Микроконтроллеры (старое красивое название — однокристалльные микро-ЭВМ) в настоящее время имеют невероятно много областей применения. От промышленной автоматики до бытовых приборов, от управления ядерными станциями до детских игрушек, от секретных военных систем до переключения каналов в вашем радиоприемнике. Одним словом, проще перечислить, где они не применяются.
Изобретение и дальнейшее развитие микроконтроллеров произвело настоящую революцию в цифровой электронике. Изменились не только схемотехника и элементная база, но и сами принципы построения систем. Значительные изменения претерпел цикл разработки. Появились целые классы устройств, не существовавшие раньше.
Но у всякой технологии, как бы хороша она не была, всегда есть обратная сторона. Сюда относятся незаметные на первый взгляд трудности; проблемы, порождаемые новым подходом; ограничения, с которыми приходится считаться. Новые возможности, которые предоставляет технология, могут найти самые неожиданные применения, и не всегда направленные во благо.
Эта статья имеет целью дать обзорную оценку как положительных, так и отрицательных аспектов повсеместного применения микроконтроллеров.
Светлая сторона
Упрощение схемотехники
Если сравнивать схемотехнику устройств на жесткой логике и на контроллерах, то последняя намного проще. При разработке требуется только определить, из каких функциональных блоков будет состоять устройство, какими интерфейсами их объединить, и какую элементную базу выбрать. Вместо составления схемы будущего устройства из отдельных деталей теперь применяется блочное проектирование. Микроконтроллер позволяет на одном кристалле создать законченный блок, а то и несколько.
Реализация всех алгоритмов работы — теперь задача программы контроллера, а написание программы гораздо менее трудоемко, чем синтез цифровой схемы. С ростом сложности задач это преимущество становится все более явным. Растущий размер программного кода компенсируется его структурированностью, а также введением дополнительных уровней абстракции. Широко применяются встраиваемые ОС и стандартные библиотеки, что позволяет разделить код, работающий с аппаратурой, и код, задающий поведение и алгоритмы.
Унификация
Разделение программной и аппаратной части позволило унифицировать элементную базу. Один и тот же контроллер может применяться для создания множества различных устройств. Унификация приводит к снижению стоимости производства. Экономически выгодно производить несколько десятков видов контроллеров вместо сотни разновидностей логических микросхем (и тысячи специализированных).
Несколько разных по функциональности устройств могут иметь одну и ту же схему, а различаться лишь программой. Наиболее ярким примером могут служить промышленные ПЛК (программируемые логические контроллеры). Они собираются из стандартных модулей: устройств ввода, устройств вывода, вычислительных и интерфейсных модулей. За взаимодействие модулей между собой и алгоритмы работы системы в целом отвечает программная часть. Таким образом, из небольшого набора стандартных блоков можно построить любую необходимую систему.
Простота внесения изменений
Для того, чтобы изменить алгоритм работы схемы на жеской логике, необходимо соединить ее элементы в другом порядке, удалить часть из них или добавить новые. Часто это можно сделать только в процессе макетирования, а когда устройство уже готово, единственный способ внести изменения — выпустить новую версию.
Микроконтроллер в этом отношении дает гораздо больше гибкости. Для внесения изменений в алгоритм работы устройства достаточно загрузить новую прошивку. Большая часть современной электроники поддерживает перепрошивку в условиях сервис-центра, а зачастую даже пользователем. В наши дни вы можете легко обновить ПО своего телефона, принтера или фотоаппарата. В недалеком будущем вы сможете проделать то же самое, скажем, со стиральной машиной или кофеваркой. По мере того, как все больше устройств получают возможность доступа к сети, логично ожидать распространения механизма автообновлений, подобно тому, который применяется сегодня для компьютерных программ.
Темная сторона
Если положительные аспекты повсеместного применения микроконтроллеров очевидны и не требуют подробного рассмотрения, то проблемы, связанные с ним, спрятаны глубже и незаметны на первый взгляд.
Снижение надежности
Теория надежности включает в себя много различных аспектов, но в «бытовом» смысле, когда говорят о надежности техники, обычно имеют в виду устойчивость к отказам и сбоям. Отказ — это неустранимое нарушение работоспособности, как пример можно привести перегоревшую лампочку. Сбой — это нарушение, которое устраняется само по себе, или при минимальном воздействии оператора. Старый телевизор, который «чинится» ударом кулака — пример системы, работающей со сбоями.
Чем из большего числа элементов состоит система, тем вероятнее возникновение отказа какого-нибудь из них. В этом отношениии интегральная схема контроллера, содержащая миллионы транзисторов, на первый взгляд проигрывает жесткой логике, где всего несколько сот транзисторов на кристалл. Однако уровень надежности в микроэлектронике сегодня достаточно высок. Все кристаллы, вызывающие подозрения, отбракованы еще на этапе производства. Более слабыми местами являются печатные платы, соединения микросхем между собой и пассивные элементы. Таким образом, по частоте отказов, вызванных внутренними причинами, микроконтроллерные схемы даже выигрывают.
Проигрывают они по устойчивости к сбоям. Сбои, как правило, вызываются внешними воздействиями: температурой, электромагнитными помехами, радиацией. Особенно чувствительны контроллеры к электромагнитным воздействиям, которые вызывают зависания и самопроизвольные перезагрузки. Для обеспечения помехозащищенности микроконтроллерных схем требуются специальные меры: разделение шин питания, сторожевые таймеры, дополнительные слои металлизации на плате и т.п. Подробнее — см. [1].
Часто источником сбоев становится плохо отлаженная прошивка. Или же причина ненадежной работы лежит на стыке программной и аппаратной части. Например, многократная запись в одну и ту же ячейку flash-памяти рано или поздно приводит к исчерпанию ресурса ячейки, и данные начинают повреждаться. Микроконтроллер может обеспечить уровень надежности, необходимый для большинства задач, но только при грамотном подходе к проектированию. Об этом, кстати, стоит сказать отдельно.
Кажущаяся простота разработки
Прежде чем заниматься разработкой электроники, необходимо накопить значительную сумму знаний. Схемотехника цифровых устройств — это довольно объемный институтский курс. Плюс желательно знать электротехнику, основы аналоговой схемотехники и дискретную математику. Одним словом, порог входа для разработки электронных схем достаточно высок.
Порог входа для программирования гораздо ниже. Можно за один вечер изучить основы любого языка и научиться писать «Hello world»ы. Ясно, что между «программистом» и «хорошим программистом» лежит огромная пропасть, но легкость, с которой можно начать писать, подкупает.
Точно также низок порог входа для разработки устройств на контроллерах. Сейчас полно отличных Arduino-подобных комплектов, огромный выбор периферийных модулей к ним, осталось потратить тот самый вечер на освоение IDE (среды разработки) — и можно приступать к своему первому проекту.
Так почему же хороший программист встраиваемых систем — сравнительная редкость? Дело в том, что помимо непосредственно умения писать код, он должен знать все особенности своей архитектуры. Ему необходимо представлять, как работают цифровые устройства, разбираться в кодировании сигналов, знать, как поведет себя устройство в каких-либо нестандартных условиях. Программист, работающий с контроллерами, находится гораздо ближе к «железу», чем прикладной программист. Соответственно, без знания принципов работы этого железа ему не обойтись.
Получается, что легкость разработки под контроллеры — только иллюзия. Микроконтроллер гораздо чувствительнее к ошибкам программиста, чем «большие» компьютеры. Ограниченный объем памяти, требования к быстродействию «по тактам» и почти полное отсутствие «защит от дурака» требуют высокой квалификации разработчика.
Функциональная перегруженность и неудобные интерфейсы
— Как выглядит идеальный интерфейс? Одна кнопка с надписью «Сделай мне хорошо».
— Нет, никаких кнопок, просто надпись «Тебе уже хорошо».
Шутка с долей правды.
Для решения той или иной задачи микроконтроллер всегда выбирается c запасом по параметрам. Соответственно, часть ресурсов контроллера (иногда до 90%) остается свободной. Это приводит к тому, что добавить несколько дополнительных функций можно практически «бесплатно», дописав пару десятков строк в коде прошивки. И такой возможностью часто злоупотребляют. В результате нарушается принцип K.I.S.S., объявляющий простоту системы одним из основных приоритетов в проектировании. Получается устройство, большая часть возможностей которого никогда не используется, а о половине из них пользователь даже не знает.
Наличие ненужных функций — лишь вершина айсберга. Казалось бы, не используется — и ладно, может когда-нибудь пригодится… Но функциональная сложность приводит к сложности пользовательских интерфейсов. Тут возможно два пути. Можно попытаться «втиснуть» управление всеми функциями в ограниченный набор элементов ввода-вывода. Так появляются меню с N-надцатью уровнями вложенности, или кнопки с десятками альтернативных действий. Как пример сумеречного инженерного гения в этом направлении можно привести телефон-АОН «Русь». У кого был этот агрегат, тот знает, что его настройка похожа на программирование в машинных кодах.
Второй путь — сделать интерфейс удобным для пользователя путем применения большого цветного экрана (лучше сенсорного) или добавления своей кнопки для каждой функции. Этот вариант уже лучше, но увеличиваются габариты, уменьшается время автономной работы, снижается надежность устройства. И не забываем о цене. Даже если затраты на производство возрастают незначительно, наличие «супер-пупер экрана с 5000000 цветов» позволяет без лишних угрызений совести накрутить +50...250% к конечной стоимости устройства.
Недокументированные функции
В крупном торговом комплексе ни с того ни с сего открываются фрамуги дымоудаления (большие окна с электроприводом) и выдают неисправность на реле управления. Ночью обещали дождь; не починим — зальёт полкомплекса.
Вызываю из фирмы спеца, который релюху эту программировал. Он на город один, зараза, сам всё паяет и ставит. Описал проблему; он ответил, мол, всё понятно, сейчас приеду и сделаю.
Приезжает, уверенной походкой идет к релюхе, снимает с неё плату, тыкает в переходник. Открывает редактор какой-то — всё в шестнадцатиричном коде, ни черта не понять. Что же, думаю, он делать будет? Наблюдаю как бы случайное движение мышки в правый нижний угол — навёл, каналья, дату посмотрел, открыл конвертер, перевёл какие-то числа в hex, поиском нашёл их в коде и заменил на другие. «Чё, — спрашиваю, — таймер отработал?»IThappens.ru
Проанализировав схему устройства на жесткой логике, можно восстановить весь алгоритм его работы. Проделать то же самое с микроконтроллерным устройством на порядок сложнее. Прежде всего, нужно извлечь прошивку, что возможно далеко не всегда, современные контроллеры имеют неплохую защиту. Полученный файл нужно затем дизассемблировать, деобфусцировать, и только потом проводить анализ.
Какова вероятность того, что помимо основных функций, в прошивке не присутствуют какие-либо дополнительные? Это может быть отправка статистики производителю, намеренно сделанная ошибка, модуль перехвата данных, backdoor — все, что угодно. Причем «закладку» не обязательно добавлять во время разработки, можно внести изменения в прошивку любого существующего устройства. В качестве примера можно привести червя StuxNet, который внедрял свой код в ПЛК ядерно-обогатительных предприятий [2]. Если вы не обогащаете уран, это еще не значит, что вам ничего не угрожает. Уже разработаны механизмы атаки на принтеры [3] и роутеры [4], использующие смену прошивки. Учитывая, с какой легкостью перепрошивается большинство устройств, в ближайшем будущем следует ожидать появления новых «программно-аппаратных» вирусов и разновидностей атак.
А вы уверены, что прямо сейчас ваша микроволновка не следит за вами? :)
Заключение
В ходе чтения этой статьи, особенно второй её части, может сложиться впечатление, что я призываю отказаться от широкого использования контроллеров. Это ни в коем случае не так. Во-первых, технический прогресс невозможно повернуть вспять. Во-вторых, для многих задач контроллеры — единственная альтернатива, и заменить их нечем. И, наконец, в-третьих, описанные негативные аспекты никоим образом не перевешивают достоинств микроконтроллера.
Основной вывод, который хотелось бы сделать — а он подходит для любой технологии — необходимо умело пользоваться преимуществами, которые дает эта технология, но не забывать об их оборотной стороне. Благодарю за внимание, и да пребудет с вами Сила!
Литература
[1] — Г. Горюнов. «Почему одни микроконтроллеры надежнее других».[2] — «Как Symantec взломала Stuxnet». Хабрахабр.[3] — «Десятки миллионов принтеров HP LaserJet уязвимы». Хакер.[4] — «Троян в роутере: заражение D-link 500T в домашних условиях». Хакер №7/10
