GÖMÜLÜ SİSTEMLER GÖMÜLÜ SİSTEMLER 1

Transkript

1 GÖMÜLÜ SİSTEMLER GÖMÜLÜ SİSTEMLER 1

2 İÇERİK Gömülü Sistemler ARM işlemciler FPGA FBGA DS1006 İşlemci Kartı dspace PX10 box GÖMÜLÜ SİSTEMLER 2

3 GÖMÜLÜ SİSTEMLER Bir ana yada bir alt sistem olarak bir işlevin yerine getirilmesini sağlayan entegre sisteme Gömülü Sistem adı verilir. Bu görev daha çok mekanik bir eylemi gerçekleştirmeye yönelik olmakla birlikte mekanik olmayan unsurları da içermektedir [1] GÖMÜLÜ SİSTEMLER 3

4 GÖMÜLÜ SİSTEMLER Gömülü sistem; Bir ana ya da alt sistem olarak birden fazla işlevin aynı elektronik kart üzerinde entegre hale getirilmesi ile bir mekanik hareketi gerçekleştiren tanımlanabilir. Sabit bir plan, program kümesine göre bir veya birden fazla görevi organize eden giriş verilerini kullanarak sonuçlar üreten yapıdır [2] GÖMÜLÜ SİSTEMLER 4

5 GÖMÜLÜ SİSTEMLER Diğer bir tanım ise; Bilgisayar gibi görünmeyen, bir mikroişlemci tabanlı sistemdir. Bir gömülü sistem bazı özel işlevleri gerçekleştirmek için tasarlanmış özel amaçlı bir bilgisayar sistemidir [3] GÖMÜLÜ SİSTEMLER 5

6 GÖMÜLÜ SİSTEMLER İlk gömülü sistemin; MIT Instrumentation Laboratory de Charles Stark Draper tarafından geliştirilen Apollo Guidance Computer olduğu bilinmektedir. Aya yapılan yolculuklarda iki tane kullanılırdı ve komuta modülü ve LEM aracının eylemsiz rehber sistemlerini çalıştırıyordu. [1,2,4] GÖMÜLÜ SİSTEMLER 6

7 GÖMÜLÜ SİSTEMLER Gömülü Sistemlerin Sınıflandırılması; Küçük ölçekli Gömülü sistem, Orta ölçekli Gömülü sistem, Karmaşık ve büyük ölçekli Gömülü sistem, GÖMÜLÜ SİSTEMLER 7

8 GÖMÜLÜ SİSTEMLER Küçük ölçekli Gömülü sistem; Bir tek 8 veya 16 bit mikrokontrölör, Az donanım ve yazılım karmaşıklığı, Batarya ile işletilebilirlik, Bu sistemleri geliştirmek için C programlama dili, Sürekli çalıştığı zaman güç tüketim problemine sahiptir [2] SİSTEMLER 8

9 GÖMÜLÜ SİSTEMLER Orta ölçekli Gömülü sistem; Bir veya birkaç 16 veya 32 bitlik mikrokontrölör, DSP (Digital Signal Processor) ya da RISC (Reduced Instructions Set Computer) Hem donanım hem de yazılım karmaşıklığına sahiptir [2] GÖMÜLÜ SİSTEMLER

10 GÖMÜLÜ SİSTEMLER Karmaşık ve büyük ölçekli Gömülü sistem; Fazla donanım ve yazılım karmaşıklığı, Programlanabilir mantık dizileri veya konfigüre edilebilir işlemci veya ölçeklenebilir işlemci ihtiyacı, Donanım birimlerinin mevcut işlem hızı sistemi sınırlandırır [2] GÖMÜLÜ SİSTEMLER 10

11 GÖMÜLÜ SİSTEMLER Gömülü sistemler bir ürüne ne katar? Maliyeti düşürür, Daha az bileşen, daha küçük hacim, daha az güç tüketimi ve az hata kaynağı, Ürünün temel işlevlerine ek özellikler kolaylıkla eklenebilir, Gömülü sistem kullanıcını gereksinimlerine göre özelleştirilebilir [2] GÖMÜLÜ SİSTEMLER 11

12 ARM ARM "Advanced RISC Machines" cümlesinin kısaltılmış hali olup, "Gelişmiş RISC Makineleri" anlamına gelir. RISC kısaltmasının açılımı ise "indirgenmiş komut setli bilgisayar" anlamına gelen "Reduced Instruction Set Computer" demektir. En kısa anlatım ile ARM kısa komut setlerinden oluşan gelişmiş bir mikro kontrol mimarisidir [5] GÖMÜLÜ SİSTEMLER 12

13 ARM ARM Ailesi ARM mimarisinde 3 temel grup bulunmaktadır: 1- Klasik ARM işlemciler: ARM7, ARM9, ARM11 2- Gömülü sistemlere yönelik ARM işlemciler: Cortex-M0, Cortex- M1, Cortex-M3, Cortex-M4 3- Uygulama seviyesindeki ARM işlemciler: Cortex-A5, Cortex- A8, Cortex-A9, Cortex-A15 [5]. Şekil 1.1. ARM işlemci ailesi GÖMÜLÜ SİSTEMLER 13

14 ARM 1- Klasik ARM işlemciler: Bu gruptaki Cortex serisi önceki grubu oluşturuyor. ARM7 serisi daha çok Motor kontrolü, sinyal işleme gibi mikrodenetleyici uygulamalarında kullanılan mikrodenetleyicilerin çekirdeğini oluştururken, ARM9 ve ARM11 serileri uygulama seviyesinde ve daha çok mobil cihazlarda kullanılıyor. Klasik ARM çekirdeklerine göre daha eski ARM ürünlerinden ve kullanımları giderek azalıyor. Bunların yerine Cortex M, R ve A serisi ARM çekirdeklerinin kullanımı tavsiye ediliyor [5] GÖMÜLÜ SİSTEMLER 14

15 ARM 2 ARM Cortex Embedded İşlemciler: Cortex M ve R serileri: Bu seri, deterministik bir şekilde çalışması gereken gerçek zamanlı ve düşük güç tüketimi gerektiren uygulamalarda kullanılıyor. NXP Semiconductors, STMicroelectronics, Texas Instruments, ve Toshiba gibi işlemci üreticileri bu çekirdeğe sahip mikrodenetleyici ürünleri sunuyorlar [5] GÖMÜLÜ SİSTEMLER 15

16 ARM 3 ARM Cortex Uygulama İşlemcileri: Cortex A Serisi uygulama işlemcileri Son dönemde hayatımızda oldukça büyük yer tutan akıllı telefonlar, tablet bilgisayarlar gibi son kullanıcı ürünlerinin birçoğunda bu serideki çekirdeklere sahip işlemciler bulunuyor. Örnek vermek gerekirse iphone, ipad, Samgung Galaxy Tablet, RIM Playbook gibi ürünlerde Cortex-A serisi ARM tabanlı mikroişlemciler bulunuyor. Bu seri daha çok yüksek performans gerektiren son kullanıcı uygulamalarının üzerinde çalışacağı platformlarda kullanılıyor [5] GÖMÜLÜ SİSTEMLER 16

17 FPGA FPGA nedir? FPGA (Field Programmable Gate Arrays-Alan Programlanabilir Kapı Dizisi ), üretimden sonra istenen fonksiyona göre donanım yapısı kullanıcı tarafından değiştirilebilen entegre devrelerdir [6]. FPGA kullanıcı tarafından serbest olarak yeniden programlanabilen lojik-yapı taşları olarak tanımlanabilir [7-8] GÖMÜLÜ SİSTEMLER 17

18 FPGA FPGA lar bir sayısal devre ya da sistem olmak için elektriksel olarak programlanabilen yarı-hazır (pre-build) silikon aygıtlardır. Programlanabilme terimi; Silikon aygıtın üretildikten sonra programlanabilme yeteneğini gösterir [8] GÖMÜLÜ SİSTEMLER 18

19 FPGA FPGA larda MPGA(Mask Programmable Gate Arrays, Daha büyük lojik devreleri oluşturabilmek için üretilen yongalar) lar gibi bağlantıları çeşitli yollarla yapılan lojik bloklardan oluşmuştur. Bu bağlantılar arayüzlerle kullanıcılar tarafından programlanmışlardır [7]. Şekil 1.1. FPGA nın içyapısı GÖMÜLÜ SİSTEMLER 19

20 FPGA Simetrik Dizi Satır Bazlı Lojik Blok İç Bağlantı Kapı Denizi Hiyerarşik PLD Lojik Blok PLD Blok İç Bağlantı Şekil 1.2. FPGA nın bağlantı şekillerine göre sınıflandırılması. FPGA lar bağlantı çeşitlerine göre; Simetrik dizi, Sıra tabanlı, Hiyerarşik PLD(Programmable Logic Device), Kapı denizi, olmak üzere dört grupta sınıflandırılırlar [8] GÖMÜLÜ SİSTEMLER 20

21 FPGA FPGA Mimarisi: FPGA mimarisi Şekil 1.1 de gösterildiği gibi üç bileşenden oluşur; Düzenlenebilir lojik blok (Configurable Logic Blocks, CLB) Giriş/Çıkış blokları (Input/Output Blocks, IOB) Ara bağlantılar (Anahtarlama matriksi) GÖMÜLÜ SİSTEMLER 21

22 FPGA Şekil 1.3. CLB nin İç yapısı Düzenlenebilir lojik blok (CLB): CLB tasarımcının oluşturmak istediği lojik devre için programlanabilen fonksiyonel aygıtlardır. FPGA lar çok sayıda bu CLB lerden oluşmaktadır. Yongadaki her lojik blok farklı bir fonksiyonu gerçekleştirmek için uygun SRAM (farklı bir teknolojide olabilir) programlama hücreleri vasıtasıyla yapılandırılabilir [8] GÖMÜLÜ SİSTEMLER 22

23 FPGA Giriş/Çıkış Birimi (IOB): IOB ları, kılıf bacaklarıyla tasarım için kullanılan birimler (CLB, Blok RAM) arasında bağlantı kurar. FPGA lerin giriş-çıkış blokları; Giriş, Çıkış, Giriş-çıkış olarak 3 farklı şekilde tanımlanır [8]. Şekil 1.4. Xilinx FPGA IOB yapısı GÖMÜLÜ SİSTEMLER 23

24 FPGA Şekil 1.5. FPGA Ara bağlantı birimi Ara Bağlantılar: IOB lar ile istenen lojik devre için hazırlanan CLB ler arasındaki bağlantılar, ara bağlantı aygıtları ile sağlanır. FPGA içerisindeki ara bağlantı aygıtları, CLB ler arasına satırlar ve sütunlar halinde yerleştirilmiş bağlantı hatları ve bu hatların kesişim noktalarına yerleştirilmiş bağlantı matrislerinden oluşur [8] GÖMÜLÜ SİSTEMLER 24

25 FPGA FPGA ların Yapıları: FPGA ları yapılarına göre başlıca iki grupta toplamak mümkündür; Look-Up Table (LUT) (Doğruluk Tablolu) Tabanlı Yapı, Çoklayıcı (MUX) Tabanlı Yapı, GÖMÜLÜ SİSTEMLER 25

26 FPGA Look-Up Table (LUT) (Doğruluk Tablolu) Tabanlı Yapı: Look-up Table tabanlı yapının temel bloğu Look-up Table (LUT) adı verilen ve m (M>1) değişkenli her Boolean fonksiyonunu gerçekleştirebilen devredir. Verilen bir LUT yapısı için m genelde 3 ile 6 arasında olan sabit bir sayıdır. Şekil 1.6 da Bir lojik fonksiyonun gerçeklenmesi için LUT un yapılandırılması gösterilmiştir [7-8]. İstenen lojik devre Doğruluk Tablosu Programlanmış LUT SRAM Hücresi 8:1Mux Şekil 1.6. LUT un yapılandırılması GÖMÜLÜ SİSTEMLER 26

27 FPGA Çoklayıcı (MUX) Tabanlı Yapı: MUX-tabanlı yapının temel bloğu çoklayıcıların çeşitli konfigürasyonlarından ve olabildiğince az VE ve VEYA gibi lojik kapılardan oluşur. Bu yapıdaki FPGA ların içinde veri tutucu ve flip-flop gibi bellek elemanları bulunmadığından çoklayıcılar ile bu elemanların gerçeklenmesi gerekmektedir [7]. Şekil 1.7. MUX-tabanlı FPGA Lojik Birimi GÖMÜLÜ SİSTEMLER 27

28 FPGA Neden FPGA? Programlanabilme özelliği, Gömülü işlemciler ve sayısal sinyal işleme (DSP) blokları, Yüksek Hızlı paralel ve seri G/Ç desteği, Harici bellek ara yüzleri [7] GÖMÜLÜ SİSTEMLER 28

29 FPGA Neden FPGA? Güçlü yazılım desteği (PCB tasarım,modelleme, Simülasyon), Bileşenlerin; Yerini yerini belirleme (Floor Planning) Aralarındaki bağlantıları tasarlama (Place&Route) [7] GÖMÜLÜ SİSTEMLER 29

30 FPGA Neden FPGA? Zamansal analizler yapabilme, Tasarım değişikliklerini gerçekleştirebilme, FPGA üreticilerinin sunduğu yazılımlar sayesinde tasarımlar sentezlenebilmekte ve FPGA nın içerisine otomatik olarak yerleştirilebilmektedir [7] GÖMÜLÜ SİSTEMLER 30

31 FPGA FPGA nın Kullanım Alanları Uzay ve Savunma sanayii Endüstriyel Otomasyonve Kontrol Sistemleri Güvenli (Kriptolu) iletişim Motor Kontrol Radar&Sonar sistemlerinde Endüstriyel Görüntüleme Endüstriyel Ağlar[7]. Elektronik Harp Aviyonik Sistemler (Temelinde haberleşme, seyrüsefer, gösterge ve bilgi kontrol sistemleri yer almasına karşın, ait olduğu hava aracı özelliklerine göre yüzlerce çeşit elektrikelektronik alt sistem) Silah sistmleri [7] GÖMÜLÜ SİSTEMLER 31

32 FPGA FPGA nın Kullanım Alanları Bilgisayar Depolama Sunucular Disk Sürücüler Yazıcı/Fotokopi [7]. Kablolu/Kablosuz İletişim 3G Teknolojisi GSM ADSL,VDSL Radyo Dalgaları Optik Ağlar Bilgisayar Ağları[7] GÖMÜLÜ SİSTEMLER 32

33 FPGA FPGA nın Kullanım Alanları Tüketici Elektroniği Akıllı Telefonlar LED,LCD, plazma TV ler Uydu Alıcıları Projektörler Navigasyon&GPRS [7]. Test/Ölçüm Cihazları Ultrason Görüntüleme Bilgisayarlı Tomografi (CT) MRI Görüntüleme PET görüntüleme Yaşam Destek üniteleri[7] GÖMÜLÜ SİSTEMLER 33

34 FBGA FBGA (Fine Pitch Ball Grid Array-İnce Perdeli yuvarlak ızgara düzeni) Nedir? BGA (Ball Grid Array- Yuvarlak ızgara düzeni); Entegre devreler için kullanılan yüzey montaj paketleme türüdür [9]. Şekil 1.8. FBGA GÖMÜLÜ SİSTEMLER 34

35 FBGA FBGA Nedir? Entegre devrelerin sayısı arttıkça, yüksek kurşun değerine sahip paketlerin uygulamalarında belirgin elektriksel kısa devre sorunları yaşanmıştır. BGA teknolojisi, paketin alt yüzeyinde etkin küçük tümsekler ya da lehim topları şeklinde yol oluşturarak bu sorunu çözmüştür [10]. Şekil 1.9. BGA yapısı GÖMÜLÜ SİSTEMLER 35

36 FBGA FBGA Nedir? Yarı iletken entegre cihaz teknolojisindeki gelişmeler ve daha küçük, daha ince, daha hafif taşınabilir elektronik (Dizüstü PC ler, el kameraları, akıllı telefonları) cihazlardaki talepler nedeniyle kurşun paket yerine FBGA (Fine Pitch Ball Grid Array-İnce Perdeli yuvarlak ızgara düzeni) paketine dönüşüm başlamıştır [11] GÖMÜLÜ SİSTEMLER 36

37 FBGA FBGA Nedir? Geleneksel FBGA paketinde, harici bağlantı terminali olacak şekilde bir lehim topu ara bağlantı arka yüzeyini delik yoluyla elektriklendirmektedir. Bu konfigürasyonun avantajlarından biri lehim topu terminali ve ara bağlantı arasında bir iç bağlantı terminali(terminal bir çipe dönüşür) arasında olabildiğince serbest bir konumsal ilişki oluşmaktadır [11]. Şekil FBGA ve İç yapısı GÖMÜLÜ SİSTEMLER 37

38 FBGA FBGA Kullanım Alanları Mikroişlemciler ve Kontrolörler Kablosuz RF Depolama birimleri (RAM- DDR2,DDR3) [10] GÖMÜLÜ SİSTEMLER 38

39 DS 1006 İşlemci Kartı (Processor Board) Gerçek zamanlı modeller için yoğun işlem, Çok karışık, büyük,işlem yoğunluğu olan modeller için (Güç trenleri, Sanal araç simülasyonları), x86 işlemci teknolojisi, AMD Opteron İşlemci, Tamamen Simulink den programlanabilme, Fiber optik bağlantı (Gigalinks) üzerinden çeşitli DS1006 İşlemci kartları ile çoklu işlemcili sistem [12]. Şekil DS 1006 İşlemci Kartı GÖMÜLÜ SİSTEMLER 39

40 DS 1006 İşlemci Kartı (Processor Board) Tablo 1.1. DS 1006 İşlemci Kartı Özellikleri GÖMÜLÜ SİSTEMLER 40

41 DS 1006 İşlemci Kartı (Processor Board) FPGA İşlemci Teknik özellikleri; Tablo 1.2. Stratix II EP2S30 serisi FPGA işlemci ailesi DS 1006 İşlemci Kartı, ALTERA Firmasının Stratix II FPGA işlemcisini kullanmaktadır. Bu işlemciye ait özellikler yandaki tabloda sunulmuştur. DS 1006 İşlemci Kartı, Stratix II EP2S30 serisi FPGA işlemcisini kullanmaktadır [13] GÖMÜLÜ SİSTEMLER 41

42 Expansion Box PX10 Büyük dspace sistemleri için, ana bilgisayarı genişleten kutular, dspace kartları için 3, 9 veya 19 alan, Ana sistem PC ye bağlantı için Link board, Ana sistem PC ye bağlantı için birkaç opsiyon, Ayrıca bir güç kaynağı ve fan soğutma, Düşük gürültü emisyonu ve verimli titreşim kullanım, Tasarlanan sistemleri arayüzle simüle edebilme [14] GÖMÜLÜ SİSTEMLER 42

43 KAYNAKLAR [1] KAYA A.,``Gömülü Sistemler ve Uygulama Alanları``, Akademik Bilişim Konferansları, 29-Ocak [2] GÜRÜNLÜ B.,`` Gömülü Sistemler ``,İstanbul, Mayıs [3] Dr. MURTHY Y. N., ``Introductıon To Embedded System``, Sri Sai Baba National College ANANTAPUR ( A.P.) Erişim Tarihi: [4] ``Gömülü Sistemler``., Erişim tarihi: [5] ARM İşlemci Ailesi COŞKUN TAŞDEMİR, [6] SARITAŞ. E., KARATAŞ. S.,``Her Yönüyle FPGA ve VHDL``, ISBN/Barkod: , Palme Yayınevi, Ankara [7] ``FPGA Teknolojisi ve Kullanımı``., Erişim tarihi: [8] ALÇİN.F.Ö., ``Alan Programlanabilir Kapı Dizisi ile Sigma Delta Modülatörün Gerçeklenmesi``, Fırat Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Yüksek Lisans Tezi, Elazığ [9] ``FBGA``, en.wikipedia.org/wiki/ball_grid_array Erişim tarihi: [10] Yamazaki, T. ; Suzuki, K. ; Wakashima, Y. ; Suzuki, N. ; Fukutomi, N. ``MonolithTM package-a novel FBGA using 3-D transfer laminate circuit process``, Electronics Manufacturing Technology Symposium, Twenty-Fourth IEEE/CPMT, [11] ``Fine Pitch Ball Grid Array``, STATS ChipPAC Ltd.DATASHEEET Copyright [12] DS1006 Processor Board Datasheet, Erişim tarihi: [13] Stratix II FPGA Datasheet, Erişim tarihi: [14] GÖMÜLÜ SİSTEMLER 43