منظور از سیستم های نهفته چیست؟

سیستم های نهفته:

سامانه‌های تعبیه‌شده یا سامانه‌های توکار رایانه‌هایی اند که برای کنترل یک سامانه بزرگ طراحی شده‌اند و میتوانند همزمان چند پردازش را انجام دهند. سامانه نهفته  بخشی از یک سامانه بزرگ که دارای سخت‌افزارها و بخش‌های مکانیک مختلفی است جاسازی می‌شود ،و مانند یک رایانه شخصی طراحی  و برای انجام کارهای مشخصی ساخته شده است سامانه‌های نهفته، امروزه برای کنترل خیلی از دستگاه‌ها به کار می‌روند

سامانه‌های نهفته دارای هسته‌های پردازشی هستند که می‌توانند میکروکنترلر یا پردازنده سیگنال‌های دیجیتال باشند پردازنده یک واحد مهم در سخت‌افزار یک سامانه نهفته است. در واقع پردازنده قلب این سامانه است.

به هر حال مشخصه کلیدی این سامانه‌ها، طراحی اختصاصی برای انجام یک کار مشخص است؛ بنابراین چون سامانه‌های نهفته برای یک کار مشخص اختصاص یافته‌اند، مهندسین طراح می‌توانند محصول را برای کاهش اندازه و قیمت بهینه کنند اطمینان پذیری و کارایی آن را بالا ببرند. برخی از سامانه‌های نهفته با بهره‌گیری از مزیت‌های تولید با تعداد بالا، به شکل انبوه تولید شده‌اند

از لحاظ فیزیکی، گستره سامانه‌های نهفته از دستگاه‌های قابل‌حمل مانند: ساعت مچی و پخش کننده‌های MP3 تا ایستگاه-های نصب‌شده و ثابت، مانند چراغ راهنمایی، کنترل‌کننده منطقی برنامه‌پذیر و سامانه‌های بزرگ و پیچیده مانند: خودرو هیبرید، تصویربرداری با تشدید خودروی هیبریدی، ام‌آرآی و اویونیک به‌کار می‌روند. پیچیدگی این سامانه‌ها از کم مانند یک تراشه میکرو کنترلر تا بسیار زیاد مانند دستگاه‌های جانبی یک سامانه و شبکه‌های سوار شده روی یک شاسی یا یک محوطه تغییر می‌کند

کاربرد های سیستم های نهفته:

سامانه های نهفته یا امبدد سیستم اغلب در کاربرد های مصرفی، آشپزی، صنعتی، خودروسازی، پزشکی، تجاری و نظامی مورد استفاده قرار می گیرند.در سیستم های مخابراتی از از سامانه های نهفته متعددی – از سوییچ های تلفن برای شبکه مخابرات گرفته تا تلفن های همراه – استفاده می شود. شبکه های کامپیوتری نیز از روتر های اختصاصی و پل های شبکه برای مسیردهی با داده ها استفاده می کنند.کالاهای الکترونیکی مصرفی شامل MP3 پلیر ها، تلفن های همراه، کنسول های بازی، دوربین های دیجیتال، GPS، گیرنده های دیجیتال و پرینتر ها هستند. لوازم خانگی مانند مایکروویو ها، ماشین های ظرف شویی و لباس شویی نیز دارای سامانه های نهفته ای هستند که باعث انعطاف پذیری و بازده بیشتر می شود و ویژگی های مختلفی را ارائه می کنند.

• سیستم های HVAC(گرمایش و تهویه هوا) پیشرفته :  از ترموستات های تحت شبکه استفاده می کنند تا بتوانند دما را با دقت و بازده بیشتری کنترل کنند. در این حالت دما به صورت خودکار با توجه به زمان در طی یک روز و همچنین فصل مورد نظر تنظیم می شود. سیستم های اتوماسیون خانگی از شبکه های با سیم یا بدون سیمی(وایرلس) استفاده می کنند که از آن ها برای کنترل چراغ ها، دمای اتاق،  تجهیزات امنیتی خانه و دوربین های نظارتی و تجهیزات صوتی و تصویری استفاده می شود. در همه این تجهیزات از سامانه های نهفته ای استفاده شده که امکان تشخیص و کنترل پارامتر های مختلف را فراهم می کند.
•  سیستم های حمل و نقل : از حمل و نقل هوایی گرفته تا خودرو ها، به طور گسترده ای از سامانه های نهفته استفاده می کنند. هواپیما های جدید دارای تجهیزات الکترونیکی پیشرفته ای مانند سیستم های ناوبری اینرسیایی (IGS) و گیرنده های GPS هستند که خود این سیستم ها نیز به ملزومات ایمنی زیادی نیاز دارند. چندین نوع از موتور های الکترونیکی، شامل موتور بدون جاروبک دی سی، موتور های القایی و موتور های دی سی، از کنترل کننده های موتور الکترونیکی استفاده می کنند.
• خودرو های معمولی، برقی و یا هیبریدی : به طور روزافزون از سامانه های نهفته مختلفی استفاده می کنند تا بازده را به حداکثر رسانده و آلودگی را کم کنند. سایر سیستم های ایمنی خودرو شامل ترمز های ABS، سیستم کنترل پایداری الکترونیکی(ESC/ESP) ، سیستم کنترل رانش(TCS) و سیستم خودکار چهار چرخ متحرک  هستند.از سامانه های نهفته  (امبدد سیستم) در تجهیزات پزشکی برای تحت نظر گرفتن علائم حیاتی- در گوشی های پزشکی الکترونیکی برای تقویت صدا ها- و در سیستم های تصویربرداری پزشکی مختلف(PET,SPECT,CT,MRI) برای بررسی قسمت های داخلی بدن بدون نیاز به وارد کردن تجهیزاتی خاص به داخل آن استفاده می شود. توان سامانه های نهفته ای که در داخل تجهیزات پزشکی قرار می گیرند اغلب توسط کامپیوتر های صنعتی تامین می شود.
•  سامانه های نهفته در حمل و نقل هشدار حریق، تجهیزات امنیتی، کاربرد های پزشکی و سیستم های حیاتی: می توان این سیستم ها را از گزند هکر ها در امان نگه داشت و در نتیجه قابل اطمینان تر هستند. در مورد هشدار حریق، می توان این سیستم ها را به گونه ای طراحی کرد که بتوانند در دما های بالاتر نیز به کار کردن ادامه دهند. در زمینه سیستم های امنیتی، سامانه های نهفته می توانند خود استوار باشند و در صورت مواجه شدن با قطع سیستم های الکترونیکی یا ارتباطی، به نحو مقتضی عمل کنند.
• دستگاه های بی سیم مینیاتوری: دستگاه های بی سیم مینیاتوری سنسور های بی سیم شبکه ای هستند. شبکه سنسورهای بی سیم(WSN) از فرآیند کوچک سازی که به کمک طراحی های بسیار پیچیده IC ها امکان پذیر شده کمک می گیرد تا بتواند تمامی زیر سیستم های یک مجموعه کامل بی سیم را در کنار سنسور های پیچیده قرار دهد و به این ترتیب این امکان را فراهم کند تا مردم و شرکت ها بتوانند هزاران چیز مختلف را در دنیای فیزیکی اندازه گیری کرده و با استفاده از سیستم های نظارتی و کنترلی در فناوری اطلاعات  از آن ها استفاده کنند. این سنسور های بی سیم خود استوار هستند و باتری آن ها معمولا سال ها کار خواهد کرد و در نهایت می توان باتری را به سادگی تعویض نمود. ماژول های Wi-Fi نهفته، راهی ساده را برای برقراری ارتباط بی سیم با هر دستگاهی که از درگاه سریال استفاده می کند فراهم کرده اند.

چه تاریخچه ای دارند؟

منشا ریزپردازنده و میکروکنترلر را می‌توان به مدار یکپارچه MOS که یک تراشه مدار یکپارچه ساخته شده از MOSFETs ترانزیستورهای تأثیر میدانی نیمه‌هادی است.در اوایل دهه ۱۹۶۰ توسعه داده شد. تا سال ۱۹۶۴ تر اشه‌های MOSبه تراکم ترانزیستور بالاتر و هزینه‌های تولید کمتر از تراشه‌های دو قطبی رسیده بودند.تراشه‌های MOS با سرعت پیش‌بینی‌شده توسط قانون مور در پیچیدگی بیشتر افزایش یافتند.منجر به ادغام در مقیاس بزرگ (LSI) با صدها ترانزیستور می شوند. در اواخر دهه ۱۹۶۰ روی یک تراشه MOS واحد استفاده از تراشه‌های MOS LSI برای محاسبات ، پایه و اساس اولین ریزپردازنده‌ها بود.زیرا مهندسان شروع به شناختن اینکه یک سیستم پردازنده کامپیوتر کامل در چندین تراشه MOS LSI وجود دارد، می‌کردند.

اولین ریزپردازنده‌های چند تراشه ، سیستم های چهار فاز AL1 در سال ۱۹۶۹ و Garrett AiResearch MP944 در ۱۹۷۰ ، با تراشه‌های MOS LSI چندگانه تولید شدند.اولین ریزپردازنده تک تراشه Intel 4004 بود که در سال ۱۹۷۱ بر روی یک تراشه MOS LSI منتشر شد. این شرکت توسط فدریکو فاگین ساخته شد.و با استفاده از فناوری MOS- دروازه سیلیکونی خود، به همراه مهندسین اینتل مارسیان هاف و استن مازور و مهندس Busicom ماساتوشی ساخته شد. این شرکت توسط فدریکو فاگین ساخته شد. و با استفاده از فناوری MOS- دروازه سیلیکونی خود، به همراه مهندسین اینتل مارسیان هاف و استن مازور و مهندس Busicom ماساتوشی ساخته شد

سخت افزار سیستم های تعبیه شده (میکروکنترلر مبتنی بر ریز پردازنده)

سخت افزار سیستم جاسازی شده می تواند مبتنی بر ریزپردازنده یا میکروکنترلر باشد. در هر صورت ، یک مدار یکپارچه در قلب محصولی است که، به طور کلی برای انجام محاسبات و عملیات در زمان واقعی طراحی شده است. پردازنده های نهفته را می توان در دو دسته کلی طبقه بندی کرد. ریزپردازنده های معمولی (μP) ابرای حافظه و بخش های جانبی از مدار های مجتمع جدا استفاده می کنند. ریزپردازنده ها از نظر بصری از میکروکنترلرها قابل تشخیص نیستند.

ریزپردازنده فقط یک واحد پردازش مرکزی (CPU) را پیاده سازی می کند و بنابراین نیاز به اضافه کردن سایر مؤلفه ها مانند تراشه های حافظه دارد. سامانه های تعبیه شده از معماری های پردازنده متفاوت و مختلفی استفاده می شود. زیرا در این حالت، نرم افزار به طور سفارشی برای یک کاربرد مشخص طراحی می شود و محصولی به شمار نمی رود که خود کاربر بتواند آن را نصب کند.در پردازنده ها از هر دو معماری فون نویمان و هاروارد استفاده می شود.پردازنده هایRISC(کامپیوتر های کم دستور) و غیر RISC نیز در این سامانه ها دیده شده اند.از ریز پردازنده های با کاربرد عمومی نیز در سامانه های نهفته استفاده می شود اما به طور کلی، این ریزپردازنده ها نسبت به میکروکنترلر ها به مدار های پشتیبان بیشتری احتیاج دارند.

برای آشنایی با زبان برنامه نویسی C برای برنامه نویسی میکروکنترلرها اینجا کلیک کنید.

میکروکنترلر ها :

میکروکنترلر ها به عنوان سیستم های خود ساخته طراحی می شوند. میکروکنترلر ها نه تنها یک CPU بلکه حافظه و لوازم جانبی مانند حافظه فلش ، حافظه رم یا پورت های ارتباطی سریال را نیز شامل می شوند. در میکروکنترلر ها (μC) بخش های جانبی بر روی خود چیپ قرار گرفته اند و در نتیجه میزان مصرف توان و اندازه و هزینه آن ها کمتر است. از آنجا که میکروکنترلر ها تمایل به اجرای سیستم های کامل (در صورت کم بودن توان رایانه) دارند ، آنها اغلب در کارهای پیچیده تر مورد استفاده قرار می گیرند. میکروکنترلر های متعددی برای استفاده در سیستم های تعبیه شده ساخته شده اند.به عنوان مثال ، میکروکنترلر ها در عملیات وسایل نقلیه ، روبات ها ، وسایل پزشکی و لوازم خانگی استفاده می شوند. بالاترین قابلیت میکروکنترلر ، اصطلاحی است به نام  سیستم روی یک تراشه(SoC)

سیستم روی یک تراشه (SoC) یک مدار مجتمع (همچنین به عنوان “تراشه” شناخته می شود) است، که تمام اجزای یک رایانه یا یک سیستم الکترونیکی را ادغام می کند. این مؤلفه ها معمولاً (اما نه همیشه) شامل یک واحد پردازش مرکزی (CPU) ، حافظه ، پورت های ورودی / خروجی و ذخیره سازی ثانویه هستند. همه این مولفه ها در یک بستر یا میکروچیپ ، اندازه یک سکه جمع شده اند.

برای آشنایی با زبان برنامه نویسی C برای برنامه نویسی میکروکنترلرها اینجا کلیک کنید.

نرم افزار سیستم تعبیه شده:

میکروکنترلر صنعتی معمولی در مقایسه با رایانه رومیزی شرکتی معمولی کم نظیر است.به طور کلی میکروکنترلر صنعتی معمولی به یک برنامه ساده تر و کم حافظه وابسته است.ساده ترین دستگاه ها روی فلز لخت  bare metal  کار می کنند. دستگاه ها به طور مستقیم با استفاده از زبان کد دستگاه پردازنده تراشه، برنامه ریزی می شوند. فلز لخت یک سیستم رایانه ای یا شبکه ای است که در آن یک ماشین مجازی به جای میزبان سیستم عامل (OS) مستقیماً بر روی سخت افزار نصب می شود. اصطلاح “فلز برهنه” به یک هارد دیسک اشاره دارد.این هارد دیسک یک وسیله معمولی است تا سیستم عامل کامپیوتر روی آن نصب شود.

در سطوح بالاتر از قابلیت تراشه ها ، مانند نمونه هایی که در SoC وجود دارد ، طراحان به طور فزاینده ای تصمیم گرفته اند که سیستم ها به اندازه کافی سریع باشند. آن ها می توانند در هنگام اجرای واکنش تغییرات جزیی را تحمل و به صورت آن تایم واکنش نشان دهند. برای این کار از نسخه های اصلاح شده ی لینوکس استفاده کردند. در این نسخه ها همه ی ویژگی های غیر ضرور حذف شده بودند. استفاده از این نسخه از لینوکس زمانی توسعه پیدا کرد که سایر سیستم عامل ها از دور خارج شدند..سیستم عامل هایی نظیر (Embedded Java و Windows IoT (formerly Windows Embedded  به طور کلی ، برای ذخیره برنامه ها و سیستم عامل ها در دستگاه های تعبیه شده ، از فلش یا حافظه فلش قابل بازنویسی استفاده می شود.