Hur man designar transitions och samtidiga tillstånd i FSM

När man arbetar med tillståndsmaskiner (FSM) inom inbäddade system och automatisk styrning, är det viktigt att förstå hur man hanterar transitions och tillståndsövergångar. I litteraturen och inom mjukvaruverktyg för att designa FSM:er används olika notationer för att indikera standard- eller historikövergångar. I denna bok kommer vi att använda en cirkel med bokstaven "H" för att markera att en historikmekanism är associerad med ett del-tillstånd. Det är viktigt att förstå att den cirklerade H:n inte är ett tillstånd i sig, utan en notation. Övergångar som använder historikmekanismen bör ha pilhuvudet direkt pekande mot denna cirkel. Om pilen slutar vid tillståndets gräns, används standardmekanismen.

En annan vanlig tillämpning av den hierarkiska mekanismen är att hantera anomalier eller fel. Om en FSM är i vilket tillstånd som helst, kan ett felaktigt tillstånd hanteras på samma sätt. När felet hanteras kan det ursprungliga tillståndet återupptas. Ett exempel på detta är när en båt förbereder sig för att åka upp över en bro och en ambulans eller brandbil anländer. Här kan man besluta att så länge båten inte har nått bron, ska den vänta medan nödsituationen får företräde. När nödsituationen är över kan båten återuppta sin förberedelseprocess.

När man arbetar med komplexa tillståndsmaskiner är det också viktigt att förstå övergångarna mellan super-tillstånd. Ett super-tillstånd är ett tillstånd som rymmer andra tillstånd (sub-tillstånd). Övergångar kan ske både från själva super-tillståndet och från sub-tillstånden till andra externa tillstånd. Ett problem kan uppstå om flera övergångsvillkor blir sanna samtidigt. Då måste systemdesignern vara tydlig med vilken övergång som ska prioriteras och vilka åtgärder som ska utföras.

Ett annat viktigt koncept är AND-super-tillstånd, där ett tillstånd kan bestå av flera FSM:er som körs parallellt och kommunicerar med varandra via delade variabler och timers. Detta tillåter flera oberoende moduler i ett inbäddat system att arbeta samtidigt. Varje sub-tillstånd i ett AND-super-tillstånd kan ha sina egna specifika in- och utgångsmekanismer, men alla sub-tillstånd måste antingen starta eller återuppta sin verksamhet när super-tillståndet aktiveras. Om ett sub-tillstånd lämnar sitt tillstånd, ska hela systemet anses vara ur sitt super-tillstånd.

Ett exempel på en AND-super-tillståndsmaskin är en bro som styrs av flera funktionella element, som trafikbarriärer, ljus, sensorer för båt närvaro och spårljus. Dessa element måste samordnas för att bro-systemet ska fungera korrekt, men de opererar delvis oberoende av varandra. Till exempel kan en bro endast höjas om en båt har detekterats och trafikbarriärerna är sänkta. Samtidigt måste spansmotorerna kontrolleras för att förhindra att de rör sig när det finns trafik på bron.

Det är viktigt att förstå att när man arbetar med samtidiga tillstånd och AND-super-tillstånd krävs noggrann synkronisering mellan de olika modulerna. Variabler och timers delas mellan alla del-tillstånd, och om ett del-tillstånd ändrar en variabel eller timer, kan det påverka övergången i ett annat tillstånd. Det är därför avgörande att definiera tydliga regler för hur dessa variabler och timers används för att undvika konflikter och säkerställa att alla del-tillstånd arbetar i harmoni.

När man designar FSM för komplexa system bör man vara medveten om dessa mekanismer och deras inverkan på systemets funktionalitet och prestanda. Det är också viktigt att överväga hur dessa tillståndsövergångar och synkronisering ska implementeras på hårdvarunivå för att optimera systemets effektivitet och minska risken för fel i kritiska applikationer.

Vilken utvecklingsmetod är bäst för inbyggda system?

I den här kontexten är det viktigt att välja rätt utvecklingsprocess för att säkerställa att både hårdvara och mjukvara för inbyggda system utvecklas effektivt och på ett kostnadseffektivt sätt. Flera olika metoder har använts för mjukvaruutveckling sedan 1960-talet, och dessa metoder har anpassats för att passa specifika krav på inbyggda system.

Prototyping, en av de mest etablerade metoderna, gör det möjligt för användare att ge feedback på en tidig version av produkten. Detta är särskilt användbart för att testa stora inbyggda system där det kan vara svårt att simulera eller emulera hela systemet i ett labb. Prototyping kan till exempel användas för att testa ett bro-system genom att använda modellbåtar och bilar, vilket ger en tidig förståelse för hur systemet fungerar i praktiken.

En annan metod är kontinuerlig integration (CI), där medlemmarna i ett utvecklingsteam ofta slår samman sitt arbete till en enda mjukvarupaket. Detta gör det möjligt att snabbt upptäcka och åtgärda fel i systemet, vilket kan vara avgörande för att hålla utvecklingscykeln kort och effektiv. För inbyggda system innebär detta att både mjukvaran och den hårdvara som styr den kan utvecklas parallellt, vilket ökar flexibiliteten i utvecklingsarbetet.

Metoden för snabb applikationsutveckling (RAD), som fokuserar på att snabbt leverera tidiga versioner av produkten utan omfattande planering, kan också användas för mjukvaruutveckling i inbyggda system, men den passar inte alltid bra för hårdvaruutveckling. Eftersom förändringar i hårdvaran kan vara mycket dyra och komplexa att genomföra, kan RAD vara mindre effektiv för inbyggda system som kräver långsiktig stabilitet och noggranna specifikationer.

Den klassiska vattenfallsmetoden är en strukturerad utvecklingsmetod där varje steg i processen genomförs i en sekventiell ordning. Varje steg i utvecklingen bygger på föregående steg och resultatet av varje fas definierar nästa. Detta kan vara användbart för vissa typer av inbyggda system där varje detalj behöver planeras och definieras innan implementeringen påbörjas. Vattenfallsmodellen kan också kombineras med andra metoder för att möta specifika krav på flexibilitet och planering.

En annan användbar metod är spiralutveckling, som är en iterativ process där varje cykel av utvecklingen bygger på feedback från föregående cykler. Varje cykel inkluderar att sätta upp mål, skapa en prototyp, testa prototypen och planera nästa steg. Detta gör det möjligt för designteamet att snabbt anpassa sig till förändrade krav och säkerställa att designen hela tiden är i linje med användarens behov och förväntningar.

För inbyggda system är det avgörande att förstå att det inte finns en universell metod som passar alla projekt. Varje metod har sina fördelar och nackdelar och valet av utvecklingsmetod beror på projektets specifika krav, inklusive tidsramar, resurser, och den typ av system som ska utvecklas. Företag och utvecklingsteam måste noggrant överväga alla dessa faktorer innan de väljer den mest lämpliga processen för sitt specifika projekt.

Utvecklingen av inbyggda system innebär en integration av både mjukvara och hårdvara. En central aspekt att beakta är att dessa system ofta fungerar i komplexa och utmanande miljöer, vilket kan innebära att designen måste ta hänsyn till faktorer som väderförhållanden, begränsad tillgång på energi och kommunikation över långa avstånd. Detta gör att utvecklingen av inbyggda system ofta är mer komplex och kräver en större grad av flexibilitet och anpassningsförmåga än andra typer av mjukvaruutveckling. Det är också viktigt att tidiga beslut om hårdvaran inte hindrar framtida uppgraderingar eller tillägg, vilket gör att systemet kan utvecklas och anpassas över tid.

Hur man väljer rätt energikälla för inbyggda system: Att tänka på batterier, laddning och energiskörd

Vid utvecklingen av inbyggda system är valet av energikälla en grundläggande fråga som påverkar både design och funktionalitet. Energiförsörjningen måste väljas utifrån specifika krav på systemet, såsom den strömstyrka och spänning som krävs, samt hur länge systemet ska kunna arbeta utan att behöva laddas om. Här diskuteras olika typer av energikällor och lösningar för inbyggda system, från enkla batterier till mer avancerade metoder för energiskörd.

För det första, om den inbyggda enheten är avsedd att användas tillsammans med en annan enhet som tillhandahåller energi, som en USB-port på en dator, behöver den inte en egen energikälla. Ett exempel på detta är USB-mus och andra USB-produkter som används med bärbara datorer eller stationära datorer. Den pålitliga energikällan i detta fall är USB-porten på datorn. Denna lösning är enkel, men begränsad till applikationer där en konstant och pålitlig energikälla finns tillgänglig.

Den tredje typen av system omfattar produkter som inte kan föras till en strömkälla men som är lättillgängliga för laddning eller byte av batterier. Sensorer som används för miljöövervakning, till exempel i jordbruk eller skogsområden, är exempel på denna typ av system. Här är en viktig fråga hur länge systemet ska kunna operera på en enda laddning utan att behöva servas. För system som dessa, där långvarig drift krävs för att minimera behovet av servicebesök, bör designen sträva efter att batterier och kretsar ska möjliggöra en driftstid som överstiger en dag. Dessutom är det avgörande att förstå hur ofta enheten kan stängas av för batteribyte utan att påverka systemets funktionalitet. För vissa system, som miljösensorer, kan det vara möjligt att stänga av systemet under korta perioder för att byta batterier, men för system som styr andra kritiska enheter kan det vara nödvändigt att designa för längre batteritid eller möjlighet att snabbt ladda om enheten.

Energiskörd har blivit ett allt mer relevant ämne för många inbyggda system. Solenergi, vindkraft, och rörelseenergi är exempel på källor som kan användas för att ladda batterier eller direkt driva system. Dock måste designteam vara medvetna om att dessa källor ofta är intermittenta och kan vara otillförlitliga. Solenergi är till exempel beroende av dagsljus och väderförhållanden, medan vindkraft inte alltid är konstant. Därför krävs en noggrann bedömning av energianvändningen och hur systemet ska hantera perioder med låg energitillgång. Att kombinera energiskörd med batterilagring är en vanlig lösning för att hantera dessa intermittenta källor, där systemet drivs av batterier och laddas upp under perioder med tillgång till energi. När inte tillräckligt med energi skördas, bör designen möjliggöra en säker avstängning av systemet för att spara energi och förhindra dataförlust.