назначения, ПО ВС имеет гораздо большую сложность из-за того, что вычислительный процесс основан не на одной, а на множестве моделей вычислений, отличных от привычной всем машины Фон-Неймана, предполагающей только последовательное выполнение команд.

2. В ВС гораздо меньшее количество вычислительных ресурсов по сравнению с системами общего назначения.

3. Распределенность ВС. Самый распространенный вариант при тестировании ВС - разделение целевой и инструментальных систем. В более сложных случаях возможна работа с гетерогенной сетью целевых систем со сложной топологией, разнородными узлами сети и различными интерфейсами.

55. Средств тестирования, режимы тестирования

Тестирование - процесс оценки качества системы.

Тестирование - проверка системы на соответствие заданным функциям.

Его можно отличать (проводить) на этапе проектирования, производства и эксплуатации. Проверяется функциональность системы (содержательная частьтехнического задания), соответствие условиям эксплуатации (механическим,климатическим, электромагнитным воздействиям).

Дефект (лат. defectus) - изъян, недостаток. Также термин дефект определяется так: дефект - каждое отдельное несоответствие продукции установленным требованиям.