سیستم تعبیه شده (Embedded System) چیست و چه کاربردی دارد؟

سیستم تعبیه شده چیست؟

سیستم تعبیه شده یک سیستم کامپیوتری است. این سیستم عموما شامل موارد زیر می باشد:

• پردازنده (Processor)
• حافظه (Memory)
• دستگاه های جانبی ورودی/خروجی (I/O)

این سیستم عملکرد بخصوصی در یک سیستم مکانیکی یا الکترونیکی بزرگتر دارد. این سیستم به عنوان بخشی از یک دستگاه کامل اغلب شامل سخت افزار الکتریکی یا الکترونیکی و قطعات مکانیکی تعبیه شده است. از آنجا که یک سیستم تعبیه شده معمولاً عملیات فیزیکی ماشینی را که در آن تعبیه شده است کنترل می کند، اغلب دارای محدودیت های محاسباتی بلادرنگ است. سیستم‌های تعبیه‌شده بسیاری از دستگاه‌هایی را که امروزه مورد استفاده رایج هستند، کنترل می‌کنند. در سال 2009، تخمین زده شد که نود و هشت درصد از کل ریزپردازنده های تولید شده، در سیستم های تعبیه شده استفاده می شود.

یک مثال از سیستم تعبیه شده

چاپگرهای لیزری یکی از نمونه های سیستم های تعبیه شده هستند. جدا از انجام وظیفه اصلی چاپ، باید ورودی های کاربر را بگیرد، ارتباط با سیستم کامپیوتری را مدیریت کند، خطاها را مدیریت کند، کاغذهای باقی مانده روی سینی را حس کند و غیره. در اینجا، ریزپردازنده باید بتواند کنترل کند که هد چاپ جوهر را در جایی که لازم است تخلیه کند. برای انجام این کار، نیاز به بازنگری فایل های مختلف داده شده به آن و درک فونت و گرافیک دارد. زمان قابل توجهی از CPU برای پردازش داده ها صرف می شود. همچنین باید ورودی های کاربر، موتورهای کنترلی و غیره را کنترل و پردازش کند.

سیستم های تعبیه شده مدرن

سیستم‌های تعبیه‌شده مدرن اغلب مبتنی بر میکروکنترلرها هستند. اما ریزپردازنده‌های معمولی نیز به ویژه در سیستم‌های پیچیده‌تر رایج هستند. در هر صورت، پردازنده(های) مورد استفاده ممکن است انواعی از هدف عمومی گرفته تا آنهایی که در کلاس خاصی از محاسبات تخصصی هستند، یا حتی سفارشی برای برنامه کاربردی طراحی شده باشند. یک کلاس استاندارد رایج از پردازنده های اختصاصی، پردازنده سیگنال دیجیتال (DSP) است.

از آنجایی که سیستم تعبیه شده به وظایف خاصی اختصاص دارد، مهندسان طراح می توانند آن را برای کاهش اندازه و هزینه محصول و افزایش قابلیت اطمینان و عملکرد آن بهینه کنند. برخی از سیستم های تعبیه شده به صورت انبوه تولید می شوند و از صرفه جویی در مقیاس بهره می برند.

اندازه‌های سیستم‌های تعبیه‌شده از دستگاه‌های شخصی قابل حمل مانند ساعت‌های دیجیتال و پخش‌کننده‌های MP3 گرفته تا ماشین‌های بزرگ‌تر مانند لوازم خانگی، خطوط مونتاژ صنعتی، روبات‌ها، وسایل نقلیه حمل‌ونقل، کنترل‌کننده‌های چراغ راهنمایی، و سیستم‌های تصویربرداری پزشکی متغیر است. اغلب آنها زیرسیستم های ماشین های دیگر مانند اویونیک در هواپیما و astrionics در فضاپیما را تشکیل می دهند. تاسیسات بزرگ مانند کارخانه‌ها، خطوط لوله و شبکه‌های برق به چندین سیستم تعبیه‌شده در شبکه‌ای متکی هستند. سیستم های تعمیم یافته از طریق سفارشی سازی نرم افزار، سیستم های تعبیه شده مانند کنترل کننده های منطقی قابل برنامه ریزی اغلب واحدهای عملکردی خود را تشکیل می دهند.

اجزای اصلی سیستم های تعبیه شده از ابتدا تا کنون

منشاء ریزپردازنده و میکروکنترلر را می توان به مدار مجتمع MOS که یک تراشه مدار مجتمع ساخته شده از MOSFET ها (ترانزیستورهای اثر میدانی فلز-اکسید-نیمه هادی) است و در اوایل دهه 1960 توسعه یافت. تا سال 1964، تراشه‌های MOS نسبت به تراشه‌های دوقطبی به چگالی ترانزیستور بالاتر و هزینه‌های تولید کمتری دست یافتند. تراشه‌های MOS با سرعت پیش‌بینی‌شده توسط قانون مور، پیچیدگی بیشتری پیدا کردند، که منجر به یکپارچه‌سازی در مقیاس بزرگ (LSI) با صدها ترانزیستور روی یک تراشه MOS در اواخر دهه 1960 شد. استفاده از تراشه‌های MOS LSI در محاسبات پایه‌ای برای اولین ریزپردازنده‌ها بود، زیرا مهندسان متوجه شدند که یک سیستم پردازشگر کامپیوتری کامل می‌تواند بر روی چندین تراشه MOS LSI قرار گیرد.

اولین ریزپردازنده های چند تراشه ای، سیستم های چهار فاز AL1 در سال 1969 و Garrett AiResearch MP944 در سال 1970، با چندین تراشه MOS LSI توسعه یافتند. اولین ریزپردازنده تک تراشه ای اینتل 4004 بود که در سال 1971 منتشر شد. این ریزپردازنده توسط فدریکو فاگین، با استفاده از فناوری MOS دروازه سیلیکونی خود، همراه با مهندسان اینتل، Marcian Hoff و Stan Mazor، و مهندس Busicom، Masatoshi Shima، توسعه یافت.

در سال 1960، سیستم جاسازی شده برای اولین بار توسط چارلز استارک دریپر در MIT برای توسعه سیستم هدایت آپولو مورد استفاده قرار گرفت.

همچنین در سال 1965، Autonetics، D-17B، کامپیوتر مورد استفاده در سیستم هدایت موشک Minuteman را توسعه داد.

در سال 1968، اولین سیستم تعبیه شده برای یک وسیله نقلیه منتشر شد.تگزاس اینسترومنتز اولین میکروکنترلر را در سال 1971 توسعه داد.

در سال 1987، اولین سیستم عامل جاسازی شده، VxWorks، توسط Wind River منتشر شد.

ویندوز مایکروسافت CE را در سال 1996 تعبیه کرد.در اواخر دهه 1990، اولین سیستم لینوکس تعبیه شده ظاهر شد.

سیستم های تعبیه شده چگونه کار میکنند؟

سیستم‌های تعبیه‌شده توسط میکروکنترلرها یا پردازنده‌های سیگنال دیجیتال (DSP)، مدارهای مجتمع ویژه برنامه (ASIC)، آرایه‌های دروازه قابل برنامه‌ریزی میدانی (FPGA)، فناوری GPU و آرایه‌های دروازه مدیریت می‌شوند. این سیستم‌های پردازشی با اجزای اختصاص داده شده برای مدیریت رابط الکتریکی و/یا مکانیکی یکپارچه شده‌اند. پردازنده ممکن است یک ریزپردازنده یا میکروکنترلر باشد.

میکروکنترلرها به سادگی ریزپردازنده‌هایی هستند که دارای رابط‌های جانبی و حافظه یکپارچه هستند. ریزپردازنده ها از مدارهای مجتمع مجزا برای حافظه و لوازم جانبی به جای قرار دادن آنها بر روی تراشه استفاده می کنند. هر دو را می توان استفاده کرد، اما ریزپردازنده ها معمولاً به مدارهای پشتیبانی بیشتری نسبت به میکروکنترلرها نیاز دارند زیرا تعداد کمتری در ریزپردازنده یکپارچه شده است. اصطلاح سیستم روی تراشه (SoC) اغلب استفاده می شود. SoCها شامل چندین پردازنده و رابط روی یک تراشه واحد هستند. آنها اغلب برای سیستم های تعبیه شده با حجم بالا استفاده می شوند. چند نمونه از انواع SoC عبارتند از: مدار مجتمع ویژه برنامه (ASIC) و آرایه دروازه قابل برنامه ریزی میدانی (FPGA).

اغلب، سیستم های تعبیه شده در محیط های عملیاتی بدون درنگ استفاده می شوند و از یک سیستم عامل بلادرنگ (RTOS) برای برقراری ارتباط با سخت افزار استفاده می کنند. رویکردهای زمان واقعی در سطوح بالاتری از قابلیت تراشه مناسب هستند، که توسط طراحانی تعریف شده‌اند که به طور فزاینده‌ای تصمیم گرفته‌اند که سیستم‌ها عموماً به اندازه کافی سریع هستند و وظایف را در برابر تغییرات جزئی در واکنش تحمل می‌کنند. در این موارد، نسخه‌های حذف‌شده سیستم‌عامل لینوکس معمولاً به کار گرفته می‌شوند، اگرچه سایر سیستم‌عامل‌ها برای اجرا بر روی سیستم‌های جاسازی شده، از جمله جاوا جاوا و Windows IoT (که قبلاً Windows Embedded بود) اجرا می‌شوند.

دستورالعمل‌های برنامه‌نویسی سیستم‌های جاسازی شده، که به آن سیستم‌افزار گفته می‌شود، در حافظه‌های فقط خواندنی یا تراشه‌های حافظه فلش ذخیره می‌شوند که با منابع سخت‌افزار کامپیوتر محدود اجرا می‌شوند. سیستم های تعبیه شده از طریق وسایل جانبی با دنیای خارج ارتباط برقرار می کنند و دستگاه های ورودی و خروجی را به هم متصل می کنند.

سیستم های جاسازی شده همیشه به عنوان بخشی از یک دستگاه کامل عمل می کنند — منظور از اصطلاح تعبیه شده همین است. آنها کامپیوترهای کم هزینه، کم مصرف و کوچکی هستند که در سیستم های مکانیکی یا الکتریکی دیگر تعبیه شده اند. به طور کلی، آنها شامل یک پردازنده، منبع تغذیه، و درگاه های حافظه و ارتباط هستند. سیستم‌های تعبیه‌شده از پورت‌های ارتباطی برای انتقال داده‌ها بین پردازنده و دستگاه‌های جانبی – اغلب، سایر سیستم‌های تعبیه‌شده – با استفاده از یک پروتکل ارتباطی استفاده می‌کنند. پردازنده این داده ها را با کمک حداقل نرم افزار ذخیره شده در حافظه تفسیر می کند. نرم افزار معمولاً به عملکردی که سیستم تعبیه شده انجام می دهد بسیار خاص است.

هر سیستم یا دستگاه تعبیه شده ای که ممکن است یک موبایل یا کامپیوتر باشد به داشتن ورودی و خروجی معروف است. یک سیستم تعبیه شده ورودی آنالوگ/دیجیتال را می گیرد که توسط کاربر ارائه می شود. این نمونه ها شامل صفحه کلید، سنسور، صفحه نمایش لمسی و سوئیچ دکمه ای است.

ورودی یا از طریق تبدیل یا محاسبه پردازش می شود. هنگامی که مقدار آنالوگ به یک خروجی دیجیتال تبدیل می شود، نیاز به کنترل با استفاده از دستگاه های خروجی وجود دارد.

کاربرد سیستم های تعبیه شده

• سیستم های حرارتی: در یک اتاق کوره، سیستم های حرارت انرژی شیمیایی را به انرژی حرارتی تبدیل می کنند. سپس آن انرژی را به گرما منتقل می کنند. در نهایت در سراسر ساختمان توزیع می شود. کنترل های ترموستات که توسط یک سیستم تعبیه شده به دست می آیند، برای این سیستم ها برای تغییر دما حیاتی هستند.

• سیستم های GPS: سیستم GPS یک سیستم ناوبری است که داده‌های مربوط به مکان، زمان و سرعت را با استفاده از ماهواره‌ها و گیرنده‌ها همگام سازی می‌کند. برای سهولت استفاده از سیستم موقعیت یابی جهانی، گیرنده یا دستگاهی که داده ها را دریافت می کند دارای یک سیستم تعبیه شده یکپارچه است. مردم به سادگی می توانند مکان و مقصد فعلی خود را به لطف ابزارهای GPS تعبیه شده پیدا کنند.

• ردیاب های تناسب اندام: ردیاب‌های تناسب اندام پوشیدنی می‌توانند سلامت شما را کنترل کنند. فعالیت‌هایی مانند خواب، دویدن و پیاده‌روی را دنبال کنند. این گجت‌ها از فناوری‌های تعبیه‌شده برای جمع‌آوری داده‌های ضربان قلب و دمای بدن استفاده می‌کنند. سپس از طریق یک شبکه گسترده (WAN) مانند LTE یا GPRS به سرورها منتقل می‌شوند.

• تجهیزات پزشکی: سیستم های تعبیه شده برای مدت طولانی در تجهیزات پزشکی در موسسات مراقبت های بهداشتی مورد استفاده قرار گرفته اند. سیستم‌های تعبیه‌شده در کلاس جدیدی از ابزارهای پزشکی برای کمک به درمان بیمارانی که نیاز به نظارت و درمان مداوم در خانه دارند، استفاده می‌شوند.

• سیستم های خودرویی: سیستم های تعبیه شده در خودرو برای بهبود ایمنی خودرو ایجاد و نصب می شوند. تعداد تلفات رانندگی در سال های اخیر در نتیجه سیستم های ایمنی خودرو کاهش یافته است. خودروسازان برای تجهیز خودروها به سیستم‌ها و حسگرهای فناوری پیشرفته، که بدون سیستم‌های تعبیه‌شده غیرممکن خواهد بود، فراتر از آن تلاش می‌کنند.

• دستگاه های خودپرداز(ATM): دستگاه باجه خودکار (ATM) یک ماشین بانکی کامپیوتری است که از طریق یک شبکه با یک کامپیوتر بانک میزبان ارتباط برقرار می کند. سیستم تعبیه شده ATM داده های تراکنش را نشان می دهد و ورودی ها را از صفحه کلید ATM پردازش می کند، در حالی که رایانه بانک تمام داده های ارسال شده توسط کاربران را تأیید می کند و همه تراکنش ها را ذخیره می کند.

• روبات های کارخانه ای: ربات های کارخانه ای برای انجام کارهای با دقت بالا در محیط های خطرناک ساخته شده اند. آنها یک سیستم تعبیه شده داخلی دارند که چندین زیر سیستم را به هم متصل می کند. ربات‌ها از محرک‌ها، حسگرها و نرم‌افزار برای تشخیص محیط اطراف استفاده می‌کنند و با خیال راحت خروجی مورد نظر را در کارهای مکانیکی معمولی تولید می‌کنند.

• ایستگاه های شارژ خودروهای برقی: ایستگاه های شارژ وسایل نقلیه الکتریکی مجهز به نقاط یا واحدهایی هستند که نیروی الکتریکی را برای خودروهای متصل تامین می کنند. ایستگاه شارژ شامل یک سیستم جاسازی شده است که نمایشگرهای گرافیکی را پردازش می کند، عیوب دستگاه را گزارش می دهد و در صورت نیاز به تعمیر و نگهداری به تکنسین ها هشدار می دهد.
• کیوسک های تعاملی: پردازش ماشین‌های کیوسک متصل و سلف سرویس توسط یک سیستم تعبیه‌شده انجام می‌شود که یک تجربه تعاملی برای مصرف‌کننده ارائه می‌دهد. این سیستم‌ها را می‌توان برای کار در مکان‌های دورافتاده و در فضای باز، ارائه اطلاعات و خدمات حتی در سخت‌ترین آب‌وهوا ساخته شد. آنها همچنین گزینه های I/O مقیاس پذیر را برای تلفیق حجم کاری ارائه می دهند و می توانند زمان خرابی برنامه های بلادرنگ را حذف کنند.
• سیستم های بانکی: سیستم های تعبیه شده نیز در بخش بانکی برای اهداف امنیتی در چندین حوزه استفاده می شوند.
• سیستم های سیگنال: سیستم های سیگنالینگ از فناوری جاسازی شده استفاده می کنند که ایمنی شما را در طول سفر تضمین می کند
• بخش خودرو: امروزه خودروهای مدرن دارای سیستم‌های تعبیه‌شده متنوعی هستند که فعالیت‌های مختلفی را بر اساس کاربردشان در خودرو انجام می‌دهند.
• لوازم خانگی: سیستم های جاسازی شده نیز در انواع لوازم خانگی استفاده می شود که شما روزانه از آنها استفاده می کنید و کاملاً به آنها متکی هستید.

ویژگی سیستم های تعبیه شده

• معمولاً از سخت افزار، نرم افزار و سیستم عامل تشکیل شده است.
• می توانند در یک سیستم بزرگتر برای انجام یک عملکرد خاص تعبیه شوند، زیرا آنها برای کارهای تخصصی در سیستم ساخته شده اند، نه وظایف مختلف.
• می تواند مبتنی بر ریزپردازنده یا مبتنی بر میکروکنترلر باشد – هر دو مدارهای مجتمع هستند که به سیستم قدرت محاسباتی می دهند.
• اغلب برای سنجش و محاسبه بلادرنگ در دستگاه‌های اینترنت اشیا (IoT) استفاده می‌شوند، دستگاه‌هایی که به اینترنت متصل هستند و برای کار کردن نیازی به کاربر ندارند.
• می تواند از نظر پیچیدگی و عملکرد متفاوت باشد که بر نوع نرم افزار، سیستم عامل و سخت افزاری که استفاده می کنند تأثیر می گذارد. واغلب لازم است که عملکرد خود را تحت یک محدودیت زمانی انجام دهند تا سیستم بزرگتر به درستی کار کند.
• یک سیستم تعبیه شده معمولاً یک عملیات تخصصی را انجام می دهد و همین کار را مکررا انجام می دهد. به عنوان مثال: یک پیجر همیشه به عنوان یک پیجر عمل می کند.

• یک سیستم تعبیه شده معمولاً یک عملیات تخصصی را انجام می دهد و همین کار را مکررا انجام می دهد. به عنوان مثال: یک پیجر همیشه به عنوان یک پیجر عمل می کند.
  • همه سیستم‌های محاسباتی دارای محدودیت‌هایی در معیارهای طراحی هستند، اما سیستم‌های روی یک سیستم تعبیه‌شده می‌توانند به‌ویژه سخت باشند. معیارهای طراحی معیاری از ویژگی های یک پیاده سازی مانند هزینه، اندازه، قدرت و عملکرد آن است. باید به اندازه ای باشد که روی یک تراشه قرار گیرد، باید به اندازه کافی سریع عمل کند تا داده ها را در زمان واقعی پردازش کند و حداقل انرژی را برای افزایش عمر باتری مصرف کند
  • بسیاری از سیستم های تعبیه شده باید به طور مداوم به تغییرات در محیط سیستم واکنش نشان دهند و باید نتایج خاصی را در زمان واقعی و بدون هیچ تاخیری محاسبه کنند. نمونه ای از یک کروز کنترل خودرو را در نظر بگیرید. به طور مداوم سنسورهای سرعت و ترمز را کنترل می کند و به آن واکنش نشان می دهد. باید شتاب یا کاهش شتاب را به طور مکرر در مدت زمان محدود محاسبه کند. تاخیر در محاسبه می تواند منجر به عدم کنترل خودرو شود.
  • باید مبتنی بر ریزپردازنده یا میکروکنترلر باشد.
  • باید حافظه داشته باشد، زیرا نرم افزار آن معمولاً در رام جاسازی می کند. نیازی به حافظه ثانویه در رایانه ندارد.
  • برای اتصال دستگاه های ورودی و خروجی باید تجهیزات جانبی متصل باشد.
  • نرم افزار برای ویژگی ها و انعطاف پذیری بیشتر استفاده می شود. از سخت افزار برای عملکرد و امنیت استفاده می شود.

کاربرد سیستم های تعبیه شده در صنعت

سیستم‌های مخابراتی از سیستم‌های تعبیه‌شده متعددی از سوئیچ‌های تلفن برای شبکه گرفته تا تلفن‌های همراه در کاربر نهایی استفاده می‌کنند. شبکه های کامپیوتری از روترهای اختصاصی و پل های شبکه برای مسیریابی داده ها استفاده می کنند.

لوازم الکترونیکی مصرفی شامل پخش کننده های MP3، دستگاه های تلویزیون، تلفن های همراه، کنسول های بازی ویدیویی، دوربین های دیجیتال، گیرنده های GPS و چاپگرها می باشد. لوازم خانگی مانند اجاق‌های مایکروویو، ماشین‌های لباسشویی و ماشین‌های ظرفشویی شامل سیستم‌های تعبیه‌شده برای ارائه انعطاف‌پذیری، کارایی و ویژگی‌ها هستند. سیستم‌های پیشرفته گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع (HVAC) از ترموستات‌های شبکه‌ای برای کنترل دقیق‌تر و کارآمدتر دمایی استفاده می‌کنند که می‌تواند بر اساس زمان روز و فصل تغییر کند. اتوماسیون خانگی از شبکه های سیمی و بی سیم استفاده می کند که می تواند برای کنترل چراغ ها، آب و هوا، امنیت، سمعی و بصری، نظارت و غیره استفاده شود که همگی از دستگاه های تعبیه شده برای سنجش و کنترل استفاده می کنند.

سیستم های حمل و نقل از پرواز به خودرو به طور فزاینده ای از سیستم های تعبیه شده استفاده می کنند. هواپیماهای جدید دارای سیستم های اویونیک پیشرفته مانند سیستم های هدایت اینرسی و گیرنده های GPS هستند که الزامات ایمنی قابل توجهی نیز دارند. فضاپیماها برای تصحیح مسیر به سیستم‌های آستریونیک متکی هستند. موتورهای الکتریکی مختلف – موتورهای DC بدون جاروبک، موتورهای القایی و موتورهای DC – از کنترل‌کننده‌های موتور الکترونیکی استفاده می‌کنند. خودروها، خودروهای الکتریکی و خودروهای هیبریدی به طور فزاینده ای از سیستم های تعبیه شده برای به حداکثر رساندن کارایی و کاهش آلودگی استفاده می کنند. سایر سیستم های ایمنی خودرو که از سیستم های تعبیه شده استفاده می کنند عبارتند از: سیستم ترمز ضد قفل (ABS)، کنترل پایداری الکترونیکی (ESC/ESP)، کنترل کشش (TCS) و چهار چرخ متحرک خودکار.

انواع سیستم های تعبیه شده

• سیستم‌های تعبیه‌شده موبایل، سیستم‌هایی با اندازه کوچک هستند که به صورت قابل حمل طراحی شده‌اند. دوربین های دیجیتال نمونه ای از این موارد هستند.
• سیستم های تعبیه شده تحت شبکه برای ارائه خروجی به سیستم های دیگر به یک شبکه متصل می شوند. به عنوان مثال می توان به سیستم های امنیتی خانه و سیستم های نقطه فروش (POS) اشاره کرد.
• سیستم های تعبیه شده مستقل به سیستم میزبان متکی نیستند. مانند هر سیستم تعبیه شده، آنها یک کار تخصصی را انجام می دهند. با این حال، آنها بر خلاف سایر سیستم های تعبیه شده لزوماً به یک سیستم میزبان تعلق ندارند. ماشین حساب یا پخش کننده MP3 نمونه ای از این موارد است.
• سیستم های تعبیه شده بلادرنگ خروجی مورد نیاز را در بازه زمانی مشخصی ارائه می دهند. آنها اغلب در بخش‌های پزشکی، صنعتی و نظامی استفاده می‌شوند، زیرا وظایف حساس زمانی را بر عهده دارند. سیستم کنترل ترافیک نمونه ای از این موارد است.

آینده سیستم های تعبیه شده

انتظار می‌رود صنعت سیستم‌های تعبیه‌شده به سرعت به رشد خود ادامه دهد، که با توسعه مستمر هوش مصنوعی (AI)، واقعیت مجازی (VR) و واقعیت افزوده (AR)، یادگیری ماشینی، یادگیری عمیق و اینترنت اشیا (IoT) هدایت می‌شود. . سیستم تعبیه شده شناختی در قلب روندهایی مانند: کاهش مصرف انرژی، بهبود امنیت برای دستگاه های تعبیه شده، اتصال ابری و شبکه مش، برنامه های کاربردی یادگیری عمیق و ابزارهای تجسم با داده های زمان واقعی قرار خواهد گرفت.

بر اساس گزارش سال 2018 منتشر شده توسط QYResearch، ارزش بازار جهانی صنعت سیستم های جاسازی شده در سال 2017 به 68.9 میلیارد دلار رسید و انتظار می رود تا پایان سال 2025 به 105.7 میلیارد دلار افزایش یابد.