С 14 по 16 февраля 2006 г. в Нюрнберге проходила ежегодная выставка
Embedded World 2006 посвященная оборудованию и программному обеспечению для встраиваемых систем. Более полутысячи участников предлагали здесь технические решения, многие из которых так или иначе найдут свое воплощение в мире систем управления, контроля и безопасности технологических объектов.
«Как известно всем высокоученым и грамотным людям, Земля представляет собой диск, который покоится на спинах трех слонов, стоящих на черепахе, которая, в свою очередь, возлежит на трех китах, плавающих в мировом океане»
Cтарик Хоттабыч
Встраиваемые системы – это целый мир, в котором есть свои правила и законы, лидеры и аутсайдеры. Мы постоянно сталкиваемся с представителями этого мира, включая стиральную машину или нетерпеливо ожидая зеленого сигнала светофора, щелкая пультом управления телевизором или заводя современный автомобиль, за правильной работой которого следит электроника. Целые встраиваемые королевства и империи спрятаны от взгляда неспециалиста за такими, казалось бы, обыденными вещами, как вода в кране или электричество в розетке.
Множество решений для различных областей и были представлены на очередной выставке в Нюрнберге. Попробуем по ее результатам определить основные направления и тенденции в мире встраиваемых компьютеров и систем.
Если верить словам почтенного старца, приведенным в эпиграфе, прежде всего следует начать с «китов», ибо на них возлежит все остальное.
Очевидно, что сердцем любого компьютера для любых приложений – и встраиваемых, и настольных – является микропроцессор. Наиболее крупными представителями семейства «китовых», как и следовало ожидать, были постоянные соперники – компании Intel и Freescale (бывшее подразделение Motorola, отвечающее за микропроцессоры). Intel, которой принадлежит неоспоримое лидерство в сегменте ПК, не является настолько уж безусловным лидером в embedded-мире. Однако это не помешало ей продемонстрировать гостям выставки двухъядерный процессор общего назначения с тактовой частотой 1,6 и 2 GHz и потребляемой мощностью до 31 Вт. Примечательна их полная совместимость со стандартным ПО на базе Windows и Linux, что открывает для данного устройства рынок интерактивных клиентских станций и высокопроизводительных серверов для индустриального применения.
| Девиз CoDeSys – «три S»: Smart Software Solutions |
Вторым гвоздем программы стал ряд микропроцессоров архитектуры ARM серии PXA2XX. В отличие от Intel, своего главного конкурента, эта компания предлагает более широкую гамму микропроцессоров и микроконтроллеров, начиная от дешевых восьмибитовых чипов (для которых, кстати, на стенде всем желающим раздавали ПО CodeWarrior) и заканчивая линейкой мощных 32-битовых процессоров общего назначения, построенных на архитектуре ColdFire и PowerPC. При этом компания верна принципам, заложенным еще в «мотороловские» времена: в линейку вошли комбинации соответствующего ядра и различных вариантов периферии, включая коммуникационные сопроцессоры, порты, встроенные АЦП (до 12 бит), контроллеры DMA, флэш-память программ. Так, для архитектуры ColdFire было представлено более 40 модификаций, причем треть из них появилась на рынке в течение последнего года! Отрадно также то, что для всего этого микропроцессорного многообразия предлагаются отладочные средства десятка компаний – от почти бесплатных компиляторов GNU до коммерческих и далеко не дешевых WindRiver и CodeWarrior. Интересным штрихом, подчеркивающим иной способ мышления инженеров и менеджеров Freescale, стали компьютеры MAC на стенде – их не демонстрируют, на них работают.
Кроме главных «китов», выставку почтили своим вниманием практически все основные мировые производители микропроцессоров и микроконтроллеров. Часть из них, такие как Analog Devices и Texas Instruments, основной упор сделали на собственные сигнальные процессоры, другие, например Philips и Atmel, предлагали 32-битовые процессоры ARM-архитектуры.
Особо следует отметить экспозицию компании Fujitsu, свидетельствующую о серьезности ее намерений на европейском рынке. Помимо собственного стенда европейского отделения компания была представлена еще двумя дилерами: Ineltek и GLYN. Приятно удивила тщательная продуманность стендов, на которых демонстрировались практически все продукты компании, что весьма непросто при ее разносторонних интерeсах. Например, были показаны Evualation boards для 16- и 32-битовых микропроцессоров общего назначения, графические контроллеры, устройства дактилоскопического декодирования, микромеханические гироскопы. Все это сопровождалось квалифицированными консультациями и раздачей компакт-дисков с рабочим ПО для отладки.
| Эти «Маки» не рекламировались на стенде как товар – специалисты считают их одними из лучших компьютеров для профессиональной работы с CodeWarrior |
В категорию «китов», хотя и меньшего размера, попадают также производители специализированных микросхем или микроэлектронных устройств. К таковым можно отнести, например, компанию Profichip выпускающую устройства для промышленной сети Profibus – от чипов до плат сопряжения. Здесь же хотелось бы отметить российскую компанию «Модуль» разрабатывающую и продвигающую на рынок сигнальные процессоры и специализированные микросхемы для бортовой сети MIL-STD-1553. В этом году компания также анонсировала высокоскоростные АЦП (2 канала по 600 MHz) со встроенным буфером памяти.
Однако, с точки зрения автора, первое место среди «китят» заняла немецкая MAZeT предлагающая полупроводниковые датчики цвета серии «JEN colour». Датчик собран в корпусе обычной микросхемы и позволяет строить системы распознавания цвета до 256 оттенков со скоростью до 10 KHz, что является очень высоким показателем, при этом его цена – всего 15–20 евро. В другом павильоне в качестве готового решения компания SiliCann демонстрировала концевой выключатель, настраиваемый на определенный цвет. Он изготовлен на базе чувствительных элементов JenColour, но стоит уже несколько сот евро.
Весьма полезным дополнением к данному сектору стало предложение рядом компаний услуг по обучению программированию тех или иных микропроцессоров. Например, компания HILF Gmbh имеет в своем арсенале более двадцати различных курсов по освоению микропроцессоров, в частности ColdFire и PowerPC. Правда, проводятся они только на немецком языке и не слишком дешевы: стоимость недельного обучения составляет около 1,5 тыс. евро.
Итак, разобравшись с «китами» встраиваемого мира, перейдем к следующему уровню – «черепахе», которой в данном случае является программное обеспечение. Последнее можно условно разделить на отладочное и системное. Первое было представлено прежде всего на стендах фирм – производителей полупроводников. В простейшем случае это компиляторы языка С и отладчики собственной разработки, доступные бесплатно или почти бесплатно. Наиболее яркими представителями в этом секторе являются компании Microchip и уже упоминавшаяся Fujitsu. Более сложный вариант – создание профессиональных компиляторов специализированными фирмами. Их демонстрировали достаточно известные на нашем рынке IAR Systems (компиляторы С для микроконтроллеров ATMEL) и KEIL Software (компиляторы С для Infineon). Замыкает тройку лидеров мультиплатформенный CodeWarrior компании Metrowerks. Здесь же будет уместно подчеркнуть, что вся тройка усиленно рекламирует решения для архитектуры ARM.
Также к разработчикам компиляторов можно отнести компании, разрабатывающие специализированные драйверы, в частности для различных slave-чипов USB. Известно, что ОС Windows видит чипы USB slave в качестве дополнительного COM-порта, причем драйверы виртуального СОМ-порта поставляются производителями этих чипов бесплатно. Однако в реальной жизни драйвер ограничивает скорость обмена до 512 KBps, что выглядит несколько странно при заявленной скорости USB в 12 МBps. Вот тут-то и приходят на помощь небольшие компании-разработчики, обеспечивающие своим ПО скорость обмена данными на уровне, указанном в спецификации. Примером является небольшая компания THESYCLON, предлагающая лицензию runtime на драйвер USB-устройства за 1,5 тыс. евро.
| В последнее время темпы распространения симпатичных Linux-пингвинчиков во всех секторах информационных технологий просто поражают |
Однако более интересно «черепаха» программного обеспечения выглядит с точки зрения системного ПО. Горячо любимая всеми ОС Windows во встраиваемом мире, хотя и достойно представлена модификацией Windows CE, вовсе не является монополистом. Серьезным конкурентом ей выступает все то же детище Линуса Торвальдса в различных модификациях. Во всяком случае, «пингвины» всех размеров и расцветок чувствовали себя на выставочных стендах уверенно.
Несколько особняком располагались мэтры системного ПО, специализирующегося именно на рынке встраиваемых систем. Это ОС QNX, представленная внушительным стендом и подчеркивающая свою мультиплатформенность (нынешняя модификация работает на процессорах не только от Intel, но и архитектуры PowerPC). Естественно, на выставке можно было познакомиться и с OS-9 (компания RadiSYS) для процессоров Freescale, применяемой в военной технике и ответственных приложениях.
Кроме того, две компании – SEGGER Microcontroller System и Embedded Office – демонстрировали варианты ядра реального времени и библиотек, обеспечивающих многозадачность, обмен через почтовые ящики, связь через различные интерфейсы и графику для встраиваемых систем. Как ядро SEGGER, так и uС-OS-II, обеспечивают весь необходимый для разработчиков встраиваемых систем сервис, и, что немаловажно, компилируются на большое число платформ, начиная от восьмиразрядных контроллеров и заканчивая высокопроизводительными сигнальными процессорами.
| «Визитная карточка» прошедшей выставки – мезонинная процессорная плата с предустановленными ОС Windows или Linux |
Из инструментария программиста можно отметить присутствие (причем сразу на нескольких стендах) ПО LabView от компании National Instruments и MATLAB от MathWorks Оба пакета объединяет превосходная математическая поддержка, продуманный и тщательно выверенный графический интерфейс (и, соответственно, немалая цена). Но наибольший интерес у специалистов вызвал стенд компании 3S Smart Software Solution, предлагающей специализированное ПО СoDeSys для систем, программируемых на технологических языках согласно IEC61131-3, по сути, – компилятор со специальных языков. Несмотря на достаточно скромный базовый стенд, логотип компании можно было увидеть еще в добрых двух десятках экспозиций. Ее сильными сторонами являются узкая специализация (и, соответственно, тщательная проработка программного продукта) и в то же время мультиплатформенность компилятора, способного поддерживать вычислительные средства на архитектуре INTEL, PowerPC, ColdFire, ARM, 16-битовые контроллеры Infineon и даже архитектуру «однокристалок» серии 8051. Вопрос сводится фактически только к наличию достаточного объема флэш-памяти и ОЗУ (для однокристального устройства требуется всего 8 КВ). При этом среда разработки системного ПО создает монитор, прошиваемый в целевой контроллер, который «понимает» объектный код, генерируемый компилятором пользовательских программ. Фактически для прикладного программиста целевой компьютер выглядит как специализированный контроллер, работающий с компилятором языков IEC61131.
Разобравшись с «черепахой», перейдем к следующему разделу.
На первый взгляд, при наличии «китов» в виде чипов и «черепахи» в виде ПО никакие дополнительные «слоны» разработчику не требуются и любой грамотный инженер способен спроектировать встраиваемый компьютер или контроллер. Поначалу так оно и было (читатель может представить себе «зоопарк», созданный ничем не сдерживаемой фантазией инженеров). Однако изобилие вариантов привело к сложностям в эксплуатации и ремонте. Поэтому мировое сообщество занялось разработкой стандартов, являющихся теми самыми «слонами», на спинах которых и возлежит встраиваемый мир. Стандарты определяют конструктивные и архитектурные особенности узлов и блоков встраиваемых систем, а также описывают интерфейсы для связи с внешним миром.
| Все знают, что современные автомобили напичканы электроникой. Но реальное количество встраиваемых устройств, продемонстрированное компанией Vector на объемном «скелете» машины, существенно превосходит воображение обывателя |
Одними из старейших и наиболее уважаемых «слонов» являются стандарты VME и PC-104 (с буквоедской точки зрения последний де-юре до стандарта не дотянул, хотя де-факто, бесспорно, таковым и является). Первому сегодня идет третий десяток лет, да и второй ненамного моложе. Их ровесники из мира персональных компьютеров давно канули в Лету, однако вселенная встраиваемых систем изменяется медленнее и солидный возраст в ряде случаев – наилучшая рекомендация для разработчиков и пользователей. Оба стандарта описывают магистрально-модульную архитектуру: VME – на основе шины микропроцессоров Motorola (Freescale), PC-104 – на основе шины микропроцессоров Intel.
Представителей обоих направлений, получивших довольно широкое распространение в Украине, без труда можно было разыскать и в Нюрнберге. Разумеется, такие гранды как Kontron, SBS, Advantech, Ampro не могли не приехать на основную европейскую профильную выставку. Но и кроме них здесь было не менее чем по десятку участников от каждого сообщества (во всяком случае, считая VME-производителей, автор сбился где-то на 15). А окончательным аргументом в пользу их жизнеспособности стали полученные в пресс-центре два специализированных журнала: «VME BUS systems» и «PC-104 Embedded solutions». Умирающим технологиям такие памятники не ставят.
Более новыми решениями в области магистрально-модульных архитектур являются стандарты COMPAT PCI и Advanced TCA / MICRO TCA. Их обычно представляют те же производители, которые ориентируются на VME-решения, хотя есть и ряд новых компаний, не имеющих за спиной VME-груза прошлых лет. Особенно бросается в глаза наличие достаточного числа небольших фирм, выпускающих специализированные периферийные платы для VME / Compact PCA платформ. В номенклатуре фирмы таких плат может быть всего одна-две, зато они оснащаются полным комплектом ПО и средств отладки. Разработчики устройств этого класса обычно используют традиционные процессоры общего назначения компаний Intel и Freescale и операционные системы OS-9, QNX, Windows CE и Linux. В качестве развития стандарта РС-104 на выставке демонстрировалось просто невероятное количество мезонинных модулей, именуемых на сленге отечественных инженеров-электронщиков «нашлепками». Типичная «нашлепка» представляет собой одноплатный компьютер (размером от спичечного коробка и больше) с уже установленными процессором, памятью программ, ОЗУ, интерфейсами.
Единственный тонкий момент – отсутствие в настоящее время четкого стандарта на конструкцию и внешнюю шину. Попытки стандартизации пока преимущественно напоминают соревнование по перетягиванию каната – каждый надеется, что узаконен будет именно его вариант, хотя этот прискорбный факт отнюдь не мешает бурному развитию данного направления. Архитектуры представленных модулей самые разнообразные, с микропроцессорами Intel и PowerPC, существует также широкая номенклатура с архитектурой ColdFire. Однако, вне всякого сомнения, гвоздем программы является архитектура ARM. Среди чипов наиболее популярен ARM9200 от Atmel (для работы без индикации) и Xscale (со встроенной видеоподсистемой) от Intel. Весьма показательным в этом плане был стенд фирмы Phytec предлагающей около 30 мезонинных процессорных модулей с различной производительностью – от шестнадцатиразрядного С167 (Infineon) до мощных ARM на базе Xscale PXA255 и At91M5508 Atmel.
Еще одна отличительная черта модулей – наличие предустановленной ОС (Linux или Windows CE). Последнее обстоятельство отмечается многими участниками и посетителями выставки как новое массовое явление, поскольку в прошлом году большинство поставщиков предлагали заказчикам устанавливать операционные системы самостоятельно, что чаще всего получалось далеко не так красиво и быстро, как описывали рекламные буклеты. В ряде случаев предлагались также одноплатные варианты с предустановленным монитором CoDeSys. К сожалению, многие из них имели недостаточно хорошо описанный программный интерфейс с внешним миром, что ограничивало число входных/выходных сигналов от датчиков и исполнительных механизмов.
Для полноценного обзора выставки в 500 участников объема журнальной статьи, конечно же, недостаточно. Еще много довольно интересных решений осталось за ее пределами. Поэтому попытаемся хотя бы обозначить их:
Впервые в летописях Нюрнберг упоминался еще в 1050 г. У большинства наших соотечественников, особенно среднего и старшего возраста, он ассоциируется с Нюрнбергским процессом, прошедшим после окончания Второй мировой войны. Менее известно, что именно здесь был создан первый в мире глобус, а со своим пригородом Фюртом Нюрнберг соединил в свое время первый в Германии поезд. Являясь крупным историческим центром, сегодня Нюрнберг известен и как выставочный центр европейского значения. Одним из проводимых в нем ежегодных форумов и является Embedded World. В нынешнем году выставка расположилась на прощади в 11,5 тыс. м2. В ней приняли участие около 500 компаний из 27 стран мира, а число посетителей составило почти 11 тыс. человек. Впрочем, несмотря на декларируемый международный статус, выставка остается прежде всего немецкой – большинство семинаров и рекламных материалов было подготовлено на немецком языке, да и освещалась она в основном немецкими профильными изданиями. Хотя, конечно, на английском без особых сложностей можно общаться на любом стенде.
| Один из символов Нюрнберга – императорский замок Кайзербург |
Глядя на изобилие представленных на внутригерманской выставке инженерных и технических решений, невольно задаешься вопросом: а зачем все это нужно и где оно устанавливается? И вообще, откуда столько «хороших и разных» производителей в стране окончательно победившего «Сименса»? Во время неспешной прогулки по вечернему Нюрнбергу автору показалось, что он нашел ответ. Если в городе все эскалаторы снабжены датчиками присутствия (т. е. останавливаются при отсутствии пассажиров и запускаются, как только чья-то нога ступила на ступеньку), если автоматически открывается и закрывается большинство дверей и кранов в ванной, а при приближении человека включаются лампочки на всех маленьких улочках, то это не выглядит очередной потемкинской деревней или чьим-то капризом. Это является реальным воплощением энергосберегающей политики. И не нужно быть выдающимся экономистом, чтобы подсчитать реальную отдачу от всей этой автоматики. И не нужно быть инженером, чтобы представить, сколько для этого требуется управляющих компьютеров, больших и малых, и сколько при этом создается реальных рабочих мест в области высоких технологий.