تطوير الأدوات العرفية المدمجة من أجل الأجهزة المدربة على الموارد

وتستكشف هذه المادة المبادئ الأساسية والهيكلات والاستراتيجيات الإنمائية لبناء نظام تشغيلي مدمج يزدهر على أساس محدد للموارد، وسندرس قرارات التصميم الرئيسية، والثغرات المشتركة، والتقنيات العملية لتحقيق التشغيل الموثوق به والفعال دون وجود نظام أساسي محدد الغرض.

"المُتَعَدّس" "المُحتَلِقَة" "التي تُشَاهِدُ "شَايَب

قبل كتابة وظيفة واحدة يجب أن تفهمي بيئة المعدات، وتظهر الأجهزة المزودة بالموارد عموما الخصائص التالية:

• Low-power CPU cores:] Often ARM Cortex-M, RISC —V RV32IMC, or 8‐bit AVR. No MMU for memory protection, and limited instruction pipelines.
• Small memory pools:] RAM measured in kilobytes, not megabytes.
• Reduced peripheral set:] A handful of GPIO, UART, SPI, I2C, and maybe a basic ADC. Complex controllers like USB OTG or Ethernet MAC are rare.
• Intermitent power sources:] Many devices are bat-powered or use energy harvesting. Long idle periods dominate, requiring deep sleep modes.
• no standard clock source:] Internal RC oscillators are common; external polyrys may be absent, impacting timing accurate.

وهذه القيود تؤثر مباشرة على هيكل نظام المراقبة الداخلية، مثلاً، بدون وجود وحدة عسكرية متعددة، لا يمكن الاعتماد على الذاكرة الافتراضية، ويجب ربط كل مهمة من الناحية الافتراضية أو استخدام نظام تعاوني لتقسيم الذاكرة، وبالمثل، فإن عدم وجود جهاز توقيت للأجهزة ذات قنوات متعددة يرغم البرمجيات على تنفيذ نظام موقّع باستخدام نظام واحد.

مبادئ تصميم لنظام تجاري مصغر

ويتطلب بناء نظام أساسي مدمج للعادة التقيد ببعض المبادئ الأساسية التي تسترشد بها كل قرار من تصميم الجدول الزمني إلى تصميم السائقين.

مخططات صغرى

وينبغي أن يكون النص الكنيلي زائداً البيانات في مصباح الجهاز وغرفة إدارة السجلات والمحفوظات مزودة بغرفة لاستبدال رمز التطبيق، حيث يحتل جهاز الكنيكل الأدنى من نوعه 2 إلى 10 كيلو بي من الوميض و 1-4 كيلوبايت من طراز RAM، وهذا يعني أن كل سمة يجب أن تبرر تكلفة ذاكرته، وأن تتجنب تخصيص الذاكرة الدينامي إن أمكن؛ بدلاً من ذلك، استخدام مجمعات ثابتة وهياكل بيانات التجميع.

السلوك الحقيقي المحدد

ويتطلب العديد من التطبيقات المدمجة أوقاتاً مضمونة للاستجابة، ويمكن أن تنفذ عملية البرمجيات الافتراضية جدولاً وقائياً يمكن التنبؤ به مع تحديد الأولويات الثابتة أو الجدول الأول من حيث الأولوية، وينبغي قياس مدى الرضا المفاجئ في ثواني دقيقة، ويجب ألا يعطل الكنز أبداً على فترات طويلة.

وحدة وفصل الشواغل

(ب) تصميم نظام التشغيل الموحد كمجموعة من الوحدات المستقلة: الجدول الزمني، ومدير الذاكرة، وسائق الأجهزة، وإطار الأحداث، وكل وحدة من الوحدات تكشف عن الحد الأدنى من تطبيقات التشغيل، ويمكن استبدالها أو حذفها للحد من آثارها، وعلى سبيل المثال، إذا لم يكن لدى الجهاز نظام ملفات، يُترك طبقة التخزين بالكامل.

استهلاك الطاقة المنخفضة

وينبغي أن تتكامل دائرة العمليات مع إدارة قدرة المعدات، وعندما لا تكون هناك مهمة جاهزة للسير، تدخل الكنيكل الأدنى من حيث النوم المحتمل بين الدولة والمؤسسة على متن السفينة ARM Cortex-M، أو على شبكة SLEEP على متن الطائرة.

اختيارات الهندسة المعمارية

إن اختيار الهيكل الأيمن هو على الأرجح أهم قرار معماري، إذ تظهر ثلاثة أنماط مشتركة في العالم المختلط.

مونوليثيث كيرنيل

() جميع خدمات البرمجيات (الزوايا، الذاكرة، المقاطعات، السائقين) تجري في سياق واحد متميز، وهذا النهج بسيط وسريع لأنه لا توجد عقوبة تغيير في السياقات بالنسبة لمكالمات النظام، غير أن الحشرة في السائق يمكن أن تحطم النظام بأكمله، وبالنسبة للأجهزة التي تحتوي على موارد، فإن التصميم الأحادي الجانب شائع لأنه يخفض إلى أدنى حد ممكن.

Microkernel

ولا يمكن أن تفصل الأخطاء، بل أن تضيف الرسالة إلى الرؤوس، أما بالنسبة للأجهزة الصغيرة جدا (أقل من 64 كيلوبايترام)، فإن استخدامات السلامة الدقيقة يمكن أن تكون شديدة للغاية، إذ أن استخدامات السلامة الدقيقة يمكن أن تؤدي إلى حماية البقايا من خلال وحدة حماية الحيوان.

مكوس أو مكتبة

ويوفر النفق الزائد الحد الأدنى من التعددية في الأجهزة ويتيح تطبيقات الخلاصات الخاصة بها بواسطة مجموعة من الوصلات البينية المنخفضة المستوى، ويعطي هذا النهج أقصى قدر من الرقابة على إدارة الموارد ويمكن أن يحقق نفقات عامة منخفضة للغاية، ومن الناحية العملية، فإنه نادر في النظم التجارية المدمجة لأنه يتحول إلى تعقيدات بالنسبة لمطور التطبيقات، غير أنه مجال بحث نشط بالنسبة للأجهزة التي يتم تدريبها على الموجات فوق الكثافة حيث تُعد كل الأمور.

إدارة الذاكرة بدون وحدة عسكرية

وفي غياب وحدة إدارة الذاكرة، يجب أن تُدير الكرنيل الذاكرة مباشرة، وتهيمن استراتيجيتان على ذلك.

المخصصات الثابتة

وتُخصص جميع المهام وهياكل البيانات في وقت التجميع، ويضع السيناريو الموصل الرموز والمتغيرات العالمية ومناطق الحزم في عناوين ثابتة، ويضمن هذا النهج عدم تجزؤ الذاكرة أبداً، وأن الاستخدام الأقصى يمكن التنبؤ به، والجانب السلبي هو أنه لا يمكنك تعديل تخصيص الذاكرة بصورة دينامية في وقت التشغيل، وبالنسبة للأجهزة ذات الغرض الوحيد (مثلاً، جهاز استشعار الحرارة الذي يرسل البيانات كل دقيقة)، فإن التوزيع الثابت مثالي.

Pool —Based Dynamic Allocation

If the tool must handle changing workloads (e.g., parsing changing —length messages), a set of fixed —size memory pools can be used. Each pools holds blocks of a specific size (e.g. 16, 32, 64 bytes). maocL.[FL.1] is replaced by

void gpio_set(int pin, int val) {
 if (val) *GPIO_OUTSET = (1 << pin);
 else *GPIO_OUTCLR = (1 << pin);
}