Introduction to Embedded Systems 임베디드시스템? Embedded System A computer that is a component in a larger system, and is not visible as a computer to a user of that system. Any device that includes a programmable computer but is not itself a general-purpose computer. H/W S/W Micro Processor Memory OS -Kernel 시스템 소프트웨어 입출력 장치 네트워크 장치 응용 소프트웨어 임베디드시스템 Questions for consideration Is a PDA an embedded system? Is a cell phone an embedded system? Is a PC inside of an industrial robot an embedded system? 임베디드 시스템의 특징 Application-specific functionality 특정한 기능에 부합하는 최적화 설계가 가능 Real-time Operation/ Dependable Must finish operations by deadlines. Extreme Cost Sensitivity Many embedded systems are mass- market items that must have low manufacturing costs. . Limited memory, microprocessor power, etc. Harsh Environment -Resource challenged Safety-critical Operation 소형, 경량 저전력 실시간 시스템 (Real-Time System) 제한된 시간 내에 작업이 이루어져야 하는 시스템 논리적 정확성뿐만 아니라 시간적 정확성까지 요구되는 시스템 Hard Real-time System ( 경성 실시간 시스템 ) 시간적 제약이 위배되는 경우 생명과 직결되는 시스템 (mission-critical) 예, 미사일 제어 시스템 , 원자력발전 시스템 , 공장 제어 시스템 등 Soft Real-time System ( 연성 실시간 시스템 ) 시간적 제약 위배에 다소 관용적임 동화상 재생 시스템 , 원격 회의 등 Software Embedded Systems = CPU + RTOS [Srivastava] Processor ? A Computer Processor is a Finite-State Automaton that executes instructions held in memory. The state of the computer is defined by the values in memory and in registers. Each instruction defines a particular way to change the state of the system. It defines which instruction should be executed next. Processor = CPU Microprocessor = CPU on silicon chip Microcontroller = uP + RAM/ROM + I/O device + timer … DSP = Digital Signal Processor = uP for signal processing + ADC+ DAC Pentium 4 Die Photo Common Embedded Microprocessors 4-bit Microcontrollers: PIC ($1.79) 8-bit Microprocessors and microcontrollers Zilog: Z80 families ($1.39) Intel: 8042, 8048, 8051 families ($4.95) Motorola: 6805, 68HC11 families ($8.00) 16-bit Microprocessors and microcontrollers Intel, AMD: 80186 families Motorola: 68300 families NEC, Hitachi, Phillips 32-bit Microprocessors and microcontrollers Intel 80386, 80486, Pentium, PII, PIII,PIV, StrongARM, X-scale ARM: ARM7TDMI, ARM9 AMD 486E, SC520 (Aspen) Motorola 680X0, ColdFIRE, PowerPC, MPC5xx Intel X-Scale 64-bit Microprocessors and microcontrollers Choice depends on a variety of performance and memory size considerations Microprocessor vs microcontroller A Microprocessor-Based Embedded System data storage I/O I/O program memory microprocessor real-time clock A Microcontroller-Based Embedded System data storage I/O I/O I/O program memory microprocessor core real-time clock To outside world To outside world I/O Microcontroller advantages lower cost, more reliable, better performance, faster and lower RF signature may be less flexible for research and development projects A “typical” embedded system Microprocessor Address Bus Data Bus Status Bus Glue Logic and Address Decode Clock Generation and Distribution Real Time Clock Random Access Memory -RAM Read Only Memory -ROM ( FLASH ) Minimally Requirement for an Embedded System I/O Interface ( D/A, A/D, Digital ) Communications Other Peripheral Devices To Outside World To outside world To other devices To host Computer Watchdog Timer NMI To User I/F Hardware Embedded Systems = SoC SOC (System-on-a-chip) CPU, 메모리, DSP, I/O 등을 하나의 칩으로 만드는 기술 CPU 칩, 메모리 칩 , 주변장치 칩 들을 따로 사용하여 설계 각 칩에 해당되는 회로를 각각의 IP(Intellectual Property 또는 지적재산권 )로 확보해서 한 개의 칩으로 설계 Memory CPU/DSP Core Embedded S/W RF/Analog CIS/MEMS Modem Driver 임베디드 시스템 응용분야 정보가전 : 세탁기, 오디오, 인터넷 냉장고 , HDTV 등 제어분야 : 공장자동화, 가정자동화, 로봇 제어 , 공정제어 등 정보기기 : 핸드폰, PDA, 스마트 폰 , LBS 등 네트워크기기 : 교환기, Router, 공유기, 홈 게이트웨이 등 게임기기 : 가정용 게임기 (PS2, XBox), 지능형 장난감 등 항공/군용 : 비행기, 우주선, 로켓, 야전 이동단말 (GPS, GIS) 물류/금융 : ATM, RFID, 물류단말, 영업단말 등 차량/교통 : 자동차, ITS 등 사무, 의료 : 전화기, 프린터, Heart pacer, 수술로봇, 증강현실장비 Computers are Everywhere 컴퓨터는 기껏해야 전세계를 통틀어 한해 다섯대 이상 팔리지 않을 것이 다.“ (토머스 왓슨 IBM 회장, 1943) How many of them are there? GartnerGroup estimates 70 Billion .P used in embedded systems in 2001 Other estimates say 50 to 120 Billion .P Average embedded system has 4 .P Of all .P sold, 90% go into “non-computers”, 10% in “computers” You will most likely end up working with a “non-computer” at some point in your career .P = MCU. Some Examples BMW 745i 2,000,000 LOC Windows CE OS 53 8-bit .P 11 32-bit .P 7 16-bit .P Multiple networks Yes, very buggy! Average middle-class American household has about 40 to 50 microprocessors Microwave oven, washer, dryer, dishwasher, TV, remote controls, stereo, CD player, tape deck, garage door opener, Average new car has a dozen microprocessors in it Mercedes S-class has 65 microprocessors Automobile An Analogy: Life on Earth Humans/Desktop Insects/Embedded Systems 패러다임의 변화 Trends 컴퓨터의수는증가, 네트워크화=> Ubiquitous Computing 소프트웨어의중요성이크게부각됨하드와이어드사회-대량생산라인이하드와이어드사회의상징-하드와이어드적인기구의경우소프트웨어적변경이불가능함. -하드와이어드사회에서는변경불가능한기구및시스템에인간이종속프로그래머블사회-유비쿼터스환경에서는개개인의다양성에대응가능한컴퓨터적인유연성이사회전반을지배Ex) ·각개인이자신의신체조건에관한정보를담은휴대기기나ID 카드를소지할경우각물체에내재해있는컴퓨터가이를인지, 최적의정보및환경제공 유비쿼터스 컴퓨팅 21세기 IT의 키워드 Mark Weiser 가 주창 XEROX의 Palo Alto Research Center 에서 Ubiquitous Computing 을 실험 (1988 년) Ubiquitous Computing 은 언제든 、어디에서든 컴퓨터를사용할수있는 것 Disappearing Computer Invisible computer + Calm technology 무의식적 통합 , 컴퓨터가 인간에 적응 유비쿼터스 컴퓨팅을 위한 핵심기술 RFID 기술 무선센서네트워크기술 RFID 정의 Radio Frequency IDentification 무선 주파수 인식 전자태그 IC칩을 내장하며 안테나를 통하여 데이터를 교 신하는 매체 Chip (IC) Antenna “74AB8” “5F8KJ3” “Plastic #3” RFID 기술의 용도 Real time tracking . Where & When Identification . Who & What Security . Access Control & Alarming Telemetry . Data Collection & Transmission RFID 종류 능동형(Active) 수동형(Passive) 특징 태그에서 자체 RF신호 송신 가 능 배터리에서 전원 공급 판독기의 신호를 변형 반사 판독기의 전파 신호로 전원 공급 장점 장거리(100M) 전송가능 센서와 결합 가능 배터리 없으므로 저가격 구현가능 배터리 교체 비용 없음 단점 배터리에 의한 가격 상승 동작시간 제한 단거리 전송 (수 cm ~ 수 M) 센서 류의 모듈 추가 제한 적용분야 환경 감시 , 군수, 의료, 과학 분 야 물류 관리 , 교통, 보안, 전자 상거래 분야 RFID 사용 주파수 13.56MHz (ISO 18000-3) 433.92MHz (ISO 18000-7) 2.45GHz (ISO 18000-4) 125KHz,134KHz 국내외사용중국내외사용중(ISO 18000-2) (ISO 11784,11785, 14223) 미국, 유럽사용중국내아마추어용국외사용중 출입통제/보안교통카드Passport Invitation for Hitachi Exhibition 2002 (ISO 18000-6) 국내외사용중860MHz~960MHz 국내:908.5~914MHz 수동형수동형수동형수동/능동형능동/센싱형 Passport, ID card 동물관리 물류창고, 제품유통 Tire Pressure Sensor 유통.물류 RFID Tag 저속 인식속도 고속 강함 환경영향 민감 대형 태그크기 소형 RFID/USN USN은 먼저 인식정보를 제공하는 전자태그를 중심으로 발전하고 이에 센싱 기 능이 추가되고 이들간의 네트워크가 구축되는 형태로 발전 전망 이력관리전자태그간통신ID 인식(Ad-hoc network) (Sensing) (Read/Write) (Read) 환경정보센싱 Network of Embedded Sensor Surveillance in battlefield, buildings, metropolitan areas and infrastructures 1.25 in Sensors self-configure into a network to detect passing vehicles,chemical and biological agents, and intruders Temperature Sensor Light 2.25 in Accelerometer Sensor Sensor Network ? Network of large numbers of sensor nodes with computation & communication capabilities. A sort of ad-hoc networks A network of low cost, densely deployed, untethered sensor nodes Placed in inaccessible terrains or disaster areas It may be impossible to recharge batteries Smart Dust(버클리 대학 ) Military Applications Sensor Network Examples 024681012141618-1-0.500.51Low resolution Sensor, Test4, Increasing frequencyTime (sec) Acceleration (g) Wind Response Of Golden Gate Bridge Condition-Based Maintenance Intel Research 800-900 m t ABC HIT t-176.5 t-117.6 t-58.8 msec t2 t 1 t 3 ? d 1 d 2 d 3f(x,y) Shooter Localization -Vanderbilt, BBN 024681012141618-1-0.500.51Low resolution Sensor, Test4, Increasing frequencyTime (sec) Acceleration (g) Wind Response Of Golden Gate Bridge Condition-Based Maintenance Intel Research 800-900 m t ABC HIT t-176.5 t-117.6 t-58.8 msec t2 t 1 t 3 ? d 1 d 2 d 3f(x,y) Shooter Localization -Vanderbilt, BBN 20.8 13.9 6.9 새로운 시대의 가능성 -임베디드 메인프레임서버PDA CS Web Computing Exotic Networking Smart Home Things that Think Wearable Computers PC 인터넷냉장고노트북디지털TV 정보가전휴대전화 Internet Car 전자페이퍼셋탑박스비디오게임 다목적프린터 모바일캠코더1대컴퓨터: 다수(Server-to-Client) 1대컴퓨터: 1 인다수컴퓨터: 1 인사람+컴퓨터+사물(Things to Things) Ubiquitous Networking ~ 1980 ~ 2010 ~ 2020 ~ 2000