Vnorený počítač a jeho využitie v realizácii informačných systémov

Transcription

1 Bankovní institut vysoká škola Praha zahraničná vysoká škola Banská Bystrica Katedra kvantitatívnych metód a informatiky Vnorený počítač a jeho využitie v realizácii informačných systémov The information system design with embedded computer Bakalárska práca Autor: Tomáš Pytel Informačné technológie Vedúci práce: doc. RNDr. Juraj Pančík, CSc. Banská Bystrica apríl 2014

2 Vyhlásenie: Vyhlasujem, ţe som bakalársku prácu spracoval samostatne a s pouţitím uvedenej literatúry. Svojím podpisom potvrdzujem, ţe odovzdaná elektronická verzia práce je identická s jej tlačenou verziou a som oboznámený so skutočnosťou, ţe sa práca bude archivovať v kniţnici BIVŠ a ďalej bude sprístupnená tretím osobám prostredníctvom internej databázy elektronických vysokoškolských prác. V Bratislave dňa Tomáš Pytel

3 Poďakovanie Rád by som v prvom rade poďakoval vedúcemu mojej bakalárskej práce doc. RNDr. Jurajovi Pančíkovi, CSc., za jeho cenné rady, pripomienky a názory pri tvorení mojej bakalárskej práce. V Bratislave

4 Anotácia práce PYTEL, Tomáš: Vnorený počítač a jeho využitie v realizácii informačných systémov. [Bakalárska práca]. Bankovní institut vysoká škola Praha, zahraničná vysoká škola Banská Bystrica. Katedra kvantitatívnych metód a informatiky. Vedúci práce: doc. RNDr. Juraj Pančík, CSc. Rok obhajoby: Počet strán: 54. Bakalárska práca podáva ucelený pohľad na oblasť informačných systémov zameraných na vnorené počítače, ich teoretické a praktické vyuţitie. Nosnou témou sú vnorené počítače ako súčasť vnorených systémov. Práca sa zameriava na ich pouţitie a výhody a nevýhody ktoré so sebou prinášajú. Kľúčové slová: informačný systém, vnorený počítač, vnorený systém

5 Annotation PYTEL, Tomáš: The information system design with embedded computer. [Bachelor thesis]. Banking Institute College of Banking Prague, Foreign College Banská Bystrica. Department of quantitative methods and informatics. Thesis supervisor: doc. RNDr. Juraj Pančík, CSc. Year of defense: Number of pages: 54. Bachelor thesis provides an integrated view of the field of information systems focused on embedded computers, their theoretical and practical application. The main topic are the embedded computers as part of embedded systems. The work focuses on their use and advantages and disadvantages what bring. Keywords: information system, embedded computer, embedded system

6 Obsah Úvod Vymedzenie základných pojmov Informačné systémy Informačný systém vo svete financií Ciele informačného systému Vnorené systémy Typy vnorených systémov Vyuţitie vnorených systémov Vnorené počítače ako súčasť vnorených systémov Rozdiely medzi klasickou PC architektúrou a vnoreným systémom Výhody a nevýhody vnorených systémov v porovnaní s PC Vybrané techniky a metódy návrhu vnorených informačných systémov Prístupy k návrhu vnorených systémov Vývoj aplikácií pre vnorené systémy Operačné systémy pre vnorené systémy Windows Linux Android Techniky a metódy návrhu vnorených informačných systémov Raspberry Pi BeagleBone Black

7 2.4.3 Návrh vnorených systémov Prípadová štúdia Návrh informačného systému Informačný systém Raspcontrol Preklad informačného systému Raspcontrol Vyuţitie aplikácií v informačnom systéme Pouţívateľské rozhranie informačného systému Vyuţitie navrhnutého informačného systému vo financiách Záver Zoznam pouţitej literatúry Zoznam pouţitých obrázkov Zoznam pouţitých tabuliek Zoznam pouţitých skratiek Zoznam príloh v tlačenej forme Zoznam príloh na DVD

8 Úvod Informačné technológie sú v súčasnej dobe najrýchlejšie sa rozvíjajúcim odvetvím vo svete a stali sa neoddeliteľnou súčasťou nášho ţivota. Denne sa človek stretáva s najmodernejšími technológiami a často si to uţ ani neuvedomuje. Medzi najrozšírenejšie informačné technológie určite patria informačné systémy. Tieto sú beţne pouţívané v domácom, no najmä vo firemnom prostredí. V súčasnej dobe sa kladie dôraz na efektivitu, výkonnosť a náklady na informačné systémy. Práve preto sa začali vo veľkej miere vyuţívať vnorené systémy, ktoré sú začlenené do informačného systému, alebo je na nich priamo prevádzkovaný informačný systém. Hlavným cieľom bakalárskej práce je priniesť bliţší pohľad na vnorené počítače pri realizácii informačných systémov. Prvá kapitola sa zameriava na informačné systémy a ich význam pri podpore procesov rozhodovania a manaţmentu. Taktieţ popisuje vnorený počítač ako súčasť vnoreného systému. Druhá kapitola sa zameriava na techniky a metódy návrhu vnorených informačných systémov. Bliţšie sa venuje vývoju aplikácií na vnorených systémoch a tieţ operačným systémom, ktoré je moţné vyuţiť pri návrhu informačného systému. V tretej kapitole je popísaný vybraný informačný systém, ktorý je realizovaný na vnorenom počítači. Od samotnej inštalácie, cez jednotlivé nastavenia aţ po úspešnú prevádzku informačného systému. Čiastkovými cieľmi práce sú lokalizácia vybraného informačného systému do slovenského jazyka a rozšírenie vlastností informačného systému. Záver tretej kapitoly je venovaný moţnostiam praktického vyuţitia navrhovaného informačného systému vo financiách. 8

9 1 Vymedzenie základných pojmov V tejto kapitole sa budeme venovať základným pojmom z oblasti informačných a komunikačných technológií a informačných systémov. Vysvetlíme si pojmy, ktoré s touto problematikou súvisia a hlbšie sa im budeme venovať v jednotlivých kapitolách. Hardware: Pojmom hardware, alebo hardvér rozumieme fyzické komponenty z ktorých sa skladá počítač. Sú to všetky elektronické súčiastky vnútri v počítači, ako aj pripojené periférie. Software: Pojmom software, alebo softvér sa rozumie softvérové vybavenie počítača. Môţu to byť programy, aplikácie, ale aj obsluţné ovládače príslušenstva počítača. Middleware: Je softvérový program, ktorý spája dva a viac programov a sluţieb. Takisto môţe byť uprostred systému pre komunikáciu medzi aplikáciami a sieťou ( ). Operačný systém: Operačný systém je základné programové vybavenie počítača. Je to rozhranie, ktoré umoţňuje uţívateľovi komunikovať s počítačom, je teda akýmsi prostredníkom medzi človekom a strojom ( ). Operačným systémom tieţ rozumieme počítačový program, sadu inštrukcií pracujúcich priamo nad hardvérovou vrstvou, poskytujúcich sluţby softvéru a aplikáciám, ktoré sa na ňom vykonávajú. Databáza: Jeden, alebo viac veľkých štruktúrovaných súborov perzistentných dát, obvykle spojených so softvérom pre aktualizáciu a dopytovanie údajov. Jednoduchá databáza môţe byť jeden súbor, ktorý obsahuje veľa záznamov z ktorých kaţdý obsahuje rovnakú sadu polí, kde kaţdé pole je určené pevnou šírkou (WILTON et. al. 2005, s. 8). IKT: Informačné a komunikačné technológie (Information and communication technologies, ICT) sú hardvérové a softvérové prostriedky pre zber, prenos, uchovávanie, 9

10 spracovanie a poskytovanie informácií a pre vzájomnú komunikáciu ľudí a technologických prvkov IS. (VORÍŠEK 2008, s. 18). Informatika: Informatika je vedou o informáciách. Študuje ich vytváranie a podobu, spracovávanie a prenášanie v prirodzených (ľudia a spoločnosť), aj umelých (počítačových) systémoch. Vo svojej štúdii vyuţíva aj iné vedy ako sú filozofia, matematika, fyzika a počítačové vedy (POUR et. al. 2009, s. 21). Podniková informatika: Moţno ju chápať ako aplikáciu, proces a systém. Ak ju chápeme ako aplikáciu jej obsah je totoţný s obsahom informatiky. Ak ju chápeme ako systém potom jej definícia je tá, ţe podniková informatika študuje vyjadrenia a podobu informácií, ich spracovanie a prenášanie v podniku. Z pohľadu procesu ju Kotler vo svojej knihe Marketing Management (KOTLER 2001), charakterizuje ako komplexný proces zaistenia informačných potrieb spojených s vykonávaním a riadením aktivít (procesov) podniku (POUR et. al. 2009, s. 34). Proces: Proces je účelne naplánovaná a realizovaná postupnosť činností, v ktorých pomocou zodpovedajúcich zdrojov prebieha transformácia vstupov na poţadované výstupy (VORÍŠEK 2008, s. 37). Podnikový proces: Podnikový respektíve biznis proces je proces, ktorým podnik zaisťuje naplnenie podnikových cieľov, reaguje na významné udalosti a zaisťuje produkciu plánovaných výstupov ako sú produkty, sluţby a iné (VORÍŠEK 2008, s. 37). Informácia: Informácia je správa o tom, ţe nastal určitý jav z mnoţiny moţných javov, a tým sa u nás (u príjemcu) zniţuje (alebo úplne odstraňuje) neznalosť o tomto jave (POUR et. al. 2009, s. 35). 1.1 Informačné systémy Informačný systém (IS) je systém pre zber, prenos, uchovávanie, spracovávanie a poskytovanie dát (informácií a znalostí), vyuţívaných pri činnostiach podniku. Jeho prvkami sú informačné a komunikačné technológie, údaje a ľudia. Jeho cieľom je efektívna podpora informačných, rozhodovacích a riadiacich procesov na všetkých úrovniach riadenia podniku (VORÍŠEK 2008, s. 18). V publikácií Podniková informatika je špecifikovaný informačný systém nasledovne: Informačný systém predstavuje 10

11 konzistentnú usporiadanú mnoţinu prvkov spolupracujúcich za účelom tvorby, zhromaţďovania, spracovania, prenášania a rozširovania informácií. Komponenty informačného systému tvoria ľudia, respektíve pouţívatelia informácií, a informatické zdroje. Komponenta je tvorená jedným prvkom, alebo viacerými prvkami (POUR et. al. 2009, s. 25). Historicky bol pojem informačný systém chápaný ako jednoduchý softvér, či balík aplikácií na serveri. Informačný systém by mal byť chápaný ako celok všetkých podsystémov zapojených do manipulácie s údajmi, ktoré sa vyuţívajú a spracovávajú. Ako podsystémy si uvedieme napríklad podsystém na uchovávanie údajov (databáza), podsystém na zber údajov alebo podsystém na spracovanie týchto údajov, čo môţe byť napríklad ERP alebo CRM systém. V mnohých prípadoch sú podsystémy typu BI (Business Intelligence) ako sú horeuvedené ERP, CRM a iné tou najdôleţitejšou súčasťou informačného systému podniku. Záleţí od konkrétnych cieľov podniku, aký dôraz kladie na IS ako celok a ktoré podnikové procesy vyuţívajú jednotlivé časti tohto systému. Preto je pre podnik veľmi dôleţité aby boli zosúladené interné procesy v organizácií a poţiadavky na funkcie IS. Aby mal IS v podniku význam musí spĺňať tieto ciele : Strategické - vyuţívanie pre potreby plánovania, napríklad investícií, Taktické - vyuţívanie pre potreby riadenia, kontroly, rozhodovania, Operatívne - vyuţívanie pri kaţdodennej rutine, Expertné - vyuţívanie v znalostných systémoch. ( ) Vývoj a prevádzka IS sú ovplyvňované organizačnými, ekonomickými, právnymi, sociálnymi a ďalšími inými aspektmi (VORÍŠEK 2008, s. 18), ich väzby sú zobrazené na obrázku č

12 Obrázok č. 1 IS, jeho komponenty a aspekty IKT Komponenty Údaje, Informácie, Znalosti Ľudia a ich znalosti Organizačné aspekty Informačný Systém Ekonomické aspekty Aspekty Právne aspekty Sociálne a iné aspekty Zdroj : (VORÍŠEK 2008, s. 26) Informačný systém vo svete financií V súčasnej dobe je mnoho organizácií na informačnom systéme ţivotne závislých napríklad banky, poisťovne alebo telekomunikačné spoločnosti. Ak je podnik ţivotne závislý na svojom IS, potom riadenie IS nemôţe byť náhodné a ţivelné. Preto sa s jednotlivými vývojovými etapami zvyšovala potreba kvalitného systému riadenia podnikového IS (VORÍŠEK 2008, s. 44). Z vyššie uvedeného nám vyplýva, ţe nestačí mať IS na určitej úrovni a pritom sa uţ nezaujímať o jeho ďalší rozvoj. Je potrebné stále zabezpečovať optimalizáciu uţ zabehnutých procesov, ktoré sú podporované v IS. Riadenie musí dodrţiavať vopred stanovené postupy, interné predpisy a po celú dobu ţivotného cyklu IS ich dodrţiavať. Čo najviac optimalizovať systém riadenia a tým sa snaţiť dosiahnuť maximálne vyuţitie IS v podniku. Takisto sa nesmie zabúdať na to, ţe v súčasnej dobe sa kladie vysoký dôraz na efektívnosť a výkonnosť, škálovateľnosť, stabilitu a samozrejme bezpečnosť informačných systémov. V prvom rade to platí pre oblasť financií, kedy je potrebné dodrţiavať nielen 12

13 všetky tieto zásady, ale aj dynamicky sa prispôsobovať aktuálnym trendom vo svete informačných technológií. Efektívnosť IS v podnikoch by mala byť na čo najvyššej úrovni. V ideálnom prípade očakávame, ţe všetky interné procesy sú poznané a čo najviac vnorené a zautomatizované v IS. Kaţdý pouţívateľ by mal byť oboznámený s tým ako pracuje tento systém, poznať a vyuţívať všetky jeho funkcionality na maximálnej moţnej úrovni. Je veľmi dôleţité aby ciele a stratégie riadenia podniku zahŕňali aj sústavné vzdelávanie osôb pracujúcich s IS a aby sa priamo na vzdelávaní podieľal aj vnútorný, alebo externý útvar informačnokomunikačných technológií. Okrem iných je vo svete financií známy aj finančný informačný systém (ďalej len FIS ). Tento je úzko orientovaný na podporu rozhodnutí manaţmentu v oblasti finančných rozhodovaní a efektívneho riadenia obchodu. Ide o samostatný systém (softvér), tieţ pracujúci v rámci IS ako celku, pouţívaný na zber, vyhľadávanie a analyzovanie finančných a účtovných informácií. Medzi jeho výhody patrí najmä spracovávanie hlásení ako sú predpovede toku peňazí, sledovanie vývoja finančných produktov a samozrejme sledovania nákladov podniku. Výhodou FIS je nielen to, ţe vie spracovávať interné informácie, ale aj to, ţe dokáţe spracovávať informácie z externých zdrojov. Napríklad verejne dostupné údaje bánk, vývojové kurzy mien, alebo čokoľvek iné na čo bol systém špecificky určený. Za spomenutie určite stoja aj celopodnikové transakčné aplikácie. Tieto sú v knihe Podniková informatika špecifikované nasledovne : Celopodnikové transakčné aplikácie sú charakteristické tým, ţe pokrývajú prevaţnú časť podnikových procesov a funkcií, a realizujú tak úplnú väčšinu obchodných, finančných a ďalších transakcií. Hlavným predstaviteľom tohto typu úloh sú aplikácie označované ako ERP (POUR et. al. 2009, s. 159). Medzi najhlavnejšie vlastnosti transakčných aplikácií patrí to, ţe zdieľajú spoločnú dátovú základňu. Týmto sa umoţní, aby integrované aplikácie, moduly, alebo akýkoľvek integrovaný systém dokázali medzi sebou komunikovať a vymieňať si tieto údaje navzájom. Ide o transakčný charakter, to znamená vkladanie a aktualizáciu údajov, kedy sú tieto nasledne k dispozícií obchodným, finančným a ďalším prevádzkovým funkciám. 13

14 Systém typu ERP, CRM a Business Intelligence (BI Manaţérsky informačný systém), tvoria v mnohých nielen finančných podnikoch jadro informačného systému. V súčasnej dobe je obzvlášť dôleţité aby stredné a veľké podniky čo najviac vyuţívali tieto transakčné aplikácie a aby tieto boli čo najviac integrované do IS podniku. Len takýmto spôsobom, kedy je IS previazaný s BI aplikáciami a tieto sú účelne pouţívané manaţmentom spoločnosti, môţeme dosiahnuť to, ţe bude systém generovať relevantné informácie, ktoré sú potrebné k úspešnému riadeniu podniku. Tak isto je potrebné, aby bola pozornosť zameraná na čo najväčšiu automatizáciu vnútorných procesov a transakcií medzi týmito aplikáciami navzájom a takisto integráciou s celkovým IS podniku. Informácie, ktoré tvoria údajovú základňu môţu vďaka týmto aplikáciám nadobúdať pridanú informačnú hodnotu. Ako príklad si môţeme uviesť vloţenie informácie do systému ERP. Po vloţení sa táto informácia automaticky dostane aj do systému CRM a o úroveň vyššie v hierarchii do systému BI. V systéme CRM je moţné pridať k tejto informácií ešte jednu, či niekoľko informácií a týmto nadobúda pôvodný záznam väčšiu výpovednú hodnotu pre celkový systém BI. Pri integrácií s IS podniku je moţné s týmito informáciami následne ďalej pracovať a aktualizovať ich v spoločnej údajovej základni. Samozrejme pre potreby manaţmentu sú dôleţité iba relevantné informácie, preto je neţiaduce, aby boli do systému vkladané informácie bez výpovednej hodnoty. Mnoho podnikov uţ pochopilo význam spomenutých systémov a ich previazanosť s IS podniku a následne proces implementácie do IS zakomponovalo do stratégií podniku. Po úspešnej implementácií týchto riešení prichádza k výraznému zlepšeniu celkového pohľadu na procesy vo vnútri IS a aj mimo neho zo strany manaţmentu ku prístupu k zákazníkom. To, čo môţe podniku priniesť v súčasnej dobe konkurenčnú výhodu, nie sú samotné IKT, ale vhodné prepojenie IKT (IKT sluţieb) s modelom podnikania, s podnikovými procesmi a s podnikovou kultúrou. Ak má toto prepojenie unikátny charakter, ktorý vedie k tomu, ţe podnikový proces produkuje produkt alebo sluţbu s vyššou úţitkovou hodnotou, alebo niţšou cenou, potom prináša podniku konkurenčnú výhodu (VORÍŠEK 2008, s. 256). 14

15 1.1.2 Ciele informačného systému Tematikou efektívnosti nasadenia a následného prevádzkovania IS v podniku sa s rastúcou mierou zaoberajú pri svojom rozhodovaní majitelia podnikov, manaţéri aj informační špecialisti. Dôvodom je skutočnosť, ţe IS môţu ovplyvňovať hodnotu podniku, jeho konkurencieschopnosť, vzťahy podniku ku zákazníkom, dodávateľom a v neposlednej rade aj vlastné výrobky a sluţby. Naviac sa IS určitým spôsobom v podniku dotýkajú takmer všetkých jeho zamestnancov (BASL et. al. 2008, s. 174). Od informačného systému je z pohľadu vedenia a manaţmentu podniku očakávané najmä napĺňanie cieľov podniku vo vzťahu prevaţne k ekonomickým a procesným aspektom riadenia. Očakáva sa, ţe s pomocou IS je moţné dosiahnuť niţšie náklady a vyššie príjmy. Preto je veľmi dôleţité ako je IS v podniku nasadený, jeho nastavenie, účelnosť a samozrejme jeho funkcionalita. Preto je veľmi potrebné, aby počas celej doby vyuţívania IS boli priebeţne kontrolované ukazovatele efektívnosti informačného systému. V našich podmienkach sú to najmä celkové náklady na vlastníctvo, návratnosť investícií, Balanced Scorecard (BSC) a ekonomická pridaná hodnota. Samozrejme je moţné vyuţívať aj iné techniky na meranie efektívnosti IS, no tieto sa môţu líšiť od podniku k podniku, alebo sú vyuţívané rozdielne v závislosti od krajiny kde sa aplikujú, na čo môţe mať vplyv rozdielna miestna znalosť týchto metód a techník. Ekonomický pohľad na informačný systém nie je jediným, no v rámci podniku je pravdepodobne tým najdôleţitejším. Ak by sme si predstavili ciele IS ako pyramídu ekonomický cieľ by bol na vrchu a akýkoľvek iný, by z niţších pozícií smeroval na vyššie aţ po ten ekonomický. Medzi dôleţité pohľady na IS patrí určite aj procesný pohľad. Väzba medzi podnikovými IS a podnikovými procesmi je veľmi úzka. Výsledkom nasadenia podnikových informačných systémov je vedľa zlepšenia dostupnosti dát, práve zlepšenie podnikových procesov. Preto medzi hlavné dôvody k zavedeniu systémov ako je napríklad ERP boli okrem zníţenia nákladov a zvýšenia kvality, aj zlepšenie rozhodovania a reakcie na zákaznícke poţiadavky a tieţ zlepšenie procesov (BASL et. al. 2008, s. 111). Je veľmi dôleţité, aby pri návrhu a implementácií IS v podniku bol braný ohľad na aktuálne vnútropodnikové procesy a aby sa týmto procesom čo najbliţšie priblíţil aj informačný systém. Medzi jeho hlavé úlohy by mali patriť najmä pokrytie kľúčových 15

16 procesov podniku, ktoré slúţia na naplnenie poslania firmy, tieţ k uspokojeniu potrieb vonkajších zákazníkov. Ďalšími dôleţitými procesmi sú určite podporné procesy. Tieto by nebolo moţné bez ohrozenia stratégie podniku vyčleniť z IS. Procesy, ktoré je moţné vyčleniť a outsorsovať označujeme ako vedľajšie procesy. Informačný systém po nasadení dokáţe tieto procesy nielen mapovať, ale aj efektívne riadiť a pomocou dobre zvolených metrík a techník kontrolovať a neustále zlepšovať. Preto môţe IS slúţiť ako základ pre meranie a zvyšovanie výkonnosti podnikových procesov. Aby informačný systém spĺňal účel na ktorý bol navrhnutý, musí byť čo najviac automatizovaný. Práve automatizovanosť celého systému je v dnešnej dobe hybnou silou nielen z pohľadu podnikovej informatiky, ale aj celosvetovým trendom, ako uľahčiť prácu, kontrolu, analýzy, alebo rozhodovanie pre všetkých, ktorí s IS pracujú. Okrem zváţenia ekonomického prínosu, alebo kopírovania podnikových procesov sa musíme snaţiť o maximálnu mieru sebestačnosti a automatizácie IS v podniku, lebo len tak zabezpečíme, aby mal informačný systém význam po celú dobu jeho ţivotného cyklu. Automatizáciou sa má na mysli najmä zautomatizovanie podnikových procesov, ktoré bolo treba vykonávať manuálne alebo tieto boli vykonávané duplikovane, alebo s nedostatočnou kvalitou. Medzi hlavné ciele informačného systému popri hore uvedených patrí aj previazanosť a podpora vízií a cieľov podnikovej informatiky. Cieľom IS a IKT je dať podnikovej informatike podnikateľskú hodnotu, ktorá sa prejaví v pridanej hodnote sluţieb. Vízia určuje orientáciu kľúčových IKT sluţieb podniku (VORÍŠEK 2008, s. 276). Aby boli ciele IS naplnené je potrebné, aby bol kladený dôraz počas celého ţivotného cyklu IS na inovácie. Ţivotný cyklus informačného systému z hľadiska podniku členíme do 4 základných fáz. Sú to : 1. Výber IS Nájdenie vhodného riešenia pre podnik z hľadiska pokrytia jeho potrieb a očakávaní (funkčnosť, platforma, rozvoj, sluţby, cena a pod.), 2. Implementácia IS Zavedenie IS do podniku vrátane nastavenia parametrov, naplnenia údajmi, zmenami podnikových procesov, školenia pouţívateľov a pod., 3. Prevádzka IS Zaistenie produktívnej prevádzky IS, udrţovanie jeho chodu a odstraňovanie vzniknutých problémov, 4. Inovácie IS Analyzovanie potrieb pre zmeny IS, upgrade aktuálneho IS, alebo prechod na iný produkt (BASL et. al. 2008, s. 215). 16

17 Obrázok č. 2 Fázy ţivotného cyklu IS Výber Inovácie Implementácia Prevádzka Zdroj : vlastné spracovanie Tieto jednotlivé fázy ţivotného cyklu, ako zobrazuje obrázok č. 2 vyššie by mali nadväzovať jedna na druhú. Kaţdá nová inovácia v IS má následne vplyv na ostatné fázy a celý kolobeh dopomáha k zdokonaľovaniu informačného systému a napĺňaniu jeho cieľov. 1.2 Vnorené systémy Vnorené systémy ako samostatné funkčné celky sa začali objavovať v 60. rokoch 20 storočia. Za prvý vstavaný systém je označovaný Apollo Guidance Computer (AGC), ktorý vyvinul Charles Stark Draper na MIT Instrumentation Laboratory v Spojených štátoch amerických. Na začiatku projektu Apollo bol AGC povaţovaný za najrizikovejšiu poloţku v projekte, lebo obsahoval v tej dobe novo vyvinutú technológiu monolitických integrovaných obvodov. V projekte Apollo bol tento vnorený systém pouţitý za účelom toho, aby sa zmenšila váha a veľkosť pouţitých súčiastok a zariadení pri letoch do vesmíru ( ). 17

18 Medzi prvé nasadenia vnorených systémov ďalej patrilo ich vyuţívanie v armáde letectva Spojených štátov Amerických. Vnorený systém bol pouţitý na riadenie a stabilizačné funkcie riadenej strely. Tento armádny vnorený systém obsahoval ešte tranzistory, no a o pár rokov neskôr sa uţ v letectve pouţívali vnorené systémy na báze mikroprocesorov. Spoľahlivosť týchto systémov ich predurčila k úspechu. Nielen rozšírenie, ale aj pokroky na poli technológií dovoľovali, aby tieto systémy boli stále menšie a menšie pričom ich výkon a funkčnosť mohli exponenciálne rásť. Postupom času si vnorené systémy našli uplatnenie v kaţdom segmente, nielen priemyslu, technológiách, ale aj v ţivote beţných ľudí. Presná definícia pre určenie toho čo je vnorený systém neexistuje. Nedá sa to presne určiť, ale medzi jeho hlavné črty patrí to, ţe ide o kombináciu hardvéru a softvéru previazanú ako celok, určenú väčšinou na konkrétne úlohy. Ďalej nám môţe špecifikovať vnorený systém to, ţe je pouţité riešenie zväčša SoC (SystemOnChip). Znamená to, ţe na jenom čipe (doske, matičnej doske) je integrovaný procesor, pamäť RAM, ROM, radič úloţného priestoru a kompletné logické obvody. Tieto zariadenia sa pouţívajú hlavne na konkrétne účely pre ktoré boli naprojektované a vyrobené, to sú hlavne špecifické úlohy, ktoré determinujú zameranie ich vyuţitia. Na rozdiel od univerzálne zameraných strojov, alebo PC sú vnorené systémy zvyčajne konštruované pre jednu cieľovú aplikáciu, alebo triedu cieľových aplikácií. Zamýšľané pouţitie vnorených systémov preto sprevádza mnoho z jeho konštrukčných obmedzení a kompromisov (BARRY et. al. 2012, s. 4). V súčasnej dobe sa vnoreným systémom nedokáţeme vyhnúť, dokonca ich prítomnosť prestávame vnímať, nakoľko si spoločnosť uţ zvykla, ţe zariadenia akýmsi spôsobom pracujú tak ako majú a vykonávajú úlohy, ktoré od nich očakávame. Samozrejmosťou bezproblémovej funkcionality týchto zariadení sú vnorené systémy pracujúce vo vnútri spotrebičov. Nakoľko technológie výroby týchto zariadení sú na vysokej úrovni a produkcia je na úrovni miliónov zariadení denne, ich cena sa zníţila na minimum. Preto je moţné, ţe výrobcovia týchto zariadení môţu integrovať do produktu vnorený systém a bez výrazného zásahu do výrobných nákladov dať produktu pridanú hodnotu v podobe určitej formy inteligencie. 18

19 Mnohé odvetvia nielen technicky zameraného priemyslu si uvedomili význam vnorených systémov a ich aplikácií a dnes sa uţ beţne stretneme s vnorenými systémami v multimediálnych hrách, či v zariadeniach v kuchyni, alebo kozmetických pomôckach. Výrobcovia dokáţu previazať viacero vnorených systémov do jedného celku tieţ riadeného jedným, centrálnym vnoreným systémom. Príkladom sú výrobcovia automobilov, kedy v súčasnom modernom automobile je niekoľko desiatok, aţ stovka riadiacich jednotiek (vnorených systémov), ktoré sú riadené jednou centrálnou riadiacou jednotkou, ktorá spracováva, vyhodnocuje a riadi jednotlivé podsystémy tvorené týmito vnorenými systémami. Iným príkladom nám môţe byť moderný platobný terminál banky, ktorý umoţňuje platbu pomocou karty, mobilného telefónu, alebo NFC čipov. Takýto terminál je samostatne chápaný ako celok, vnorený systém, no vnútri zariadení je niekoľko vnorených systémov so špecifickým zameraním, ako je čítanie magnetickej záznamovej vrstvy platobnej karty, ďalej čítacie zariadenie dátového čipu karty, tieţ zariadenie, ktoré bezdrôtovo načítava identifikačné údaje o platobnom prostriedku (platobná karta, telefón, SIM-karta, platobná nálepka). Samozrejmosťou takéhoto zariadenia sú mnohé ďalšie vnorené podsystémy na komunikáciu s centrálnym systémom a komunikáciu cez internet s bankou a tieţ na zápis na platobné prostriedky, zobrazenie informácií na displej a mnohé iné funkcie. Výhodou je, ţe tieto vnorené systémy majú miniatúrne rozmery, alebo sú priamo integrované na jeden čip a tým pádom sa zmestia aj do zariadenia tak malého ako sú prenosné platobné terminály bánk a finančných inštitúcií. Na obrázku č. 3 je znázornený príklad vnoreného systému ktorý obsahuje viacero komponentov, ktoré spolupracujú navzájom medzi sebou. K centrálnej jednotke sú napojené periférie ako LCD displeje, alebo ďalší vnorený počítač určený na špecifické úlohy. 19

20 Obrázok č. 3 Príklad vnoreného systému Zdroj : ( 2012) Vnorené systémy sú obľúbené u výrobcov najmä vďaka miniatúrnej veľkosti, prispôsobivosti, jednoduchosti a samozrejme vďaka spotrebe. Úzko vyšpecifikovaný okruh zamerania sa a previazanosť softvéru a hardvéru, najmä optimalizácia inštrukčnej sady a operačného systému spracúvajúceho tieto inštrukcie zabezpečujú minimálnu a v niektorých prípadoch aţ takmer nemerateľnú spotrebu elektrickej energie. Samozrejme spotreba je závislá od pouţitia integrovaného riešenia SoC a výber procesora či logického čipu, alebo pripojených periférnych zariadení. Existuje veľký nepomer v spotrebe zariadení. Tie zariadenia, ktoré vyţadujú náročnejšie výpočty a vysoký výkon dokáţu spotrebovať niekoľkonásobne viac elektrickej energie ako systémy, ktoré sú obmedzené na jednoduché výpočty, alebo úlohy. Najčastejšie vyuţitie vnorených systémov: Domáce elektrospotrebiče (dvd-prehrávač, tv, práčka), Kalkulačky, Mobilné telefóny, Tablety PC, Tlačiarne, 20

21 Digitálne fotoaparáty, Automobily a automobilový priemysel, Osobné zariadenia (hodinky, gps, mp3 prehrávač), Platobné terminály, Samoobsluţné terminály Typy vnorených systémov Typovo vieme rozdeliť vnorené systémy na jednoúčelové a viacúčelové. Preto pri voľbe pouţitia vnoreného systému musíme dôsledne dbať na to na aký typ úloh, alebo operácií bol konkrétny vnorený systém navrhnutý. V prípade ak sa vyţaduje jednoduchá úloha, alebo malý súbor týchto úloh je výhodnejšie zvoliť jednoúčelové vnorené systémy. V opačnom prípade, ak potrebujeme vyšší výkon, alebo vykonávať viacero operácií a nepostačuje nám jedno či viac jednoúčelových vnorených systémov, volíme si komplexné vnorené systémy na báze systému s operačným systémom. Jednoúčelové Patria sem vnorené systémy, ktoré sú navrhnuté a skonštruované na konkrétne účely. Spravidla neobsahujú operačný systém, ale namiesto neho pouţívajú vopred naprogramovanú sadu inštrukcií. Môţu obsahovať rozhranie na komunikáciu s okolitým prostredím a spracovávať podnety od pripojených zariadení. Ako príklad si uvedieme zabezpečovací systém na báze vnoreného systému kedy je prítomný samotný vnorený systém, číselná klávesnica, programovateľné tlačidlá a pohybový senzor. Pri zaznamenaní pohybu cez pohybový senzor tento odošle signál o zmene do vnoreného systému. Systém následne vyhodnotí na základe posledného stavu či ide o poplach, ak je aktivované monitorovanie, alebo beţnú činnosť ak je monitorovanie vypnuté. Pouţívateľ dokáţe zadaním vopred nastavených sekvencií na číselnej klávesnici aktivovať, alebo deaktivovať monitorovanie pohybu. Ak systém vyhodnotí, ţe ide o narušenie základného stavu, kedy by nemal prijať ţiadny signál z pohybového senzoru, spúšťa hlasovú signalizáciu ak je pripojené zariadenie na generovanie poplašného zvuku. Takéto zariadenie ako sme si vysvetlili nie je moţné pouţiť na iné účely ako 21

22 na tie na ktoré bol navrhnutý a vyrobený. To znamená, ţe nie je moţné vykonávať výpočet zloţitých úloh, alebo interakciu s pouţívateľom napríklad cez obrazovku. Viacúčelové, komplexné vnorené systémy na báze OS Tieto vnorené systémy zväčša obsahujú podporu pre celú sadu inštrukcií a operácií pre spúšťanie a prácu operačného systému. Je moţné pouţiť aj vyšší operačný systém, ktorý ma podporu výstupu na periférie, ako je tlačiareň, pripojený monitor, zvukové zariadenia a mnoho ďalších. Takisto je moţné takýto systém pripojiť na vnútornú sieť, alebo internet. V porovnaní s príkladom uvedeným pri jednoúčelovom vnorenom systéme, systém na báze OS pridáva benefity ako je výstup bezpečnostného systému na obrazovku napríklad v dohľadovej miestnosti, alebo oznámenie o narušení, ktoré je preposlané na mobilný telefón konkrétnej osobe. Tieţ je moţné prevádzkovať na vnorenom systéme napríklad server pre zdieľanie údajov po sieti a na internet a pomocou webstránok meniť parametre a nastavenia pre toto zariadenie Využitie vnorených systémov Vnorené systémy, ako uţ bolo spomenuté tvoria neoddeliteľnú súčasť ţivota kaţdého beţného človeka a podniku v súčasnej modernej spoločnosti. Nachádzajú sa najmä v spotrebnej elektronike. V beţnom podnikovom prostredí si nachádzajú uplatnenie takmer v kaţdom druhu operácie ktorú je moţné vykonávať. Vnorené systémy pomáhajú v podobe kioskov informovať verejnosť, alebo návštevníkov o produktoch a takisto vykonávať zber a analýzu spätných väzieb zákazníkov. Všetko je to moţné vykonávať automaticky a údaje takto získané sa automaticky prenášajú do informačného systému spoločnosti. Takto je moţné veľmi rýchlo reagovať na zmeny chovania zákazníkov, a následne vylepšovať sluţby na základe podnetov. Medzi najčastejšie vyuţitie vnorených systémov patrí určite pouţite v IT sektore, alebo na IT oddelení. Vnorené systémy zabezpečujú komunikáciu medzi všetkými zariadeniami pripojenými do vnútropodnikovej siete, alebo na internet. Riadia najmä komunikáciu a prenos informácií v informačnom systéme. Ide o vnorené systémy na prenos informácií, ako sú switche, routre, firewally, sieťové, bezdrôtové a optické karty. 22

23 Bez vnorených systémov v súčasnej dobe nie je moţné prakticky prenášať, uchovávať, alebo spracovávať informácie v akomkoľvek informačnom systéme. 1.3 Vnorené počítače ako súčasť vnorených systémov Vnorené počítače sú chápane ako dôleţitá súčasť celku vnorených systémov. Pojem je často zamieňaný s vnoreným systémom aj odbornou verejnosťou, nakoľko je moţné si vnorený počítač predstaviť ako celok aj s integrovaným systémom, keďţe tento je v mnohých prípadoch priamo zviazaný s vnoreným počítačom a nie je moţné oddeliť systém od hardvéru. Vnorené počítače majú väčšie obmedzenia oproti klasickým počítačom, najmä z pohľadu hardvéru a softvérovej funkcionality. Čo sa týka hardvéru sú známe obmedzenia ako je výpočtový výkon, energetická spotreba, veľkosť pamäte, hardvérové funkcionality a iné. Zo strany softvéru najmä v porovnaní s operačným systémom PC je nedostupnosť väčšiny aplikácií, potreba špecifických aplikácií, ţiaden alebo limitovaný operačný systém na vnorenom počítači. Moderné hardvérové riešenia vnorených počítačov, ale uţ môţu a v niektorých prípadoch aj obsahujú plnohodnotnú náhradu za klasické PC. No z pohľadu vyuţitia vnorených počítačov, tieto majú niekoľko výhod v porovnaní s PC. Najmä ak sa jedná o špecificky vyuţívané, alebo jednoúčelové zariadenia. Vnorený počítač sa vyznačuje menšími rozmermi a dôraz sa kladie aj na výber komponentov pouţitých pri návrhu a implementácií riešenia týchto zariadení. V mnohých prípadoch je výrobný proces týchto počítačov na najvyššej úrovni, keďţe od zariadení sú poţadované vlastnosti ako je vysoká kvalita a spoľahlivosť. Taktieţ pouţitie kvalitných elektrosúčiastok zabezpečuje v mnohých prípadoch niţšiu spotrebu elektrickej energie, alebo niţšie tepelné zaťaţenie prístroja. Historicky boli vnorené počítače navrhované s veľmi agresívnymi a dynamickými mechanizmami pre manaţment správy spotreby elektrickej energie. Väčšina vnorených počítačových systémov musela byť navrhnutá s ohľadom na to, ţe budú pracovať v malom pracovnom priestore, často s prevádzkou na batériu, taktieţ bez výhod aktívneho chladenia ventilátorom (BARRY et. al. 2012, s. 4). Tieto a iné výhody sú nielen výhodou, ale aj poţadovaným aspektom vývoja a nasadenia vnorených počítačov z pohľadu hardvéru. 23

24 Vnorené počítače nám v súčasnej dobe určujú úrovne integrácie. Najmä integrácia procesora alebo logickej jednotky, vykonávajúcej úlohy a operácie, základnej dosky, ktorá komunikuje so zariadeniami pripojenými na vnorený počítač. Procesorom, alebo logickou jednotkou sa myslí mikročip čip miniatúrnych rozmerov, vykonávajúci vopred naplánované, alebo dynamicky sa meniace operácie. V moderných výkonných riešeniach vnorených počítačov sú pouţívané klasické procesory, ktoré sú pouţívané aj v PC. Tieto môţu byť s 8, 16, 32, alebo 64 bitovou architektúrou. Vyšší počet bitov v architektúre procesorov označuje, ţe sa jednotlivé bloky v pamäti pri spracovaní berú po väčších celkoch, kedy dosahujeme aj presnejšie výsledky. Taktieţ čím je viacbitová architektúra, tým viac fyzickej pamäte dokáţe systém spracovať. Voľba pouţitia jednotlivých architektúr, alebo ich kombinácií závisí od konkrétneho pouţitia vnoreného počítača. Preto platí, ţe čím obtiaţnejšia úloha na výpočet, alebo spracovanie, tým by mala byť zvolená vyššia trieda architektúry. A naopak na jednoduché úlohy, alebo výpočty sa štandardne pouţívajú jedno a viacúčelové procesory. Zväčša 8, alebo 16 bitové procesory, ktoré obvykle disponujú potrebným výkonom na poţadované operácie, pričom tieto spracúvajú rýchlejšie, optimálnejšie a s menšou energetickou náročnosťou neţ procesory vyššej triedy. S vývojom vnorených počítačov sa zväčšovala aj úroveň integrácie. Z počiatočného dizajnu integrovaného procesoru a pamäťového radiča, sa postupom času zvyšoval aj počet komponentov a periférií priamo integrovaných do jedného celku. Dnes tieto označujeme skratkou SOC, z anglických slov System On Chip (systém na čipe). Nemyslí sa tým iba systém ako softvér, ale najmä celý systém integrácie procesora, pamätí, zbernice, komponentov a periférií do jedného zariadenia. Tieto zariadenia na báze SOC sú momentálne najviac pouţívané v segmente trhu vnorených počítačov orientovaných na beţných pouţívateľov a vyuţitie týchto zariadení na multimediálne, alebo viac účelové úlohy Rozdiely medzi klasickou PC architektúrou a vnoreným systémom Ako uţ bolo spomenuté v kapitole 1.2 a 1.3, vnorený systém ako celok nám v dnešnej dobe špecifikuje najmä riešenie vnoreného počítača na báze riešenia SoC. Ide 24

25 o kompletné riešenie, kde sa na jednom čipe nachádzajú všetky potrebné komponenty pre chod informačného systému. Zvyčajne stačí takéto zariadenie pripojiť k zdroju napájania a nahrať na pamäťovú kartu operačný systém, alebo zvolenú aplikáciu. Po zapnutí zariadenie vykoná poţadované vopred naplánované úlohy. Niektoré zariadenia nedisponujú pripojením pre rozhrania pamäťových kariet, ale majú vlastnú zabudovanú pamäť. Zabudovanou pamäťou sa myslí integrovaná pamäť na doske zariadenia, čo môţe byť flash pamäť, pamäťová karta, alebo pevný disk ak je podporované rozhranie na pripojenie takéhoto disku. Hlavnou úlohou vnoreného systému po zapnutí je zavádzanie systému, alebo inštrukcií pre vnorený počítač. Pre zavádzanie sa pouţíva anglický výraz Booting, u nás zovšeobecnené bootovanie. Všeobecne sa dá vysvetliť proces zavádzanie programu do operačnej pamäte tak, ţe vnorený počítač spúšťa komplexné viackrokové sekvencie, ktoré obsahujú mnoţstvo inštrukcií. Toto sa deje takisto pri zavádzaní operačných systémov ako je Linux, Windows, alebo RTOS. Počas fázy POR (zapnutie a reset), je moţné zmeniť nastavenia fyzických periférií, alebo zmeniť konfiguračné nastavenia hardvéru celého systému, ak sú rozdielne ako pôvodné nastavenia ( ). V zásade rozdiel v zavádzaní systému do operačnej pamäte sa líši v prípade vnorených systémov od PC architektúry tým, ţe vnorené počítače ako súčasť vnorených systémov pristupujú k hardvérovým prostriedkom a perifériám zväčša priamo. Pri nastavovaní týchto prostriedkov a periférií môţe vnorenému počítaču dopomôcť firmvér. Tento môţe byť umiestnený v pamäti ROM a líši sa v závislosti od zariadenia. Architektúra na báze PC pouţíva na komunikáciu hardvéru so softvérom systém BIOS. Systém BIOS je program vstavaný do osobných počítačov, ktorý po zapnutí počítača spúšťa operačný systém. Označuje sa aj ako systémový firmvér. Systém BIOS je súčasťou hardvéru počítača a je oddelený od operačného systému Windows ( ). Systém BIOS je v podobe čipu pripojený k matičnej doske počítača a počiatočné nastavenia pri spúšťaní načítava z pamäte CMOS. Pamäť typu CMOS je napájaná z batérie počítača a vybitie batérie, alebo poškodenie tejto pamäte spôsobí reset nastavení systému 25

26 BIOS do pôvodného stavu. Naopak poškodenie pamäte BIOS má za následok fatálne zlyhanie matičnej dosky počítača, čím dochádza k znefunkčneniu, alebo zničeniu tohto zariadenia, čím je znemoţnená ďalšia práca s PC. Počítač či uţ osobný, pracovná stanica, alebo server je navrhnutý tak, aby na ňom mohli pouţívatelia inštalovať rôzne operačné systémy a softvérové aplikácie a aby plnili rôzne úlohy. Vnorený počítač je postavený s vopred nastaveným softvérom, ktorý je navrhnutý na to, aby plnil konkrétne úlohy (PHUNG et. al. 2011, s. 52). Medzi najväčšie rozdiely porovnávaných architektúr rozhodne patrí návrh platformy a pripojených periférií. Kým v prípade vnorených systémov ide o riešenie: všetko v jednom, pri architektúre PC nám tento systém pozostáva z niekoľkých komponentov, ktoré spolu tvoria funkčný celok. Základom takéhoto celku je matičná doska, ktorá od výrobcu obsahuje základné vybavenie pozostávajúce z elektronických súčiastok a logických obvodov. Samozrejmosťou sú pozície na pripojenie najdôleţitejších komponentov ako je procesor, pamäť typu RAM, grafická a zvuková karta. Nechýba mnoţstvo pätíc a konektorov pre pripojenie rozširujúcich modulov, alebo periférií ako sú multimediálne, alebo sieťové karty, tlačiarne a mnoho iných zariadení. Výhodou PC architektúry je v porovnaní s vnoreným systémom to, ţe pouţívateľ si môţe slobodne vybrať aké komponenty si pre systém zvolí. Samozrejme je potrebné prihliadnuť na ich vzájomnú kompatibilitu. V prípade vnorených systémov ako celku je voľba komponentov a mnoţstvo konektorov a rozhraní definitívne daná návrhom a výrobou zariadenia. A ak ich výrobca neintegruje dostatočný počet, môţe nedostatok spôsobiť funkčné obmedzenia tohto systému, alebo sa skráti celkový ţivotný cyklus vyuţitia zariadenia. Naopak, ak je navrhovaný vnorený počítač za účelom napríklad čo najmenšej plochy, alebo s ohľadom na nízku spotrebu a tepelné vyţarovanie je ţiaduce, aby mal takýto systém čo najmenej komponentov a boli integrované iba tie najpotrebnejšie pre vykonávanie poţadovaných úloh a operácií, poprípade na pripojenie iba špecifických periférií. Pre porovnanie si môţeme v tabuľke č. 1 pozrieť vybrané rozdiely medzi osobným počítačom a vnoreným počítačom. 26

27 Tabuľka č. 1 Porovnanie osobného PC s vnoreným PC OSOBNÝ POČÍTAČ Podpora 1024x768 alebo lepšieho rozlíšenia obrazovky Klávesnica a myš pre zachytenie vstupov od pouţívateľa Dostatok systémovej pamäte, pre PC odporúčané aspoň 2GB pamäte RAM Dostatok ukladacieho priestoru pre PC odporúčané aspoň 300GB a viac úloţného priestoru na pevnom disku VNORENÝ POČÍTAČ Bez podpory obrazovky, Malé obrazovky, ktoré podporujú iba obmedzené mnoţstvo ASCII textu. Hardvérové tlačidlá a dotykové obrazovky pre zachytenie vstupov od pouţívateľa Obmedzená systémová pamäť Flash pamäť s obmedzenou kapacitou úloţného priestoru Zdroj : (PHUNG et. al. 2011, s. 52) Medzi týmito dvoma platformami je veľa rozdielov, najmä z pohľadu na návrh platformy ako je matičná doska, ktorá obsahuje integrované obvody, elektronické čipy radiče pamätí, alebo procesor. No v súčasnej dobe výrobcovia klasických PC a prenosných zariadení ako je notebook pristupujú k návrhu týchto zariadení tak, ţe sa čím viac pribliţujú vnoreným systémom na báze SoC. V tomto segmente trhu je badať výraznú miniaturizáciu všetkých komponentov, pouţitie matičných dosiek typu Mini-ITX s rozmermi 17x17 cm s vymeniteľným, alebo integrovaným procesorom, grafickou kartou a tieţ pamäťami. Poprední výrobcovia a distribútori hardvéru ako je Apple, Samsung, Lenovo, Dell, alebo IBM veľmi rýchlo pochopili význam a výhody riešenia typu SoC a toto začali razantne predávať a propagovať, ako výkonné a pritom ekologické a na spotrebúvanú energiu nenáročné riešenie. Asi najďalej v pribliţovaní sa vnoreným systémom v segmente trhu s osobnými počítačmi prenikla americká IT firma Apple a kórejský gigant Samsung. Obidve firmy vyrábajú prenosné počítače, ktoré sú z pohľadu hardvéru jednoznačne identifikovateľné ako celkové riešenie typu vnorený systém (vnorený počítač). Základom najnovších produktov týchto firiem je pouţitý návrh matičnej dosky prenosného počítača, 27

28 ktorý obsahuje napevno integrovaný procesor, pamäťové moduly pamäte RAM nie sú oddelené ako sme zvyknutí, ale sú tieţ priamo integrované na doske. Pri návrhu týchto zariadení boli dôkladne vyberané komponenty s výhľadom do budúcnosti, nakoľko uţ nebude moţné z pohľadu pouţívateľa tieto meniť. Takisto sa pouţívajú kvalitné obvody a meniče napätia pre procesor a pamäte aby nedochádzalo k prehrievaniu systému a bolo dosiahnuté čo najlepšie odvádzanie zostatkového tepla pri práci týchto zariadení. V oboch prípadoch týchto výrobcov je pouţitý SoC, no procesory sú pouţité rozdielne. Z pohľadu vyššieho výkonu a niţšej úspory spotreby elektrickej energie je pouţitý procesor s architektúrou Intel Core i5 / i7, na druhej strane, kde je dôraz na úsporu elektrickej energie je pouţitý procesor na báze architektúry ARM. Jednoznačné výhody, ktoré poskytujú vnorené systémy otvárajú nové moţnosti pre segment trhu, kde doteraz nebolo moţné pouţívať tieto riešenia. Máme na mysli najmä trh s osobnými a prenosnými počítačmi, kde je badať významný prepad predaja osobných počítačov. Podľa agentúry Gartner je vo štvrtom kvartáli roku 2013 v porovnaní s rokom 2012 aţ 6,9% pokles predaja PC ( ). Technickou výhodou vnorených počítačov a vnorených systémov ako celku je určite to, ţe v oblasti výroby integrovaných čipov sa dosahujú razantné pokroky a exponenciálne sa zvyšuje výkon súčasných moderných procesorov a grafických jednotiek, ktoré sa pouţívajú v týchto zariadeniach. Týmto sa zmenšujú rozdiely medzi vnoreným a klasickým osobným počítačom. Voľbu v prospech vnorených počítačov určuje najmä ich výrobná cena a kapacity výrobných liniek. Tieto dokáţu za zlomok ceny klasického procesoru vyprodukovať za rovnaký čas niekoľko násobne viac procesorov, alebo pamätí určených pre vnorené počítače. Čo sa týka výkonu tento sa v mnohých smeroch blíţi ku klasickým PC procesorom a v mnohých prípadoch je výkon procesorov pre vnorené systémy vyšší aţ niekoľkonásobne. Pre porovnanie si môţeme vziať tabuľku výkonu a spotreby jednotlivých procesorov, kde pre štvorjadrový (psychicky za pomoci technológie HT aţ osemjadrový) procesor Intel Core i7 950 s konštantnou spotrebou 150W (Wattov) sa udáva, ţe dokáţe vypočítať 18,9 milióna operácií s algoritmom pre počítanie kryptografických hašovacích funkcií na báze šifry SHA-256. Pri počítaní tej istej kryptografickej funkcie dosahuje zariadenie s procesorom ASIC pri spotrebe 2,5W výkon 2500 miliónov operácií ( 28

29 ). To znamená, ţe pri 60 násobne niţšej spotrebe dosahuje aţ 132 násobný výkon v určitej aplikácií, alebo funkcii. Na tie najzloţitejšie prepočty pri ktorých, je potrebné dosiahnuť maximálny výkon a minimálnu spotrebu elektrickej energie je moţné pouţiť jednoúčelové procesory typu ASIC a FPGA. Tieto dosahujú niekoľkonásobný výkon v porovnaní s klasickými procesormi vďaka tomu, ţe v nich nie je obsiahnutá celá inštrukčná sada ako pri 32, alebo 64-bitovom procesore a sú zamerané na jednu, alebo malú mnoţinu konkrétnych úloh. Toto býva zohľadnené uţ pri návrhu procesoru a aj logické obvody na polovodičovom čipe sú podriadené zapojeniu a prepínaniu, presne podľa navrhovaného riešenia. Týmto je moţné dosiahnuť aj nadväzujúcu veľmi nízku spotrebu elektrickej energie. Procesory typu ASIC a FPGA je moţné vyuţiť napríklad na matematické úlohy, výpočet vektorov, alebo špecifických úloh a takisto ich pouţiť ako rozširujúce zariadenie pre PC, alebo vnorený počítač ak sa nachádzajú na externom zariadení s rozhraním napríklad USB. V súčasnosti sú tieto procesory pouţívané najmä pri počítaní hašovacích funkcií a to najmä pri vytváraní a správe hesiel pre pouţívateľov, alebo pri generovaní haš kontrolných súčtov pre súbory na pamäťových zariadeniach pripojených k počítaču. V tomto prípade ide o prienik týchto procesorov medzi oba segmenty trhu, vnorených aj osobných počítačov, kde si pomalým tempom budujú svoju pozíciu na poli pouţívaných procesorov. Samozrejme, bezproblémové je pouţitie tohto typu procesorov aj vo vnorených systémoch. Vzhľadom na výkon a nenáročnosť na dodávané mnoţstvo elektrickej energie do procesoru sú tieto s obľubou pridávané do vnorených systémov. Na obrázku č. 4 je zobrazený vnorený systém vyuţívajúci klasický procesor architektúry ARM a takisto procesor typu FPGA. 29

30 Obrázok č. 4 Vnorený systém s procesorom FPGA Zdroj : ( 2014) Medzi základné spoločné črty, ktoré spájajú vnorené počítače a klasickú architektúru na báze PC patria určite aj nasledovné: Je prítomný procesor, Je prítomná operačná pamäť, Je prítomný ukladací priestor pre softvér, Vyţadujú softvérové aplikácie, aby boli vyuţiteľné. (PHUNG et. al. 2011, s. 52) Samozrejme okrem hore uvedených spoločných čŕt medzi osobnými a vnorenými počítačmi existuje aj mnoho ďalších. Môţeme si uviesť aj pozície na pripojenie periférnych zariadení, alebo vyuţívanie toho istého hardvéru na oboch platformách. Týmto je moţné dosiahnuť to, ţe sa rozdiely medzi týmito zariadeniami zmenšia natoľko, ţe pre beţného uţívateľa bude ťaţké rozpoznať či zariadenie na ktorom pracuje je osobný, alebo vnorený počítač. V niektorých prípadoch v dnešnej dobe za pouţitia rovnakého operačného systému, len na odlišnej platforme nie je moţné bez hlbších znalostí rozpoznať rozdiel. 30

31 Vnorené systémy ako celok sa začali neuveriteľne rýchlo šíriť v podobe pre pouţívateľa veľmi obľúbenej a to ako mobilné telefóny typu smartfón. Toto u nás uţ udomácnené slovo v doslovnom preklade znamená chytrý telefón. Čiţe inteligentné zariadenie určené nielen na telefonovanie a posielanie krátkych textových správ, ale aj na pokročilejšie funkcie, ako je internetová pošta, komunikácia v reálnom čase, kalendáre, prijímanie a zdieľanie obsahu z internetu. Za týmto zariadením a jeho derivátom v podobe tabletového počítača (tabletu), je samozrejme integrovaný vnorený počítač. Spolu s operačným systémom dodávaným na tieto zariadenia tvoria samostatne pouţiteľný celok vnorený systém. Najpouţívanejšie operačné systémy na týchto mobilných zariadeniach sú podľa agentúry Gartner: Android s podielom na trhu 79%, ios so 14,2% podielom a Microsoft so 3,3% podielom. O ostatné priečky v porovnávacej tabuľke s podielom na trhu menším ako 3% patria napríklad menej známemu systému BlackBerry, alebo známemu operačnému systému s ukončeným vývojom Symbian ( ). Popularita týchto zariadení pritiahla pozornosť výrobcov výhradne zameraných na segment trhu osobných počítačov ku vnoreným systémom. V mnohých prípadoch je takéto zariadenie pre pouţívateľa plnohodnotnou alternatívou k osobnému počítaču. Najmä sa to týka tých pouţívateľov, ktorí sú zameraní na internetovú komunikáciu a nepotrebujú vyšší a vysoký výpočtový výkon, ktorý im prináša osobný počítač. Benefitom v porovnaní so zariadením typu PC, ktoré je viazané na káblové pripojenie k zdroju elektrickej energie je najmä to, ţe mobilné zariadenia sú zväčša napájané zo vstavanej batérie a poskytujú komfort ľahkej prenositeľnosti a dlhej výdrţe na batériu Výhody a nevýhody vnorených systémov v porovnaní s PC Pouţitie vnorených systémov prináša mnoho výhod a benefitov, ale samozrejme aj určité obmedzenia a nevýhody. Niţšie spomenuté výhody a nevýhody sú všeobecného charakteru. Vţdy závisí od konkrétnej situácie, ako je vnorený systém pouţitý a aké sú špecifické poţiadavky na výkon, alebo jeho pouţitie. Čo môţeme v jednom prípade povaţovať za výhodu, nemusí platiť aj v druhom prípade. Ako napríklad, ak potrebujeme aby vnorený systém reagoval na reakcie okolitého prostredia v kriticky krátkom čase, povaţujeme výkonný procesor za výhodu. No v prípade, ak nie je kladený dôraz na výpočtový výkon, môţe byť výkonný procesor, ktorý spotrebúva veľké mnoţstvo 31

32 elektrickej energie chybným riešením, ak poţadujeme od systému maximalizáciu úspory elektrickej energie. Vyberáme preto najčastejšie a najviac diskutované prvky v jednotlivých kategóriách. Medzi jednoznačné výhody v prospech vnorených systémov zaraďujeme : Dizajn a účinnosť Centrálne procesorová jednotka vo vnorených systémoch je všeobecne menej komplikovaná, čo uľahčuje jej údrţbu. Obmedzené funkcie vyţadované od vnorených systémov im umoţňujú byť navrhnuté tak, aby čo najefektívnejšie plnili svoje funkcie ( ). Náklady Zjednodušenie výroby väčšiny vnorených systémov dovoľuje, aby boli pouţité diely menšie a lacnejšie na výrobu ( ). Rýchlosť - Mnoho vnorených systémov je navrhovaných pre konkrétne účely a s obmedzenými funkciami, čím sa dosiahlo zvýšenie výkonu vo vykonávaných úlohách. Spoľahlivosť Vnorené systémy boli od prvopočiatkov svojej existencie navrhované s dôrazom na maximálnu spoľahlivosť. Všeobecne sa od nich očakáva dlhoročná prevádzka bez výpadkov, alebo bez akýchkoľvek iných problémov, ako je zacyklenie, nedostupnosť, atď. Takisto je moţné vyuţiť pokročilejšie metódy ako dosiahnuť maximálnu spoľahlivosť a to napríklad automatická oprava chýb, redundancia vo vnútri vnoreného systému, alebo virtualizácia. Opravou chýb sa myslí to, ţe vnorený systém obsahuje na softvérovej alebo hardvérovej úrovni sluţbu na kontrolovanie chýb, alebo samotestovacie cykly, ktoré keď zistia určitú chybu postupujú podľa vopred nastavených procesov a snaţia sa dosiahnuť to, aby chybu odstránili, poprípade jej v budúcnosti zabránili. Najjednoduchším hardvérovým spôsobom predchádzania vzniku chýb a ich následnej oprave je pouţitie pamätí typu ECC RAM, ktoré kontrolujú či systémom uloţené údaje do pamäte sa zhodujú s tými údajmi, ktoré systém reálne zapísal. Pri chybe prebehne opätovný zápis a kontrola údajov. Medzi ďalšie predchádzanie vzniku chýb a dosahovania maximálnej spoľahlivosti systému patrí 32

33 watchdog timer (zauţívaný výraz stráţny pes ). Ide o hardvérové zariadenie, alebo súčiastku, ktorej systém, alebo operačný systém v pravidelnom čase zasiela signál na znovu nastavenie interných počítadiel. Ak počítadlá nedostanú signál od systému, napríklad v prípade ak sa systém zacyklí, alebo je nedostupný, tieto počítadlá spustia časovač a po uplynutí vopred stanoveného času prichádza k reštartu zariadenia. To znamená, ţe súčiastka zariadeniu zmaţe operačnú pamäť a po následnom vypnutí sa zariadenie samo zapne ( ). Riešenie na báze watchdog timer patrí medzi hardvérovo-softvérové. Ako softvérové riešenie vieme pouţiť virtualizáciu. Virtualizačný hostiteľ udrţuje procesy a podsystémy vo vnorenom systéme vo virtualizovanom prostredí. Týmto je moţné dosiahnuť to, ţe akýkoľvek prvok podsystému nebude mať vplyv na ostatné virtualizačné prostredia. Po odstránení chyby na jednom, alebo viacerých podsystémoch sa celý systém vráti do pôvodného stavu. Tieto a mnohé iné techniky sa štandardne integrujú do vnorených systémov, nakoľko sa od týchto systémov často vyţaduje maximálna spoľahlivosť. Ako príklad si uvedieme pouţitie vnoreného systému pri záchrane ľudského ţivota v podobe kardiostimulátora, ďalej napríklad v automobilovom priemysle pri riadení brzdných síl pri brzdení, alebo vo finančnom sektore pri manipulácii s hotovosťou v bankomatoch. Veľkosť Veľkou výhodou vnorených systémov je moţnosť integrácie viacerých zariadení, komponentov a elektrosúčiastok na jednu dosku, alebo čip a tým dosiahnuť ich miniaturizáciu. Najmenšie vnorené systémy, ktoré obsahujú aj rozhranie pre komunikáciu, alebo pripojenie periférií majú rozmery aj menšie ako 1x1 cm. Práve veľkosť a moţná úspora priestoru pri pouţití vnorených systémom im dávajú konkurenčnú výhodu v segmentoch trhu, kde je potrebné aby pouţité zariadenie bolo čo najmenšie. V čase písania tejto práce popredný výrobca procesorov a integrovaných mikročipov Intel uviedol na trh vnorený počítač vo veľkosti SD karty. Zariadenie má názov Intel Edison a obsahuje 400 MHz procesor s dvomi výpočtovými jadrami, operačnú a úloţnú pamäť, wifi a bluetooth ( ). U odbornej verejnosti vzbudil pozornosť tento vnorený počítač najmä pouţitím spomenutých komponentov a dosiahnutím minimalistických 33

34 rozmerov. Ako benefit výrobca pouţil štandardizované rozhranie kompatibilné s SD kartami a tým zabezpečil, ţe je moţné ho pouţiť v akomkoľvek zariadení, ktoré podporuje spomenuté rozhranie. Na obrázku č. 5 niţšie vidíme vnorený počítač Intel Edison. Obrázok č. 5 Vnorený počítač Intel Edison Zdroj : ( 2014) Spotreba el. energie Vnorené systémy aj vzhľadom na svoje rozmery a pouţité súčiastky zväčša spotrebúvajú malé mnoţstvo elektrickej energie. Uţ počas návrhu sa kladie dôraz na zámer a vyuţitie navrhovaného vnoreného systému. Pri očakávaní čo najdlhšej výdrţi na batérie, alebo ekonomicky úsporného chodu zariadenia sa pouţívajú energeticky nenáročné procesory a integrované obvody. Takisto je potrebné systém, ktorý riadi vnorený počítač prispôsobiť tomu, aby rozumne vyuţíval systémové a hardvérové prostriedky a aby sa zabezpečila čo najniţšia spotreba. V prípade, ţe je systém navrhovaný s dôrazom na vysoký výpočtový výkon, je potrebné tieţ optimalizovať previazanosť a optimalizáciu hardvéru 34

35 a softvéru, no nie je moţné očakávať nízku spotrebu ako pri zariadeniach, ktoré sú primárne určené na jednoduchšie výpočtové operácie. Medzi techniky, ktoré umoţňujú optimalizáciu spotreby patria: zmena časovania procesora podľa vyťaţenia (podtaktovanie alebo pretaktovanie), vypínanie jednotlivých nevyuţitých procesorových jadier, uspanie zariadenia v čase kedy nevykonáva ţiadne úlohy a iné. Medzi nevýhody vnorených systémov v porovnaní s PC by sme zaradili : Nemoţnosť slobodnej voľby akéhokoľvek operačného systému Pri voľbe operačného systému, ak to vnorený systém dovoľuje, sme viazaní na pouţitie iba tých operačných systémov, ktoré boli navrhnuté a postavené na architektúre, ktorá je kompatibilná s architektúrou pouţitou na vnorenom systéme. Najčastejšie je moţné sa stretnúť s tým, ţe operačný systém podporuje iba architektúru na báze PC a nebol navrhnutý na to, aby bolo moţné ho spustiť vo vnorenom počítači napríklad s architektúrou ARM. Mnoho vnorených systémov nedovoľuje zmenu operačného systému, buď z dôvodu, ţe je operačný systém priamo a nemenne zavedený do vnoreného systému, alebo z dôvodu, ţe vnorený systém neobsahuje operačný systém. V týchto prípadoch nie je moţné robiť zmeny v systéme na softvérovej úrovni. Slabší výkon v aplikáciách pouţitých na oboch platformách Pre porovnanie v beţných aplikáciách prevádzkovaných na osobnom, alebo vnorenom počítači, zväčša tie, ktoré sú prevádzkované na vnorenom počítači dosahujú niţšie výkony. Vplyv na tento výsledok má najmä to, ţe osobné počítače majú vo väčšine prípadov viac operačnej pamäte, do ktorej je moţné zaviesť celú aplikáciu aj s údajmi ktoré spracúva. Tieţ to, ţe vnorené počítače pouţívajú menej výkonné pamäte a procesory a takisto nemusia obsahovať dostatočné kapacity úloţnej pamäte na spracovávané údaje. Pouţitie iba na špecifické úlohy V prípade, keď je pouţitý vnorený systém navrhnutý na spracovanie či uţ jednej, alebo malej skupiny operácií zväčša nie je moţné uţ vykonávať ďalšie operácie mimo rozsah daný od výroby. Toto je často limitované aj samotným výberom súčiastok pouţitých pri 35

36 výrobe vnoreného systému. PC v porovnaní s vnoreným systémom je spravidla pouţívaný na vykonávanie celej škály rôznych operácií. Dostatok komponentov, o ktoré je moţné ho rozšíriť, nám následne dovoľuje ho pouţívať na akékoľvek operácie. Nemoţnosť vykonať upgrade hardvéru Vnorené systémy, alebo ich súčasť - vnorené počítače sú navrhované štandardne ako riešenie typu SoC. Takéto riešenie všetko v jednom je závislé od pouţitých súčiastok pri návrhu a následnej výrobe zariadenia. Výrobcom dané parametre nie je moţné bez straty záruky, alebo poškodenia meniť. Najmä sa to týka výmeny kľúčových súčiastok ako je operačná pamäť, procesor, grafická jednotka alebo pamäť pre uchovávanie údajov. Tieto sú vo väčšine prípadov priamo spojené s doskou systému a nie je moţné ich vymeniť za výkonnejšie. Naopak PC je systém, ktorý takmer vţdy dovoľuje výmenu akejkoľvek súčiastky, ktorá nie je priamo integrovaná do matičnej dosky. Návrh je modulárny, čiţe si výrobca, alebo pouţívateľ môţe zvoliť typ procesoru, počet a veľkosť operačnej pamäte, vymeniť úloţný priestor na údaje, alebo zmeniť grafickú kartu. Aj po dlhšom čase pouţívania PC, je moţné vykonať takzvaný upgrade výmenu súčiastok za lepšie, novšie, alebo výkonnejšie. Toto prebieha jednoducho odpojením starej súčiastky od pôvodného systému a zapojením novej na miesto tej predchádzajúcej. Samozrejme je potrebné kontrolovať vzájomnú kompatibilitu všetkých súčiastok. 36

37 2 Vybrané techniky a metódy návrhu vnorených informačných systémov V tejto kapitole sa zameriame na vnorené systémy, najmä z pohľadu návrhu dvoch konkrétnych systémov. Ďalej sa budeme venovať vybraným programovacím jazykom, ktoré môţeme pouţiť pri tvorbe aplikácií na tieto platformy a porovnáme si vybrané rozdiely medzi nimi. Takisto sa budeme venovať najrozšírenejším operačným systémom, ktoré je moţné prevádzkovať na vnorených systémoch. 2.1 Prístupy k návrhu vnorených systémov Návrh väčšiny vnorených informačných systémov patrí medzi metódy medziplatformového vývoja. To znamená, ţe hlavné súčasti vývojového prostredia sa nachádzajú na hostiteľskom počítači a na cieľovom vnorenom systéme sa programový kód, alebo obrazy systému vykonávajú príkazmi na diaľku (LI et. al. 2003, s. 26). Systém, kedy je pouţitý medziplatformový vývoj, pouţívame vo väčšine prípadov, kedy na vnorenom počítači nemôţeme priamo vyvíjať potrebný systém, alebo aplikáciu. Týmto spôsobom sa vo vývojovom prostredí naprogramuje kód, ktorý je prenesený následne na vnorený systém, alebo počítač a na diaľku sa spustí. Ladenie aplikácií, alebo systému potom prebieha pomocou sledovania poţadovaných výstupov, alebo napojením sa priamo na vnorený systém cez ladiace rozhranie. Týmto rozhraním môţe byť špeciálny konektor na zariadení, alebo výstup na monitor, ak je táto vlastnosť podporovaná. Vývoj aplikácií a operačných systémov pre vnorené systémy, pri ktorom nie je potrebné pouţívať multiplatformový vývoj, poprípade sa vyvíja priamo na vnorenom systéme, sa volá natívny vývoj aplikácií a systémov. Pri návrhu vnorených systémov je potrebné spomenúť, ţe sa tieto od seba veľmi líšia najmä z pohľadu pouţitého hardvéru, jeho architektúry a najmä jeho obmedzení. Najčastejšou prekáţkou v návrhu je spomenutá architektúra. Tá sa často mení od zariadenia k zariadeniu. Vplyvom vývoja technológií prichádza k zmenám inštrukčných sád procesorov na vyššie rady a to najmä na poli procesorov s ARM technológiou, ktorá dokáţe v dnešnej dobe bez problémov nahradiť s istými obmedzeniami klasické počítačové procesory. Preto je táto technológia nasadzovaná v stále väčšej miere na takmer všetky typy novodobých vnorených systémov. Z pohľadu návrhu týchto 37

38 systémov sú tu menšie obmedzenia a softvéroví a hardvéroví návrhári dokáţu s menšími prekáţkami spojiť svoje vedomosti a navrhovať optimalizovanejšie vnorené systémy. 2.2 Vývoj aplikácií pre vnorené systémy Jednou z ciest ako vieme identifikovať vývoj aplikácií pre vnorený systém patrí aj to, ţe sa vyuţívajú kríţové kompilátory, respektíve kríţové prekladače. Tieto sa pouţívajú pri vývoji pre jednotlivé vnorené systémy. Preto väčšinou dodávateľ vnoreného systému dovoľuje zakúpenie, alebo pouţitie špecifických kompilátorov potrebných na vývoj aplikácií. Tieto prekladajú aplikácie vyvíjané na PC platforme do natívneho kódu, alebo spustiteľného obrazu pre vnorené systémy, nakoľko tieto väčšinou nedovoľujú spúšťanie aplikácií vyvíjaných pre iné platformy. Medzi najčastejšie pouţívané kompilátory môţeme zaradiť GNU nástroje. Skratka GNU vyjadruje najmä slobodný operačný systém, vznikol ako projekt a neskôr k nemu bola napísaná aj licencia (GPL) pre slobodné šírenie, úpravu distribúciu a najmä spúšťanie aplikácií a kódu vydaného pod touto licenciou. Bezplatný prístup a neobmedzenosť tejto licencie zabezpečili obľubu nástrojov a jazykov, ktoré sa rýchlo rozšírili do prostredia vývoju aplikácií, čo im zabezpečilo aj multiplatformovosť, nakoľko kód je moţné meniť a je jednoduché ho upraviť tak, aby bol schopný sa spúšťať a vykonávať aj na iných platformách. Vnorené softvérové kompilátory často podporujú iba jazyk C, alebo C a C++. Navyše, mnoho vstavaných C++ kompilátorov dokáţe realizovať iba podmnoţinu tohto jazyka (zvyčajne, dedičnosť, výnimky a šablóny chýbajú). Aktuálne je rastúca popularita jazyka Java, ale vlastnosti správy pamäte tohto jazyka predurčujú tento pre pouţitie iba na väčších systémoch (WHITE 2011, s. 18). V podstate pri vývoji aplikácií pouţívame iba dva druhy programovacích jazykov. Tieto si opíšeme podrobnejšie niţšie. 1. Kompilovaný programovací jazyk: Kompilovaný programovací jazyk je taký, kde sú aplikácie, alebo program napísané v zdrojovom kóde a neskôr sú preloţené kompilátorom do strojového kódu, ktorý dokáţe konkrétne zariadenie spustiť, namiesto toho aby ho interpretoval (RANTA 2012, s. 17). 38

39 Aplikácie vyvíjané v kompilovaných programovacích jazykoch sú rozšírené najmä pri pouţití v menej účelových vnorených systémoch. Pri vývoji týchto aplikácií musíme poznať obmedzenia, ktoré nám určuje navrhnutý vnorený systém a musíme vopred poznať návrh celého systému. Len vtedy vieme presne určiť aké úlohy je schopný tento systém reálne spracovať za pomoci tohto programovacieho jazyka. Medzi obmedzenia patrí najmä procesor, ktorý spracúva tieto úlohy, nakoľko aplikácia musí byť vyvíjaná a kompilovaná do zdrojového kódu, ktorý vie tento procesor spustiť. Takisto nesmieme zabudnúť spomenúť to, ţe vývoj aplikácií v kompilovaných jazykoch je náročnejší na správnu skladbu a zápis kódu, ktorý je vykonávaný. V porovnaní s interpretovanými jazykmi spomenutými niţšie je kompilovaný jazyk rýchlejší v spúšťaní a vykonávaní, nakoľko k týmto procesom nie je potrebný ţiaden medzikód, alebo pomocný interpreter a aplikácie sú spracúvané v natívnom jazyku procesora. 2. Interpretovaný programovací jazyk : Jedná sa o programovací jazyk, ktorý je priamo vykonávaný interpreterom. A nie je potrebné ho kompilovať pre vnorený systém, alebo operačný systém pracujúci vo vnorenom počítači. Nevýhodou interpretovaných jazykov je najmä to, ţe majú niţší výkon. Na klasickej platforme PC, kde sú vykonávané aplikácie cez interpreter sú v dnešnej dobe pri štandardných aplikáciách nepoznateľné rozdiely medzi interpretovanou a kompilovanou aplikáciou. No v našom prípade, keď je vývoj zameraný na vnorené systémy, musíme brať ohľad na kaţdý aspekt pouţitia tohto jazyka. Ako je spomenuté v prvej kapitole, vnorené systémy majú mnoho obmedzení, ako je architektúra, pamäť, procesor a iné prostriedky. Preto musíme aplikácie vyvíjať so zreteľom na tieto obmedzenia. Najmä aby nedochádzalo ku spomaľovaniu vykonávania úloh, ktoré spracúvajú tieto aplikácie ak dôjde k zaplneniu pamäte RAM, alebo k nadmernému vyťaţeniu procesora. S týmto sa môţeme stretnúť pri písaní na prostriedky náročných aplikácií v interpretovaných jazykoch. Tieto sú neskôr preloţené do medzikódu, ktorý vie interpreter interpretovať a následne vykonať. Týmto procesom si vezme určitú časť prostriedkov a výkonu samotný interpreter a určitú časť si vezme aj aplikácia vykonávaná týmto interpreterom. No v mnohých prípadoch je programovanie aplikácií pre vnorené systémy výhodnejšie v interpretovaných jazykoch, nakoľko tieto môţu mať a vo väčšine prípadov 39

40 aj majú širšiu základňu vývojárov a s tým spojené aj väčšie mnoţstvo aplikácií, modulov a tried pre tieto aplikácie v porovnaní s kompilovanými jazykmi, ktoré sme spomenuli na začiatku tejto kapitoly. Tými sú najmä jazyky C a C++. Tieţ interpretované jazyky je moţné ľahšie preniesť na iné platformy, alebo ich prispôsobiť, aby ich bolo moţné spúšťať pod inými operačnými systémami. Medzi najrozšírenejšie interpretované jazyky patria v súčasnej dobe najmä: Perl, PHP, Python, alebo Ruby. Mnoho veľkých spoločností v IT priemysle momentálne pouţíva kombinácie týchto jednotlivých programovacích jazykov pri návrhu vlastných informačných systémov. Za zmienku stojí určite spomenúť internetového giganta americkú spoločnosť Google, ktorá od roku 2003 implementovala programovací jazyk Python a aktívne ho pouţíva dodnes pri dopytoch na vyhľadávanie, alebo pri práci s úspešným poštovým serverom Gmail. 2.3 Operačné systémy pre vnorené systémy Historicky vychádzali vnorené systémy z konceptu, ţe na nich nebol prevádzkovaný ţiaden operačný systém. Sada inštrukcií vopred predurčených a naprogramovaných sa nachádzala v čipe, alebo v pamäti vnoreného systému. Tieto boli vykonávané presne ako bolo predurčené a nové funkcie sa uţ nedali pridať, alebo bol potrebný zásah do hardvérovej konštrukcie vnoreného systému. Ako vývoj a nároky pokročili, stále bolo potrebné rozširovať moţnosti vnorených systémov. Na tieto poţiadavky uţ jednotlivé pevne dané inštrukcie nedokázali reflektovať a poskytovať potrebný logický výkon alebo funkcie. V prípade vyšších poţiadaviek začali vznikať vnorené systémy s podporou operačných systémov. Zväčša kopírovali tieto systémy klasické počítače, najmä procesor, pamäť RAM, úloţný priestor a v mnohých prípadoch aj rozhrania pre komunikáciu po sieti alebo so vstupno-výstupnými jednotkami. V začiatkoch prieniku operačných systémov do tohto segmentu boli podporované iba dva systémy: Windows a Linux. Neskôr pribudli aj iné systémy ako je ios alebo Android a takisto mnoho ďalších. V súčasnej dobe nie je problém napísať alebo prepísať takmer akýkoľvek operačný systém pre vnorený systém. Výrobcovia sa snaţia dodávať k vnoreným systémom kompletnú dokumentáciu a vývojové nástroje spolu s ovládačmi, čo uľahčuje prácu s vývojom operačných systémov na tieto platformy. 40

41 Niţšie si spomenieme najrozšírenejšie operačné systémy a popíšeme ich najvýznamnejšie črty. Pri stavbe IS na báze vnoreného systému je potrebné vybrať operačný systém, ktorý je kompatibilný s naším vnoreným systém Windows Operačný systém Windows CE (skratka ce vyjadruje kompaktný a efektívny - účinný) prešiel od svojho vzniku v roku 1996 radikálnym vývojom. Názov produktu sa drţal aţ do roku 2004 kedy bol vo verzii Windows CE 5.0, neskôr bol v ďalšej verzii premenovaný na Windows Embedded CE 6.0 aţ po poslednú verziu z roku 2011 s názvom Windows Embedded Compact 7. Celých pätnásť rokov patril medzi aktívne vyvíjané a aj programátormi preferované platformy pre vnorené systémy. Môţeme sa s ním stretnúť dodnes v prenosných zariadeniach typu PDA, alebo v prenosných navigačných zariadeniach. V tejto kapitole sa ďalej zameriame najmä na jeho poslednú verziu Windows Embedded Compact 7. Windows Embedded Compact 7 podporuje hardvér ktorý obsahuje ARM, MIPS, a x86 procesory. Je to platforma podporujúca rôzne typy procesorov tým, ţe došlo k oddeleniu hardvérovej vrstvy od systému (PHUNG et. al. 2011, s. 63). Týmto rozumným krokom bolo umoţnené programátorom aplikácií na windows systémy aby mohli oveľa jednoduchšie vytvárať návrhy systémov a takisto vytvárať nové aplikácie. Aplikácie uţ nebolo potrebné prekompilovať a zvlášť prispôsobovať pre jednotlivé architektúry procesorov. Stačilo vyvinúť aplikáciu pre jednu platformu a systém windows uţ zabezpečil aby ju bolo moţné spustiť na kaţdom windows vnorenom systéme. Medzi ďalšie benefity vnoreného windows systému môţeme určite zaradiť aj to, ţe jeho tvorcovia sa snaţia maximálne uľahčiť prácu tím, ktorí vytvárajú nové vnorené systémy a potrebujú funkčný operačný systém reálneho času (RTOS), ktorým vnorený systém windows samozrejme je. Implementujúcim vývojárom je k dispozícií celá škála podporných aplikácií a softvérových nástrojov, ktoré zabezpečujú jednoduchú implementáciu systému s minimálnymi poznatkami z programovania. Samotný vnorený windows je moţné nahrať na trvalú, alebo prepisovateľnú pamäť vo vnorenom počítači. Základný prvotný obraz z ktorého sa spúšťa operačný systém je nastavený tak, aby bolo moţné bez problémov systém buď spustiť alebo ladiť jeho spúšťanie. 41

42 Medzi výhody operačného systému okrem hore uvedených určite zaraďujeme rozšírenosť platformy, dostatok aplikácií a tieţ vývojárov týchto aplikácií, jednoduchosť programovania na windows platformu všeobecne, nenáročnosť systému na hardvérové prostriedky, odolnosť voči zlyhaniu systému a efektivita vykonávaných operácií systémom. Nevýhody nasadenia platformy na báze vnorených windows systémov sú najmä: uţ ukončený vývoj platformy a prechod na novší systém Windows Phone 7 a nezáujem o nadchádzajúcu platformu zo strany spotrebiteľov. Kľúčovým faktorom doterajšieho neúspechu systému windows v posledných rokoch je podľa nás to, ţe vinou interných procesov v spoločnosti Microsoft, ktorá vyvíja vnorený systém windows prišlo v čase najväčšieho rozvoja vnorených systémov k stagnácií vývoja tohto systému. Týmto sa otvoril priestor pre konkurenčné operačné systémy, ktoré túto slabinu následne vyuţili a obsadili takmer celý trh s vnorenými systémami. Medzi tie najhlavnejšie patria linux, jeho derivát android a unixový operačný systém ios Linux Linux je neuveriteľný kus softvéru. Je to operačný systém, ktorý je rovnako doma v systéme zseries superpočítačoch IBM, ako aj na mobilných telefónoch, výrobných zariadeniach, sieťových prepínačoch, alebo dokonca na strojoch ktoré doja kravské mlieko. Čo je viac neuveriteľné je to, ţe tento softvér v súčasnej dobe vyvíjajú tisíce najlepších softvérových inţinierov a je k dispozícii zadarmo (SALLY 2010, s. 23). Autorom systému linux je fínsky študent Linus Torvalds. Systém začal programovať ako náhradu za v tej dobe pouţívaný komerčný operačný systém Minix zaloţený na báze Unix. Základom linuxu od jeho ranného vývoja je jadro linuxu. Jadro linuxu je z prevaţnej časti napísané v jazyku C, no nie je limitované iba na tento konkrétny jazyk. Pomocou rozšírení dokáţe prekladať mnohé iné jazyky ako napríklad java, go, C++, ada alebo Fortran. Jadro bolo vyvíjané pre platformu i386 dnes známu ako 32-bitová architektúra. Vývojom a obľúbenosťou systému, komunita pracujúca na vývoji jadra linuxu dokázala prepísať (portovať) linuxové jadro na takmer všetky dostupné platformy a architektúry. Linuxové jadro vychádzajúce z Unix systému sa radí medzi najstabilnejšie operačné 42

43 systémy. V špecifických prípadoch je moţné po nainštalovaní, systém pouţívať celé desaťročia bez jediného výpadku, reštartovania, alebo vypnutia. Linux patrí medzi softvér s otvoreným zdrojovým kódom vydaným pod licenciou GNU (GPL), táto zaručuje kaţdému právo na zmenu kódu, šírenie kópií systému, alebo spúšťanie programu na akékoľvek účely. Sloboda softvéru pre systém linux dopomohla k tomu aby sa pri vývoji oddelili jednotlivé vetvy a vzniklo viacero populárnych distribúcií linuxu. Medzi najpopulárnejšie určite patrí Debian linux a jeho derivát pre beţných domácich pouţívateľov Ubuntu. Medzi komerčné verzie linuxu zaraďujeme najmä Red Hat a SUSE linux. Pri komerčných linuxoch sa predáva väčšinou servisná podpora a aktualizácie k operačnému systému a nie samotný systém. Ako hlavnú výhodu pouţitia linuxu ako operačného systému pre vnorené systémy zaraďujeme okrem stability aj to, ţe jadro linuxu vieme upraviť presne podľa našich špecifických potrieb. V prípade sluţieb ktoré nepotrebujeme, vieme tieto jednoducho vypnúť a tým dosiahnuť úsporu pamäťových prostriedkov. Naopak ak potrebujeme určitú funkcionalitu, ktorú jadro nepodporuje, jednoducho si ju vieme doprogramovať a zaviesť ako modul do jadra linuxu. Optimalizovaním linuxového jadra vieme dosiahnuť to, ţe systém je maximálne stabilný aj pri veľmi obmedzených pamäťových prostriedkoch a pritom máme k dispozícií plnohodnotný operačný systém a nie len sadu inštrukcií na mikročipe. Vývoj aplikácií na platformu s operačným systémom typu Linux sa nelíši od iných platforiem. V mnohom je však zjednodušený a programátorovi poskytuje veľké mnoţstvo vývojových nástrojov. Tieto sú voľne k stiahnutiu a často býva k jednotlivým nástrojom obsiahla dokumentácia. Pre tých skúsenejších nie je potrebné mať na vývoj ţiadne nástroje. Linux štandardne ponúka textový editor a kompilátor. Ak napíšeme programový kód v textovom editore a po uloţení ho dáme skompilovať, systém nám vytvorí samostatnú aplikáciu ktorú je moţné spustiť a pracovať s ňou. Vývoj aplikácií je realizovaný zväčša v programovacom jazyku C. Tento je natívne podporovaný aj operačným systémom. To však neznamená, ţe aplikácia napísaná v jazyku C pre platformu Windows bude plne funkčná aj v systéme linux. Pre kaţdý operačný systém je potrebné aby sme integrovali do aplikácie potrebné kniţnice a moduly, ktoré sa odlišujú v závislosti od operačného systému. Na platforme linux je tento vývoj uľahčený 43

44 tým, ţe je aplikácia distribuovaná ako zdrojový kód. Tento zaručuje to, ţe po skompilovaní zdrojového kódu do spustiteľného kódu môţeme aplikáciu spúšťať na takmer akomkoľvek zariadení s OS linux. Samozrejmosťou je moţnosť doinštalovať do systému podporu pre iné programovacie jazyky. Medzi obľúbené patria python, java a ruby on rails. Medzi najväčšie výhody operačného systému linux okrem hore uvedenej modulárnosti jadra zaraďujeme aj stabilitu a rýchlosť systému. Linux bol navrhnutý tak aby zostalo jadro nedotknuteľné pouţívateľskými aplikáciami. Tieto by nemali mať vplyv na chod systému ani po tom ako je do systému zavedený modul ktorý môţe spôsobiť nestabilitu. Jadro linuxu samoopravnou funkcionalitou zistí problémy a pokúsi sa chybný modul, alebo aplikáciu vypnúť. Toto platí aj v prípade vírusov a iného škodlivého kódu. Aj vďaka týmto výhodám nie je linux populárny medzi tvorcami škodlivého kódu. Nevýhody systému linux sú najmä jeho nízky podiel na trhu s operačnými systémami. Toto spôsobuje to, ţe vývojári aplikácií sú viac zameraní na iné platformy ako sú Windows, Android a ios. Taktieţ by sme sem mohli zaradiť aj rôzne typy linuxu, ktoré sa od seba líšia adresárovou štruktúrou, pouţitými kniţnicami na prevádzku operačného systému a takisto balíčkovacím systémom na inštaláciu aplikácií. Operačný systém linux obsahuje veľké mnoţstvo aplikácií a nástrojov pre sieťovú komunikáciu. Preto nie je ţiaden problém ak chceme pouţiť vo vnorenom systéme viacero komunikačných rozhraní. Samozrejmosťou sú sieťové karty, WiFi a mobilné pripojenie. V prípade ak si pre vnorený systém zvolíme operačný systém typu linux získame automaticky všetky tieto benefity. Takisto pri návrhu systému pre vnorený počítač máme prácu uľahčenú vďaka integrovaným programom v jadre systému na ladenie zavádzania a spúšťania systému Android Android je operačný systém vyvíjaný primárne americkou spoločnosťou Google a zoskupením viacerých výrobcov telefónov, telekomunikačných operátorov a technologickými spoločnosťami. Je zaloţený na linuxovom jadre a je prispôsobovaný k tomu aby mohol byť spustiteľný na rôznom hardvéri. Systém android v súčasnej dobe nájdeme v telefónoch, tabletoch, televíziách, rôznych technologických zariadeniach a samozrejme aj na prenosných a stolných PC. Čoraz častejšie sa s ním stretávame vo 44

45 vnorených systémoch ako sú domáce multimediálne prehrávače, rôzne komunikačné zariadenia a vývojové vnorené počítače. Výhodou systému android v pouţití na vnorených systémoch je to, ţe bol od počiatku vyvíjaný pre procesory na architektúre ARM. Tieto procesory sa v súčasnej dobe nachádzajú na väčšine vnorených systémov od ktorých očakávame plnohodnotné funkcionality. Systém android sa skladá z jadra linuxu, middleware, pouţívateľského rozhrania a aplikácií. Masové rozšírenie na trhu operačných systémov, dostupné programovacie nástroje a podrobná dokumentácia pre systém poskytli vývojárom aplikácií moţnosť jednoducho programovať aplikácie pre tento systém za predpokladu, ţe majú určitú znalosť linuxu a programovacieho jazyku java. Operačný systém android je voľne k stiahnutiu na internete a takisto sú k dispozícií priamo od vývojárov systému aplikácie na vývoj aplikácií pre platformu android. Medzi výhody systému android patrí najmä jeho rozšírenosť a podpora zo strany vývojárov aplikácií a komunity pouţívateľov. Kaţdý kto objaví chybu v systéme ju môţe opraviť alebo nahlásiť na opravenie a v rýchlom čase dôjde k náprave problému. Ako sme spomenuli vyššie, systém android je postavený na stabilnom jadre linuxu. Okrem benefitov, ktoré poskytuje linux pridáva android rozšírenú podporu pre viacero hardvérových platforiem a samozrejme pre pouţívateľov uţ známe a prívetivé pouţívateľské prostredie. Vývoj aplikácií na platformu android prebieha jednoducho za pomoci vývojových nástrojov, buď priamo od vývojárov systému android, alebo pomocou aplikácií tretích strán. Štruktúra programovacieho kódu je veľmi príbuzná programovaciemu jazyku java. S javou má programovanie v android okrem syntaxe spoločné aj to, ţe aplikácie sú po naprogramovaní skompilované do bajtkódu, ktorý je spúšťaný vo virtuálnom prostredí. Na platforme android sa virtuálny stroj, ktorý spúšťa aplikácie nazýva Dalvik. Čiţe aplikácie nespúšťa priamo operačný systém, ale virtuálny stroj. Týmto je zaručené to, ţe ak je chyba v aplikácií, táto chyba neohrozí celý systém, ale spôsobí ukončenie izolovanej časti virtuálneho stroja. Výhodou pre celý ekosystém android bolo historicky to, ţe sa ako základ behového prostredia pouţil jazyk java. Vývojári aplikácií pre java platformu sa nemuseli učiť novú syntax kódu pri programovaní a jednoducho mohli začať tvoriť plnohodnotné aplikácie na platformu android. V čase písania práce sa ku dňu nachádzalo

46 aplikácií pre android v najväčšom distribučnom kanáli Google play ( ). Medzi nevýhody android určite patria roztrieštenosť platformy. Najmä veľké mnoţstvo verzií, ktoré boli vydané počas celej doby vývoja. Hlavné vývojové verzie 1,2,3 a 4 sú medzi sebou kompatibilné len v obmedzenej forme. Vývoj starších verzií systému bol ukončený, preto je podporovaná vţdy iba posledná verzia systému. V súčasnej dobe je to android 4 vo verzii 4.4 s označením KitKat. Aplikácie, ktoré boli skompilované pre verzie 2 alebo 3 uţ veľakrát nie je moţné spustiť na najnovších systémoch. Problémy nastávajú, aj pri spätnej kompatibilite so staršími verziami android systémov. Aplikácia fungujúca pod systémom verzie 4 a vyššie s najväčšou pravdepodobnosťou nebude správne pracovať v systéme s verziou 2, alebo 3. Tieto obmedzenia spôsobujú mierne frustrácie vývojárov, kedy je potrebné meniť zdrojový kód aplikácií aby ich bolo moţné prevádzkovať na vyšších verziách systému android. Druhým pohľadom na túto nevýhodu, môţe byť to, ţe s novým systémom sú pridávané nové funkcionality a s tým spojené pouţívateľské benefity. 2.4 Techniky a metódy návrhu vnorených informačných systémov V tejto kapitole sa zameriame na porovnanie hlavných techník a metód návrhu IS medzi dvomi vnorenými systémami. Konkrétne Raspberry Pi a BeagleBone Black. Tieto dva systémy sme si zvolili na základe toho, ţe oba majú veľmi podobné parametre a je moţné na oboch prevádzkovať plnohodnotný operačný systém ako základ pre vnorený informačný systém. Oba vnorené systémy obsahujú jedinú sadu inštrukcií potrebnú k zavádzaniu systému nahranému na SD karte, alebo vnútornej pamäti systému. Hlavné hardvérové charakteristiky nájdeme v tabuľke č. 2. Tabuľka č. 2 Porovnanie BeagleBone Black a Raspberry Pi BeagleBone Black Raspberry Pi Základná cena 45 UDS 35 USD Procesor 1GHz TI Sitara AM3359 ARM 700 MHz ARM1176JZFS 46

47 Cortex A8 ARMv6k RAM 512 MB DDR3L MHz 512 MB SDRAM MHz Pamäť 2 GB na doske emmc, MicroSD SD Video výstup 1x Micro-HDMI 1x HDMI, 1x Kompozitný Podporované rozlíšenie zobrazenia (5:4), (4:3), (16:9), (16:10) Od aţ po , vrátane 1080p Zvukový výstup Stereo cez HDMI Stereo cez HDMI, Stereo cez 3.5 mm jack konektor Operačné systémy Angstrom (v základe), Ubuntu, Android, ArchLinux, Gentoo, Minix, RISC OS, a ostatné Raspbian (odporúčaný), Ubuntu, Android, ArchLinux, FreeBSD, Fedora, RISC OS, a ostatné Spotreba elektrickej energie ma - 5V ma - 5V GPIO Porty 65 Pinov (Konektorov) 8 Pinov (Konektorov) Periférie a pripojenie 1x USB rozhranie, 1x Mini- USB, 1x 10/100 Mbps Ethernet 2x USB rozhranie, 1x Micro- USB Napájanie, 1x 10/100 Mbps Ethernet Zdroj: ( 2014) Raspberry Pi Raspberry Pi je počítač s veľkosťou kreditnej karty, ktorý stačí pripojiť ku televízoru a klávesnici. Je dosť výkonný na to aby slúţil na rôzne elektronické projekty. V mnohých prípadoch dokáţe to čo klasické PC. Primárne bol navrhnutý na to aby sa deti všade na svete naučiť programovať ( ). Pôvodne navrhnutý vnorený počítač pre výučbu programovania pre deti si získal veľkú obľubu u technickej verejnosti. Vnorený počítač navrhla anglická nadácia The Raspberry Pi Foundation. Začal sa predávať v marci 2012 a hneď začali vznikať veľké 47

48 komunity pouţívateľov zaoberajúce sa praktickým vyuţitím technického potenciálu tohto zariadenia. Raspberry Pi je dostupný v troch variantoch. Model A a Model B vo verzii 1 a 2. Modely A a B vo verzii 1 rozlišuje to, ţe model B obsahuje sieťové rozhranie (ethernet). Verzia 1 obsahuje 256 MB pamäte a verzia 2 celých 512 MB pamäte RAM. Procesor má označenie ARM1176JZFS čo znamená, ţe je to architektúra ARMv6k a je taktovaný na frekvenciu 700 MHz. Matičná doska SoC má označenie BCM2835 (SCHMIDT 2012, s. 14). Pre plnohodnotné vyuţitie Raspberry Pi ako vnoreného systému je potrebné vytvoriť informačný systém, ktorý je moţné prevádzkovať na zariadení. Informačný systém pozostáva väčšinou z operačného systému a obsluţného, alebo aplikačného softvéru. V tabuľke č. 2 sú zobrazené podporované operačné systémy. Odporúčaným systémom je Raspbian ktorý je derivátom obľúbeného linuxového operačného systému Debian. Operačný systém je potrebné si prevziať z internetu a následne nahrať na SD kartu. Raspberry Pi neobsahuje vnútornú pamäť a preto jediným moţným riešením zavedenia systému je pamäťová karta typu SD. Operačný systém je optimalizovaný pre toto konkrétne zariadenie a preto nie sú potrebné, ţiadne dodatočné úpravy systému. Ihneď po vloţení karty a zapojení napájania dochádza k zavádzaniu systému. Po zavedení systému je moţné so zariadením ihneď pracovať. Ak vyţadujeme sluţby ako je pripojenie do siete internet, alebo tlačenie a iné, spustíme si konfiguračný program v systéme a jednoducho aplikujeme poţadované nastavenia. V prípade, ţe potrebujeme vyuţívať aplikácie, ktoré nie sú integrované v základe operačného systému je potrebné pouţiť vstavaného správcu balíčkovacieho systému, ktorý zabezpečuje inštalácie a odinštalácie aplikácií. Ďalšou metódou ako sprevádzkovať aplikáciu na vnorenom systéme je pouţitie štandardných metód kompilácie aplikácií zo zdrojového kódu. Pozor si musíme dať najmä na to, ţe zdrojové kódy poţadovanej aplikácie, musia mať podporu architektúry ARM, na ktorej je vnorený počítač typu Raspberry Pi zaloţený BeagleBone Black Vnorený počítač BeagleBone Black bol uvedený na trh v apríli 2013 ako doplnenie portfólia americkej neziskovej spoločnosti The BeagleBoard.org Foundation, ktorá sa 48

49 venuje výrobe vnorených počítačov a vývojových dosiek. Hlavným benefitom BeagleBone Black je to, ţe spája výhody jednotlivých komponentov do jednotného celku vnoreného systému. Procesor má označenie TI Sitara AM3359, pouţitá architektúra ARM Cortex A8 a je taktovaný na frekvenciu 1000 MHz. Vnorený počítač obsahuje 512 MB pamäte RAM a 2GB vnútornej ukladacej pamäte. Na matičnej doske sú prítomné mnohé rozširujúce konektory, ktorých zoznam nájdeme v tabuľke č. 2. BeagleBone Black je od výroby vybavený vstavanou pamäťou, ktorá obsahuje uţ vopred implementovaný operačný systém. Tento systém s názvom Ångström je linuxového typu upravený pre potreby tohto konkrétneho vnoreného systému. V prípade potreby je moţné rozšíriť úloţný pamäťový priestor pomocou kariet typu MicroSD. Operačný systém pre inštaláciu aplikácií vyuţíva vlastný balíčkovací systém. Tieţ je moţné v prípade potreby kompilovanie aplikácií zo zdrojového kódu, pričom tento musí byť kompatibilný s architektúrou ARM na ktorej je vnorený počítač zaloţený Návrh vnorených systémov V tabuľke č. 2 sme si uviedli hlavné hardvérové charakteristiky oboch vnorených počítačov. Aby sme v tieto mohli zaradiť medzi vnorené systémy, je potrebné sprevádzkovať na zariadeniach informačný systém. Tento tvoria operačný systém, aplikácie, ale aj sieťové pripojenie, pripojené periférie a iné. Raspberry Pi nebol na trhu prvým vnoreným počítačom, no vďaka cene a moţnostiam rozšírenia si získal veľkú základňu pouţívateľov a vývojárov softvéru. Títo pomohli k masovému rozšíreniu nielen samotného vnoreného systému, ale aj iných podobných riešení. Nakoľko BeagleBone Black prišiel na trh o takmer rok neskôr, mohli byť pri tomto systéme pouţité vylepšenia, ktoré boli verejnosťou kritizované u Raspberry Pi. A to najmä rýchlejší procesor, rozšírená inštrukčná sada v podobe ARM v8 oproti ARM v6 a interný ukladací priestor. V prípade, ţe chceme na oboch vnorených počítačoch prevádzkovať operačný systém, je to v prípade BeagleBone Black jednoduchšie z dôvodu, ţe tento má od základu operačný systém vo svojej vnútornej pamäti. Týmto sa vývojári riešenia vyhli problémom s tým, ţe pouţívateľ nemusí mať takmer ţiadne znalosti z vybranej oblasti zamerania na 49

50 inštaláciu operačných systémov. Pouţívateľ jednoducho pripojí zariadenie na zdroj napájania a systém sa ihneď začne spúšťať a zavádzať do pamäte. Tento čas trvá v priemere 10 sekúnd a potom je ihneď pripravený k vykonávaniu pripravených činností. V oboch prípadoch je moţné pouţiť v systéme balíčkovací systém pre pohodlné inštalovanie a odinštalovanie aplikácií. Takisto je moţné inštalovať aplikácie kompilovaním zo zdrojových kódov aplikácie, ak majú tieto podporu architektúry ARM. V prípade, ak by sme chceli na vnorených systémoch prevádzkovať IS na báze klient server je jednoducho moţné si doinštalovať na to potrebné aplikácie, alebo vyuţiť napríklad vstavaný aplikačný http server Apache. Dôleţitým faktorom pri návrhu vnorených systémov je aj vyuţitie GPIO konektorov (GPIO pinov). Toto pripojenie je vyuţívané pri komunikácií s externými zariadeniami. Komunikácia prebieha s vopred určenými konektormi na úrovni vstupu a výstupu pouţitím predávaných hodnôt, kde nízka hodnota je 0 a vysoká hodnota je 1. Cez toto rozhranie vieme ovládať napríklad krokové elektromotory, rôzne logické obvody, spínacie relé, alebo LCD zobrazovacie jednotky. Obe porovnávané zariadenia obsahujú tieto konektory. V prípade Raspberry Pi je počet limitovaný na 8 konektorov, kým BeagleBone disponuje aţ 65 konektormi. Ak vyţadujeme od vnoreného systému aby dokázal obsluhovať čo najviac zariadení súčasne, musíme si zvoliť zariadenie s vyšším počtom konektorov. Medzi ďalšie metódy návrhu vnorených systémov patrí aj JTAG rozhranie. Toto rozhranie slúţi na komunikáciu s vnoreným počítačom. Z oboch porovnávaných systémov je pouţité rozhranie JTAG iba v prípade BeagleBone Black. Pre zjednodušenie je na matičnej doske integrované do konektora Mini-USB. Cez tento konektor je moţné vnorený počítač napájať elektrickou energiou a aj s ním komunikovať. JTAG rozhranie je moţné pouţiť v prípade návrhu informačného systému, kedy nám poskytuje veľmi potrebné informácie pri ladení systému. Vnorený počítač cez JTAG oznamuje všetky úrovne informácií ako sú štandardné informácie, varovania a chyby. Preto je jednoduchšie navrhovať vnorené systémy na zariadení s týmto rozhraním, nakoľko ihneď je moţné získať spätnú väzbu pri kaţdom kroku návrhu informačného systému, nielen na systémovej ale aj na hardvérovej úrovni. 50

51 V oboch prípadoch ide o technicky veľmi podobné zariadenia a výber z pohľadu pouţívateľa sa zameriava na budúce vyuţitie vnoreného systému. Vnorený systém BeagleBone Black je často pouţívaný v prípadoch, keď ide najmä o vývoj aplikácií na vnorených systémoch. Raspberry Pi je s obľubou pouţívaný na multimediálne projekty. 51

52 3 Prípadová štúdia Pre návrh vnoreného informačného systému sme si zvolili vnorený počítač Raspberry Pi od nadácie The Raspberry Pi Foundation. Vnorený počítač sme zakúpili cez internet a to konkrétne Raspberry Pi Model B vo verzii 2 s procesorom s frekvenciou 700 MHz a 512 MB pamäte RAM. Bliţšie hardvérové informácie sú rozpísané v tabuľke č. 2 v druhej kapitole. Výber modelu B bol ovplyvnený tým, ţe sme poţadovali aby vnorený počítač podporoval sieťové sluţby a k tomu nám poslúţi integrovaný sieťový konektor na matičnej doske. 3.1 Návrh informačného systému Ako základ informačného systému sme si pre vnorený počítač vybrali linuxový operačný systém Raspbian. Ide o prispôsobenú verziu populárnej komunitnej distribúcie Debian. Inštalácia systému je jednoduchá. Inštalačný obraz je moţné bezplatne prevziať na internetových stránkach výrobcu zariadenia. Následne je potrebné zapísať inštalačný obraz na SD kartu. K tomuto nám poslúţil v linuxe vstavaný program dd (unixový duplikátor). V prípade zápisu v operačnom systéme windows môţeme pouţiť jednoduchú aplikáciu ktorú získame na stránkach výrobcu. Po zápise obrazu na SD kartu je moţné po vloţení a zapnutí zariadenia spustiť systém. Systém sa spúšťa zavádzaním linuxového jadra do operačnej pamäti. Po zavedení jadra prichádza ku zavádzaniu sprievodného softvéru a sluţieb, ako je napríklad sluţba tlače, sieťové a komunikačné sluţby. Po kompletnom zavedení je uţ moţná plnohodnotná práca so systémom. Pre naše potreby sme po inštalácií nakonfigurovali systém tak, aby sa nespúšťal grafický pouţívateľský systém, ale jednoduchá konzola (príkazový riadok) pre správu systému. Týmto sme dosiahli úsporu pamäťových prostriedkov a odľahčenie záťaţe procesoru. Ďalej sme v systéme zakázali spúšťanie nepotrebných sluţieb a procesov, ktoré nie sú pre nás potrebné a operačný systém ich výlučne nepotrebuje k svojej činnosti. Menej spustených sluţieb a procesov dovoľuje to, aby bolo pre systém k dispozícií viac systémových prostriedkov. Medzi najvýznamnejšie sluţby, ktoré sme zakázali patrí zvukový modul, www server Apache 52

53 a funkcionality spojené s odosielaním a prijímaním elektronickej pošty. Tieto optimalizačné úkony nám umoţnili zníţiť veľkosť vyuţitia operačnej pamäte na 40 MB. Ďalším krokom v návrhu IS je jeho samotné zabezpečenie. Aby sme sa vyhli neskorším bezpečnostným incidentom rozhodli sme sa vhodne zabezpečiť operačný systém. Zvolený operačný systém ponúka v základe zvýšenú bezpečnosť vďaka vstavanému firewallu. Táto v systéme integrovaná sluţba na základe pravidiel povoľuje alebo zakazuje komunikáciu s IS. Pre zvýšenie bezpečnosti sme si nainštalovali rozšírenie sieťových sluţieb v podobe aplikácie fail2ban. Táto zabezpečuje to, ţe po vopred stanovenom počte neúspešných pokusov o prihlásenie zakáţe prístup útočníkovi na určitý čas. Aplikácia spoľahlivo pracuje na základe blokovania IP adries útočníkov. V zásade sa spoliehame na to, ţe väčšinou automatický systém, ktorý sa pokúša získať prístup do IS bude povaţovať naše zariadenie za neaktívne ak sa nedostane ani k prihlasovacej sekvencii. Týmto zníţime pravdepodobnosť toho, ţe sa o to bude útočník pokúšať aj v budúcnosti. Obranný systém aplikácie fail2ban je moţné vylepšiť pridaním automatických pravidiel, ktoré preberajú databázu blokovaných IP adries z internetu a automatickým vloţením do pravidiel blokovania internetovej komunikácie. Pouţitím jednoduchých aplikácií sme dosiahli relatívne vysokú bezpečnosť systému voči hrozbám z internetu, alebo z lokálnej siete. Prihlasovanie do operačného systému prebieha pomocou príkazového riadku zadaním prihlasovacieho mena a hesla. Tieţ je moţné pouţiť vzdialené sieťové prihlásenie cez zabezpečený protokol SSH. Vďaka vzdialenému prihláseniu môţeme so systémom pracovať v štandardných prípadoch ako keby sme pracovali lokálne. Výnimkou je reţim opravy a záchrany systému, kedy sú vypnuté všetky sluţby okrem jadra linuxu, vrátane sieťových sluţieb. Vzdialené prihlasovanie nám dovoľuje umiestniť vnorený systém na akékoľvek aj beţne neprístupné miesto, kde je napájanie a sieťová konektivita a pracovať na ňom pohodlne odkiaľkoľvek z internetu. V prípade, ak potrebujeme mať prístup na zariadenie, ktoré sa nachádza za sieťovým prvkom, ktorý nie je transparentný a nedovoľuje komunikáciu s vnoreným systémom cez internet pomocou protokolu IPv4, môţeme pouţiť protokol IPv6 s adresou priamo pridelenou pre toto konkrétne zariadenie. V našom prípade sme pre pridelenie adresy IPv6 vyuţili aplikáciu gogo6. Táto nám dovoľuje vytvoriť virtuálny tunel na server poskytovateľov voľného pripojenia do IPv6 siete cez protokol IPv4 a vyuţívať benefity protokolu IPv6. 53

54 3.1.1 Informačný systém Raspcontrol Po skončení zabezpečovacej fázy sme sa zamerali na samotný informačný systém ktorý sme sa rozhodli navrhnúť pre vnorený počítač. Ako základ informačného systému sme si zvolili IS Raspcontrol. Raspcontrol je kontrolné centrum pre Raspberry Pi naprogramované v jazyku PHP. Pôvodne tento IS vyvíjal anglický vývojár Jacob Clark pod slobodnou licenciou GPL. Zdrojové kódy aplikácie sú k dispozícií na stránke Raspcontrol je v podstate štandardná www stránka ktorá zobrazuje jednoduché informácie o stave vnoreného systému a dovoľuje vykonávať jednoduché úkony ako je reštartovanie zariadenia alebo spúšťanie a zastavovanie vybraných sluţieb. V dobe, kedy sme sa začali venovať projektu návrhu IS pre vnorený systém bol projekt Raspcontrol takmer 6 mesiacov starý a bez aktívneho vývoja. Preto sme sa rozhodli prevziať projekt a vytvoriť vlastnú vývojovú vetvu. Ako platformu pre vývoj, archivovanie, synchronizáciu a publikovanie sme si zvolili štandardné nástroje dostupne zadarmo na internete. Medzi najdôleţitejšie patrí aplikácia git. Táto spolupracuje so serverom kde je umiestnený aj pôvodný projekt. Vývojovú vetvu pre vlastné potreby je moţné jednoducho vytvoriť príkazom fork (rozvetviť, vetviť). Ďalej pomocou aplikácie git je moţné stiahnuť a tieţ synchronizovať lokálnu kópiu súborov so súbormi umiestnenými na serveroch github, nakoľko sa snaţíme o pokračovanie vývoja pod slobodnou licenciou GPL. Samotný návrh systému je moţné realizovať aţ po prvotnej synchronizácií súborov. V prípade prvej synchronizácie ide iba o prevzatie súborov z internetu a vytvorenie si zoznamu aktuálnych súborov. Prevzatie súborov zo serveru sme vykonali príkazmi git init a git clone. Aplikácia sa pri inicializácií dopytuje na miesto kam má prevzaté súbory umiestniť a tým pádom aj nastaviť pracovný adresár. Po zadaní adresy v systéme boli aplikáciou prevzaté všetky potrebné súbory pre IS. Prvé spustenie IS je inicializované po spustení jednoduchého vopred pripraveného skriptu start.sh, ktorý obsahuje postupnosť príkazov, ktoré vykoná následne systém. Spustením skriptu sa aktivuje www server s podporou vykonávania inštrukcií napísaných v jazyku html a PHP. Parametre vstupu a výstupu je moţné upraviť v skripte pomocou konfigurácie. Pri spúšťaní www servera sú z konfigurácie načítané systémové cesty v súborovom systéme, kde sa nachádza nami zvolený informačný systém Raspcontrol. V našom prípade je to ten istý priečinok v ktorom 54

55 sa nachádza aj spúšťací skript. IS je členený do viacerých priečinkov rozdelených podľa obsahu. Obsahuje priečinok s podpornými kniţnicami, štýlmi a šablónami, priečinok s aplikáciami a skriptami a priečinok s obrázkami. Rozdelenie rôznych typov súborov do priečinkov nám uľahčuje navigáciu v stromovej štruktúre pri navrhovaní IS. Ako jeden z čiastkových cieľov pri návrhu IS sme si dali to, ţe sa pokúsime o čiastočný, alebo celkový preklad pouţívateľskej časti IS z anglického originálu do slovenského jazyka. Ďalším je prepracovanie www stránok tak, aby bolo moţné vo väčšej miere ovládať priamo celý vnorený systém Preklad informačného systému Raspcontrol Preklad do slovenčiny sme realizovali pomocou vstavaného textového editora nano. Nakoľko je IS riešený formou kombinácie html a PHP jazyka pre úpravu zdrojových kódov, stačí nám základná znalosť týchto dvoch jazykov. Väčšina textu je ľahko identifikovateľná vďaka tomu, ţe zmeny vieme priamo zobraziť pomocou otvorenia si príslušných www stránok. Samozrejmosťou je podpora kompletnej znakovej sady UTF- 8. Táto podporuje všetky znaky vrátane diakritiky a v súčasnosti patrí medzi najpouţívanejšiu znakovú sadu. Bez podpory príslušnej znakovej sady by mohli nastať problémy so znakmi s diakritikou kedy by sa namiesto znakov zobrazovali chybné, alebo ţiadne znaky poprípade medzera. Preklad prebiehal nájdením reťazcov v php súboroch ktoré obsahovali pôvodný text. Prekladané reťazce majú následnú štruktúru: echo <font color='red'>incorrect Username/Password</font> pričom lomené zátvorky v ukáţkovej časti kódu obsahujú údaje o type alebo farbe písma a medzi nimi sa nachádza textový reťazec ktorý prekladáme. Preklad je realizovaný zmenením textového reťazca na reťazec so slovenským prekladom napríklad: echo <font color='red'>nesprávne Meno/Heslo</font>. Ukáţka prekladaných zdrojových kódov sa nachádza v prílohe 1 aţ 4. Po uloţení zmien v upravovanom súbore je moţné si zmenu ihneď zobraziť znovunačítaním stránky v prehliadači www stránok. V prípade, ţe sme neurobili chyby, je stránka znovunačítaná uţ so zmeneným textom v slovenčine. Ak sme sa dopustili chyby pri preklade a zasiahli sme do kódu mimo prekladaných reťazcov je moţné, ţe sa stránka načíta s chybami v dizajne stránky alebo ţe sa nenačíta vôbec. Najčastejšie tieto problémy vznikajú nepozornosťou kedy príde k zmazaniu lomenej zátvorky, úvodzoviek, alebo iného interpunkčného znamienka, ktoré je potrebné pri vykresľovaní stránky v prehliadači. Ak sa 55

56 nám stane podobný problém je potrebné vrátiť zmeny ktoré sme v kóde naposledy vykonali. Pri práci na preklade IS sa nám osvedčilo priebeţné zálohovanie prekladaných súborov. Po kaţdom uloţení zmien sme si taktieţ priamo overili v prehliadači či sa celá stránka zobrazuje korektne a bez chýb. Tento proces môţeme tieţ nazvať ladením IS a v podobných prípadoch je moţné vyuţívať zapojenia dvoch monitorov k PC na ktorom sa aktuálne pracuje s IS, kedy na jednom monitore máme otvorený textový editor a na druhom sa nám automaticky znovunačítava prekladaná stránka v prehliadači Využitie aplikácií v informačnom systéme V prípade prepracovania samotného IS je potrebná väčšia znalosť systému na ktorom prevádzkujeme náš IS. Samozrejmosťou je poznať stromovú štruktúru operačného systému linux a tieţ funkcie nainštalovaných aplikácií. V dobe kedy sme preberali vývoj informačného systému, bol tento navrhnutý s minimálnymi funkcionalitami. Cez pouţívateľské rozhranie bolo moţné urobiť aktualizáciu operačného systému, aktualizáciu IS Raspcontrol a reštartovanie vnoreného počítača. Tieto funkcionality by nám postačovali v prípade, ak by sme ponechali IS v stave v akom sme prevzali jeho vývoj a neočakávali ďalšie funkcionality. Počas práce s IS sme do systému doinštalovali niekoľko uţitočných aplikácií. Medzi najvýznamnejšie patria mc, gogo6, alebo fail2ban. MC (Midnight Commander) je dvojpanelový súborový manaţér, ktorý nám pomáha sa ľahšie orientovať v súborovom systéme IS, pomocou ktorého môţeme jednoducho upravovať súbory, kopírovať ich alebo mazať a taktieţ ho pouţívame na pripojenie na vzdialené súborové systémy. Pri práci na IS nám poskytoval pohodlný prehľad o všetkých súboroch, ich veľkosti, dátume vytvorenia a poslednej zmeny a taktieţ vďaka vstavaným funkcionalitám sme mohli pracovať rýchlejšie a efektívnejšie. gogo6 je klient aplikácia ktorá sa pripája na server poskytovateľa pripojenia s konektivitou IPv6. Po nainštalovaní aplikácie sme ju nastavili tak, aby sa pri spustení systému automaticky pripojila do siete IPv6. V našom prípade nejde o natívne pripojenie do tejto siete, ale ide o vytvorenie virtuálneho tunela do siete poskytovateľa pripojenia IPv6. Zariadenie prostredníctvom aplikácie gogo6 získa verejnú IPv6 adresu a je moţné odkiaľkoľvek na svete pristupovať na sluţby ktoré poskytuje náš IS. Samozrejme dostupnosť zo strany dopytujúceho je podmienená tým, ţe musí mať taktieţ pripojenie do 56

57 siete s protokolom IPv6, aj keď uţ nezáleţí akým spôsobom ju nadobudol. Pre pouţitie oboch protokolov IPv4 aj IPv6 sme sa rozhodli na základe toho, ţe v súčasnej dobe je veľmi problematické získať adresu IPv4 a do budúcna predpokladáme, ţe to uţ bude takmer nemoţné pre beţného pouţívateľa IS. V rámci bezpečnosti ako uvádzame v kapitole sme nainštalovali a nakonfigurovali aplikáciu fail2ban. Aplikácia sa stará o čo najvyššiu mieru zabezpečenia systému pred neoprávneným prístupom do IS. Primárne zabezpečuje ochranu protokolu SSH, FTP, elektronickej pošty a taktieţ ochranu protokolu http. Protokol http vyuţívame v našom IS na prenos údajov medzi klientom IS a samotným IS. V prípade ak je náš IS viditeľný pre celú sieť internet, je potrebné aby sme zabezpečili nielen operačný systém, ale aj sluţby na ňom beţiace, ako napríklad IS Raspcontrol. V prípade ak útočník skúša hrubou silou slovníkové útoky na prihlásenie do IS, aplikácia fail2ban po stanovenom prekročení počtu súčasných pripojení zablokuje IP adresu útočníka. Výber tejto techniky zabezpečenia IS bol potrebný nakoľko pokiaľ sme nemali vyriešenú integráciu aplikácie s IS prichádzalo k niekoľkým desiatkam pokusov o prihlásenie denne. Aplikácie gogo6 a fail2ban vyuţívame nielen pre administračnú časť operačného systému, ale aj pre potreby pouţívateľov, kedy je moţné rýchlo zobraziť informácie o bezpečnostných incidentoch alebo aktuálnej IPv6 adrese Používateľské rozhranie informačného systému Nakoľko sa nám úspešne podarilo preloţiť prevaţnú časť pouţívateľského rozhrania do slovenského jazyka, mohli sme pokračovať vo vývoji IS uţ priamo s pouţívateľským rozhraním v slovenčine, ktorého aktuálne zobrazenie môţeme vidieť na obrázku č. 6. V prípade, ak sme pouţili aj pôvodný zdrojový kód, ako je vidieť v prílohe 2 novo vytvorené časti kódu dopĺňame v prevaţne v slovenčine. 57

58 Obrázok č. 6 IS Raspcontrol Zdroj : vlastné spracovanie Po prihlásení sa do IS je k dispozícii pouţívateľovi jednoduché a pritom prehľadné zobrazenie celkového stavu IS. Naľavo v prvej časti sa nachádza logo projektu s názvom projektu. Napravo sa nachádzajú informácie o aktuálnej lokálnej IP adrese, taktieţ názov PC (anglicky hostname), niţšie sú zobrazené informácie o verejnej časti siete a to verejná IPv4 a IPv6 adresa. Ďalej nasledujú informácie o aktuálnej distribúcií, pouţitom linuxovom jadre a tieţ aký je zavedený firmware vo vnorenom počítači. Sieťové adresy a tieţ aj ostatné informácie sme museli načítať do IS pomocou skriptov, ktoré sme si napísali sami, alebo prispôsobili uţ jestvujúce, ktoré sú voľne k dispozícií na internete. Medzi hlavičkou stránky a hlavným obsahom stránky sa nachádza lišta s odkazmi a rozbaľovacím menu. Rozbaľovacie menu obsahuje odkazy na aplikácie a skripty ktoré dokáţu ovládať systém. Jednotlivé príkazy sa vykonajú po kliknutí myšou na príslušnú poloţku v menu. Kvôli prehľadnosti sme pouţili v menu len odkazy a riadiace príkazy pre najčastejšie pouţívané aplikácie a skripty. Medzi ne patria najmä Apache www server, server pre vzdialené prihlásenie SSH a tieţ skripty na zobrazenie denníkov udalostí (logov) 58

59 pre rýchle zobrazenie dôleţitých informácií. V prílohe 1 sú zobrazené zdrojové kódy k riadeniu funkcií z rozbaľovacieho menu. Pohľad na rozbaľovacie menu s jednotlivými poloţkami je zobrazený na obrázku č. 7. Obrázok č. 7 IS Raspcontrol pohľad na menu Zdroj : vlastné spracovanie Hlavný obsah stránky tvorí informačný panel obsahujúci dôleţité informácie o dobe prevádzky (anglicky uptime), vyťaţení procesora a jeho aktuálnom takte v MHz. Niţšie sa zobrazujú informácie o aktuálnom stave vybraných sluţieb. Ďalej sa zobrazujú informácie o vyuţití pamäte RAM a dočasnej pamäte swap. Dočasnú pamäť označovanú ako swap sme v systéme zakázali. Pre systém nie je kriticky potrebná a máme za to, ţe vypnutím ušetríme viac systémových prostriedkov. Zobrazenie vyuţitia pamäte swap sme v IS ponechali nakoľko priebeţne publikujeme zdrojové kódy voľne k prevzatiu na internete a je moţné, ţe iný pouţívateľ IS ocení pri zapnutej pamäti swap zobrazenie o aktuálnom vyuţití pamäte. Niţšie nájdeme informácie o aktuálnej teplote procesora (CPU) v stupňoch Celzia a Fahrenheita, ktoré sme skriptom načítali z vnútorných senzorov vnoreného počítača. V skripte sme si zadefinovali optimálnu a maximálnu teplotu s ktorou má pracovať vnorený počítač a v prípade ak teplota prekročí nami nastavené hranice zmení sa 59

60 farba v stĺpcovom grafe. V prípade mierneho prekročenia, na oranţovú farbu a ak teplota procesora prekročí maximálnu hranicu, farba sa zmení na výrazne červenú. Aj v prípade ostatných stĺpcových grafov sme si v nastavení zadefinovali hraničné hodnoty a tieto sa nám menia podľa aktuálnych percentuálnych pomerov vytýčených hraničných hodnôt. Spodnú časť informačného panela tvoria v základe dva stĺpcové grafy, zobrazujúce vyuţitie úloţnej kapacity na pamäťovej karte. Táto je naformátovaná na dva diskové oddiely partície. Prvá partícia obsahuje inštrukcie pre zavedenie systému do pamäti pri spustení. Druhá partícia je pouţívaná systémom a nachádzajú sa na nej všetky systémové a pouţívateľské informácie s ktorými pracuje IS na lokálnej úrovni. Spodnú informačnú časť pouţívateľského rozhrania tvoria informácie o prenesených údajoch v systéme a zobrazenie aktuálne prihlásených pouţívateľov v operačnom systéme. Pätu stránky tvorí rozbaľovacie menu s výberom časového intervalu, kedy po vybratí času a kliknutí na tlačidlo aktualizovať sa začne stránka po zvolenom čase automaticky znovunačítavať. Túto funkcionalitu vyuţívame pri práci na IS, kedy nie je potrebné po kaţdej zmene manuálne prepínať aktívne okná aplikácie. Postačuje nám mať otvorenú zvolenú www stránku v druhom monitore a priamo vidieť zmeny v IS počas vývoja samotného IS. Poslednú časť stránky tvoria dva html odkazy. Prvý odkaz otvorí nové okno prehliadača s adresou na stránky projektu so zdrojovými kódmi na stránkach github. Ďalší odkaz slúţi na odhlásenie z IS Raspcontrol. Prácu v IS Raspcontrol je moţné vidieť na videoukáţke, ktorá je ako príloha na DVD. 3.2 Využitie navrhnutého informačného systému vo financiách Nami navrhnutý IS na báze vnoreného počítača s plnohodnotným operačným systémom je moţné pouţiť aj na náročnejšie projekty. Zvolený operačný systém môţe byť riadený iným nadradeným IS, alebo môţe vystupovať ako riadiaci server pre ostatné pripojené systémy. Komunikácia medzi dvomi a viac IS môţe byť realizovaná poţiadavkami cez zabezpečený protokol SSH. Pouţívateľský IS Raspcontrol je navrhnutý ako modulárny systém s manuálnym zapracovaním jednotlivých aplikácií alebo rozhraní. V prípade, ţe sa rozhodneme pre novú funkcionalitu v IS, je moţné jednoducho doinštalovať potrebnú aplikáciu a pridať nastavenia a odkaz pre ovládanie do www rozhrania IS. Príkladom môţe byť nová funkcia v IS, ktorá plní úlohy lokálneho terminálu pričom vyuţíva www rozhranie a ktorú sme sa rozhodli pouţiť v našom IS. Do operačného 60

61 systému sme doinštalovali aplikáciu shellinabox, následne sme do konfigurácie www rozhrania zadefinovali systémovú cestu k aplikácii a pridali riadiace odkazy do rozbaľovacieho menu pre spustenie a zastavenie funkcionality (aplikácie). Po aplikovaní spomenutých úkonov sme v IS overili funkcionalitu výberom z rozbaľovacieho menu spustením a zastavením aplikácie. Nami navrhovaný IS je moţné prakticky vyuţiť aj vo finančných inštitúciách. Nadobudnutie a prevádzka je finančne nenákladná, čo môţe byť benefitom pri rozšírení vnorených systémov vo sfére finančných inštitúcií. Ďalšou výhodou je to, ţe je moţné ho vyuţiť na automatizáciu vybraných interných procesov, čím sa zjednoduší práca pouţívateľov IS. Ako príklad si uvedieme IS na správu dokumentov. Vybraný operačný systém podporuje všetky štandardné protokoly na zdieľanie súborov a tým nám umoţňuje jednoducho vytvoriť celistvú platformu na výmenu dokumentov vnútri organizácie. Pomocou protokolu BitTorrent je moţné distribuovať súbory a tieţ dokumenty pre všetky počítače pripojené do IS. Podpora pre tento protokol je aktivovaná po nainštalovaní potrebných kniţníc a aplikácie do operačného systému. Vďaka tomuto protokolu môţeme odľahčiť záťaţ, ktorú produkujú pripojené počítače do IS. Jednoducho je moţné pridať akýkoľvek súbor, ktorý potrebujeme distribuovať do IS a protokol automaticky rozmiestni súbory medzi pripojené počítače. Po odoslaní súborov, server uţ ďalej neposiela súbory a ak sa do IS pripojí nový počítač, tento si uţ prevezme potrebné súbory distribuovane od všetkých počítačov v IS, ktoré majú nastavenú podporu pre zdieľanie pomocou vybraného protokolu. Vnorené systémy sa v súčasnosti vyuţívajú ako samoobsluţné terminály napríklad v bankách. Po úprave pouţívateľského prostredia je moţné náš IS takisto vyuţiť ako samoobsluţný terminál. Po pripojení k zobrazovacej jednotke, v štandarde pre tento druh terminálov dotykovej zobrazovacej jednotke, ho môţeme pouţiť napríklad ako elektronický prostriedok na získanie spätnej väzby alebo na distribúciu poradových čísel pre prichádzajúcich klientov. Po prispôsobení IS pre tieto potreby môţeme skvalitniť úroveň poskytovaných sluţieb v akejkoľvek finančnej inštitúcii, ktorá prichádza do priameho kontaktu so zákazníkmi. Zavedenie systému na distribúciu poradových čísel umoţní stanoviť presné pravidlá vybavovania klientov na pobočke. Týmto môţeme predísť tomu, ţe sa môţe klient úmyselne alebo neúmyselne snaţiť o skoršie vybavenie svojich poţiadaviek na úkor ostatných klientov. Taktieţ IS môţe slúţiť ako prostriedok na získanie 61

62 spätnej väzby od klientov. Štandardne je moţné vyuţiť voľby ako je spokojnosť a nespokojnosť so sluţbami na pobočke, alebo tieţ rozšíriť funkcionalitu o moţnosť odoslať hodnotenie ku konkrétnej osobe, ktorá vybavovala klientskú poţiadavku. Zavedením takéhoto IS je moţné získať dôleţité údaje pre systém CRM v IS podniku, ak je pouţívaný. Praktické vyuţitie pre náš IS vidíme všade, kde je kladený dôraz na jednoduchosť a pritom rozšíriteľnosť riešenia pre IS. K dispozícii sú všetky zdrojové kódy nášho projektu IS na www stránke a takisto ako príloha na DVD. IS poskytuje rozsiahle moţnosti pre automatizáciu procesov. Po nastavení je moţné vykonávať vopred naplánované úlohy v presne stanovený čas, alebo pri určitej vopred stanovenej udalosti. Taktieţ je moţné kopírovať určité úkony, ktoré sú vykonávané manuálne a zaviesť ich do IS. Máme za to, ţe IS je prijateľným riešením pre centralizovanú správu v podnikoch a finančných inštitúciách, kde by navrhovaný IS vystupoval ako satelitný server pre jednotlivé pobočky. Centrálne by bolo moţné distribuovať nastavenia, potrebné dokumenty alebo súbory, ktoré by IS automaticky aplikoval na vybranej pobočke. Tieţ môţe slúţiť ako pobočková brána pre komunikáciu s centrálnym systémom. Za pomoci virtuálnej privátnej siete by sa pripájal k centrálnemu serveru a pouţitím sieťových aplikácií by chránil vnútropodnikové siete pred hrozbami z internetu. Týmto nám pomôţe nami navrhnuté riešenie ušetriť čas strávený manuálnou prácou a v neposlednom rade automatizovaním procesov môţeme ušetriť nemalé finančné prostriedky. 62

63 Záver V prvej kapitole sme sa zaoberali vymedzením základných pojmov, s ktorými sa stretávame pri vývoji informačných systémov. Teoreticky sme opísali pojmy informačný systém, vnorený systém a vnorený počítač. Veľkú časť prvej kapitoly sme venovali vnoreným počítačom, ktoré sú súčasťou vnorených systémov. V kapitole 1.2 a 1.3 sa nám podarilo úspešne opísať vnorené počítače a vnorené systémy, ich typy, rozdiely v architektúre a ich výhody a nevýhody. Domnievame sa, ţe hlavný cieľ práce bol splnený v druhej kapitole, kde sme sa zamerali na techniky a metódy návrhu informačných systémov na vnorených počítačoch. V kapitole sa opisuje vývoj aplikácií na vnorených systémoch a bliţšie sa zameriava aj na moţnosť vyuţitia najrozšírenejších operačných systémov pri návrhu informačného systému. V kapitole 2.4 sme porovnali vybrané vnorené systémy a popísali sme techniky a metódy návrhu informačných systémov na týchto zariadeniach. V tretej kapitole, ktorá je zároveň prípadovou štúdiou je popísaný vybraný informačný systém realizovaný na vnorenom počítači. Táto kapitola popisuje návrh realizácie informačného systému od štádia výberu vnoreného počítača, výberu vhodného operačného systému aţ po úspešné sprevádzkovanie informačného systému. Čiastkový cieľ, ktorým bola lokalizácia informačného systému do slovenčiny sme splnili a popísali v kapitole Druhým čiastkovým cieľom bolo rozšírenie vlastností informačného systému. Tento cieľ sme úspešne splnili v kapitole a V kapitole 3.2 sme popísali moţnosti vyuţitia navrhnutého informačného systému v prostredí financií. Na záver si dovoľujeme uviesť, ţe sa domnievame, ţe vytýčené ciele tejto práce sa podarilo naplniť. 63

64 Zoznam použitej literatúry 1. VORÍŠEK J. A. K Principy a modely řízení podnikové informatiky. Praha: Vysoká škola ekonomická Praha. ISBN BASL J. a R. BLAŢÍČEK Podnikové Informační Systémy. Praha: GRADA Publishing, a.s. ISBN: BARRY P. a P. CROWLEY Modern Embedded Computing. Waltham: ELSEIVER. ISBN EDN [online] [Dátum: ]. Dostupné na internete: < 5. REDHAT [online] [Dátum: ]. Dostupné na internete: < 6. MAKEZINE [online] [Dátum: ]. Dostupné na internete: < 7. ELISBOS [online] [Dátum: ]. Dostupné na internete: < skola.elibos.sk/?page_id=67> 8. Microsoft [online] [Dátum: ]. Dostupné na internete: < windows.microsoft.com/sk-sk/windows/bios-faq#1tc=windows-7> 9. C3DMW [online] [Dátum: ]. Dostupné na internete: < APPBRAIN [online] [Dátum: ]. Dostupné na internete: < 11. EHOW [online] [Dátum: ]. Dostupné na internete: < 64

65 12. EMBEDDED [online] [Dátum: ]. Dostupné na internete: < /Introduction-to-Watchdog-Timers> 13. GARTNER [online] [Dátum: ]. Dostupné na internete: < 14. GARTNER [online] [Dátum: ]. Dostupné na internete: < 15. IES 2013 [online] 2013 [Dátum: ]. Dostupné na internete: < INTEL [online] [Dátum: ]. Dostupné na internete: < 17. RASPBERRYPI [online] 2011 [Dátum: ]. Dostupné na internete: < 18. BITCOIN 2014 [online] [Dátum: ]. Dostupné na internete: < 19. KOTLER P Marketing management. Praha: GRADA Publishing,a.s. ISBN: LI Q. a C. YAO Real-Time Concepts for Embedded Systems. San Francisco: Cmp Books. ISBN: PHUNG S. D. JONES a T. JOUBERT Professional Windows Embedded Compact 7. Indianapolis: John Wiley & Sons, Inc. ISBN: POUR GÁLA a ŠEDIVÁ Podniková informatika. Praha: GRADA Publishing,a.s. ISBN RANTA A Implementing Programming Languages. London: College Publications. ISBN: SCHMIDT M Raspberry Pi A Quick-Start Guide. The Pragmatic Programmers, LLC. ISBN:

66 25. SALLY G Pro Linux Embedded Systems. New York: Paul Manning. ISBN : WHITE E Making Embedded Systems. Sebastopol: O'Reilly Media. ISBN: WILTON P. a J. W. COLBY Beginning SQL. Indianapolis: Wiley Publishing. ISBN: Zoznam použitých obrázkov Obrázok č. 1 IS, jeho komponenty a aspekty Obrázok č. 2 Fázy ţivotného cyklu IS Obrázok č. 3 Príklad vnoreného systému Obrázok č. 4 Vnorený systém s procesorom FPGA Obrázok č. 5 Vnorený počítač Intel Edison Obrázok č. 6 IS Raspcontrol Obrázok č. 7 IS Raspcontrol pohľad na menu Zoznam použitých tabuliek Tabuľka č. 1 Porovnanie osobného PC s vnoreným PC Tabuľka č. 2 Porovnanie BeagleBone Black a Raspberry Pi

67 Zoznam použitých skratiek Skratka Význam v anglickom jazyku Preklad/vysvetlenie ERP Enterprise Resource Planning Vnútropodnikový softvérový informačný systém, pouţívaný na správu a koordináciu všetkých zdrojov CRM Customer Relationship Management Systém riadenia vzťahov so zákazníkmi IS Information System Informačný systém PC Personal Computer Osobný počítač SoC System on Chip Všetky komponenty počítača integrované na jednom čipe. RAM Random Access Memory Pamäť s voľným prístupom ROM Read Only Memory Pamäť permanentná, určená iba na čítanie NFC Near Field Communication NFC je krátkodosahové, vysokofrekvenčné, bezdotykové spojenie, umoţňujúce výmenu dát medzi zariadeniami BI Business Intelligence Manaţérske informačné systémy GNU GNU's Not Unix GNU je slobodný operačný systém v neustálom vývoji. Tieţ slobodná licencia 67

68 GPL GNU General Public License GNU GPL v skratke GPL je licencia pre slobodný softvér BSC Balanced Scorecard Nástroj strategického manaţmentu a metóda na meranie výkonnosti podniku LCD Liquid crystal display Ploché zobrazovacie zariadenie RTOS Real Time Operating System Operačný systém reálneho času POR Power-On-Reset Zapnutie reset BIOS Basic Input Output System Základný vstupno-výstupný systém CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor Malá pamäť pre nastavenia BIOS ASCII American Standard Code for Information Interchange Znaková Sada - americký štandardný kód pre výmenu informácií FPGA Field programmable gate array Procesor - pole logických členov programovateľné uţívateľom ASIC Application Specific Integrated Circuit Procesor - integrovaný obvod navrhnutý a vyrábaný pre určitú špecifickú aplikáciu HT Hyper-Threading Technológia pre vytvorenie dvoch virtuálnych procesorov z jedného fyzického SHA2 Secure Hash Alogithm Kryptografická hašovacia funkcia 68

69 USB Universal Serial Bus Univerzálna sériová zbernica pouţívaná najmä k pripájaniu periférií k počítaču ECC Error Checking and Correcting Pamäte s kontrolou a opravou chýb SD Karta Secure Digital Karta Pamäťová karta pouţívaná najmä v prenosných zariadeniach obsahujúca na bočnej strane vypínač pre ochranu proti nechcenému zápisu WiFi Wireless Fidelity Súbor štandardov pre bezdrôtové lokálne siete MHz Megahertz Jednotka frekvencie. Megacyklus za sekundu MIPS Million Instruction Per Second Procesor ktorý dokáţe spracovávať milióny operácií za sekundu x86 Intel 80x86 Označenie architektúry pôvodne vyvinutých a vyrábaných firmou Intel (označovaná aj x32) x64 x bitová verzia x86 inštrukčnej sady podporujúca veľké mnoţstvá operačnej pamäte GPIO General-purpose input/output Integrovaný obvod a komunikačné rozhranie MB Megabyte Megabajt - Jednotka pre určenie pamäťovej kapacity. 1 megabajt = 10 na 6 bajtov GB Gigabyte Gigabajt - Jednotka pre určenie pamäťovej kapacity. 1 gigabajt = 10 na 9 bajtov 69

70 IP Internet Protocol IP je komunikačný protokol 3. Sieťovej vrstvy OSI modelu. Pouţíva sa na výmenu údajov IPv4 Internet Protocol v4 Štvrtá verzia Internet protokolu vyuţívajúca 32- bitové adresy IPv6 Internet Protocol v6 Šiesta verzia Internet protokolu vyuţívajúca 128-bitové adresy UTF-8 Unicode Transformation Format Znaková sada - 8-bitové bezstratové kódovanie HTML HyperText Markup Language Hypertextový značkový jazyk určený najmä na vytváranie www stránok WWW World Wide Web Celosvetová sieť (web) hypertextový internetový informačný systém 70

71 Zoznam príloh v tlačenej forme Príloha 1 : Ukáţka zdrojového kódu IS Príloha 2 : Ukáţka zdrojového kódu IS Príloha 3 : Ukáţka zdrojového kódu IS Príloha 4 : Ukáţka zdrojového kódu IS Zoznam príloh na DVD Príloha 5 : Zdrojové kódy IS Raspcontrol Príloha 6 : Videoukáţka IS Raspcontrol 71

72 Príloha 1 Ukážka zdrojového kódu IS Ukáţka vybraných zdrojových kódov IS 72

73 Príloha 2 Ukážka zdrojového kódu IS Ukáţka vybraných zdrojových kódov IS 73

74 Príloha 3 Ukážka zdrojového kódu IS Úprava kódu v aplikácií nano 74

75 Príloha 4 Ukážka zdrojového kódu IS Ukáţka vybraných skriptov, ktoré sú súčasťou IS. 75