מערכות הפעלה Embedded (OS) משמש כעמוד השדרה של יכולת פעולה במערכות מורכבות, רב-דור שבו רכיבי חומרה ותוכנה מגוונים חייבים לשתף פעולה באופן אמין.מערכות אלה - שנמצאו בכלי רכב אוטונומיים, אוטומציה תעשייתית, מכשירים רפואיים ורשתות IoT - תלוי במערכת משובצת כדי לתקן תקשורת, לנהל משאבים, והבדלים חומרה מופשטים.

הבנת מערכות הפעלה Embedded

[]מערכת הפעלה מוטבעת היא פלטפורמה תוכנה מיוחדת שנועדה לפעול על מכשירים מוגבלים משאבים עם זיכרון מוגבל, כוח עיבוד ואנרגיה.בניגוד ל-OSs למטרות כלליות כגון Windows או Linux, OSes מוטבעים מותאמים למשימות ספציפיות, לפני שהתנהגות דטרמיוניסטית, תזמון נמוך ומינימום של ניהול יתר על המידה, כולל FLT:0FreeOSFLT:1, קוד פתוח פופולרי; ו-FTimes:

ארכיטקטורות מערכת מערכת מערכת מבוססת לינוקס משתנות מגרעין מונוליטי (למשל, מערכות משובצות מבוססות לינוקס) למיקרו-קרב (למשל, QNX) ו-unikernels.הבחירה משפיעה על יכולת הדדית: מיקרו-קרבן מבודד נהגים ושירותים, ומאפשר רכיבים ממוכרים שונים לרוץ בחללים נפרדים עם ערוצי תקשורת מוגדרים היטב.

התפקיד של אינטראופרציה במערכות מורכבות

Interoperability מתייחס ליכולת של תת-מערכות נפרדות, מכשירים, וערימות תוכנה להחליף ולפעול על נתונים ללא התערבות ידנית. במערכות מורכבות - כגון רצפת מפעל חכמה המשלבת נשק רובוטי, חיישנים, PLCs, ו-Sons - יכולת פעולה היא חיונית להשגת זרמות עבודה אוטומטיות, תחזוקה חיזויית, ו ניטור מרכזי.

אתגרים מרכזיים כוללים פרוטוקולי תקשורת heterogeneous (למשל, CAN, Modbus, Ethernet / IP, MQTT), דרישות זמן אמתיות משתנה, ונהגי חומרה מגוונים. An מוטב OS כתובות אלה על ידי מתן ממשקים סטנדרטיים, אמצעי זהירות, ומדיניות תזמון כי מופשטת הרחק הבדלים בסיסיים.לדוגמה, ברכב אוטונומי, מערכת ההפעלה חייבת לתאם נתונים מ-LIDAR, מצלמות מכ"ם, וחיישנים קוליים, ופועלים בפונקציות בזמן אמתיות, ותפקודים, בזמן נהיגה לא קריטיים, הוא קריטיים.

מכניזם מפתח עבור אינטראופרציה

פרוטוקולי תקשורת סטנדרטיים

מערכות Embedded תומךות במערך עשיר של מחסניות תקשורת המאפשרות למכשירים מיצרנים שונים להחליף נתונים בצורה חלקה.

  • (FLT:0)MQTTIRFLT:1 - פרוטוקול פרסום קל משקל מבוסס סופר אידיאלי עבור מכשירי IoT וחוד קצה.מערכות משובצות רבות כוללות ספריות לקוח MQTT, המאפשרות לנתוני חיישן להיות מוזרים לפלטפורמות ענן עם מינימום מעל פני השטח.
  • (FLT:0CAN (רשת אזורית של המבקר) ,R) , שימוש נרחב במכוניות ובשליטה תעשייתית.מערכת משובצת כמו QNX או FreeRTOS מספקת לנהגים מקומיים וסינון הודעות, המאפשרת יחידות בקרה אלקטרוניות מרובות (ECUs) לשתף אוטובוס.
  • (FLT:0)Ethernet/IP, PROFINET ו- Modbus TCPFIRLT:1 - פרוטוקולים אוטומציה תעשייתיים הדורשים תזמון צפוי. ערימה של Ethernet בזמן אמת ב-VxWorks או מסגרת לינוקס מוטבעת להבטיח את מסגרת המסירה הדטרמיונית.
  • (FLT:0) Bluetooth LE, Zigbee, ו-ShaveFLT 1 - עבור רשתות חיישן אלחוטיות.מערכת ההפעלה מופשטת חומרת רדיו וניהול מצבי חיבור, כך יישומים יכולים לתקשר ללא תצורה ברמה נמוכה.

על ידי יישום הפרוטוקולים האלה בערימה סטנדרטית של מערכת ההפעלה, מפתחים נמנעים מכתיבה מחדש של שכבות תקשורת מותאמות אישית עבור כל פרויקט.יתר על כן, מערכת ההפעלה יכולה לאכוף מדיניות אבטחה (למשל, אימות, הצפנה) בכל נקודות קצה הפרוטוקול, פשט עוד יותר אינטגרציה.

המונחים: system

מידידיוור יושב בין קוד הליבה של מערכת ההפעלה והיישומים, המציע שירותים ברמה גבוהה יותר כי ההבדלים בחומרה המסיכה כוללים:

  • (FLT:0) Data Distribution Service (DDS)FLT:1) - תקן פרסום של תוכנת ביניים המשמש בהגנה, תחבורה, ו-IoT תעשייתי. DDS מספק שיתוף נתונים בזמן אמת עם בקרת איכות השירות (QoS); מערכת מוטבעת כמו VxWorks תומכת ביישום DDS שפועל ישירות על RTOS ללא ערימה מלאה של לינוקס.
  • מערכת ההפעלה של רובוט (ROS 2)FIRLT:1) - בנוי על DDS, ROS 2 הוא מסגרת דה Facto עבור מערכות רובוטיות. Embedded OSes כגון FreeRTOS או eMCOS ניתן לשלב עם ROS 2 nodes, המאפשר מיקרובקר להשתתף בתיאום רב רובוטי מורכב.
  • (FLT:0) שכבות מופשטות של HALs) ,HALs (HALs) 1 - מוכר-מוכר-מוכר-מוכר-מוכר-מסופק HALs (למשל, S32TMCube, NXP MCUXpresso) decouple Application Code ממשפחות מיקרו-בקר ספציפיות.The OS משלבת את HAL, כך נהגים כתובים עבור שבב אחד יכולים להיות מנוצלים עם שינויים מינימליים כל עוד זמן שבו קיים ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-ה-מערכת ההפעלה.

מידידיוור מפחיתה את הצורך באינטגרציה נקודה לנקודה.במקום, כל רכיב מפרסם את הנתונים שלו לאוטובוס משותף, וכל המנוי יכול לצרוך אותו - ללא קשר לספק הציוד המקורי (OEM) מודל זה הוא מרכזי לתעשיית 4.0 ומערכות ניהול חכמות.

אפשרויות ל-Time Capabilities and Deterministic Scheduling

בין האפשרויות במערכות קריטיות בזמן דורשות זמני תגובה צפויים.מערכת משובצת מספקת מדיניות לוח זמנים תזמון רציונאלית - כגון קביעת תזמון מראש (Rate Monotonic, Deadline Monotonic) או Round-Robin עם לוחות זמנים. אלגוריתמים אלה מבטיחים כי משימות פרטיות גבוהה (למשל, בקרה) לעמוד בלוח הזמנים שלהם אפילו כאשר משימות נמוכות יותר (השגת מידע).

בנוסף, מערכת ההפעלה מנהלת תקשורת בין-task באמצעות פרימיטיביים דטרמיניסטיים: תורי מסר, וזיכרון משותף עם ירושה עדיפות.זה מאפשר מטפל אוטובוס יכול להעביר נתונים לאלגוריתם בקרה עם עצלות כבולה, להבטיח כי חיישנים מקרי קריאה מגיעים לפני שהם נדרשים.ללא ערבויות בזמן אמתיות כאלה, חוסר יכולת הדדית הופך להיות בלתי אמין - קבלת פקודה אפילו כמה חיידקים קטסטרופליים יש השלכות קטסטרופליות.

אדריכלות מודולרית ונהגים

מערכות Embedded מתוכננות עם מודולריות בראש. Kernels ניתן להגדיר לכלול רק את הנהגים והשירותים הדרושים למערכת נתונה, צמצום טביעת רגל זיכרון ומשטח התקפה.עבור יכולת הדדית, מודולריות פירושה הוספת מרכיב חדש (למשל, חיישן טמפרטורה מ- Vendor A) כרוך רק לטעון את ההתקן המתאים, אשר מערכת ההפעלה לנהל באמצעות מסגרת סטנדרטית (למשל, מעבדי API של Qel).

נהגים הם עצמם לעתים קרובות שכבתיים: ממשק משותף (למשל, I2C, SPI, UART) יושב מעל קוד ספציפי שבב.מודל הנהג של מערכת ההפעלה מופשט הגדרות pins, בוררות אוטובוס, ובקרת שגיאות, כך קוד יישומים משתמש פשוט קורא / טקסט שיחות.זה סימולטורים משלבים חיישנים, אקטוטורים ותקשורת מיצרנים שונים - רק נהג חדש ומכשיר ניירט (או נייר) הם מספיקים).

יתרונות במערכות מורכבות

אימוץ מערכת מערכת מערכת מערכת מוטבעת עם תכונות של יכולת הדדית חזקה מביא כמה יתרונות אפשריים:

  • (FLT:0)Enhanced CompatibilityFLT:1 - ארכיטקטים במערכת יכולים לערבב ולתאם את הרכיבים הטובים ביותר של ספקים מרובים.לדוגמה, משאבת אינפוזיה רפואית יכולה להשתמש חיישן לחץ מוכח, מודול אלחוטי מחוץ ל- Shelf, ומנגנון משאבה קנייני, מתואמת על ידי מערכת ההפעלה.
  • (FLT:0) שיפור ReliabilityFLT:1 ; תזמון בזמן אמת ובודדת אשמה (למשל, עיצוב מיקרו-קרב) מונעים רכיב אחד מכישלון של התמוטטות המערכת כולה.ביישומים קריטיים בטיחותיים, מערכת ההפעלה יכולה ליישם כלבי שמירה ומפקחי בריאות אשר לאחזרים תת-מערכת בלתי אחראית ללא השפעה על אחרים.
  • (FLT:0)ScalabilitytureFLT:1 - הוספת תכונות חדשות או קנה מידה של מכשיר יחיד לצי של מאות דורש לא שינויים הליבה של מערכת ההפעלה מודולרית ושכבות ביניים מאפשרות שימוש בקוד קיים תוך שילוב פרוטוקולים חומרה או תקשורת חדשים.זה בעל ערך במיוחד ב-IoT כי יש לתמוך בסוגי חיישן מתפתחים.
  • (FLT:0) Cost EfficiencyFLT:1 - ממשקים סטנדרטיים להפחית הנדסה אישית.מפתחים להתמקד לוגיקה יישומים ולא חומרה ברמה נמוכה צנרת. יתר על כן, באמצעות RTOS עם מערכת אקולוגית עשירה של מודעות בינונית יכול להפחית את כמות קוד התפוצקות, חיתוך פיתוח ותחזוקה על ידי עד 30-50% בפרויקטים רב-דור.

בנוסף, מערכות משובצות כוללות לעיתים קרובות תכונות ניהול חשמל (למשל, מצבי שינה, קשקשים מתח דינמי) המרחיבים את חיי הסוללה במכשירים ניידים – גורם חיוני ברשתות IoT בין-מורכבות, שבהן מכשירים חייבים לרוץ שנים על תאי מטבע.

מקרה מחקרים

רכב אוטונומי

כלי רכב אוטונומיים מודרניים מסתמכים על עשרות של ECUs מספקי tier-1 שונים, כל אחד מהם מפעיל מערכת מוטבעת.לדוגמה, מכונית אוטונומית ברמה טיפוסית של רמה 4 עשויה להשתמש QNX עבור הבלם קריטי של בקרים ו-Hyting, ו-Linux מוטבעת עבור ערימה המידע ו-Seaceceationsvenation היתוך.com לא מאפשר גם את ה-CAN, Ethernet AVB, DDS) נתונים מ-D, ומאפשרים, מכ"מ"מ"מ-Fal מאובטחים, ומאפשרים, ומאפשרים, ומצלמות אבטחה, כדי לאפשר , כדי למנוע סודיות, כדי למנוע סודיות, כדי למנוע סודיות, כדי למנוע סודיות, כדי למנוע סודיות, חסומה של מערכת תקשורת סטנדרטית, חסימתינהוגנתונים של אבטחה, כולל של אבטחה, אשר אינה משפיעה על פני מערכת תקשורת סטנדרטית, אשר אינה משפיעה על פני מוטציות מיקרו-KNX, כמו כן, כולל מוטציות של אבטחה, אשר אינה מאפשרת מוטציות של אבטחה, כולל קריטריונים של אבטחה, אשר אינה משפיעה על גבי מוטציות של אבטחה, כמו כן, שאינה משפיעה על גבי מוטציות מיקרו-KNX, כולל לוגיקה שאינה ניתנת למצלמות

אוטומציה במפעל חכם

במפעל מודרני, PLCs, זרועות רובוטיות, מערכות מסרור ומצלמות ראייה מיצרנים שונים חייבים לתאם דיוק רב שנייה. VxWorks, עם לוח זמנים וסיוע לפרוטוקולים של Ethernet תעשייתיים (EtherCAT, PROFINET), פועל כמו מכשיר Unifying OS. כל מכשיר מפרסם את מעמדו על אוטובוס מבוסס DDS; מערכת תזמורת מרכזית צורכת נתונים אלה כדי להתאים את מערכת ההפעלה האמיתית של 15S.

אתגרים ושיקולים

בעוד שמערכות משובצות מפשטות מאוד את יכולת ההתערבות, יישוםן אינו ללא תקלות:

  • (FLT:0)SecurityFLT:1 - עם יותר מכשירים החלפת נתונים, משטח ההתקפה מתרחב.מערכת משובצת חייב לכלול מנעול מאובטח, תקשורת מוצפנת ומנגנוני בקרת גישה.עם זאת, לא כל פלטפורמות RTOS מציעות את אותה רמה של אבטחה; לבחור אחד עם תיעוד אבטחה מוכח (למשל, QNX, SafeOSRT) הוא קריטי.
  • (FLT:0) ,Jitter: גם עם לוח זמנים דטרמיוני, יכולת הדדית יכולה להציג Jitter אם שכבות לא מכוונות בקפידה.לדוגמה, באמצעות ערימה TCP/IP לשליטה בזמן אמת יכולה להוסיף עיכובים בלתי צפויים.מהנדסים חייבים לבחור את הפרוטוקול הנכון (למשל, גלם יכול לעומת TCP) ולהגדיר את לוח הזמנים של מערכת ההפעלה בהתאם לפרמטרים.
  • (FLT:0) Resource ConstraintsFLT:1 - מערכות משובצות רבות יש זיכרון RAM מוגבל מאוד (עשרות קילובייט) ופלאש (מאות של קילובייט) הפעלת ערימה מלאה של פרוטוקול או תת-מודע כמו DDS עשוי לעלות על הגבולות האלה.
  • (FLT:0)Vendor Lock-InFLT:1 - חלק מהמערכות המוטבעות קשורות קרוב לאדריכלות CPU ספציפית או שרשראות כלי, מה שהופך את זה קשה להחליף את ספק החומרה מאוחר יותר.

מגמות עתידיות

הנוף של מערכת ההפעלה משובצת מתפתח במהירות.מגמות מפתח כוללות:

  • (FLT:0) Embedded Linux הרחבה 1 (ב- עם מיקרו-בקרים בעלי ביצועים גבוהים ו- MPUs, לינוקס מוטבעת (למשל, Yocto, Buildroot, Ubuntu Core) הופכת נפוצה יותר אפילו ביישומים בזמן אמת. ⁇ בזמן אמת (PREEMPT RT) להפוך את הקרנליסטים מספיק לשימוש תעשייתי ותעשייתי רבים, בעוד שמקרים של מערכות אקולוגיות ומהירות גדולות של מערכות אקולוגיות.
  • (FLT:0) Hypervisors ו-Criticalities Systemss ראשי תיבות של:0) יכול לארח גם מערכת עשירה (לינוקס) עבור ממשק משתמש ו- RTOS (כמו QNX) לשליטה. Embedd Hypervisors (לדוגמה, בית כלא, ACRN, Xen-on-ARM) המאפשרים שיתוף פעולה חסר תקדים (כגון QNX) וגמישות רבה יותר.
  • (FLT:0)Edge מחשוב ו- OPC UAveFLT:1) - תקן OPC UA (IEC 62541) צובר מצעים ב-IoT תעשייתי עבור נתונים מאובטחים, מבוססי פלטפורמה. למערכות ההפעלה Embedd עכשיו אוקב"ח OPC UA / מחסניםient, ומאפשרים למכשירי שדה להשתלב ישירות במערכות IT ארגוניות ללא שערים קנייניים.
  • (FLT:0)Machine Learning at the EdgeFLT:1 - ההיקף של רשתות עצביות במכשירים משובצים (למשל, באמצעות TensorFlow Lite Micro, CMSIS-N) דורש שילוב הדוק בין מערכת ההפעלה, ניהול זיכרון ונהגי מאיץ עתידיים למערכות ההפעלה יכלול מנועים ממריצים המתאימים שיאפשרו יחידות חד-תכליתיות של herogeneouscompute (CPU, NPU) לשתף נתונים בזמן אמת.

מסקנה

מערכות הפעלה Embedded הן המנוף של יכולת הדדית במערכות מורכבות, מרובות-vendor. על ידי מתן פרוטוקולים סטנדרטיים תקשורת, שכבות מודעות ביניים, תזמון רציונאלי ומסגרות נהיגה מודולריות, הם מאפשרים רכיבים מספקים מגוונים לעבוד יחד ביעילות וביעילות.היתרונות - תאימות נכה, שיפור אמינות, לינוקס וחיסכון - אימוץ של מערכת הפעלה מוטבעת מסוגל באמת לשלב את היכולות של OPC.