Sprz�t Komputerowy

Zanim przejdziemy do nakr�tek i �rub sprz�tu komputerowego w robocie, cofnijmy si� o krok. Jakie s� powody umieszczenia komputera w robocie? Nawet do�wiadczeni in�ynierowie g�owi� si� nad t� kwesti�. W ko�cu wydaje si� by� naturaln� decyzj�. Jednak gdy patrzymy na jeden konkretny pow�d, zawsze kryje za nim jedne konkretny pow�d, zawsze kryje si� podstawowa przyczyna. Na pocz�tku ka�dej fazy projektu robotycznego warto przeanalizowa� opcje . Cz�sto dost�pne jest lepsze rozwi�zanie. Sp�jrzmy na przyk�ad nietechniczny. Ty i Tw�j przyjaciel stoicie na otwartym polu w obliczu gro�nego lwa. Lew zaczyna szar�owa� i jasne jest ,�e musicie ucieka�. Jaki powinien by� Tw�j bezpo�redni cel? Niekt�rzy powiedz� "Uciekaj przed lwem". Inni m�wi� "Unikaj przyjaciela". Oczywi�cie trudno jest my�le� w stresuj�cych sytuacjach. Je�li mamy czas ,aby my�le� , mo�emy zaoszcz�dzi� czas, wysi�ek i b�l. Nie daj si� jednak uwi�zi� w nieko�cz�cych si� rundach my�lenia i planowania .To dobry spos�b aby zosta� zjedzonym przez lwa. Taki scenariusz przetrwania jest dobrym przyk�adem tego, jak du�o pyta� pozostaje powy�ej bezpo�redniego pytania. Czy druga odpowied� sprawi�a ,�e si� u�miechn��e�? Je�li tak, dlaczego? Dlaczego wi�c w og�le korzysta� z komputera? Najwa�niejsze to :

• Projekt b�dzie kosztowa� mniej do zako�czenia
• Robot b�dzie lepszy
• Projekt mo�e zosta� uko�czony wcze�niej

Przyjrzyjmy si� sk�d pochodz� te oszcz�dno�ci. Ka�dy projekt to koszt wzgl�dem czasu i pieni�dzy:

• Jakiego typu koszty istniej�?
• Bezpo�rednie nak�ady pieni�ne na sprz�t , cz�ci i narz�dzia
• Powi�zanie rzadkich zasob�w. Czasami projekty zu�ywaj� zasoby, kt�rych nie mo�na zast�pi�, ale s� zasadniczo bezp�atne. Przyk�adem mo�e by� czas kluczowego pracownika. Je�li nadejdzie inny projekt , kluczowy pracownik nie b�dzie dost�pny. • Czas projektowania. Czas potrzebny na opracowanie wymaga r�nych koszt�w do��czonych do niego. Je�li harmonogram projektu robota komercyjnego ma po�lizg, firmie mo�e brakowa� du�ej cz�ci potencjalnych zysk�w. Gdy tylko konkurenci wyjd� z podobnymi produktami, zyski szybko spadn�. Pierwsze kilka miesi�cy �ycia produktu s� najcenniejsze. Je�li robot nie jest gotowy na czas, traci si� koszt alternatywny. Je�li harmonogram projektu ma po�lizg, generalnie pojawi� si� rzeczywiste koszty. Zasoby i personel mog� by� r�wnie� powi�zane , co powoduje d�u�szy czas rozwoju,
• Ryzyko awarii. Menad�erowie projekt�w robot�w cz�sto wydatkuj� zasoby na wczesnym etapie harmonogramu, aby roz�adowa� ryzyko. Jako przyk�ad rozwa� robota, kt�ry musi przemierzy� trudny teren. Projektanci mog� zbudowa� kilka r�nych uk�ad�w nap�dowych i przetestowa� je przed przyst�pieniem do reszty projektu. Je�li projekt wi��e si� z niewielkim ryzykiem, ostateczny koszt prawdopodobnie b�dzie ni�szy. Je�li ryzyko projektu staje si� prawdziwym problemem, harmonogramy cz�sto si� pogarszaj�. a koszty rosn�. Decyzja o u�yciu sprz�tu komputerowego w projekcie robota mo�e w r�ny spos�b zmniejszy� koszt projektu .

Wykorzystaj Istniej�c� Technologi�

Cywilizacja rozwija si� dzi�ki swojej historii i wiedzy. Ludzie s� wyj�tkowi, poniewa� przechowuj� informacje poza swoimi m�zgami, w bibliotekach i komputerach. Zgromadzone praca innych mo�e zosta� odkryta aby rozwi�za� nasz problem. W przypadku komputer�w in�ynierowie udost�pnili swoje prace w postaci zarchiwizowanego oprogramowania i sprz�tu obwod�w drukowanych. Ka�dy mo�e by� szybko i niedrogo odtworzony do naszego u�ytku. Sprz�t komputerowy jest dost�pny w r�nych formach. Mo�emy kupi� gotowy komputer w sklepie, ale b�dzie zbyt du�y aby zmie�ci� si� w robicie. Mo�emy zakupi� katy obwod�w drukowanych od dystrybutor�w i umie�ci� je w robocie. Mo�emy r�wnie� zakupi� chipy komputerowe od dystrybutor�w i zbudowa� w�asne katy obwod�w drukowanych, co jest trudnym rozwi�zaniem dla zwyk�ego projektanta robot�w. Mo�emy zakupi� kompletne systemy komputerowe na karcie. kt�ra zaakceptuje nasze oprogramowanie i zapewni z��cza dla liii sygna�owych potrzebnych do sterowania robotem. Jest to cz�sto najbardziej ekonomiczna metoda integracji komputer�w z projektem, o ile nie zostan� wyprodukowane du�e ilo�ci robot�w. Firmy sprzedaj�ce komputery zainwestowa�y miliny dolar�w aby udost�pni� swoj� technologi� do naszego u�ytku. Zdobywamy czas, pieni�dz i niezawodno��, dziel�c si� i wykorzystuj�c ich wysi�ek .P oniewa� technologia zosta�a tak �atwo udost�pniona innym, wiele projekt�w os�b/firm trzecich jest r�wnie� dost�pnych do u�ycia, jak nast�puje:

• Sprz�t innych firm. Wi�kszo�� komputer�w ma z��cza, kt�re umo�liwiaj� na, korzystanie z "magistrali" . P�niej zdefiniujemy ten termin, ale wystarczy powiedzie� ,�e magistrala pozwala firmom zewn�trznym projektowa� sprz�t , kt�ry b�dzie do��czony do naszego komputera. Dost�pnych jest dziesi�tku p�ytek drukowanych (PCB) i innych wygodnie upakowanych obwod�w.
• Oprogramowanie innych firm. Jest ma�o prawdopodobne , �e inne firmy maj� napisane oprogramowanie, z kt�rego mogliby�my skorzysta�. Je�li komputer ,kt�ry wybieramy jest "specjalnego przeznaczenia" , kilka firm prawdopodobnie napisa�o oprogramowanie, kt�re wykorzystuje specjalne funkcje komputera. Mo�emy kupi� oprogramowanie i u�ywa� go na r�ne sposoby.

- Freeware : Cz�sto autor oprogramowania sprawia ,�e b�dzie ono dost�pne za darmo dla innych u�ytkownik�w.
- Shareware : Jest bardzo podobne do freeware, z wyj�tkiem tego ,�e autor ��da cz�sto zap�aty, je�li shareware jest u�ywane w robocie. Mo�na wyszukiwa� shareware i uwa�nie przeczyta� ograniczenia. Zrobi� kopie wymaga� autora i zapisa� je, je�li p�niej pojawi�yby si� p�niej pytania.
- Licencjonowanie : Du�e systemy operacyjne, narz�dzia i oprogramowanie aplikacyjne zwykle maj� wymagania licencyjne. Skontaktuj si� z firm� ,kt�ra sprzedaj� oprogramowanie, bezpo�rednio po informacj�

Przyspieszenie In�ynierii

U�ywanie komputer�w w robocie eliminuje potrzeb� pe�nego i szczeg�owego planowania. Prawda jest taka, �e niekt�re projekty s� zbyt trudne do szczeg�owego zaplanowania. Ale je�li mo�emy by� pewni na pocz�tku, �e nasz komputer zapewni nam elastyczno�� i moc, jakiej potrzebujemy w nieprzewidzianych okoliczno�ciach, mo�na kontynuowa� bez pe�nego planowania. Umieszczenie komputera w systemie przynosi nast�puj�ce korzy�ci do harmonogramu in�ynieryjnego:

• Ca�kowity nak�ad pracy in�ynierskiej mo�na podzieli�. Je�li mamy wi�cej ni� jedn� osob� pracuj�c� nad robotem , praca mo�e by� podzielona i wykonywana r�wnolegle. Jedna osoba mo�e skoncentrowa� si� na sprz�cie, podczas gdy inna zaczyna od oprogramowania. Sprz�t nie musi zosta� uko�czony przed uruchomieniem oprogramowania. Programista mo�e pracowa� na p�ytce podobnej do tej z robocie

• Zmiany w specyfikacji robota mog� by� dokonywane po drodze z pewno�ci� ,�e nowe wymagania mo�na uwzgl�dni� tylko w oprogramowaniu. O wiele �atwiej jest zmieni� oprogramowanie ni� zmieni� projekt sprz�tu

• Projekt mo�e zosta� zmieniony w razie potrzeby w celu p�niejszej konserwacji, nawet po zako�czeniu pracy robota

Architektura Komputerowa

Komputery zosta�y zaprojektowane do szybkiego wykonywania oblicze� arytmetycznych w spos�b powtarzalny. Istnieje wiele r�nych sposob�w , w jakie mo�na zbudowa� komputer a ta sekcja obejmuje wiele r�nych istniej�cych architektur

Typy Komputer�w

Za��my �e w tej chwili zdecydowali�my si� umie�ci� komputer w robocie. Chocia� dost�pnych jest wiele komputer�w og�lnego przeznaczenia warto najpierw przyjrze� si� komputerom specjalnego przeznaczenia. Prawdopodobnie wybierzemy komputer og�lnego przeznaczenia do robota, ale komputer specjalnego przeznaczenia mog� przynie�� wiele korzy�ci projektowi. Poni�ej om�wimy podstawowe architektury niekt�rych komputer�w specjalnego przeznaczenia.

Komputery Analogowe

S�ownik definiuje analogowy jako "co� podobnego do czego� innego; mechanizm w kt�rym dane s� reprezentowane przez nieustannie zmienne wielko�ci fizyczne". Komputery analogowe s� powszechnie postrzegane jako powr�t do pocz�tk�w maszyn obliczeniowych. Nawet teraz wszystkie komputery elektroniczne wykorzystuj� analogowe sygna�y elektroniczne do obs�ugi swoich oblicze�. Komputery cyfrowe og�lnego przeznaczenia ograniczaj� jednak sygna�y analogowe elektroniczne do zaledwie dw�ch poziom�w napi�cia reprezentuj�cych binarn� 1 i binarne 0, aby zwi�kszy� pr�dko��. Komputery analogowe nie maj� takich ogranicze� napi�cia dla sygna��w. Zamiast tego sygna�y r�ni� si� w zakresie napi��, kt�re mo�e obs�u�y� analogowa elektronika komputerowa. Pojedynczy sygna� analogowy mo�e bezpo�rednio reprezentowa� , na przyk�ad, pr�dko�� wiatru o 0 do 255 km/h. Komputer og�lnego przeznaczenia potrzebuje o�miu sygna��w (2⁸ = 256) aby reprezentowa� ten sam zakres warto�ci dla wiatru. Komputery analogowe wykorzystuj� analogowe uk�ady elektroniczne, takie jak wzmacniacze operacyjne do budowy obwod�w w celu symulacji zachowania z�o�onych system�w. S� szczeg�lnie dobre w systemach symulacyjnych kt�re s� zarz�dzane przez r�wnania r�niczkowe. System sterowania drugiego rz�du opisany w innym miejscu jest dok�adnym przyk�adem. Za pomoc� tylko jednego wzmacniacza operacyjnego , komputer analogowy mo�e w pe�ni symulowa� te same krzywe i kontrole parametryczne kt�re ju� obejrzeli�my Prz�d komputera analogowego wygl�da jak gigantyczna tablica rozdzielcza z wieloma miejscami do pod��czenia przewod�w. Aby zaprogramowa� komputer analogowy in�ynier u�ywa kabli po��czeniowych do po��czenia wymaganych blok�w konstrukcyjnych. Pokr�t�a na komputerze analogowym mo�na obraca� aby wprowadzi� warto�ci ��danej cz�stotliwo�ci i t�umienia. In�ynier uruchamia komputer, a ig�a miernika pokazuje wynikow� krzyw� na przestrzeni kilu sekund symulowanego czasu. Na przyk�adzie systemu drugiego rz�du naszego robota, przeregulowanie jest oczywiste je�li ig�a miernika chodzi zbyt szybko zanim si� uspokoi. Dzwonienie mo�e by� postrzegane jako oscylacja ig�y w prz�d i w ty� gdy si� uspokaja. Komputery analogowe wypad�y z gry z dw�ch powod�w:

• Komputery og�lnego przeznaczanie mo�na zaprogramowa� do symulacji komputera analogowego , eliminuj�c potrzeb� stosowania sprz�tu analogowego
• Komputery og�lnego przeznaczenia mo�na zaprogramowa� na r�ne sposoby aby rozwi�za� te same problemy. Zamiast symulowa� komputer analogowy (kt�ry symuluje rzeczywiste problem), komputer og�lnego przeznaczenia mo�na zaprogramowa� do symulacji bezpo�redni w rzeczywistym �wiecie.

Sieci Neuronowe

Jednym z najlepszych znanych silknik�w obliczeniowych jest ludzki m�zg. Mo�e rozwi�zywa� najbardziej z�o�one rzeczywiste problemy znacznie szybciej ni� komputer og�lnego przeznaczenia aczkolwiek z mniejsz� precyzj�. Komputery elektroniczne najlepiej nadaj� si� do problem�w wymagaj�cych zdolno�ci arytmetycznych i o�lepiaj�cej pr�dko�ci wykonywania takich jak prognozowanie pogody. Ale nie s� one dobre w rozwi�zywaniu problem�w wymagaj�cych os�du lub do�wiadczenia. Ludzi m�zg ma do�wiadczenie i "okablowanie" aby zaj�� si� problemami , kt�rych nigdy wcze�niej nie widzia� i rozwi�zywa� je z szybko�ci� i niezawodno�ci�. Rodzice nastolatk�w mog� spiera� si� z tym ostatnim stwierdzeniem ale nigdy nie pr�bowali �y� z nastoletnim robotem, kt�ry zmaga si� z programowaniem komputera ,aby m�g� przetrwa� mi�o�� szczeniaka. B�d�cie pewni ,�e rodzcie woleliby poradzi� z ludzka nastolatk�, kt�ra ,wierzcie lub nie, ma niesamowite zdolno�ci w por�wnaniu do skomputeryzowanego robota. Czy wi�c jest sie� neuronowa? Odk�d ludzie po raz pierwszy zrozumieli struktur� cel ludzkiego m�zgu marzyli o stworzeniu sztucznego m�zgu. Zaproponowano wiele projekt�w takiego m�zgu , w tym sieci neuronowe. Najpierw sp�jrzmy na ludzki m�zg. Kom�rki m�zgu zwane neuronami s� po��czone razem w szeroki wachlarz tkanki w m�zgu. Komunikuj� si� elektronicznie ze sob� przez po��czenia neuronowe, zwane synapsami. To pozwala neuronom na wymian� informacji z bliskimi s�siadami. Neurony zachowuj� informacje (zwane pami�ci�) chemicznie i elektrycznie w ciele kom�rki

Na przyk�ad pami�� konkretnego dnia wiosennego mo�e by� roz�o�ona na szeroki wachlarz neuron�w, kt�re kieruj� zapachem, wzrokiem s�yszeniem, ruchem i tak dalej. Wspomnienie dnia wiosennego jest rozproszone w ca�ym m�zgu. Wspomnienia mog� by� niedoskona�e i mog� zanika�, gdy poszczeg�lne neurony zaczynaj� traci� swoj� indywidualn� pami�� dnia. Wspomnienia s� przechowywane niemal jak zdj�cia roz�o�one na tkaninie m�zgu. Neurony mog� przechowywa� wi�cej ni� jedn� pami�� w tym samym czasie. Dlatego pami�� jednej rzeczy, naj wiosenny dzie�, mo�e przywo�ywa� wspomnienie innego do�wiadczenia , takiego jak lodowata woda strumienia. Cz�owiek kt�ry przypomnia� sobie wiosenny dzie� z szumem strumyka, najprawdopodobniej pog��bi� pami�� wchodzenia w ha�a�liwy , lodowaty potok. Fakt, �e ha�as by� w obu wspomnieniach , ��czy wspomnienia. Cz�owiek nauczy� si� podejrzewa� potoki w wiosenne dni; mog� by� lodowate. Uczenie si� jest czym� w czym komputery og�lnego przeznaczenia nie s� dobre . Niekt�re sieci neuronowe s� zaprojektowane tak ,aby na�ladowa�y zdolno�� uczenia si� ludzkiego m�zgu. S� nara�one na szereg sytuacji i stopniowo ucz� si� radzi� sobie z nimi Komputery sieci neuronowych s� zwykle projektowane z pojedynczymi "neuronami", kt�re mog� komunikowa� si� ze sob� , szczeg�lnie w ich bezpo�rednim s�siedztwie . S� u�o�one w rz�dy i brzegi neuron�w

Wyniki ka�dej warstwy s� podawane do serii jednostek komunikacyjnych kt�re wykonuj� obliczenia i przekierowuj� informacje do innych neuron�w. Seria wydarze� w �wiecie rzeczywistym jest podawana jako dane wej�ciowe u g�ry, sie� neuronowa przetwarza dane wej�ciowe i generuje odpowiedzi z do�u. Wyniki s� punktowane (przez do�wiadczon� osob�) a wyniki jest przekazywany z powrotem do sieci neuronowej u g�ry. Nast�pnie sie� dostosowuje swoje jednostki komunikacyjne aby nast�pnym razem lepiej si� spisywa�. Z pewno�ci� sie� b�dzie dzia�a� lepiej gdy nast�pnym razem zobaczy te same zdarzenia , kt�re zostan� wprowadzone do jej �r�de�. Ale co dziwne, cz�sto robi to lepiej na nowych wydarzeniach , kt�rych nigdy wcze�niej nie widzia�. Jako taki, uczy si�. Sieci neuronowe mo�na budowa� na wiele sposob�w. Jeden badacz wzi�� krzemowy substrat (p�ytk� u�ywan� do budowy chip�w komputerowych), wydr��one dziury w pod�o�u umie�ci� neurony w jamach i pozwoli� neuronom komunikowa� si� poprzez ��czenie synaps. Uk�ad komputerowy zosta� wytrawiony w innych obszarach pod�o�a. Ca�y obw�d dzia�a na po��czeniu glukozy i elektryczno�ci. Sieci neuronowe mog� by� zbudowane ze sprz�tu komputerowego (przy u�yciu chip�w komputerowych) lub mog� by� symulowane w oprogramowaniu. Odnotowano wiele udanych zastosowa� oprogramowania. Odnotowano wiele udanych zastosowa� oprogramowania sieci neuronowej w systemach kt�re musz� rozwija� "ocen� sytuacji" . Jedn� z aplikacji by�o przewidywanie oszustw zwi�zanych z kartami kredytowymi . Poprzez udost�pnienie oprogramowania sieci neuronowej wielu aplikacjom obs�uguj�cym karty kredytowe, a nast�pnie informowanie sieci, kt�rzy klienci nie ui�cili nale�no�ci, sie� zosta�a przeszkolona do skanowania nowych aplikacji i odrzucania tych klient�w, kt�rzy mog� ui�ci� p�niej.

Procesory Specjalnego Przeznaczenia

Podstawow� zalet� komputera jest jego o�lepiaj�ca szybko��. Mo�e wykonywa� wiele milion�w instrukcji na sekund�/ Ale niekt�re zadania wymagaj� przetworzenia naprawd� ogromnej ilo�ci informacji. Aplikacje te wymagaj� dodania jeszcze szybszego sprz�tu do przetwarzania informacji. Taki szybki sprz�t jest specjalnie zaprojektowany do przetwarzania informacji pod r�k�, ale nie mo�e wykonywa� �adnej innej funkcji, Szybki sprz�t jest zintegrowany bezpo�rednio z chipem z reszt� sprz�tu komputerowego. Mo�emy znale�� procesory specjalnego przeznaczenia w�r�d nast�puj�cych grup dostawc�w:

• Dostawcy uk�ad�w scalonych specyficznych dla aplikacji (ASIC) . Je�li nie mo�emy znale�� komputer specjalnego przeznaczenia, kt�rego pragniemy , mo�emy go wykona�! Potrzeba nam ogromnych sum pieni�dzy na rozw�j , wi�c nasza aplikacja robota musia�aby mie� naprawd� wysok� wielko�� sprzeda�y, aby to rozwa�y�. Rdzenie komputer�w Advanced Risc Machine (ARM) mo�na ��czy� z obwodami specjalnego przeznaczenia i nak�ada� na pojedynczy ASIC
• Firmy p�przewodnikowe na bazie prefabrykat�w. Wiele bardzo ma�ych firm komputerowych buduje komputery specjalnego przeznaczenia. Zwykle s� wysy�ane do dostawc�w ASIC aby tworzy� ich projekty na chipy, ale wykonali oni prac� i roz�o�yli koszty na wielu klient�w. Znajd� je w czasopismach po�wi�conych projektom elektronicznym i na konwencjach . Rozwa� wyszukiwanie ich w internecie przy u�yciu funkcji specjalnego przeznaczenia jako jednego ze s��w kluczowych

Wiele funkcji specjalnego przeznaczenia zosta�o zintegrowanych w obwodach komputerowych i wprowadzonych na rynek. Nast�puj�ce funkcje specjalne s� dost�pne od kilku dostawc�w:

• ��czno�� bezprzewodowa. Istniej� uk�ady scalone kt�re mog� konwertowa� i przekazywa� sygna�y danych falami radiowymi (RF) bezpo�rednio do obwodu komputera. Chipy te s� u�ywane w pagerach telefonach radiotelefonach , GPS znacznikach RM kartach inteligentnych itd. Je�li aplikacja robota wymaga komputer�w specjalnego przeznaczenie o podobnych, rozwa� przyjrzenie si� dostawcom na rynkach. Nale�y jednak pami�ta� ,�e kilka z tych uk�ad�w jest dost�pnych w ma�ych ilo�ciach. S� r�wnie� trudne do zastosowania

• Komunikacja internetowa . Wiele chip�w komputerowych jest dost�pnych w zintegrowanych interfejsach sieci lokalnej (LAN) u�ywanych do ��czenia si� z Internetem Co wi�cej niekt�re z tych komputer�w maj� zintegrowane stosy oprogramowania, kt�re mog� przetwarza� przep�yw danych internetowych w czasie rzeczywistym wewn�trz uk�adu. Tego rodzaju przetwarzania mo�e znacznie przyspieszy� dzia�anie robota, je�li jego konstrukcja wymaga du�ej ilo�ci informacji przep�ywaj�cych prze protok� internetowy (IP)
• Digital Signal Processing (DSP). Obw�d DSP jest u�ywany do przetwarzania informacji w spos�b w jaki wi�kszo�� proces�w og�lnego przeznaczenia nie mo�e tego robi�.
• Procesor OMAP DSP Texas Instruments
• Analog Devices
• Kontrolery analogowe. Wiele procesor�w specjalnego przeznaczenia ma uk�ad analogowy bezpo�rednio na chipie cyfrowym. Jednym z modnych s��w dla tego rodzaju uk�ad�w jest mieszany sygna�. Taka technologia a kilka zalet, ale wiod�cym jest koszt. Je�li mikrouk�ad mo�e spe�ni� wszystkie wymagania naszego robota bez dalszych analogicznych prac projektowych, mo�emy wyj�� z wyprzedzeniem.
• Systemy wy�wietlania. Wiele robot�w wymaga centrali lub wy�wietlaczy informacyjnych. Nie jest trudno zintegrowa� wy�wietlacza ciek�okrystaliczne (LCD), nawet du�y ,z komputerem. Wiele uk�ad�w komputerowych mo�e obs�ugiwa� ekrany LCD bezpo�rednio.
• Jednostki o niskim poborze mocy. Komputer kieszonkowy PDA wraz z telefonami i pagerami tworzy ca�� seri� uk�ad�w komputerowych , kt�re mog� dzia�a� na bardzo niskim poziomie napi�cia i mocy. Je�li moc naszego systemu komputerowego robota stanowi znaczn� cz�� bud�etu zasilania, rozwa�my systemy komputerowe o niskiej mocy. Mo�na r�wnie� stosowa� wiele innych technik oszcz�dzania energii w systemach komputerowych
• Jednostki gier. Jest to ma�o znany fakt ,ale wiele komputer�w sko�czy�o w grach. Zgadza si�. Ogromna liczna komputer�w w zabawkach przerasta inne praktyczne zastosowania. S� to na og� bardzo ma�e komputery, kt�re kosztuj� prawie nic.

Procesory R�wnoleg�e

R�wnoleg�e przetwarzanie nie jest nowe. Metoda ta wynika z faktu ,�e wiele problem�w obliczeniowych nie musi by� wykonywanych krok po kroku. Cz�sto problem obliczeniowy mo�na podzieli� na problemy, kt�re mog� by� wykonywane jednocze�nie, bez obawy, �e praca nad jednym pozwoli unikn�� pracy nad drugim problemem. Podczas II wojny �wiatowej projekt bomby atomowej zatrudnia� kilkadziesi�t os�b, kt�re pracowa�y przy kalkulatorach mechanicznych r�wnolegle wykonuj�c obliczenia. Wi�kszo�� wsp�czesnych procesor�w og�lnego przeznaczenia (takich jak Intel lub Motorola) zawiera ju� wi�cej ni� jednego komputera w uk�adzie. Dzieje si� tak, poniewa� prawie ka�dy problem obliczeniowy mo�e przynie�� przynajmniej w pewnym stopniu korzy�ci z przetwarzania r�wnoleg�ego. Zastan�wmy si� przez chwil� nad wykonaniem nast�puj�cej pseudo-instrukcji : Je�li A , wtedy B , w innym przypadku C. Szeregowy spos�b przetwarzania tej instrukcji polega na obliczeniu A , a nast�pnie obliczaniu B lub C. Z trzema procesorami, kt�rymi dysponujemy, mo�emy obliczy� A, B i C w tym samym czasie. Kiedy ta jedna faza oblicze� jest zako�czona, komputer wybiera jedynie (w oparciu o A) albo B albo C jako odpowied�. Mo�e to uratowa� jeden cykl komputerowy. Prawd� jest to ,�e jedna trzecia pracy jest marnowana, ale program dzia�a dwa razy szybciej. Techniki z poprzedniego przyk�adu nie mo�na ekstrapolowa� na znacznie bardziej z�o�ony problem obliczeniowy. Wraz ze wzrostem liczby instrukcji w z�o�onych programach liczba "ga��zi" gwa�townie ro�nie. W poprzedniej instrukcji If tylko jedna ga�� by�a u�yta, wi�c potrzebowali�my tylko 2¹ procesor�w ( w rzeczywisto�ci 3). W bardziej z�o�onych programach z wieloma rozga��zieniami, liczba procesor�w ro�nie bardzo szybko co sprawia ,�e przetwarzanie r�wnoleg�e jest niepraktyczne. Sposobem na unikni�cie tego problemu jest ograniczenie liczby aplikacji, kt�re pr�bujemy rozwi�za� za pomoc� przetwarzania r�wnoleg�ego. Wiele klasycznych problem�w obliczeniowych mo�na w naturalny spos�b podzieli� na zadania r�wnoleg�e. Rozwa�my przetwarzania pogody lub systemy wizyjne (dla robota) . Pole widzenia mo�e by� podzielone na obszary a pojedynczy procesor ,mo�e by� przypisany do ka�dego obszaru w tablicy. Ka�dy przetwarza informacje przychodz�ce na jego obszar. Og�lnie procesory mog� komunikowa� si� z s�siaduj�cymi procesorami .W aplikacji pogodowej ka�dy procesor aktualizuje pogod� na swoim ma�ym obszarze (kt�ry mo�e mie� tylko kilkaset metr�w kwadratowych). Komunikuje si� z s�siednimi komputerami, aby poinformowa� je o istotnych zdarzeniach takich jak wilgotne powietrze poruszaj�ce si� w ich okolicy. W ten spos�b prognozy pogody sta�y si� znacznie dok�adniejsze i bardziej aktualne. Procesor macierzowy ma og�ln� struktur�

Tak� macierz mo�na zbudowa� przy u�yciu procesor�w og�lnego przeznaczenia, ale firmy stworzy�y procesory specjalnie zaprojektowane do przetwarzania r�wnoleg�ego. Zawieraj� struktury komunikacyjne u specjalne instrukcje , dzi�ki kt�rym przetwarzanie r�wnoleg�e jest bardziej wydajne. Cz�sto firmy te obs�uguje oprogramowanie systemu operacyjnego i kompilatory dzi�ki kt�rym partycjonowanie i hostosowanie aplikacji jest znacznie prostsze

Digital Signal Processing (DSP)

Chipy DSP s� w zasadzie procesorami specjalnego przeznacznie zaprojektowanymi do obs�ugi okre�lonej klasy problem�w obliczeniowych. G��wn� cech� wsp�ln�dla wi�kszo�ci uk�ad�w DSP jest MAC, co oznacza Multiply and Acumulate. Procesory DSP s� specjalnie zaprojektowane ,aby szybko pomno�y� dwie liczby razem i doda� je do trzeciej (akumulowa�). Kilka typ�w problem�w arytmetycznych jest dobrze obs�ugiwanych przez taki procesor:

• Szereg Taylora. W 1712 oku matematyk, Brook Taylor napisa� wz�r, kt�ry mo�na wykorzysta� do przybli�ania funkcji. Gdzie f(x) jest funkcj� (z pewnymi ograniczeniami ci�g�o�ci) a fn(x) jest n-t� pochodn� f(x) wzgl�dem x , ti f(x) mo�e by� przybli�ona w pobli�u x = a wed�ug wzoru

plus reszta. Ten wz�r zapewnia standardowy spos�b przybli�ania i obliczania funkcji takich jak sinus czy kosinus .W ten spos�b kompilatory konfiguruj� obliczenia. Obejmuje to kilka krok�w mno�enia i akumulacji. Ka�dy wyraz w tym r�wnaniu to inny MAC. Og�lnie rzecz bior�c, pozosta�a cz�� mo�e by� dowolnie ma�a przez wykonanie wi�kszej liczby warunk�w (co oznacza ,�e jest wi�ksza)
• Filtry Finite Impulse Response (FIR). S� one zwykle u�ywane do filtrowania ci�g�ego strumienia informacji reprezentuj�cych audio lub wideo. Rozwa� odbieranie sygna�u audio w obecno�ci silnego zak��caj�cego �r�d�a szumu 1 kHz. Chcieliby�my usun�� szum 1 kHz z naszego sygna�u (najlepiej jak potrafimy). Je�li sygna� audio jest cyfrowy, mo�na go wprowadzi� do filtru FIR specjalnie zaprojektowanego do odfiltrowywania sygna��w 1 kHz. Metoda filtru FIR pozwala nam to zrobi� w tak precyzyjny spos�b, jaki jest wymagany, regulowany wy��cznie kosztami. Za��my ,�e chcemy przefiltrowa� sygna� x(t) aby wytworzy� sygna� y(t). Uog�lniona formu�a dla n-etapowego filtra FIR jest dana przez

gdzie h₁… h_n s� wsp�czynnikami filtra. Widzimy ,�e ten wz�r jest r�wnie� seri� MAC′�w • Transformaty Fouriera. Zosta�y opracowane ,jak mo�na si� domy�la� przez Josepha Fouriera na pocz�tku XIX wieku. Transformacje s� sposobem reprezentowania dowolnej funkcji w pewnych granicach jako szereg superpozycji czystych fal sinusoidalnych (pomno�one przez wsp�czynnik). Transformata Fouriera ma wiele wariant�w, w tym szybk� transformat� Fouriera (FFT) i dyskretn� transformacj� kosinusow� (DCT). Transformacje te s� powszechnie u�ywane do usuwania szumu i niechcianych cz�stotliwo�ci z obrazu lub sygna�u w nast�puj�cy spos�b. Obraz jest przekszta�cany w seri� dyskretnych cz�stotliwo�ci .Nast�pnie niechciane cz�stotliwo�ci s� kasowane (lub wybierane s� po��dane cz�stotliwo�ci). Tak czy inaczej , ziarna s� oddzielane od plew. Nast�pnie obliczana jest odwrotna transformata Fouriera aby zrekonstruowa� obraz, kt�ry jest bardziej przejrzysty i �atwiejszy do zrozumienia ni� orygina�. Wystarczy powiedzie�, �e FFT i inne podobne transformacje u�ywaj� szeregu operacji MAC. W robotach, FFT mog� by� u�ywane do identyfikacji obiekt�w w polu widzenia. Je�li FFT s� wykonywane w cyfrowym polu widzenia, komputer DSP robota mo�e szuka� sygnatur FFT okre�lonych obiekt�w odrzucaj�c wszystkie obiekty kt�re nie s� zgodne.

Notki O DSP

Procesory DSP maj� sprz�t specjalnego przeznaczenia, kt�ry przyspiesza obliczenia, kt�re musz� wykona�. Te struktury sprz�towe zwi�kszaj� zar�wno dok�adno�� , jak i szybsz� realizacj�.

Arytmetyka

Zauwa�yli�my , �e jedn� z g��wnych cech procesora DSP jest MAC, struktura sprz�towa zdolna do wykonywania mno�enia, po kt�rym nast�puje dodawania. Ta operacja matematyczna jest wykonywana na cyfrowej reprezentacji liczby. Liczby mog� by� reprezentowane w komputerze w formacie sta�oprzecinkowym lub formacie zmiennoprzecinkowym. Nale�y pami�ta� ,�e procesory DSP wyst�puj� w tych dw�ch wersjach a procesor zmiennoprzecinkowy.DSP jest znacznie dro�szy . Liczby sta�oprzecinkowa s� podobne do znanych nam liczb ca�kowitych. 16 bitowa liczba sta�oprzecinkowa mo�e reprezentowa� 2¹⁶ = 65536 liczb. Ten zakres obejmuje oko�o 5 dekad zasi�gu (< 100 000) . Ale s� pewne problemy z formatem sta�oprzecinkowym .Gdyby�my pomno�yli dwie liczby sta�e, np. 60 000 x 50 000, odpowied� nie mog�aby by� reprezentowana w 16 bitowym formacie sta�oprzecinkowym. Aby rozwi�za� taki problem z przepe�nieniem, mo�emy tymczasowo wymy�li� format "16 bitowego zmiennoprzecinkowego". Taki format jest niepraktyczny, ale ilustruj�cy . Wielu ludzi zna notacj� naukow�, gdzie liczba mo�e by� przedstawiona jako 2,71 x 10¹², bardzo du�a liczba. Za��my ,�e przyjmujemy nasz� 16 bitow� liczb� i dzielimy bity inaczej ,u�ywaj�c 10 bit�w jako "mantysy" do reprezentowania liczby 2,171 i 6 bit�w jako "wyk�adnika" reprezentuj�cego 12 liczb w naszym przyk�adzie. To daje naszym liczbom zmiennoprzecinkowym zakres oko�o 2¹⁰ x 10⁶, du�o wi�kszy ni� 65536. Jednak dok�adno�� to tylko 2¹⁰ = 1024, zamiast 65536. Nasz przyk�ad mno�enia (60 000 x 50 000) mo�e by� teraz wykonany poniewa� nie przepe�nia 6 x 10⁴ x 5 x 10⁴ = 30 x 108 = 3 x 10⁹. Formaty zmiennoprzecinkowe u�ywane w komputerach s� nieco inne. Zmiennoprzeciwnkowo�� daje nam szerszy zakres liczb nad kt�rymi mo�e si� odbywa� arytmetyka.

Sprz�t DSP

Wiele arytmetycznych domen problemowych, na kt�re patrzyli�my, dotyczy wielu Mac'�w. Szereg Taylora, filtry FIR i FFT wymagaj� wielokrotnego mno�enia wsp�czynnik�w przez warto�ci danych aby utworzy� d�ugie zsumowane r�wnanie. Procesory DSP maj� struktury adresuj�ce pami�� i sprz�t steruj�cy, kt�ry znacznie przyspieszaj� takie powtarzalne operacje. W j�zyku matematycznym doskonale nadaj� si� do arytmetyki wektorowej i macierzowej. Najbardziej zaawansowani u�ywaj� r�wnie� przetwarzania r�wnoleg�ego ,aby przyspieszy� te obliczenia. Procesory DSP s� cz�sto u�ywane do przetwarzania r�wnoleg�ego, aby przyspieszy� te obliczenia. Procesory DSP s� cz�sto u�ywane do przetwarzania ci�g�ych strumieni informacji takich jak audio, wideo lub dane z odbiornika RF. Strumie� danych nigdy si� nie zatrzymuje i musi by� przetwarzany przez ca�y czas. Odpowiednio procesory DSP mog� mie� buforowanie wbudowane w ich strumienie przetwarzania i unika� przerw w ruchu, kt�re mog� zablokowa� jednostk� centraln� og�lnego przeznaczenia (CPU). Pomy�l przez chwil� o komputerze stacjonarnym. Jak cz�sto blokuje si� podczas wykonywania niekt�rych zada� porz�dkowych? Takie blokady nie s� dozwolone w przetwarzaniu ci�g�ych danych strumieniowych, a procesory DSP mog� si� upewni� ,�e tak si� nie stanie. Je�li robot musi przetworzy� ci�g�e strumienie danych typu medialnego, rozwa� procesor DSP jako alternatyw�.

Podstawow� zalet� procesor�w og�lnego przeznaczenia jest ich szybko��. Mog� wykonywa� proste operacje z o�lepiaj�c� pr�dko�ci�, dzi�ki czemu wykonuj� ogromn� ilo�� pracy. Jak mamy znale�� odpowiedni dla naszego robota? Komputery powsta�y podczas II wojny �wiatowej. Zosta�y wykonane przy u�yciu lamp pr�niowych i powsta�y w celu z�amania kod�w wroga. Nic dziwnego ,�e najlepszym wyborem dla robota jest najta�szy komputer, kt�ry wykonuje swoj� prac�. Istnieje wiele wariant�w projektowania spo�r�d setek dost�pnych komputer�w. Aby wybra� najlepszy komputer dla robota musimy by� dobrze zaznajomieni z wn�trzem maszyn. To da nam lepsz� perspektyw� gdy przyjdzie czas wyboru. Komputery maj� podstawowe cechy i architektury, kt�re zosta�y opracowane przez lata. Przyjrzymy si� ka�demu po kolei.

Rozmiar S�owa

Komputery maj� w sobie odpowiednik naturalnej wielko�ci s�owa. Przechowuj� one i manipuluj� danymi cyfrowymi, kt�re s� reprezentowane przez n bit�w, z kt�rych ka�dy reprezentuje 1 lub 0. 8- bitowy komputer ma 8-bitowe s�owa , kt�re przechowuj� liczby od 0 do 255. 16 bitowy komputer ma s�owa kt�re przechowuj� numery od 0 - 65536. Rozmiar s�owa komputera informuje u�ytkownika o �atwo�ci obs�ugi komputera w celu �atwego manipulowania liczbami. Im wi�kszy rozmiar s�owa, tym szybciej komputer b�dzie w stanie obs�u�y� obliczenia obejmuj�ce du�e liczby. Pierwsze nowoczesne chipy komputerowe to maszyny 4 bitowe. Ca�a wewn�trzna struktura 4 bitowych komputer�w mia�y szeroko�� 4 bit�w, wystarczaj�c� do przechowywania liczb od 0 do 15 dziesi�tnie. �wietnie si� nadaje do zliczania ksi�yc�w Neptuna (8 ksi�yc�w) ale nie Jowisza (47 ksi�yc�w) . Aby policzy� ksi�yce Jowisza, 4 bitowy komputer musia�by u�y� 2 swoich s��w (8 bit�w) co da�oby mu zdolno�� do zliczenia 256 ksi�yc�w Czterobitowy komputer nadal mo�e pracowa� , ale b�dzie wolniejszy ni� komputer 8 bitowy w tym samy zadaniu poniewa� musi wykona� co najmniej dwa razy wi�cej operacji. Nowoczesne mikroprocesory , kt�re mogliby�my wykorzysta� w naszej ofercie robot�w miedzy 8- i 64- bitowymi rozmiar�w. Komputery 8 bitowe s� zwykle dobrze przystosowane do najprostszych oblicze� robota i p�tli sterowania, ale nie jest to zbyt kosztowna propozycja spojrzenia na 16- i 32-bitowe komputery. Komputery z 64 bitowymi s�owami zaczynaj� by� drogie. Trzeba spojrze� na kilka g��wnych kwestii przy wyborze d�ugo�ci s�owa komputera dla robota. Wi�kszo�� konstrukcji robot�w ma 8- bitowe procesory, aby oszcz�dza� energi� i pieni�dze.

• D�ugo�� danych. Jak dobrze d�ugo�� s�owa pasuje do danych strumienia, z kt�rymi robot b�dzie mia� do czynienia? Je�li komputer zbiera dane wizyjne w 16- lub 24-bitowych s�owach, rozwa� u�ycie komputera 32 bitowego . Jest ma�o prawdopodobne ,�e i tak b�dziemy musieli wykona� 32 bitow� arytmetyk�. Je�li wszystkie dane gromadzone w robocie generuj� 8 bitowe dane, rozwa� 8 bitow� d�ugo�� s�owa. Ale przyjrzyj si� dok�adnie wymaganej arytmetyce. Pami�taj ,�e nawet proste dodanie danych mo�e wymaga� dodatkowych bit�w d�ugo�ci s�owa. Je�li dodamy dwie 8 bitowe liczby, mo�emy potrzebowa� 9 bitowej liczby aby zapisa� wynik. Przej�cie do kolejnego najwi�kszej d�ugo�ci s�owa , komputer jest cz�sto bezpieczny; mo�e by� potrzebny 16 bitowy komputer
• Moc komputera. Nawet niewielki 4 bitowy komputer mo�e wykonywa� wszystkie obliczenia wymagane w systemie sterowania robotem. Prawdziwe pytania brzmi : czy taki 4 bitowy komputer mo�e zrobi� to wystarczaj�co szybko, aby nad��y� za wymaganiami robota? Je�li zaprojektujemy robota bardzo ostro�nie mo�emy zminimalizowa� zapotrzebowanie na moc komputera. Chodzi o to ,�e je�li dopasujemy komputer do wykonywanego zadania, mo�emy du�o zyska�, minimalizuj�c to zadanie. Nast�pnie musimy wybra� komputer wystarczaj�ca du�y aby wykona� zadanie.
• Rozmiar pami�ci. Cz�sto szeroko�� s�owa komputera decyduje o szeroko�ci s�owa bank pami�ci. Komputer 32 bitowy dzia�a najlepiej z 32 bitowym modu�em pami�ci . w zwi�zku z tym d�ugo�� s�owa mo�e r�wnie� wp�ywa� na wielko�� i koszt pami�ci.

Zasilanie

Wiele robot�w zasilanych jest z baterii. Zajmiemy si� p�niej kwestiami zwi�zanymi z zasilaniem ale powinni�my wspomnie� o ty. Aby oszcz�dza� energi� , poszukaj w komputerze nast�puj�cy funkcji

• Elektronika niskiego napi�cia
• Praca z ma�� moc�
• Obs�uga oprogramowania operacyjnego dla stan�w o niski poborze mocy
• Operacje z ni�sz� cz�stotliwo�ci� (je�li mo�emy znie�� wolniejsz� prac�)

Obw�d Wspomagania Pami�ci

Komputery wymagaj� pami�ci do przechowywania swoich program�w i danych. Pami�� mo�e by� do��czana do komputera na kilka r�nych sposob�w. Oto kilka opcji

• Przechowywanie programu. Wiele pyta� zadano samym oprogramowaniu programu. Gdzie b�dzie przechowywany? Pami�� flash i dysk to dwie popularne metody. Pami�� flash jest bardziej niezawodna fizycznie, co jest wa�ne , je�li robot b�dzie mobilny. Przyjrzyjmy si� kr�tko obu rodzajom pami�ci. W jaki spos�b program zostanie zmieniony? Zawsze dobrze jest zachowa� mo�liwo�� uaktualnienia oprogramowania w robocie. Oznacza to ,�e potrzebujemy metody pobrania informacji o programie do robota. Mo�na to zrobi� na wiele sposob�w , w tym za po�rednictwem kana�u komunikacji. Je�li robot ma kana� komunikacji ze �wiatem zewn�trznym, mo�emy zakodowa� polecenia w kanale, kt�re umo�liwi� przeprogramowanie oprogramowania robota. Je�li robot znajduje si� w odleg�ej lokalizacji (np. Mars), musieliby�my to zrobi� bardzo ostro�nie. Akcentowana technika polega na uruchomieniu polecenia pobierania, wci�gni�ciu blok�w danych programu z pe�nym wykryciem i korekt� b��d�w, przechowywanie programu w formie bloku a� wszystko dotrze , a nast�pnie wys�aniu go do pami�ci flash lub dysku. Je�li to mo�liwe, umie�� pami�� flash stronicowania w robocie, aby program rozruchowy zawsze istnia� i nie ulega zmianie. Program startowy mo�e pobra� i nagra� program flash. W ten spos�b mamy minimaln� szans� na uszkodzenie programu do tego stopnia, �e nie mamy mo�liwo�ci odzyskanie go. Kolejn� rzecz� do zapami�tania na temat o pobieraniu na du�� odleg�o�� jest to ,�e cz�sto wyst�puj� znacz�ce op�nienie w komunikacji. Protok� pobierania musi przetrwa� wszystkie rodzaje b��d�w komunikacyjnych, w tym du�e op�nienie w czasie transmisji. W przypadku jednej z misji l�dowania na Marsie, mobilny robot m�g� by� przeprogramowany tylko raz dziennie. Opr�cz op�nie� w komunikacji zesp� przeprogramowuj�cy musia� upora� si� ze zmniejszon� przepustowo�ci� komunikacji, rotacj� planety, plamami s�onecznymi i tak dalej. Og�lnie, przygotuj protoko�y komunikacyjne dla kuloodpornego robota. Oczekuj nieoczekiwanego. Nawet Marsjanie mog� pojawi� si� i stan�� obok anteny. Sneaker Net jest innym sposobem na pozyskanie informacji o programie do robota. Gdy robot jest dost�pny, in�ynierowie mog� podej�� do niego i stwozy� nowe zmiany w oprogramowaniu
• Zakres adresowania pami�ci. Komputery maj� zestaw instrukcji, kt�re koduj� adrsy, instrukcje s� przechowywane w pami�ci jako seria bit�w .Pozwala to na bezpo�edni dost�p do lokalizacji w pami�ci w celu odczytu ,zapisu lub modyfikacji. Aby zakodowa� adres pami�ci w instrukcji, adres musi zaj�� kilka bit�w w instrukcji. Cz�sto niekt�re z bit�w w instrukcji odwo�uj� si� do inne rejestru z wieloma bitami do wype�nienia adresu. Ostateczny adres jest nazywany adresem efektywnym. Liczba r�nych adres�w pami�ci do kt�rych mo�na uzyska� dost�p w dowolnym momencie ,zale�y od liczby bit�w w adresie efektywnym. R�ne instrukcje komputera b�d� mia�y dost�p do r�nych zakres�w adres�w. Og�lnie rzecz bior�c, d�ugo�� s�owa komputera okre�la najwi�kszy zakres adres�w. 32 bitowy procesor mo�e og�lnie adresowa� 232 bajt�w (oko�o 4 miliardy bajt�w). Procesroy z 8 lub 16 bitami generalnie u�ywaj16 bitowego zakresu adres�w dla 65 tysi�cy bajt�w. Zakres adresowania pami�ci jest wa�ny poniewa� ogranicz� liczb� bajt�w pami�ci, kt�r� komputer mo�e zobaczy� w dowolnym momencie Je�li oprogramowanie naszego robota analizuje wiele tysi�cy bajt�w jednocze�nie, zastan�w si� czy 16 bitowy zakres adresowania jest wystarczaj�cy . Korzystanie z 32 bitowego komputera nie kosztuje du�ej ilo�ci dodatkowych pieni�dzy. Je�li komputer ma jednostk� zarz�dzania pami�ci� (MMU), mo�liwe jest uzyskanie bardzo du�ego zakresu adresowania i obs�ugi du�ej pami�ci.
• MMU. MMU to zestaw rejestr�w w uk�adzie komputerowym, kt�ry umo�liwia komputerowi dost�p do ogromnej tablicy pami�ci. U�yjmy wizualnego obrazu , aby opisa� co MMU robi. Pomy�l o tablicy pami�ci jak o ogromnym polu pszenicznym bajt�w na zewn�trz. Pomy�l o tym ,�e komputer znajduje si� w domu z oknem wychodz�cym na pole bajt�w. Komputer mo�e przetwarza� instrukcje ,aby manipulowa� wszystkimi bajtami widocznymi poza oknem ale nie tymi kt�rych nie widzi. Teraz stw�rzmy magiczne MMU, kt�re mo�e przesuwa� okno wok� �cian domu. MMU przechowuje lokalizacje okien i mo�e zapami�ta� kilka r�nych lokalizacji dla okna (zwanych stronami) W rzeczywisto�ci ka�dy u�ytkownik komputera mo�e mie� swoje w�asne po�o�enie okna , i jako takie, prywatn� pami�� w polu bajt�w. W ten spos�b komputer mo�e obs�ugiwa� wielu u�ytkownik�w bez trudno�ci w ich rozdzielaniu.

Uk�ady Pami�ci

O tak! Wi�kszo�� pami�ci komputerowych zawiera uk�ady pami�ci. S� to uk�ady scalone, kt�re zawieraj� tysi�ce lub miliony pojedynczych, kt�re komputery mo�e odczyta� i zapisa�. Dost�pnych jest kilka ro�nych typ�w pami�ci i wszystkie przynosz� r�ne korzy�ci projektowi robot�w. Warto wiedzie� o najpopularniejszych typach pami�ci i tym co mog� zrobi� dla projektu robota

Pami�� Flash

Ka�dy komputer potrzebuje miejsca do przechowywania jego programu operacyjnego. Program nie mo�e znikn�� po wy��czenia zasilania. Przy obecnej technologii prawie ka�dy komputer troch� pami�ci flash, kt�ra zawiera pocz�tkowe oprogramowanie uruchamiane po uruchomieniu komputera. Ta sama pami�� flash mo�e zawiera� wi�kszo�� lub ca�o�� oprogramowania komputerowego. Podstawow� zalet� pami�ci flash jest to ,�e zachowuje ona swoj� zawarto�� przy braku zasilania, czyni�c j� pami�ci� nieulotn�. Nie zajmujmy si� tu fizyk�. Flash mo�na zaprogramowa� po zbudowaniu robota i zachowa� program przez ca�y okres eksploatacji robota. Wi�kszo�� pami�ci flash mo�na przeprogramowa� w polu je�li program musi zosta� zmieniony. Poza przechowanie programu na komputerze, pami�� flash mo�e by� u�ywana do trwa�ego przechowywania innych danych, kt�re robot mo�e zebra�, prawie jak system dyskowy. Jedynym zastrze�eniem jest to ,�e wiele pami�ci flash mo�na zapisa� tylko okre�lon� ilo�� razy zanim ulegn� awarii. Specyfikacja uk�adu pami�ci flash b�dzie okre�la�, ile razy mo�na zapisa� flash. Je�li wi�c istnieje potrzeba nieulotnej pami�ci w danym momencie, rozwa� umieszczenie pami�ci flash w robocie. Czasami ten rodzaj pami�ci mo�na doda� do komputera robota za pomoc� kart PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association)

Pami�� Statyczna

Jest to rodzaj pami�ci ulotnej, kt�ra jest wzgl�dnie prosta w u�yciu z perspektywy elektrycznej. Nie wymaga skomplikowanego timingu. Jednak pami�� statyczna jest generalnie mniejsze i wypad�y z �aski. zwykle u�ywaj� od dw�ch do czterech tranzystor�w dla przechowania tylko jednego bitu pami�ci , podczas gdy najta�sze pami�ci (pami�� dynamicznego dost�pu losowego DRAM) u�ywaj� tylko jednego tranzystora dla przechowania bit.. Jedyna rzecz w kt�rej pami�� statyczna jest dobra to kopia zapasowa baterii. Pami�� statyczn� mo�na uczyni� nieulotn� z dodatkiem baterii. Cz�sto ��czy si� je z bateriami litowymi lub podobnym, kt�re maj� d�ugi okres trwa�o�ci. Niekt�re rodzaje pami�ci statycznych zu�ywaj� bardzo ma�o energii, gdy s� wy��czone i mog� przechowywa� wa�ne dane przez d�ugi czas

Pami�� Dynamiczna

Wi�kszo�� komputer�w korzysta z pami�ci flash dla nieulotnego programu rozruchowego i pami�ci dynamicznej dla wi�kszo�ci niestabilnej przestrzeni pami�ci. Cz�sto zdarza si� �e ca�y program komputerowy jest przechowywany w pami�ci flash, przenoszony do pami�ci dynamicznej i wykonywany z tego miejsca. Powodem jest to ,�e szybko�� wykonywania z pami�ci dynamicznej jest cz�sto szybsza. Aby zrozumie� dlaczego ,musimy tym razem przej�� do fizyki DRAM zachowuje si� tak jak robi to z jednego podstawowego powodu u�ywa tylko jednego tranzystora do przechowywania. Robi to , wykorzystuj�c cz�� pojemno�ci pod tranzystorem. Kondensator to w zasadzie miejsce do przechowywania elektron�w. Liczba elektron�w w kondensatorze okre�la czy binarna jedynka lub zero istniej� w bicie. Bit danych w formie napi�cia mo�na przenie�� do tranzystora. Nast�pnie tranzystor mo�e umie�ci� dane w kondensatorze, po prostu w��czaj�c go. Je�li dane , reprezentowane przez napi�cie to jeden wtedy elektrony wpadaj� do kondensatora . Je�li dane to zero, kondensator jest pozbawiony elektron�w. Gdy nadejdzie czas odczytu bit�w danych, tranzystor w��cza si� , a liczba elektron�w w kondensatorze jest kontrolowana. Je�li jest ich wystarczaj�co du�o, komputer odczytuje jeden jeden. DRAM jest bardzo g�sty , poniewa� potrzebuje tylko jednego tranzystora na bit, co pozwala zaoszcz�dzi� miejsce na samym obwodzie scalonym. Jednak z t� struktur� pami�ci wyst�puj� pewne problemy. Na pocz�tek sam odczyt bitu niszczy go. Nazywa si� to odczytem destrukcyjnym. Natychmiast po odczytaniu bitu obw�d podtrzymuj�cy pami�� w komputerze musi przepisa� bit danych z powrotem do kondensatora. Pojawia si� tak�e inny problem. Gdy tylko troch� zostanie zapisane w kondensatorze pod tranzystorem, zaczyna si� pogarsza�. Elektrony w kondensatorze zaczynaj� przecieka� jedne po drugim. Zajmuje to tylko kilka milisekund, zanim integralno�� bitu danych mo�e zosta� zakwestionowana. Odpowiednio, wiele uk�ad�w pami�ci ,ma wbudowane w nie obwody aby automatycznie odczytywa� ka�dy bit i przepisywa� co kilka milisekund. Ten proces nazywa si� od�wie�aniem . Niekt�re komputery wykonuj� t� operacj� za pomoc� od�wie�ania obwod�w wewn�trz samego uk�adu komputerowego. Zachowaj ostro�no�� podczas przemy�lenia schematu od�wie�ania podczas wybierania pami�ci dla robota. Przynajmniej jeden z chip�w musi obs�u�y� zadanie od�wie�ania. Jedyn� z innych wad pami�ci DRAM jest z�o�ony czas wymagany dla sygna��w. Dowiemy si� jak dzia�a DRAM w ci�gu minuty, ale z�o�ony czas sygna��w wywo�uje dwa problemy. Przede wszystkim nie ma prawie �adnej mo�liwo�ci na spanie komputera, aby zaoszcz�dzi� energi�. Przy wszystkich sygna�ach dzia�aj�cych ca�y czas, pami�� DRAM generalnie nie mo�e przej�� do trybu niskiego poboru mocy. Je�li tryb u�pienia o niskiej mocy jest wa�ny dla projektu robota, nale�y rozwa�a� SRAMS. Po drugie, je�li budujemy w�asny komputera od zera, bardzo ostro�nie analizuj czas sygna��w DRAM. Je�li nawet troch� odbiegaj� od wymaga� , mog� wyst�pi� b��dy, kt�re trudno b�dzie wyizolowa�. Aby poprawnie u�ywa� DRAM, musimy przyjrze� si� jego wewn�trznej konstrukcji. DRAM jest zwykle budowany jako tablica bit�w. Je�eli miliony bit�w ( 1 024 x 1 024 = 1 milion) znajduje si� wewn�trz pami�ci DRAM, bity mog� by� rozmieszczone jako 1 du�a macierz z 1024 kolumnami, z kt�rych ka�da ma 1024 bity w wierszu. Linie adresowe wchodz�ce do DRAM s� zazwyczaj podzielone. Aby zaadresowa� 1 milion bit�w wewn�trz DRAM, wymaganych jest 20 bit�w adresy (210 = 1 milion). Zamiast 20 pin�w adresowych pami�ci DRAM, ma ona prawdopodobnie tylko 10 i s� u�ywane dwa razy w nast�puj�cy spos�b. Pierwsze 10 bit�w adresu jest przedstawianych pami�ci DRAM. Te 10 bit�w adresu mo�e adresowa� ca�y rz�d bit�w w tablicy pami�ci. Ten cykl nazywa si� RAS ,Row Address Select. W tym czasie ca�y zaadresowany wiersz zawieraj�cy 1024 bity pami�ci jest odczytywany do rejestru odczytu RAS wewn�trz pami�ci DRAM. Nast�pnie uk�ad komputerowy dostarcza pozosta�e 10 bit�w adresu ma wej�ciowe piny DRAM podczas tzw. cyklu CAS , Column Address Select. Podczas cyklu CAS, tylko jeden z 1024 bit�w pami�ci z rejestru odczytu RAS jest wysy�any na pin wyj�ciowy DRAM. Jest to cykl RAS/CAS. Ten typ architektury oszcz�dza du�o przestrzeni i obwod�w wewn�trz pami�ci DRAM i sta� si� standardem w bran�y komputerowej. Czas wszystkich sygna��w DRAM musi by� bardzo dok�adny aby unikn�� b��d�w. Wi�kszo�� chip�w komputerowych dost�pnych na rynku b�dzie obs�ugiwa� DRAM bezpo�rednio z domy�lnym taktowaniem znanym ze wsp�pracy ze wsp�czesn� pami�ci� DRAM. Wi�kszo�� chip�w komputerowych ma r�wnie� w sobie rejestry , kt�re mo�na wykorzysta� do zmiany domy�lnego taktowania pin�w interfejsu DRAM komputera. Jedn� z interesuj�cych korzy�ci z cyklu RAS/CAS jest to ,�e w naszym przyk�adzie 1024 bity s� pobierane w tym samym czasie podczas cyklu RAS. To tylko preferencja, �e chcemy tylko jeden bit podczas cyklu CAS. Prawda jest taka �e je�li uruchomimy wiele cykli CAS po pojedynczym cyklu RAS, mo�emy pobra� wiele bit�w z rejestru odczytu RAS. Ta metoda korzystania z DRAM jest og�lnie nazywana trybem strony i nie obs�uguje go ca�a pami�� DRAM. Nast�pna sekcja po�wi�cona pami�ci podr�cznej zilustruje dobre wykorzystanie tej funkcji. DRAM wyst�puje w wielu r�nych stylach, ka�dy z innym akronimem. Ka�dy z nich ma inne wymagania dotycz�ce czasu i mocy.

Pami�� Podr�czna

�wietnie, w�a�nie wtedy gdy my�leli�my ,�e mamy t� pami�� policzon�, nadchodzi kolejna. Pami�� podr�czna jest niewielka ilo�� pami�ci wewn�trz chipu komputerowego, kt�ra znacznie przyspiesza wykonywanie programu. G��wn� ide� jest to ,�e zewn�trzne mikrouk�ady pami�ci DRAM na chipie komputerowym zabieraj� du�o czasu, aby dostarczy� je do wn�trza uk�adu komputerowego, mo�e nawet 60 ns. To mo�e wydawa� si� d�ugotrwa�e, ale je�li we�miemy pod uwag�, �e uk�ad komputerowy mo�e wykonywa� polecenia co 10 ns, traci du�o czasu na oczekiwanie na instrukcje, aby wyj�� z pami�ci. To co robi pami�� podr�czna, to dogl�danie dost�pu do pami�ci zewn�trznej. Je�li obw�d steruj�cy pami�ci podr�cznej wewn�trz uk�adu scalonego komputera jest przekonany ,�e ju� wie, jaka jest zawarto�� adresu pami�ci, powoduje to przerwania cyklu pami�ci uk�adu scalonego i po prostu pobiera dane z w�asnej pami�ci podr�cznej. W ten spos�b instrukcja b�dzie wykonywana od dw�ch do sze�ciu razy szybciej. �atwo jest u�ywa� pami�ci podr�cznej, poniewa� jest ona prze�roczysta dla programisty. Pami�� podr�czna jest po prostu w��czona i automatycznie dzia�a w celu przyspieszenia wykonywania programu. Wiele program�w komputerowych b�dzie wykonywanych w ciasnych p�tlach przez kr�tki czas. Wykonanie p�tli FOR w C jest typowym przyk�adem. P�tle FOR wykonuj� te same instrukcje dla okre�lonej liczby iteracji. Podczas wykonywania p�tli FOR, program w C wykonuje te same instrukcje w k�ko. Je�li te instrukcje zostan� umieszczone w pami�ci podr�cznej, p�tla FOR b�dzie dzia�a� znacznie szybciej. Z regu�y wi�kszo�� program�w b�dzie wykonywa�a w takich "lokalnych" p�tlach znaczny procent czasu. Jest to prawdziwa moc wykorzystywana struktury pami�ci podr�cznej w procesorze. Nawet niewielka ilo�� pami�ci podr�cznej przechodzi d�ug� drog�. Zasadniczo tylko szybsze uk�ady komputerowe ,maj� uk�ad obwod�w pami�ci podr�cznej, poniewa� tylko one mog� z niej naprawd� skorzysta�. Jak dzia�a pami�� podr�czna? Najpierw opiszemy bardziej z�o�on� struktur� pami�ci podr�cznej, p�niej przyjrzymy si� uproszczeniu. Przede wszystkim pami�� podr�czna zwykle ma zaledwie kilka tysi�cy s��w. Ka�de z tych s��w mo�e zawiera� zar�wno pe�ne s�owo danych pami�ci (duplikowanie zawarto�ci adresu pami�ci DRAM), jak i sam adres pami�ci DRAM. Poniewa� komputer odczytuje dane adresu DRAM, za pierwszym razem, kontroler pami�ci podr�cznej umieszcza dane i adres w pami�ci podr�cznej w tym samym czasie. P�niej, je�li program komputerowy odczyta ten adres DRAM pami�� podr�czna rozpozna adres jako dopasowanie, zwr�ci uwag� komputera szybko zast�pi dane z pami�ci podr�cznej i zmniejszy dost�p do pami�ci. Poniewa� program kontynuuje dost�p do adres�w DRAM w ma�ej "p�tli lokalnej", wszystkie dane z tych adres�w s� r�wnie� umieszczane w pami�ci podr�cznej. Poniewa� program kontynuuje przegl�danie tych adres�w DRAM pami�� podr�czna post�puj naprz�d z danymi i dzia�a w celu przyspieszenia pracy komputera. Gdy program przejdzie do innej cz�ci programu, nowe dane zostan� zapisane w pami�ci podr�cznej. Ale co si� dzieje, gdy pami�� podr�czna si� zape�ni? Og�lnie rzecz bior�c , kontroler pami�ci podr�cznej ma sprz�t kt�ry bada najmniej u�ywane s�owa w pami�ci podr�cznej. Kiedy nowa lokalizacja jest wymagana dla danych pami�ci podr�cznej, kontroler wybiera najmniej u�ywan� lokalizacj� pami�ci podr�cznej, zrzuca stare , nieu�ywane dane i umieszcza w niej nowe dane pami�ci podr�cznej. Na marginesie, kiedy dane s� zapisywane w pami�ci, kt�ra jest r�wnie� buforowana, dane s� zapisywane w pami�ci w tym samym czasie, w kt�rym s� zapisywane w prawdziwej pami�ci DRAM. W ten spos�b dane pami�ci podr�cznej pozostaj� takie same jak zawarto�� pami�ci DRAM. Kontroler pami�ci podr�cznej musi rozpoznawa� , kiedy musi dzia�a� gdy komputer uzyskuje dost�p do adresu DRAM. Najbardziej z�o�on� metod� jest przechowywanie adresu DRAM wewn�trz pami�ci podr�cznej. Kontroler pami�ci podr�cznej musi w�wczas mie� sprz�t dopasowuj�cy adres , kt�ry mo�e por�wna� wygenerowany komputerowo adres DRAM ze wszystkimi adresami w banku pami�ci podr�cznej. ten rodzaj sprz�tu jest drogi i jest og�lnie znany jaki Content Addressable Memory (CAM). Mniej kosztown� alternatyw� jest po prostu buforowanie tylko w niewielkim zakresie adres�w. Je�li komputer mo�e buforowa� wszystkie dane DRAM znajduj�ce si� w okre�lony zakresie adres�w pami�ci, rzeczy s� upraszczane. Kontroler pami�ci podr�cznej musi jedynie por�wnywa� g�rne bity adresu wygenerowanej przez komputer pami�ci DRAM z adresem buforowanego zakresu pami�ci. Pami�� podr�czna mo�e znajdowa� si� w kilku r�nych miejscach. Je�li znajduje si� w uk�adzie procesora, zwykle jest to pami�� podr�czna pierwszego poziomu (L1) Jest najszybszy i poniewa� jest w uk�adzie komputerowym, jest na og� najmniejszy i najdro�szy. Projektanci p�yt mog� r�wnie� umieszcza� uk�ady pami�ci podr�cznej pomi�dzy chipem komputera i DRAM. Ta pami�� podr�czna ,poza uk�adem procesora, jest og�lnie nazywana pami�ci� podr�czn� Level 2 (L2). Czasami pami�� podr�czna L2 znajduje si� r�wnie� wewn�trz uk�adu komputerowego. Pami�� podr�czna L2 jest wolniejsza ni� L1, ale cz�sto jest wi�ksza. Kontroler pami�ci podr�cznej najpierw sprawdza pami�� podr�czna L1. Je�li pami�� podr�czn� L1 nie ma danych, kontroler pami�ci podr�cznej sprawdza pami�� podr�czn� L2. Je�li pami�� podr�czna L2 nie ma danych, kontroler pami�ci podr�cznej przechodzi do pami�ci DRAM.

Cache Trashing

Jak widzia�e�, pami�� podr�czna jest najbardziej efektywna, gdy program komputerowy jest p�tl� w ma�ej p�tli lokalnej cz�� programu ogranicza si� do niewielkiej liczby adres�w pami�ci DRAM, kt�re mog� znajdowa� si� w pami�ci podr�cznej w tym samym czasie. Mo�liwe jest niew�a�ciwe u�ycie pami�ci podr�cznej. Rozwa�my program , kt�ry omija wszystkie miejsca w pami�ci. Kontroler pami�ci podr�cznej nie mo�e by� efektywny, je�li nie mo�e przechowywa� wszystkich instrukcji w pami�ci podr�cznej w tym samym czasie. Jest ci�gle proszona o umieszczenie nowych lokalizacji w pami�ci podr�cznej i jest nieefektywna. M�wi si� , �e programista "wyrzuca pami�� podr�czn�" Powt�rz to pi�� razy szybko! B�d� ostro�ny przy projektowaniu oprogramowania robota, kt�rego wykonanie programu nie przeskakuje za szybko. W wi�kszych , bardziej z�o�onych procesorach komputerowych (takich jak StrongARM), mo�liwe jest ograniczenie wykorzystania pami�ci podr�cznej do okre�lonych zakres�w pami�ci, a tym samym unikanie obszar�w programu komputerowego, kt�re zrzuca pami�� podr�czn� bez pozytywnych korzy�ci. Przy okazji pami�� podr�czna mo�e r�wnie� przechowywa� i na�ladowa� zawarto�� pami�ci flash.

Interakcja Pami�ci Podr�cznej Z DRAM

Wspomnieli�my wcze�niej ,�e DRAM mo�e by� u�ywana w trybie stronicowania. Gdy procesor z nowoczesnym kontrolerem pami�ci podr�cznej (takim jak Xscale StrongARM) odczytuje adres DRAM, nie czyta tylko jednej instrukcji . Poniewa� Dam pobiera 1024 bit�w jednocze�nie podczas cyklu RAS, procesor mo�e wykona� ,na przyk�ad, 16 cykli CAS, aby wype�ni� pami�� podr�czn� kolejnymi s�owami z pami�ci. Jest to bardzo czasoch�onny spos�b na wype�nienie pami�ci podr�cznej. Procesor ma inne zadania zwi�zane z pobran� instrukcj� , podczas gdy kontrole pami�ci podr�cznej jest zaj�ty przeci�ganiem s��w z pami�ci za pomoc� cykl�w CAS z trybu stronicowania. Wad� takiego dzia�ania jest to ,�e trudno jest monitorowa� dzia�ania procesora na zewn�trz , po prostu obserwuj�c aktywno�� na liniach adresu pami�ci.

Rejestry Obliczeniowe I Przechowuj�ce

Ka�dy uk�ad komputerowy jest w stanie wykonywa� funkcje arytmetyczne i logiczne. Zawieraj uk�ady obliczeniowe, kt�re mog� dodawa� i odejmowa� s�owa o d�ugo�ci s�owa przy pr�dko�ci instrukcji. Z pewno�ci� wa�ne jest ,aby przeanalizowa� wymagania dotycz�ce robota i obliczenia arytmetyczne, kt�re b�d� konieczne. Pom�wimy o tym p�niej, ale wa�ne jest aby zwr�ci� uwag� na jedn� lub dwie rzeczy tu. Po pierwsze , komputery zawieraj� zapasowe rejestry d�ugo�ci s�owa, kt�re s� u�ywane do przechowywania wynik�w po�rednich, gdy nie s� u�ywane. Je�li obliczenia obs�uguj� wiele r�nych liczb w tym samym czasie, komputer z wieloma zapasowymi rejestrami (zwanymi rejestrami og�lnego przeznaczenia [GP]) mo�e cz�sto wykonywa� obliczenia z wi�ksz� szybko�ci�. Aby skorzysta� z tej mo�liwo�ci, cz�sto musimy bardzo dok�adnie przyjrze� si� oprogramowaniu i kompilatorowi (je�li taki istnieje) Cz�sto kompilator automatycznie unika u�ywania rejestr�w GP, preferuj�c zamiast tego wolniejsze lokalizacje pami�ci. Dzieje si� tak , aby kompilator by� dost�pny na wielu r�nych komputerach , z kt�rych niekt�re maj� niewiele rejestr�w GP. Je�li mamy specyficzne procedury programowe (takie jak p�tle w oprogramowaniu system sterowania robota), kt�re chcemy przyspieszy�, mo�emy zwr�ci� szczeg�ln� uwag� na ten ma�y obszar kodu. Cz�sto z instrukcjami j�zyka C takimi jak konstrukcja rejestru, mo�emy wymusi� na kompilatorze generowania kodu, kt�ry b�dzie wykorzystywa� szybsze rejestry GP podczas oblicze�. Nadal musimy sprawdzi� kod po�redni, aby upewni� si� ,�e otrzymujemy po��dane rezultaty. Oczywi�cie je�li kod robot jest zapisany w kodzie asemblera, mo�na znacznie przyspieszy� ten proces. We�my pd uwag� struktur� wewn�trznego rejestru komputera podczas wybierania komputera lub projektowania oprogramowania. Pod drugie, nale�y pami�ta�, �e niekt�re maj� wi�cej sprz�tu obliczeniowego ni� inne .Wszystkie komputery maj� sta�e mo�liwo�ci obliczeniowe a niekt�re z nich maj� r�wnie� zmiennoprzecinkowe mo�liwo�ci . Inne ,jak ju� wspominali�my, maj� bardzo specjalne jednostki obliczeniowe z wbudowanym DSP lub sprz�tem komunikacyjnym. Ponownie przyjrzyjmy si� wymaganiom komputera.

Zbi�r Instrukcji

Zbi�r instrukcji jest j�zykiem podstawowym komputera. S� to zazwyczaj d�ugo�ci s�owa asemblerowego, na kt�re komputer mo�e spogl�da�, aby zrozumie� co musi zrobi� podczas wykonywania programu. Nie ma znaczenia, czy program jest w j�zykach C, Forth, C++, fortran lub asemblerze. Kompilatory i asemblery zawsze musz� redukowa� program do szeregu zbioru polece� , kt�re komputer mo�e wykona�. W j�zyku asemblera wygl�daj� mniej wi�cej tak:

Po przet�umaczeniu na warto�ci binarne, b�d� znajdowa� si� w takich s�owach instrukcji jak te :

Te instrukcje s� dekodowane z du�� pr�dko�ci� wewn�trz komputera i s� wykonywane natychmiast. Wiele lat temu, firmy komputerowe budowa�y komputery wielko�ci lod�wek i stara�y si� sprzedawa� klientom bogactwo zestaw�w instrukcji. Prawda jest taka ,�e prawie nikogo to nie obchodzi. Ludzie kupuj� komputery z zupe�nie innych powod�w ni� ten. Dlaczego wi�c mamy si� tym przejmowa�? Je�li budujemy robota i obserwujemy nasz bud�et, powinni�my ostro�nie wybra� komputer. Niekt�re chipy komputerowe b�d� lepiej odpowiada� naszym wymaganiom ni� inne. Patrz�c na to w inny spos�b, maj�c mocniejszy uk�ad komputerowy, cz�sto mo�emy zaoszcz�dzi� dostosowuj�c algorytmy robota do mocy komputera. Sp�jrzmy wi�c na niekt�re rodzaje zbior�w instrukcji.

RISC

RISC oznacza Reduced Instruction Set Computer. Wyimaginowany 8 bitowy zestaw instrukcji pokazany wcze�niej jest podobny do zbioru instrukcji RISC. Instrukcje s� elementarne i generalnie mog� wykonywa� tylko ma�e obliczenia w danym czasie. Maszyny RISC mia�y czerpa� moc z o�lepiaj�cej szybko�ci, nawet w por�wnaniu z bardziej z�o�onymi zestawami instrukcji. Komputery RISC by�y reklamowane dekady temu jako du�y post�p w sprz�cie komputerowym, zaprojektowanym w celu znacznego przyspieszenia oblicze�. Technologia ta w �aden spos�b nie podbi�a �wiata komputer�w. Wiele projekt�w komputerowych RISC wci�� istnieje, takich jak MIPS, ARM i inne. Generalnie maj� one mniejsze, prostsze matryce p�przewodnikowe i mog� by� �atwiej zintegrowane z ASICS ni� wi�ksze komputery rdzeniowe. Ale nie znalaz�y swojej niszy z powodu swej szybko�ci. Przeciwnie, znalaz�y swoje miejsce w projektach o niskiej mocy i wzgl�dnej mo�liwo�ci przenoszenia projekt�w.

CISC

Complex Instruction Set Computers (CISC) to norm� od czasu komercyjnego wykorzystywania komputer�w. Instrukcje s� du�o bardziej z�o�one ni� te w urz�dzeniach RISC (st�d nazwa). Chocia� maszyna CISC mo�e nadal zawiera� instrukcje ADD (dodawania) i SUB (odejmowania) mo�e r�wnie� zawiera� instrukcje MPY (mno�enia), DVD (dzielenia), ECC (sprawdzanie i korygowanie b��d�w) i MAC (mno�enie i akumulacja), kt�re wykonuj� skomplikowane obliczenia. Instrukcja MPY zwykle wymaga szeregu ADD i SHIFT. Instrukcja DVD wymaga serii SUB i SHIFT. MAC wymaga co najmniej MPY i ADD. Budowanie obwod�w steruj�cych w komputerze mo�e by� bardzo kosztowne, poniewa� mo�e zarz�dza� cyklami w tak z�o�onej instrukcji. Wi�kszo�� projektant�w procesor�w zbudowa�a procesor uCode (mikrokodu), w procesorze komputera. W efekcie ,ma�y, bardzo szybki procesor uCode RISC b�dzie w procesorze CISC. Program uCode by�by osadzony w szybkiej pami�ci tylko do odczytu (ROM), i wykona�by bardzo kr�tk� seri� cykli maszynowych uCoded w celu wykonania zamierzonej instrukcji CISC. Kod dla instrukcji MPY x,y wygl�da�by tak:

Program uCode wykona seri� przesuni�� i dodawa� dla osi�gni�cia MPY. Zalet� zestawu instrukcji uCoding jest to ,�e sprz�t CISC mo�e by� uproszczony. Wiele instrukcji CISC mo�e by� kodowanych za pomoc� zaledwie kilku wpis�w w pami�ci ROM z kodami uCode. Zestaw instrukcji CISC mo�e wymaga� wi�cej czasu aby wykona� program, ale skompilowane programy C (dostarczane przez u�ytkownik�w) mia�yby mniejsz� liczb� bajt�w. Niekt�re procesory uCoded umo�liwiaj� u�ytkownikom ko�cowym dostarczenie kodu uCode, kt�ry mo�e by� wykonany z szybkiej pami�ci RAM wewn�trz silnika uCode. Ta funkcja jest pr�b� projektant�w CISC uchwycenia niekt�rych zalet architektury RISC. U�ytkownicy ko�cowi mog� skutecznie tworzy� w�asne instrukcje. Jest to przydatne , je�li robot ma jeden lub dwa proste algorytmy, kt�re musz� dzia�a� szybciej. Jednak zapisywanie kodu uCode mo�e by� bardzo tudne. Dokumentacja cz�sto nie jest dobra, a wsparcie cz�sto jest gorsze . G��wna zalet� urz�dzenia uCodec CISC jest bogactwo zestawu instrukcji. Wielu projektant�w maszyn CISC dostarcza specjalistycznych instrukcji kt�re mog� by� przydatne w konkretnych okoliczno�ciach. Niekt�re komputery CISC b�d� mia�y okre�lone instrukcje dotycz�ce przetwarzania ci�g�ych strumieni danych , kt�re mog� pochodzi� interfejs�w komunikacyjnych. Staje si� to prawie przeplatane z urz�dzeniami DSP. Je�li robot potrebuje specjalizowanych instrukcji lub przetwarzania danych , poszukaj ich w zestawie instrukcji CISC rozwa�anych procesor�w. Procesory Pentium maj� zestaw instrukcji Multimedia Etenxsion (MMX) i pewne konstrukcje , kt�re s� dobre dla przetwarzania danych wektorowych. Niekt�re maszyny CISC dostarczaj� instrukcje zmiennoprzecinkowe, kt�re mog� znacznie przyspieszy� niekt�re algorytmy . Inne zapewniaj� instrukcje komunikacyjne, takie jak obliczanie wielomian�w ECC i kod�w Viterbiego.

Koprocesory

Chc�c zapewni� dodatkow� moc procesor�w, niekt�rzy projektanci tworz� par� procesor�w razem. Procesory klasy Pentium mog� dzia�a� w tandemie. Dzi�ki temu te same programy dzia�aj� nieco szybciej bez znacz�cych modyfikacji . Inni projektanci po��czyli procesory o r�nych mo�liwo�ciach. PowerPC firmy Motorola jest w takiej samej klasie. Drugi procesor jest nazywany jest procesorem komunikacyjnym i jest zarezerwowany prawie wy��cznie na u�ytek projektant�w procesor�w .Motorola w celu zapewnienia przetwarzania komunikacji. Jest to prosta maszyna RISC, kt�ra nie jest udokumentowana dla u�ytkownik�w ko�cowych. Jest u�ywany , na przyk�ad, do zapewnienia przetwarzania niezb�dnego do wdro�enia interfejs�w LAN (sieci lokalnej) . Procesor komunikacyjny mo�e obs�u�y� jednocze�nie kilka interfejs�w komunikacyjnych, ograniczonych jedynie ca�kowit� przepustowo�ci� koprocesora. Inne protoko�y komunikacyjne, takie jak ATM, Sonet i inne, s� dost�pne jako kompletny kod uCode, kt�ry mo�na za�adowa� do koprocesora i rozpocz��. Je�li uda nam si� znale�� procesor o znacznej mocy przetwarzania mo�na go wykorzysta� go do przetwarzania r�wnoleg�ego. nowo wprowadzone procesory sieciowe mog� by� u�ywane w ten spos�b. Jest to w zasadzie wiele procesor�w RISC w jednym chipie. S� u�ywane do przetwarzania pakiet�w w Internecie, zadania, kt�re mo�na podzieli� na partycje i wymaga du�ej mocy. Te uk�ady s� dost�pne w Vitesse, IBM, Mototrola i wielu innych. Do tej pory by�y one u�ywane tylko do przetwarzania sieciowego, kt�re obs�uguje pakiety IP w czasie rzeczywisty, ale s� bardzo wydajnymi maszynami do przetwarzania r�wnoleg�ego i mog� dzia�a� dobrze w systemie sterowania robotem.

Input/Output (I/O)

Bez wzgl�du na to jak dobry jest procesor, nie ma sensu , je�li nie mo�e komunikowa� si� ze �wiatem zewn�trznym. Komputer mo�e przetwarza� informacje tak szybko jak najwolniejsze ��cze w swoim �a�cuchu komunikacyjnym. Poza tradycyjnym wej�ciem/wyj�ciem (I/O) , do kt�rego dojdziemy za chwil�, inne �cie�ko komunikacyjne w komputerze mog� go spowolni� Je�li pami�� jest zbyt wolna dla procesora, wszystko zwalnia. Podczas projektowania systemu robota po raz pierwszy nale�y bardzo uwa�nie analizowa� wymagane przepustowo�ci komunikacyjne w ca�ym obwodzie komputera. Pomy�l o osobie niewidomej. Niewidomy mo�e z pewno�ci� my�le� szybko i wymy�la� rzeczy, ale mo�e zaj�� mu wi�cej czasu ni� wi�kszo�ci aby przyswoi� wizualne lub drukowane materia�y za pomoc� Braille'a. Jako taka, osoba niewidoma mo�e nie by� najlepszym wyborem jako kontroler ruchu lotniczego. �wiat jest dopasowany do ludzi widz�cych i dlatego cz�sto stawia osoby niewidome w gorszej sytuacji. Jednak niewidomi mog� mie� zalety w sytuacjach, w kt�rych ich specjalnie wyszkolone umiej�tno�ci s�yszenia wychodz� na pierwszy plan. Tak wi�c niekt�re procesory maj� wi�ksz� przepustowo�� we/wy ni� inne. Je�li architektura systemu robota wymaga aby procesor przetrawia� i przetwarza� wszystkie bajty przychodz�ce w interfejsie LAN 1000BT z pe�n� pr�dko�ci�, to ca�kiem niez�y zak�ad, �e nie b�dzie �adnych 8 bitowych procesor�w, kt�re poradz� sobie z tym. Musimy oceni� wiele miejsc wewn�trz sprz�tu komputerowego aby ustali� ,czy wystarczaj�ca przepustowo�� b�dzie w stanie obs�u�y� rozwa�any projekt.. Poni�ej rozwa�my nast�puj�ce sk�adniki komputera.

Magistrale

Magistrala to �cie�ka komunikacyjna wewn�trz komputera , kt�ry przenosi dane z jednego miejsca do innego. Og�lnie rzecz bior�c, magistrala jest zbiorem �lad�w drutu na p�ytce drukowane z protoko�em, kt�ry definiuje znaczenie sygna��w na �cie�kach. Nie jest mo�liwe umieszczenie wi�kszej ilo�ci danych w magistrali ni� w protokole, kt�ry mo�e obs�u�y�. W rzeczywisto�ci rzadko si� zdarza ,�e mo�na uzyska� pe�n�, nieprzetworzon� przepustowo�� magistrali. Planuj�c projekt systemu, rozs�dnie jest zmniejszy� pr�dko�� magistrali od 50 do 80 procent reklamowanej przepustowo�ci. Jest to najprawdopodobniej najszybsza szybko�� z jak� b�dziemy mogli przesy�a� bajty przez magistral�. Magistrale s� zwykle projektowane przez komitety bran�owe w celu rozwi�zania konkretnych problem�w transferu danych. Cz�sto magistrala zostanie zaprojekowana aby umo�liwi� wiele producentom zbudowanie kompatybilnego sprz�tu. Magistrale maj� charakterystyki takie jak szeroko�� (analogiczna do d�ugo�ci s�owa), szeroko�� pasma w bajtach na sekund�, napi�cie i obci��enie. Obci��enie okre�la liczb� oddzielnych urz�dze� , kt�re mog� by� pod��czone do magistrali w tym samym czasie. W wi�kszo�ci system�w komputerowych stosuje si� wiele magistral. Aby upewni� si� ,�e por�wnujemy przepustowo�� ka�dej magistrali z wymaganiami okre�lonym przez architektur� systemu, wa�ne jest aby wymieni� ka�d� magistral� w komputerze. Niekt�re magistrale s� ukryte przed wi�kszo�ci� u�ytkownik�w, i nie maj� nawet popularnych nazw.

Magistrala Pami�ci

Wszystkie komputery maj� interfejs mi�dzy pami�ci� a procesorem. Procesor mo�e tylko odczytywa� i zapisywa� w pami�ci z okre�lon� pr�dko�ci�. Je�li architektura systemu wymaga od procesora odczytania danych, manipulowania nimi i przepisywania ich, musimy bardzo uwa�a� przy pr�dko�ci magistrali pami�ci. Je�li architektura systemu wymaga manipulacji danymi w �cis�ym bud�ecie czasowym, musimy doda� czas wykonania procesora do dwukrotno�ci czasu transferu danych (jeden transfer do odczyttu i jeden transfer do zapisu). Czas transferu mo�e okaza� si� znacz�cym procentem og�lnego czasu. Je�li jest to problem, mo�emy poszuka� wi�kszej szyny pami�ci do pacy. Czasami procesor jest zbyt wolny w transferach. W takim przypadku mo�emy szuka� sprz�tu Direct Memory Access (DMA). Obwody DMA mog� przesy�a� impulsy danych szybciej ni� wi�kszo�� procesor�w. Czasami sprz�t DMA jest zawarty w procesorze a czasami mo�emy go doda� z zewn�trznymi uk�adami. Mniejszej procesory zazwyczaj nie maj� mo�liwo�ci DMA. Oto dobra zasada . Je�li analiza architektury robota pokazuje ,�e magistrala pami�ci jest obci��ona a� o 30 procent od danych poruszaj�cych si� po niej, rozwa� komputer szybszy, z szersz� magistral� pami�ci lub transfery DMA.

Magistrala Video

Wiele system�w komputerowych jest u�ywanych do przetwarzania ogromnych ilo�ci danych wideo i graficznych .Systemy gier z pewno�ci� s� takie, a konkretne komputerowe magistrale graficzne s� bardzo szybkie i elastyczne. Kar� za wyb�r z�ej magistrali graficznej mo�e by� s�aba grafika, op�nione obrazy lub awaria systemu. Je�li projekt robota b�dzie wykorzystywa� wiele wy�wietlaczy graficznych i manipulacji, wejd� na pocz�tek na stron� www.agpforum.org/ . Porozmawiajmy teraz o niekt�rych standardowych magistralach. Standardowe magistrale s� nast�puj�ce:

• Architektura ISA (Industry Standard Architecture) nie oznacza ju� tego co wida�. Ta magistrala wywodzi si� z oryginalnych PC, i by�a podstaw� przemys�ow� od wielu lat, ale jest teraz przestarza�a. Magistrala mia�a ograniczon� przepustowo�� na poziomie 8 MBps. Nie u�ywaj jej!
• Peripheral Component Interface (PCI). Magistrala PCI przej�a standardow� magistral� w przemy�le PC. To magistrala z wyspecjalizowanym rodzajem sygna�u, kt�ry jest ograniczony na dwa sposoby. Sygna�y mog� porusza� si� tylko w ograniczonej odleg�o�ci (mniej wi�cej w rozmiarze p�yty g��wnej komputera). Ponadto na magistrali mo�na umie�ci� tylko oko�o 4 �adunk�w (np. z��cza lub szpilki uk�adu scalonego) zanim zacznie si� �adowa� i ulega� awarii. Istniej� uk�ady mostkowe, kt�re mog� rozszerzy� magistral� PCI na wi�cej obci��e� i gniazd. Istnieje kilka wersji magistrali zr�nicowanych pod wzgl�dem napi�cia, szeroko�ci s�owa i cz�stotliwo�ci. Najbardziej rozpowszechniona wersja ma nast�puj�ce cechy : 5 wolt�w i 32 bity przy 33 MHz. Daje to przepustowo�� (32/8_ x 33 miliony = 132 MBps na sekund� (pr�dko�� nieprzetworzona) . Z praktycznego punktu widzenia, nikt nigdy nie osi�gnie warto�ci wy�szej ni� 100 Mb/s z magistrali z powodu zada� porz�dkowych, kt�re maj� miejsce na magistrali. Maksymalny rozmiar technologii magistrali PCI to obecnie 64 bity przy 133 MHz dla przepustowo�ci 1 Gb/s (pr�dko�� nieprzetworzona). PCI sta�o si� standardem bran�owym. Wielu producent�w p�yt i wielu producent�w uk�ad�w przyj�o go. Je�li komputer robota obs�uguje magistral� PCI, dost�pnych b�dzie wiele zewn�trznych platform do dostosowania projektu i zaoszcz�dzania czasu. Magistrala PCI by�aby doskona�ym wyborem dla robota , o ile mo�na rozwi�za� problemy zwi�zane z drganiami. Magistrala ma oko�o sto pin�w na ka�dym z��czu. Wystarczy jeden pin aby unikn�� wibracji ,aby os�abi� system.
• Karty PCMCIA. Standard ten opisuje nie tyle magistral�, , co gniazdo interfejsu. Wiele urz�dze� peryferyjnych jest dost�pnych jako kieszonkowe karty PCMCIA, wi�c jest to dobra opcja dla dodawania pami�ci i urz�dze� peryferyjnych do robota. Wi�kszo�� przeno�nych komputer�w ,a gniazda PCMCI, aby pomie�ci te karty. Szybko�� przesy�u to 20 MB/s
• Universal Serial Bus (USB). USB jest standardem szeregowym (za pomoc� cienkiego kabla), kt�ry mo�na przesy�a� z pr�dko�ci� oko�o 1,5 MB/s. Jest to dobrze znany w bran�y PC i umo�liwia szybkie pod��czenie urz�dze� peryferyjnych do komputera , nawet przy wy��czonym zasilaniu. W przypadku robot�w USB mo�e by� �atwym sposobem na pod��czenie do innego komputera w celu komunikacji lub pobierania. Wiele komputer�w przeno�nych obs�uguje ten standard i mo�na go dostarczy� do obora w celu jego obs�ugi.
• Firewire, IEEE1394. Standard FireWire jest zwykle stosowany w systemach wymagaj�cych du�ej ilo�ci danych multimedialnych (audio lub wideo). Kamery i inne urz�dzania multimedialne ��cz� si� ze sob� za pomoc� cienkich kabli szeregowych o gor�cych �atkach. D�wi�k i obra mo�na przesy�a� w czasie rzeczywistym, bez przerw, mi�dzy urz�dzaniami. Specyfika strumieni medi�w polega na tym ,�e nie mo�na ich przerywa� bez zauwa�alnej degradacji transmisji. Je�li na przyk�ad w strumieniu cyfrowego sygna�u wideo wyst�pi przerwa, na ekranie mog� by� widoczne bloki. Protok� FireWire zosta� zaprojektowany w celu zagwarantowania dostarczania danych medialnych na ca�ym skro�nym przewodzie. Je�li robot musi przesy�a� dane wideo i audio. Firewire mo�e by� dobrym kandydatem do tych transmisj. Transmisja wideo wymaga przepustowo�ci transmisji od oko�o 15 do 34 MB /s. FireWire mo�e obs�u�y� oko�o 50 MB/s (aby obs�u�y� wiele strumieni transmisji) i planowane s� szybsze wersje
• Controoler Area Network (CAN). Magistrala CAN jest standardem magistrali szeregowej przeznaczonym do u�ytku w ha�a�liwym otoczeniu, takim jak samochody i zak�ady przemys�owe. Mo�e przesy�a� dane z szybko�ci� dl 125 KBps w przypadku kabli o d�ugo�ci od 40 do 1000 metr�w (w zale�no�ci od szybko�ci transmisji danych). Jego inn� g��wn� zalet� jest to ,�e oszcz�dza koszty okablowania, co jest wa�nym czynnikiem przy wykonywaniu tysi�cy samochod�w. Je�li gen robota emituje du�o szumu elektrycznego z silnik�w, CAN mo�e by� dobrym wyborem dla magistrali eklektycznej wewn�trz robota
• Inter-IC (I2C). I2C jest standardem magistrali szeregowej u�ywanym g��wnie do sygnalizacji w pojedynczej p�ytce drukowanej, chocia� co najmniej jedna wersja protoko�u u�ywa kabla. Jego g��wn� warto�ci jest zapisanie liczby pin�w na ma�ych uk�adach, kt�re wymaga powolnych, z�o�onych transmisji danych. Je�li robot ma problemy z p�yt� PCB, to uk�ady I2C mog� zaoszcz�dzi� sporo miejsca. Maksymalna przepustowo�� to oko�o 400 KB/s

Sieci

�adna dyskusja na temat I/O nie by�aby kompletna bez dyskusji na temat LAN I/O. Prawie ka�dy system komputerowy ma interfejs sieciowy, niezale�enie od tego czy jest pod��czony czy nie. W codziennym �yciu biznesowym ka�dy komputer jest pod��czony do sieci w biurze. Sie� ,tak jak ma to zastosowanie do komputera, wygl�da jak pojedynczy kabel, kt�ry ��czy si� z komputerem. Oprogramowanie komputerowe wie jak rozmawia� z innymi komputerami w sieci i mo�e korzysta� z tego przewodu. Powszechnie u�ywane ��cza komunikacyjne (mi�dzy komputerami) u�ywane w komunikacji sieciowej s� nast�puj�ce:

• 10/100 BaseT. Pojedynczy kabel pod��cza si� z ty�u komputera, aby zapewni� ��czno�� 10/100BT. Kabel mo�e wygl�da� jak kabel telefoniczny lub mo�e by� wsp�osiowy, podobnie jak kabel telewizji kablowej. Mo�e wykorzystywa� napi�ciowe sygna�y Ethernet i protoko�y, i prawdopodobnie jest bezpo�rednio pod��czony do skrzynki rozdzielczej w tylnym pomieszczeniu pe�nym komputer�w serwerowych. Jest to najbardziej popularny spos�b ��czenia komputer�w i by�by dobrym wyborem dla robota. Wi�kszo�� p�yt komputerowych zakupionych od r�ki ma z��cza sieciowe, ale uwaga : ten typ systemu komunikacji wymaga znacznej ilo�ci oprogramowania do jego obs�ugi. Je�li robot potrzebuje takiego ��cza komunikacyjnego (i z��cza), upewnij si� ,�e komputer robota b�dzie zawiera� odpowiednie oprgramowanie do obs�ugi stosu. Interfejs 10BT na nieprzetworzon� przepustowo�� 1,25 MB/s ale genralnie nie obs�uguje wi�cej ni� 75 procent tego. 100 BT jest 10 razy szybszy. Wiele komputer�w obs�uguje oba interfejsy. Interfejs 1000BT jest 10 razy szybszy , obs�uguj�c przepustowo�� 125 MBps. Nie zapomnij zmniejszy� tej liczby dla cel�w praktycznych . Jednak przy takich pr�dko�ciach wiele komputer�w nie mo�e nawet nad��y� za interfejsem 1000BT. Potrzebne s� szybkie, 32 bitowe systemy . Pami�taj ,�e system komputerowy robota b�dzie tak szybki jak jego najs�absze ogniwo.
• Bezprzewodowy (RF). Jest ma�o prawdopodobne ,�e robot b�dzie wymaga� mobilno�ci. Zak�adaj�c , �e tak jest, posiadanie przewodu sieci lokalnej (LAN) pod��czonego do �ciany , jest niepraktyczne (nie jest cool). Projektanci dawno temu uwolniki w�a�cicieli komputer�w od takich wi�zek przewod�w , wprowadzaj�c kilka protoko��w bezprzewodowych. Najpopularniejszy to 802.11, kt�ry wyst�puje w r�nych wersjach, z kt�rych najcz�stszy to 802.11b. Zapewnia pr�dko�� do 1,3 MB/s,m por�wnywaln� z przewodowym standardem 10BT. Je�li uda nam si� ograniczy� potrzeby komunikacyjnej robota do u�amka tej przepustowo�ci, to 802.11b mo�e stanowi� doskona�y wyb�r dla komunikacji zewn�trznej. Nale�y pami�ta� ,�e ��cze komunikacyjne RF jest znacznie bardziej podatne na b��dy ni� po��czenie przewodowe. Silniki, komputery, �wiat�a, stacje radiowe, a nawet gwiazdy emituj� zak��cenia, kt�re mog� szybko uszkodzi� dobrze zaprojektowane , standardowe po��czenie komunikacyjne RF .Zachowaj ostro�no�� podczas korzystania z ��cza RF Upewnij si� ,�e odleg�o�ci transmisji s� dobrze znane, poniewa� sygna�y RF ulegaj� szybkiemu spadkowi na odleg�o��. System sterowania robotem musi przetrwa� przerwanie lub uszkodzenie strumieni danych przesy�anych przez ��cze komunikacyjne
• Bezprzewodowe �wiat�o podczerwone (IR) jest kolejn� mo�liw� metod� komunikacji z miejsca na miejsce. IR istnieje w �wietle s�onecznym i wsz�dzie w naszym codziennym �yciu. To mo�e nam da� poparzenia s�oneczne i tylko czeka aby zepsu� pierwsze automatyczny ��cze komunikacyjne IR jakie mo�e znale��. B��dz�ce promieniowanie podczerwone jest mniej rozpowszechnione w pomieszczeniach zamkni�tych dla szybkich ��czy danych na kr�tkich dystansach. TV mo�e by� jedynym urz�dzeniem , kt�re wci�� u�ywa IR w wi�kszo�ci dom�w

Urz�dzenia Peryferyjne

Na zako�czenie omawiania I/O, porozmawiajmy o urz�dzeniach peryferyjnych. Chocia� korzystanie z urz�dze� peryferyjnych obejmuje transmisj� danych przez magistrale komunikacyjne i ��cza, r�ni si� pod pewnymi wzgl�dami . Urz�dzenia peryferyjne s� cz�sto uwa�ane za �r�d�a lub miejsca przeznaczenia danych. S� to urz�dzenia pod��czone do komputera w celu umo�liwienia wprowadzania , przechowywania lub wy�wietlania danych. Urz�dzenia peryferyjne s� nieco nudne i powszechnie opisywane w tysi�cach artyku��w. Dlaczego wi�c m�wimy o tym tutaj? Przede wszystkim roboty s� powszechnie uwa�ane za urz�dzenia przeno�ne. Urz�dzenia peryferyjne musz� by� starannie dobrane , je�li maj� spe�nia� wymagania dla robota. Je�li robot porusza si� lub wibruje, nale�y uwzgl�dni� wiele nowych wymaga�, w tym wibracje, wstrz�sy, temperatur�, wilgotno��, niezawodno�� mocy i promieniowanie elektryczne. Przyjrzyjmy si� wszystkim tym czynnikom p�niej, bior�c pod uwag� kwestie �rodowiskowe, ale przyjrzymy si� niekt�rym urz�dzeniom peryferyjnym I/O tu.

Dyski

Dysku twarde (HD) s� znane wi�kszo�ci ludzi. S� w wi�kszo�ci komputer�w osobistych i okazjonalnie s� �r�d�em frustracji, je�li �le si� zachowuj�. Po przerwaniu mog� powodowa� znaczne b�le g�owy i utrat� drogich danych. �rodowisko w kt�rym dzia�aj� jest wa�ne do rozwa�enia. �rodowisko biurowe jest pod wieloma wzgl�dami stabilne. Je�li HD jest wprowadzane do robota, musi by� traktowane prawid�owo. HD to w zasadzie wiruj�cy dysk z materia�u magnetycznego, kt�ry mo�e zawiera� bity na jego powierzchni. G�owica do odczytu / zapisu przesuwa si� po powierzchni i zapewnia dost�p do tych bit�w dla komputera. Projektuj�c HD w robocie, we� pod uwag� nast�puj�ce cechy HDL

• Wibracje. Podczas pracy HD utrzymuje g�owic� odczyt/zapis nad powierzchni� dysku. Odleg�o�� mi�dzy nimi jest bardzo ma�a, rz�du milionowych cz�ci milimetra. Wibracje powodowane przez silnik, ko�a, si�owniki i inne ruchy lub robot poruszaj�cy g�owic� dysku zrujnuj� dane. W najgorszych przypadkach g�owica dysku mo�e dotyka� powierzchni dysku i zeskroba� pow�ok� magnetyczn� ca�kowicie niszcz�c HD. Dok�adnie przeczytaj specyfikacj� wibracji HD. zanim go u�yjesz w projekcie robota. Zastan�w si� nad zast�pieniem HD dro�sz� alternatyw�, tak� jak karty pami�ci flash. kt�re nie maj� ruchowych cz�ci. Przy projektowaniu robota, m�drze jest ograniczy� ilo�� danych, kt�re b�d� musia�y by� przechowywane. Je�li HD musi wej�� do robota, rozwa� u�ycie HD specjalnie stworzonego dla laptop�w. Nap�dy HD w laptopach jest bardziej wytrzyma�a. • Szok. Je�li robot trafi na dziur�, przewr�ci si� lub po prostu odbije si�, mo�e wyst�pi� nag�y szok dla HD. Nie jest niczym niezwyk�ym , �e si�y uderzenia uderzaj� 50 do 100 si�y grawitacji przez bardzo kr�tki okres czasu. Mog� istniej r�ne specyfikacje wstrz�s�w dla operacji i przechowywania. Pr�buj�c dopasowa� specyfikacje HD do specyfikacji robota, nie zapomnij uwzgl�dni� okresu w kt�rym robot jest wysy�any ale nie dzia�a . Je�li HD nie mo�e podj�� okre�lonego szoku w wymaganiach robota, rozwa�my inn� technologi� tak� jak karty flash. Inn� opcj� by�oby rozwa�enie obni�enia specyfikacji robota aby by� on traktowany �agodniej w dzia�aniu.
• Temperatura. Jak ka�dy komponent robota, HD b�dzie posiada� ocen� temperatury .Jedyn� dodatkow� rzecz�, kt�r� nale�y wzi�� pod uwag� jest to ,�e temperatura mo�e powodowa� czasowe kurczenie si� lub rozszerzanie HD, a przez to powodowa� b��dy przez pewien czas.
• �yroskopowy moment obrotowy HD zawiera wiruj�ce masy. Jako takie b�d� zachowywa� si� jak �yroskop. Pami�tasz te wiruj�ce zabawki, kt�re mog� balansowa� na twoim palcu? �yroskopowe dzia�anie w dowolnym HD wywiera te same si�y Ka�dy HD b�dzie si� opiera� odwr�ceniu. Je�li robot b�dzie wirowa� lub porusza� si� w taki spos�b ,ze HD jest rzucany wok�, lepiej wykona� kilka najgorszych mo�liwych oblicze� pr�dko�ci obrotowej HD. Specyfikacja HD mo�e by� zbyt jasna co do momentu obrotowego, kt�ry mo�e wytrzyma� nap�d bez powodowania b��d�w. Je�li to mo�liwe, zorganizuj ruchy robota maj�ce wp�yw na HD , kt�re b�d� wsp�p�aszczyznowe z obracaj�c� si� mas� HD. Obraz HD umieszczony na p�askiej powierzchni. Wi�kszo�� HD ma kszta�t cegie�ki, a powierzchnia dysku wirusje jak zapis obracaj�cy si� wok� pionowej osi. Dzia�aj�cy HD mo�e przesuwa� si� w bok bez wysi�ku, nie wywo�uj�c si� �yroskopowych. Ale je�li HD jest skr�cony w bok, b�dzie odporny na si�y �yroskopowe. Si�y te mog� zepsu� dane lub wypali� �o�yska silnika w miar� up�ywu czasu.
• Czas rozp�dzenia HD trwa kilka sekund, aby zakr�ci� si� do pr�dko�ci roboczych. Je�li informacje na temat HD musz� by� natychmiast dost�pne, nie pozwalaj HD na automatyczne obracanie si� przy u�yciu. Niekt�re systemy komputerowe umo�liwi� obr�t HD w celu oszcz�dzania energii. Je�li jest to problem, upewnij si�, �e komputer nie mo�e wy��czy� silnika dysku.
• D�ugowieczno��. HD ma sko�czone �ycie. Powinna istnie� informacja Mean Time Beetwen Failure (MTBF) dla HD, kt�ra uwzgl�dnia pewne mechanizmy awarii. Je�eli wyst�pi awaria elektryczna, �o�ysko wrzeciona ulegnie zu�yciu lub powierzchnia magnetyczna HD ulegnie zu�yciu. Ponadto mog� pojawi� si� pewne problemy dotycz�ce degeneracji danych w d�u�szym okresie i staj� si� problematyczne. P�yty CD maj� ten problem, HD , prawdopodobnie te�.
• Wska�nik b��d�w. HD pope�niaj� b��dy. Og�lnie, rejestrowane sygna�y s� wi�cej ni� wystarczaj�ce aby umo�liwi� prawid�owy odczyt danych
• Z�a powierzchnia dyskowa. HD posiada r�wnie� mechanizm zapobiegaj�ce powstawaniu z�ych miejsc na powierzchni dysku. Oddzielne miejsce znajduje si� na powierzchni HD, aby rejestrowa� lokalizacj� z�ych sektor�w na powierzchni, aby mo�na je by�o wysy�a� z fabryki bez posiadania idealnych no�nik�w. HD mo�e wtedy ca�kowicie unikn�� tych z�ych miejsc. Jednak powierzchnia dysku mo�e r�wnie� rozwija� nowe z�e miejsca. Je�li system operacyjny wykryje takie zdarzenie, mo�e to zrekompensowa�.
• Z�e zapisywanie lub odczyt. Czasami dysk si� pomyli. B��dy mog� wyst�pi� z powodu problem�w z no�nikami, wibracji i prawdopodobnie faz ksi�yca! Zwykle oprogramowanie systemu operacyjnego jest zaprogramowane aby wykry� problem i zrekompensowa� go. Je�li projekt robota jest taki ,�e dane nie mog� zosta� utracone, w�wczas nale�y zapisa� wiele obraz�w dysk�w. Mo�liwe jest r�wnie� umieszczenie w tym celu wiele dysk�w. Poczytaj na temat system�w nadmiarowej macierzy dyskowej (RAID) ,je�li jest to wymagane dla zaprojektowania robota.
• No�niki wymienne. Projekt robota mo�e wymaga� dodania wymiennego no�nika Dyskietki , dyski CD-ROM lub karty pami�ci mog� by� u�ywane do dodawania lub usuwania danych z robota. Ten rodzaj ��cza komunikacyjnego dzia�a, je�li dane nie musz� by� natychmiast przekazywane .Nazywa si� Sneaker Net, poniewa� operator przechadza si� i przenosi dane. Jedyne uwagi o jakich musisz pami�ta� to:

- No�niki wymienne mog� by� mniej niezawodne ni� no�niki trwa�e
- No�niki wymienne mo�na skra�� lub zgubi�
- No�niki wymienne mog� si� zepsu� z powodu wstrz�su
- Nap�dy no�nik�w wymiennych pozostawiaj� dodatkow� dziur� w boku robota, kt�ra mo�e przyjmowa� zabrudzenia u zak��cenia RF

• Po��czenia i integralno�� kabli. HD maj� wiele po��cze�. W dowolnej aplikacji przeno�nego robota po��czenia mog� by� elementem niewiarygodnym. Je�li HD ��czy si� bezpo�rednio z PCB robota, wtedy liczba po��cze� jest minimalizowana. Je�li HD jest pod��czony do robota za pomoc� elastycznego kabla, liczba po��cze� jest podwojona (zmniejsza niezawodno�ci), a inny komponent zostaje wprowadzony do systemu. Elastyczny kabel naprawd� spe�nia swoj� rol�, wygina si�. Je�li robot porusza si� troch�, wszystkie elementy b�d� poddane dzia�aniu si� przyspieszenia. Wi�kszo�� elastycznych kabli nie jest w stanie wytrzyma� ci�g�ego zginania. S� one elastyczne tylko dlatego ,�e kabel mo�e si� wygi�� i uzyska� odpowiednie po��czenie. Specjalnie wykonane elastyczne kable mog� by� zaprojektowane do wielokrotnego zginania w aplikacjach mobilnych, ale musz� by� okre�lone do takiego zastosowania, a wi�kszo�� z nich nie. Elastyczne kable mog� ostatecznie p�kn��.

Nap�dy Ta�mowe

Wydaje si� oczywiste ,�e wszystkie rozwa�ania , o kt�rych dyskutowali�my na temat HD, dotycz� r�wnie� nap�d�w ta�mowych. Aby powt�rzy� te rozwa�ania, wymie�my tematy z poprzedniej sekcji:

• Wibracje
• Szok
• Temperatura
• �yroskopowy moment obrotowy
• Czas rozp�dzenia
• D�ugowieczno��
• Wska�nik b��d�w
• No�niki wymienne
• Po��czenia i integralno�� kabla

Nast�puj�ce kwestie s� nieco inne

• Wi�kszo�� nap�d�w ta�mowych obs�uguj�cych no�niki wymienne ma du�e otwory. Otwory te mog� przyjmowa� zanieczyszczenia i dopuszcza� emisje RF zar�wno do robota jak i z niego
• Sprawd� orientacje, w kt�rych mo�e dzia�a� nap�d ta�m. Niekt�re dyski ta�mowe mog� mi�c wi�cej ogranicze� ni� inne

Drukarki

Wiele z tych samych problem�w zwi�zanych z HD ma r�wnie� znaczenie dla drukarzy. Te same problemy s� tutaj wymienione jako przypomnienie. Niekt�re z nich zosta�y zmodyfikowane . Je�li robot musi mie� drukark� na pok�adzie, rozwa� te same problemy

• Drukarki wibracyjne nie tylko mog� dzia�a� nieprawid�owo w obecno�ci wibracji i wstrz�s�w, ale tak�e generowa� wibracje i wstrz�sy oraz rozprowadza� je w ca�ym robocie Te dodatkowe ruchy musz� zosta� dodane do specyfikacji �rodowiska , kt�re robot musi wytrzyma�. M�wi�c inaczej, ruch drukarki powoduje ,�e og�lne wymagania dotycz�ce wibracji i wstrz�s�w s� bardziej rygorystyczne.
• Szok
• Temperatura. Kiedy oceniamy wydajno�� robota w skrajnych temperaturach, nie zapominaj o w�a�ciwo�ciach atramentu i papieru. Te komponenty musza r�wnie� przechodzi� przegl�d. Nie zapominaj ,�e papier jest g��wnym �r�d�em kurzu.
• �yroskopowy moment obrotowy.
• Czas rozp�dzenia. Wielu drukarkom zajmuje sporo czasu aby si� rozgrza�; d�u�ej ni� dyskom.
• D�ugowieczno��. Drukarki s� mniej niezawodne ni� HD. R�wnie� szybciej si� zu�ywaj�
• Wska�nik b��d�w
• No�niki wymienne. Drukarki prawdopodobnie pozostawiaj� ogromne otwory po bokach robota. Generuj� one emisj� RF i dopuszczaj� brud i kurz.
• Po��czenia i integralno�� kabla

Wy�wie tlacze

Kiedy rozwa�my du�e wy�wietlacze, takie jak LCD dla projektowanego robota, musimy rozwa�y� wiele problem�w

• Wy�wietlacz Shock Glass p�kn�, gdy si�y G stan� si� zbyt wysokie. Bardzo �atwo jest prze�ama� LVD. Ludzie �ami� ekrany swoich przeno�nych PC nieustannie.
• Temperatura. LCD maj� bardzo ograniczony zakres temperatur i stan� si� nieczytelne poza tym zakresem temperatur. Poszukaj innych typ�w wy�wietlaczy, je�li robot musi dzia�a� w szerokim zakresie temperatur.
• D�ugowieczno��. Pod�wietlenie wy�wietlacza LCD mo�e z czasem ulec zu�yciu, powoduj� ,�e b�dzie przyciemniony i niejednolity. Mo�e si� to zdarzy� , je�li wy�wietlacz LCD zawiera �ar�wki, kt�re b�d� cierpie� z powodu migracji metalu w czasie. Poszukaj ekran�w LCD z pod�wietleniem za pomoc� innych technologii i sprawd� specyfikacje MTBF.
• Moc. Pod�wietlenie LCD mo�e poch�ania� sporo energii. Co wi�cej, oprogramowanie kontroluj�ce wydatek energetyczny mo�e by� skomplikowany do napisania
• Zak��cenia elektromagnetyczne (EMI). Kiedy rozwa�amy pod wzgl�dem integralno�ci ekran�w elektromagnetycznych, ekrany LCD s� po prostu ogromnymi dziurami w pakiecie robota. Sprawia to ze bardzo trudno jest utrzyma� promieniowanie przed opuszczeniem lub wej�ciem do robota.

Proces wyboru sprz�tu komputerowego r obota

W pewnym momencie staniemy przed zadaniem wybrania rzeczywistego komputera, kt�ry znajdziemy w �rodku robota. Jest to zadanie wymagaj�ce do�wiadczenia i nale�y podej�� do niego systematycznie. Mo�na powiedzie� ,�e prawie ka�dy robi to w inny spos�b, wi�c wymagana jest du�a cierpliwo��. Staraj si� pami�ta� ,�e zr�nicowana pula gen�w do dobry pomys�! Pierwsz� rzecz� do rozwa�enia jest uzyskanie pomocy. Podobnie jak doradcy mog� w znacznym stopniu pom�w w fazie planowania projektu, tak samo mog� by� oni cenni we wczesnej fazie projektu wysokiego poziomu. Najlepszymi doradcami s� do�wiadczeni in�ynierowi kt�rzy zrobili to ju� wcze�niej. Cz�sto widz� jasne rozwi�zania w�r�d wielu opcji dost�pnych dla projektu. Je�li nie znajdziemy natychmiastowego rozwi�zania dla potrzeb projektu warto wymieni� list� kandydat�w ,kt�rzy b�d� brani pod uwag�. Bez wzgl�du na to ,czy ma sens budowanie lub kupowanie komputera dla robota, wynik ko�cowy pozostanie taki sam. Robot b�dzie mia� w sobie p�yt� komputerow� (lub p�yty), a p�yty b�d� zawiera�y uk�ad procesora. na li�cie kandydat�w warto wymieni� ich wszystkich jako procesor�w. Czasopisma opisuj� chipy procesorowe w artyku�ach aktualizowanych co najmniej raz w roku. Oto kilka stron internetowych z list� procesor�w wbudowanych, kt�re mo�esz rozwa�y�. Nie jest to lista wyczerpuj�c ani ca�kiem poprawna, ale od czego� trzeba zacz��:

www.e-insite.net/ednmag/index.asp?layout=article&stt=000&articleid=CA245647&pubdate=10/3/2002 www.cera2.com/micr/index.htm

Podczas procesu selekcji powinni�my przestrzega� pewnych regu�:

• Upewnij si� �e �adne z wymaga� projektu nie s� zbyt restrykcyjne. Je�li wymagania projektu s� tak �cis�e, �e eliminuj� wszystkich opr�cz jednego kandydata, wtedy zmie� projekt. Je�li projekt lub komponenty . Je�li projekt lub komponenty nie maj� miejsca do poruszania si�, projekt cz�ciej napotka problemy
• Upewnij si�, �e ka�dy kandydat na procesor przekracza wi�kszo�� wymaga�
• Nie po�wi�caj du�ej ilo�ci czasu na proces selekcji. W�r�d ostatecznych kandydat�w powinien by� dost�pny wi�cej ni� jeden doskona�y wyb�r.
• Ustal priorytety wymaga�. �aden procesor nie b�dzie pasowa� idealnie do wymaga�. Je�li zidentyfikowane zostan� najwa�niejsze wymagania, mo�e pomoc w zrozumieniu wyboru.

W przypadku ka�dego wyszukiwania mo�na zastosowa� kilka mo�liwych strategii. Oto kilka wskaz�wek, kt�re mo�na wykorzysta� podczas procesu: Je�li doradcy projektu sugeruj� okre�lonego kandydata, rozwa� go w ostatecznej selekcji i za��daj od pozosta�ych kandydat�w wybicia go z pierwszej pozycji, wykazuj�c wyra�nie lepsze cechy

• Inn� alternatyw� jest po prostu odrzucanie kandydat�w dop�ki nie pozostanie ich kilku. Sam proces wyszukiwania obejmuje jedoczesne rozwi�zywanie wielu problem�w. Specyfikacja robota i algorytm�w sterowania nak�adaj� wiele ogranicze� procesowi wyboru procesora. Ka�de ograniczenie mo�e by� u�yte do wyeliminowania wielu kandydat�w
• Rozwa� rozpocz�cie od ograniczenia najtrudniejszego do przezwyci�enia. Cz�sto najtrudniejsze ograniczenie wyeliminuje wi�kszo�� kandydat�w na procesory. Im szybciej mo�emy zaw�zi� pole do bardzo niewielu kandydat�w, tym mniej pracy zajmie selekcja.

Ograniczenia

Jakie rodzaju ograniczenie s� zwykle brane pod uwag� przy wyborze procesora? Poni�ej podana jest lista kontrolna rzeczy , kt�rym trzeba si� przyjrze� przy wyborze komputera

Obliczenia

Bardzo trudno jest zorientowa� si�, ile pracy musi wykona� procesor w czasie rzeczywistym. Procesor b�dzie wykonywa� instrukcje z pe�n� pr�dko�ci�, chyba ,�e zostanie poproszony o odpoczynek w ramach oszcz�dzania energii. W trakcie wykonywania instrukcji mo�e wykonywa� tylko dyskretn� liczb� oblicze� na sekund� . Ilo�� pracy, kt�r� mo�e wykona� procesor, jest zatem ograniczona. Sztuk� jest m�c oszacowa� ile pracy mo�e wykona� ka�dy procesor. Podczas tego proces nale�y uwzgl�dni� nast�puj�ce kwestie

Algorytmy

Wykonaj analiz� algorytm�w sterowania i okre�li ile instrukcji na sekund� musi zosta� wykonanych aby wykona� okre�lon� prac�. Je�li na przyk�ad wiemy ,�e algorytm wymaga od procesora 5000 instrukcji co 20 milisekund, mamy miar� tego jak bardzo b�dzie on zaj�ty. B�dzie wykonywa� co najmniej 250 000 instrukcji na sekund� (5000 / 0.20). Je�li procesor jest w stanie wykona� 1 milion instrukcji na sekund�, w�wczas oko�o 25 procent tego czasu zostanie po�wi�cony rozpatrywanemu algorytmowi. Nast�pnie mo�emy przyjrze� si� wszystkim innym algorytmom, kt�re musi wykona� procesor i okre�li� ile czasu procesora zu�yj�. Po prostu dodaj warto�ci procentowe , aby uzyska� wska�nik zaj�to�ci procesora. Jako og�ln� zasad� nie licz na to ,�e mo�na za�adowa� procesor w d� o wi�cej ni� 50 procent. Wszystkie procesory b�d� wykonywa� zadania porz�dkowe, kt�rych nie da si� �atwo rozlicza�. Ponadto, im cz�ciej wykonywany jest jeden algorytm tym wi�cej koszt�w b�dzie koniecznych. Upraszczaj�c nieco, mo�na stwierdzi�, �e do wykonania dowolnego algorytmu wystarczy ustalona ilo�� czasu procesora. Je�li sprawimy, �e algorytm b�dzie kr�tszy, ale b�dziemy musieli go wykonywa� cz�ciej, procesor straci wydajno��. Sp�jrzmy na skrajny przyk�ad. Za��my na przyk�ad, �e procesor musi wykona� 100 000 instrukcji dodawania raz na sekund�. Za��my, �e wymaga 10 instrukcji, aby uruchomi� algorytm. Algorytm A wykonuje 100 000 dodawa� w tym samym czasie . Aby osi�gn�� wymagane 100 000 dodawa� na sekund� przy u�yciu algorytmu A, procesor musi wykona� 100,010 instrukcji na sekund� (1 x (100 000 + 10)). Algorytm B wykonuje 100 dodawa� co milisekund�. Aby osi�gn�� wymagane 100 000 dodawa� na sekund� przy u�yciu algorytmu B, procesor musi wykona� 110 000 instrukcji (1000 x (100 + 10)). Algorytm A b�dzie znacznie wydajniejszy w czasie procesora, o oko�o 10 procent skuteczniejszy od algorytmu B.

Operacje Na Sekund�

Wi�kszo�� komputer�w mo�e wykonywa� wiele instrukcji na sekund�. Cz�sto ta liczba jest podawana w milionach instrukcji na sekund� (MIPS). Podczas oceny procesora mo�e by� trudne okre�lenie, ile instrukcji naprawd� mo�e wykona� na sekund�. Mo�na to osi�gn�� na kilka r�nych sposob�w

• Obliczanie pr�dko�ci. Procesory maj� ustalon� pr�dko�� zegara, kt�r� mo�na okre�li� przez kontrol� obwodu PCB. Zwykle w metalowej puszcze znajduje si� "zegar kryszta�owy" bezpo�rednio przylegaj�cy do procesora. Cz�stotliwo�� zaznaczona na tym krysztale jest punktem wyj�cia; cz�sto jest to oko�o 50 MHz ( 50 000 000). Reprezentuje on zewn�trzn� cz�stotliwo�� taktowania procesora. Cz�sto procesor zwielokrotnia t� zewn�trzn� cz�stotliwo�� zegara o wsp�czynnik, aby okre�li� wewn�trzn� cz�stotliwo�� zegara. Gdy znamy wewn�trzn� cz�stotliwo�� zegara, musimy jedynie okre�li� liczb� wewn�trznych cykli zegara, kt�re zu�ywa przeci�tna instrukcja. Wi�kszo�� procesor�w okre�la t� liczb� mi�dzy 1 a 8 . Przy tych liczbach , obliczymy liczb� MIPS dla procesor�w na tej PCB
• Benchmarki. Wiele os�b interesuje si� szybko�ci� i mo�liwo�ciami r�nych procesor�w i s� ch�tni do por�wna�. Jedn� z trudno�ci zwi�zanych z dokonywaniem takich por�wna� jest to ,�e ka�dy procesor ma swoje mocje i s�abe strony. Nawet s�aby 8 bitowy komputer z odpowiednim zestawem instrukcji mo�e przeskoczy� 32 bitow� maszyn� w niekt�rych zadaniach. Zale�y to od tego , na jakie projekty procesor�w zosta�y zoptymalizowane. R�ne organizacje zaproponowa�y wystadaryzowane programy (zwane benchmarkami), kt�re mo�na wykona� na ka�dym komputerze. Og�lnie rzecz bior�c , testy por�wnawcze s� prostymi programami do sortowania, przenoszenia lub przekszta�cania danych. Niezmiennie, wska�nik por�wnuje wydajno�� procesora z pewnym indeksem. kt�ry mo�e by� por�wnywany z innymi procesorami. Poniewa� wszystkie programy test�w por�wnawczych s� r�ne, nie jest niczym niezwyk�ym, �e procesory s� oceniane na pocz�tku testu por�wnawczego, ale ni�sze w przypadku innych. Je�li chcemy okre�li� na podstawie danych por�wnawczych, w jaki spos�b procesory wykonuj� projekt naszego robota, musimy znale�� punkt odniesienia, kt�ry wykona zadanie podobne do algorytm�w w naszym projekcie robota. Je�li wybierzemy benchmark, kt�ry wykonuje zadania dostateczne r�ne od naszego robota, mo�emy si� zawie��. Zasadniczo dost�pne s� testy por�wnawcze do pobierania i wykonywania ,ale wdro�enie ich mo�e zaj�� sporo czasu

Co wi�c zrobimy z tymi liczbami? Widzieli�my ,jak mo�emy uzyska� parametryczne oceny procesora. Je�li poprawnie wykonali�my nasze obliczenia ( w przypadku obliczania MIPS) lub je�li wszystkie nasze za�o�enia s� poprawne (co do stosowalno�ci danych wzorcowych), w�wczas mo�emy por�wna� procesory bezpo�rednio w kategoriach za�amania obliczeniowego. Mo�na wybra� procesor o najlepszej wydajno�ci (wszystkie inne rzeczy s� r�wne)

Zdolno�ci Arytmetyczne

Wi�kszo�� procesor�w ma instrukcje o sta�ym punkcie. Niekt�re procesory maj� wbudowane instrukcje arytmetyczne zmiennoprzecinkowe. PowerPC jest w tej klasie. Je�li robot musi przetwarza� ilo�ci licz zmiennoprzecinkowych, ta zdolno�� b�dzie wa�na. Procesory z instrukcjami o sta�ym punkcie nadal mog� wykonywa� instrukcje zmiennoprzecinkowe, ale wykonanie b�dzie znacznie wolniejsze ni� procesora z wewn�trznymi instrukcjami zmiennoprzecinkowymi

D�ugo�� S�owa

Om�wili�my d�ugo�� s�owa wcze�niej, ale warto j� ponownie wymieni�. Jest to z pewno�ci� wa�na cecha procesora. Procesory o d�u�szych d�ugo�ciach s�owa zwykle maj� dodatkowe mo�liwo�ci, kt�re sprawiaj� ,�e s� szybsze ni� mo�na si� spodziewa�. 32 bitowy procesor jest zwykle o wiele razy szybszy ni� 4 do procesora 8 bitowego>

Rozmiar Pami�ci

Wiele ma�ych procesor�w ma pami�� RAM i pami�� ROM wbudowan� w chip procesora. �atwo jest uzyska� 8 bitowe procesory z tak� wewn�trzn� pami�ci� a nawet pewne 32 bitowy procesory. Je�li program sterowania robotem jest bardzo ma�y, a liczba robot�w do zbudowania jest du�a ,rozwa� ten rodzaj chip�w. Dobrze jest podwoi� wszystkie szacunki wielko�ci pami�ci, uzyska� o wiele wi�cej ni� potrzeba. Im wi�kszy rozmiar pami�ci , tym lepiej. Rozmiar i rodzaj pami�ci podr�cznej jest r�wnie� wa�n� cech� procesora. Je�li oprogramowanie robota ma wiele ciasnych p�tli wykonawczych, wtedy pami�� podr�czna mo�e by� wa�n� funkcj� w wybranym procesorze.

Przepustowo��

Om�wili�my ju� przepustowo�� i nale�y do listy kontrolnej. Pami�taj aby sprawdzi� wszystkie ograniczenia przepustowo�ci procesora

Wykorzystanie Zasob�w

W wielu aplikacjach dzia�aj�cych w czasie rzeczywistym, takich jak roboty, r�ne zasoby procesora s� szeroko wykorzystywane. Bardzo cz�sto , gdy wykonuje si� wiele algorytm�w sterowania, musza one wsp�dzieli� zasoby wewn�trzne procesora. Je�li jeden z zasob�w jest bardzo potrzebny, mo�e sta� si� w�skim gard�em w systemie, kt�ry ogranicza og�ln� wydajno��. Zdolno�� DMA procesora jest typowy przyk�adem. Niekt�re mniejsze procesory maj� kontroler pami�ci specjalnego przeznaczenia (DMA), kt�ry mo�e przesuwa� bloki pami�ci. Dzia�a r�wnolegle z procesorem, gdy jest uruchamiany. Je�li nie b�dzie w stanie wykona� swoje pracy ca�kowicie, nast�pnym razem b�dzie nadu�ywany. Je�li inspekcja architektury wskazuje na taki problem z wyprzedzeniem, wtedy poszukaj procesora z wi�kszymi mo�liwo�ciami

Sprz�t Specjalnego Przeznaczenia

Om�wili�my wcze�niej kilka typ�w procesor�w specjalnego przeznaczenia i warto wspomnie� o nich ponownie na tej li�cie kontrolnej .Wiele procesor�w, nawet procesor�w og�lnego przeznaczenia ma jedn� lub dwie cechy szczeg�lne, o kt�rych warto pami�ta�.

Zasilanie

Wzgl�dy zasilania s� jedn� z najwa�niejszych funkcji robota i procesora. P�niej kiedy om�wimy o kontroli mocy, zajmiemy si� szczeg�ami. Je�li robot jest zasilany bateryjnie, po�wi�� wiele uwagi sprawom energetycznym. Sukces dzia�a� zwi�zanych z oszcz�dzaniem energii bardzo cz�sto zale�y od mo�liwo�ci oszcz�dzania energii procesora i oprogramowania dost�pnego w celu wykorzystania jego funkcji oszcz�dzania energii.

Ch�odzenie

Nawet je�li robot mo�e dostarczy� du�o mocy procesorowi, musimy wzi�� pod uwag� metod� ch�odzenia procesora i obwod�w. Niekt�re procesory wymagaj� radiator�w ,a nawet wentylator�w , kt�re mog� powodowa� problemy z niezawodno�ci� i zajmowa� miejsce.

Napi�cie

Dost�pne s� procesory , kt�re dzia�aj� przy r�nych napi�ciach. Niekt�re procesory mog� pracowa� na bardzo niskim napi�ciu, tak niskim jak 1 wolt (cho� jest to rzadkie). Przej�cie do operacji niskiego napi�cia mo�e zosta� wykonane z dw�ch powod�w. Pierwszym z nich jest oszcz�dno�� energii. Drugim powodem jest dopasowanie napi�cia akumulatora (je�li w systemie jest u�ywana bateria). Znaczna cz�� obwod�w zasilaj�cych mo�e zosta� usuni�ta z projektu, je�li zesp� obwod�w elektrycznych mo�e bezpo�rednio zaakceptowa� napi�cie akumulatora.

Przestrze�

Czasami przestrze� w robocie jest na wag� z�ota. Je�li tak, we� pod uwag� przestrze� zajmowan� przez uk�ad procesora oraz wszelkie radiatory lub wentylatory, kt�re mog� by� wymagane.

Niezawodno��

Niekt�re roboty s� wysy�ane w kosmos lub w inne stosunkowo niedost�pnych miejsc. Mog� by� nara�one na ekstremalne obci��enia �rodowiska, w tym temperatur�, pr�ni�, wibracje i promieniowanie. Mo�e nie istnie� mo�liwo�� nawet obs�ugi robota. Je�li niezawodno�� jest kluczowa, rozwa� ostro�nie wyb�r procesor�w. Na przyk�ad projektanci statk�w kosmicznych cz�sto wybieraj� starsze, sprawdzone procesory, kt�re by�y testowane od lat.

Przeprogramowanie

Niekt�re komputery maj� wbudowan� pami��. Upewnij si�, czy mo�na j� przeprogramowa�, czy nie. Nawet je�li mo�na j� przeprogramowa�, sprawd� i zobacz, jakie funkcje mo�e to u�atwi� procesorowi. W jaki spos�b procesor b�dzie dost�pny, pobierany i uruchamiany ponownie

Benchmarki

Om�wili�my benchmarki i spos�b okre�lania "mocy" procesora. Sensowne jest wymienienie benchmark�w na tej li�cie kontrolnej

Cena

Mo�liwe jest uzyskanie procesora za przys�owiow� z�ot�wk� b�d� tysi�ce z�otych. Robi�c zakup, nie zapominaj �e, kwota nic nie znaczy je�li dostawa nie nadchodzi. Niekt�re firmy nie b�d� nawet rozmawia� z kim� kto potrzebuje tylko kilku procesor�w

Narz�dzia Oprogramowania

Dobry procesor, kt�ry nie jest obs�ugiwany jest bezu�yteczny. Oto kilka czynnik�w do rozwa�enia:

• " Wsparcie. Jak dobrze jest obs�ugiwa� procesor za pomoc� narz�dzi programistycznych? Wiele procesor�w specjalnego przeznaczenia ma niestandardowe narz�dzia, kt�re musz� by� u�ywane. Wi�kszo�� procesor�w og�lnego przeznaczenia przyci�ga wystarczaj�c� uwag�, dzi�ki czemu dost�pnych jest wiele narz�dzi programistycznych
• Drugie �r�d�o. Co si� stanie, je�li firma od procesora upadnie? Mo�liwe jest okre�lenie procesor�w dla robota, kt�re mo�na zakupi� od wielu dostawc�w. Procesory mog� nie by� identyczne we wszystkich przypadkach, ale konwersja b�dzie prosta. Nie zapominaj ,�e nie ma sensu zabezpieczenia dw�ch dystrybutor�w dla procesora, je�li procesor jest wykonywany w jednym miejscu!
• Dost�pno�� in�ynier�w SW. Nie zapomnij wzi�� pod uwag� in�ynier�w oprogramowania przy wyborze procesora dla robota. Je�li in�ynier SW nie poradzi sobie z wybranym procesorem, rozwa� zast�pienie procesora. Drug� �atwiejsz� opcj� jest zast�pienie programisty.
• Cena oprogramowania. Nie zapomnij wzi�� pod uwag� ceny narz�dzi programowych. Wiele jest dost�pnych w Internecie, ale inne mog� by� bardzo drogie.
• Osprz�t programistyczny. Niekt�re narz�dzia programowe mog� wymaga� bardzo szybkiego rozwoju programowania i mo�e to nie by� komputer. Je�li system programistyczny wymaga systemu Unix lub innego systemu operacyjnego, komputer mo�e nie by� w�a�ciwym wyborem dla platformy sprz�towej.
• Konieczne licencje. Zastan�w si� ilu programist�w musi korzysta� z rozwoju narz�dzia programistycznych. Niekt�re narz�dzia pochodz� z licencj� "seat" co oznacza ,�e projekt b�dzie wymaga� jednej licencji dla ka�dego in�yniera korzystaj�cego z narz�dzi programistycznych

Czas I Nak�ad Na Rozw�j

Poza kwesti� narz�dzi programistycznych wiele innych problem�w mo�e mie� wp�yw na czas i koszt rozwoju robota:

• COTS. Akronim dla Commercial of the Shelf. Zasadniczo mo�emy kupi� p�yty komputerowe z procesorami ju� zainstalowanymi.
• Oprogramowanie od os�b/firm trzecich. Czy kto� napisa� specjalistyczne oprogramowanie dla tego procesora, kt�re mog� by� przydatne w projekcie robota?
• Ryzyko techniczne. Czy wszystkie funkcje procesora pomagaj� rozbroi� techniczne ryzyko projektu?
Wyb�r procesora i sprz�tu komputerowego dla robota jest znacznie bardziej skomplikowany ni� mo�e si� to wydawa� na pierwszy rzut oka. Ale z nale�yt� uwag� zwr�con� na wszystkie pytania opisane powy�ej , proces powinien przebiega� sprawnie

•

Anatomia RobotaRobotyka

Sprz�t Komputerowy