NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13.1Hanák Péter, BME VIK Mélyfúrás Beágyazott rendszerek Hanák Péter

Az előadások a következő témára: "NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13.1Hanák Péter, BME VIK Mélyfúrás Beágyazott rendszerek Hanák Péter"— Előadás másolata:

1 NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13.1Hanák Péter, BME VIK Mélyfúrás Beágyazott rendszerek Hanák Péter hanak@inf.bme.hu

2 NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13.2Hanák Péter, BME VIK 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 NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13.3Hanák Péter, BME VIK Mottó

4 NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13.4Hanák Péter, BME VIK Mottó 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)

5 NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13.5Hanák Péter, BME VIK 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 NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13.6Hanák Péter, BME VIK A BR meghatározó jellemzői Korlátos erőforrások (energia, tárkapacitás, utasításkészlet, végrehajtási sebesség stb.) Kis fizikai méret (a hordozó lemez mérete néhány mm 2 -től egy-kétszáz cm 2 -ig terjed), Magas megbízhatósági és rendelkezésre állási követelmények (a hétköznapi infokommunikációs alkalmazásokhoz képest).

7 NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13.7Hanák Péter, BME VIK 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 NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13.8Hanák Péter, BME VIK 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 NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13.9Hanák Péter, BME VIK 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 NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13.10Hanák Péter, BME VIK Tmote Sky

11 NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13.11Hanák Péter, BME VIK Tmote Sky 65,5×32mm 2 Moteiv, USA

12 NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13.12Hanák Péter, BME VIK Spec Mote  egy MICA mote tetején 5mm 2 UC Berkeley, USA

13 NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13.13Hanák Péter, BME VIK Smart Dust Mote UC Berkeley, USA

14 NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13.14Hanák Péter, BME VIK 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 NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13.15Hanák Péter, BME VIK 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 NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13.16Hanák Péter, BME VIK 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 NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13.17Hanák Péter, BME VIK ABB-gyártórobotok munka közben

18 NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13.18Hanák Péter, BME VIK EKG-eseményrekorder MSP 430 Bluetooth Meditech Kft., HU

19 NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13.19Hanák Péter, BME VIK Wireless Pressure Measurement Külső elektronika Beépített szenzor CardioMEMS

20 NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13.20Hanák Péter, BME VIK Healthcare massage chair

21 NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13.21Hanák Péter, BME VIK 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 NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13.22Hanák Péter, BME VIK 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 NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13.23Hanák Péter, BME VIK 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 NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13.24Hanák Péter, BME VIK 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 NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13.25Hanák Péter, BME VIK 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 NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13.26Hanák Péter, BME VIK 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 NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13.27Hanák Péter, BME VIK BR-t fokozottan használó ágazatok FAST Study, 2005

28 NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13.28Hanák Péter, BME VIK BR aránya a végtermék költségében FAST Study, 2005

29 NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13.29Hanák Péter, BME VIK BR aránya a végtermék értékében FAST Study, 2005

30 NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13.30Hanák Péter, BME VIK Elektronika és BR piaci részesedése FAST Study, 2005

31 NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13.31Hanák Péter, BME VIK 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 NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13.32Hanák Péter, BME VIK 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 NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13.33Hanák Péter, BME VIK A technológiaváltás akadályai A szoftvertechnológia jelentős elmaradása a hardvertechnológiához képest A nyílt szabványok hiánya A jól képzett szakemberek hiánya A fejlesztési technológia fejletlensége

34 NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13.34Hanák Péter, BME VIK 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 NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13.35Hanák Péter, BME VIK 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 NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13.36Hanák Péter, BME VIK 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 NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13.37Hanák Péter, BME VIK BR-trend: hw, sw, programozás

38 NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13.38Hanák Péter, BME VIK 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 NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13.39Hanák Péter, BME VIK 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 NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13.40Hanák Péter, BME VIK 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 NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13.41Hanák Péter, BME VIK BR-kutatás, fejlesztés, gyártás Mo-n BME EJJT BME VIK BMF NIK és KVK BZAKA IKTI SZTE SZFT ME AUT MTA SZTAKI... Elektronika Szövetk. GE Magyaro. Zrt. Hexium Kft. Innomed Kft. Meditech Kft. MicRed Kft. Robert Bosch Kft. 77 Elektronika Kft....

42 NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13.42Hanák Péter, BME VIK 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 NHIT IT3 Baráti köre, 2007. ápr. 13.43Hanák Péter, BME VIK A technológiaváltás hatásai A használókra –átláthatóság csökken –funkcionalitás bővül –szolgáltatási színvonal nő –bonyolultság nő –függőség nő –sérülékenység nő A gyártókra –bonyolultság nő –tudásigény változik –interdiszciplinaritás nő –belépési költség nő –át/továbbképzés kell –funkcióbővítés könnyebbé válik