سیستم‌های تعبیه‌شده (Embedded Systems) چیست؟
سیستم تعبیه‌شده ترکیبی از سخت‌افزار و نرم‌افزار است که برای انجام یک وظیفه خاص طراحی شده است. سیستم‌های تعبیه‌شده می‌توانند در درون یک سیستم بزرگتر عمل کنند و به صورت برنامه‌پذیر یا با قابلیت‌های ثابت عمل کنند. این سیستم‌ها در حال حاضر برای کنترل دستگاه‌های متعددی به کار می‌روند. برای مثال، در ماشین‌آلات صنعتی، الکترونیک مصرفی، دستگاه‌های کشاورزی و پردازشی، اتومبیل‌ها، دستگاه‌های پزشکی، دوربین‌ها، ساعت‌های دیجیتال، لوازم خانگی، هواپیماها، دستگاه‌های فروش اتوماتیک، اسباب‌بازی‌ها و دستگاه‌های همراه مورد استفاده قرار می‌گیرند.
سیستم‌های تعبیه‌شده معمولاً شامل یک میکروپروسسور یا سیستم مبتنی بر میکروکنترلر، حافظه و دستگاه‌های ورودی/خروجی (I/O) هستند که تماماً وظیفه‌ای خاص را در یک سیستم بزرگتر انجام می‌دهند. در حالی که سیستم‌های تعبیه‌شده سیستم‌های محاسباتی هستند، آن‌ها می‌توانند از عدم وجود رابط کاربری (UI) برخوردار باشند، مانند دستگاه‌هایی که برای انجام یک وظیفه واحد طراحی شده‌اند، یا رابط کاربری گرافیکی پیچیده‌ای داشته باشند، مانند دستگاه‌های همراه. رابط‌های کاربری می‌توانند شامل دکمه‌ها، دیودهای ساطع‌کننده نور (LEDs) و صفحه‌نمایش‌های لمسی باشند. برخی سیستم‌ها همچنین از رابط‌های کاربری از راه دور استفاده می‌کنند.
طبق گزارش Global Markets Insight، بازار سیستم‌های تعبیه‌شده در سال ۲۰۲۳ به ارزش ۱۱۰.۳ میلیارد دلار رسید و پیش‌بینی می‌شود تا سال ۲۰۳۲ به بیش از ۱۹۰ میلیارد دلار برسد. تولیدکنندگان چیپ برای سیستم‌های تعبیه‌شده شامل بسیاری از شرکت‌های فناوری شناخته شده هستند، مانند اپل، آی‌بی‌ام، اینتل و تگزاس اینسترومنتس. رشد پیش‌بینی‌شده جزئی از سرمایه‌گذاری مستمر در هوش مصنوعی (AI)، محاسبات موبایل و نیاز به چیپ‌هایی است که برای پردازش سطح بالا طراحی شده‌اند.
مثال‌هایی از سیستم‌های تعبیه‌شده
سیستم‌های تعبیه‌شده در طیف وسیعی از تکنولوژی‌ها و صنایع استفاده می‌شوند. برخی از نمونه‌های آن‌ها عبارتند از:
- اتومبیل‌ها: خودروهای مدرن معمولاً شامل بسیاری از رایانه‌ها یا سیستم‌های تعبیه‌شده هستند که برای انجام وظایف مختلف در داخل وسیله نقلیه طراحی شده‌اند. برخی از این سیستم‌ها عملکردهای اساسی را انجام می‌دهند و برخی دیگر وظایف تفریحی یا رابط‌های کاربری ارائه می‌دهند. با پیچیده‌تر شدن خودروهای مدرن، تعداد سیستم‌های تعبیه‌شده در آن‌ها افزایش می‌یابد. برخی از سیستم‌های تعبیه‌شده در وسایل نقلیه مصرفی شامل کنترل کروز، سنسورهای دنده عقب، کنترل تعلیق، سیستم‌های ناوبری، سیستم‌های هشدار و سیستم‌های ایربگ می‌باشد.
- تلفن‌های همراه: این دستگاه‌ها شامل بسیاری از سیستم‌های تعبیه‌شده هستند، از جمله نرم‌افزار و سخت‌افزار رابط کاربری گرافیکی (GUI)، سیستم‌های عامل (OSes)، دوربین‌ها، میکروفن‌ها و ماژول‌های ورودی/خروجی USB.
- ماشین‌آلات صنعتی: این دستگاه‌ها سیستم‌های تعبیه‌شده مانند سنسورها را در خود دارند و می‌توانند خود به سیستم‌های تعبیه‌شده تبدیل شوند. ماشین‌آلات صنعتی معمولاً دارای سیستم‌های اتوماسیون تعبیه‌شده هستند که وظایف خاصی از جمله نظارت و کنترل را انجام می‌دهند.
- دستگاه‌های پزشکی: این دستگاه‌ها شامل سیستم‌های تعبیه‌شده‌ای مانند سنسورها و مکانیزم‌های کنترل هستند. دستگاه‌های پزشکی، مانند ماشین‌آلات صنعتی، باید همچنین دارای سیستم‌عاملی پیچیده‌تر و رابط کاربری گرافیکی (GUI) باشند تا از اشتباهات غیرقابل‌پیش‌بینی در عملکرد دستگاه جلوگیری کنند.
- دستگاه‌های ردیاب تناسب اندام: این دستگاه‌های پوشیدنی شامل سیستم‌های تعبیه‌شده‌ای هستند که داده‌هایی مانند ضربان قلب، سطح اکسیژن خون و تعداد قدم‌ها را از کاربر جمع‌آوری می‌کنند.
سیستم‌های تعبیه‌شده چگونه کار می‌کنند؟
سیستم‌های تعبیه‌شده همیشه به عنوان بخشی از یک دستگاه کامل عمل می‌کنند. آن‌ها رایانه‌هایی با هزینه کم، مصرف انرژی پایین و اندازه کوچک هستند که در سیستم‌های مکانیکی یا الکترونیکی دیگر جاسازی می‌شوند. معمولاً شامل یک پردازنده، منبع تغذیه، حافظه و پورت‌های ارتباطی هستند. سیستم‌های تعبیه‌شده از پورت‌های ارتباطی برای انتقال داده بین پردازنده و دستگاه‌های جانبی استفاده می‌کنند — اغلب، سیستم‌های تعبیه‌شده دیگر — با استفاده از یک پروتکل ارتباطی. پردازنده این داده‌ها را با کمک نرم‌افزار حداقلی که در حافظه ذخیره می‌شود، تفسیر می‌کند. این نرم‌افزار معمولاً بسیار خاص است و برای عملکرد خاصی که سیستم تعبیه‌شده انجام می‌دهد طراحی شده است.
پردازنده ممکن است یک میکروپروسسور یا میکروکنترلر باشد. میکروکنترلرها در واقع میکروپروسسورهایی هستند که رابط‌های جانبی و حافظه یکپارچه را شامل می‌شوند. میکروپروسسورها از مدارهای مجتمع جداگانه برای حافظه و رابط‌ها استفاده می‌کنند به جای اینکه آن‌ها را در چیپ گنجانده باشند. هر دو می‌توانند استفاده شوند، اما میکروپروسسورها معمولاً به مدارهای پشتیبانی بیشتری نیاز دارند زیرا به‌طور کمتری در میکروپروسسور یکپارچه شده‌اند. اصطلاح سیستم روی یک چیپ (SoC) اغلب استفاده می‌شود. SoCها معمولاً شامل چندین پردازنده و رابط‌ها در یک چیپ هستند. این‌ها اغلب برای سیستم‌های تعبیه‌شده با حجم بالا استفاده می‌شوند.
معمولاً سیستم‌های تعبیه‌شده در محیط‌های عملیاتی زمان‌بندی شده و با استفاده از سیستم‌عامل زمان واقعی (RTOS) برای ارتباط با سخت‌افزار استفاده می‌شوند. رویکردهای نزدیک به زمان واقعی برای سطوح بالاتر قابلیت پردازش چیپ مناسب هستند، که توسط طراحانی که به‌طور فزاینده‌ای تصمیم گرفته‌اند که این سیستم‌ها به‌طور کلی سریع کافی هستند و وظایف تحمل‌کننده تفاوت‌های جزئی در واکنش‌اند، تعریف می‌شوند. در این موارد، نسخه‌های ساده‌شده از سیستم‌عامل لینوکس معمولاً پیاده‌سازی می‌شوند، اگرچه سیستم‌عامل‌های دیگری نیز برای اجرای سیستم‌های تعبیه‌شده کاهش داده شده‌اند، از جمله Java Embedded و Microsoft Windows IoT — که قبلاً Microsoft Windows Embedded بود.
ویژگی‌های سیستم‌های تعبیه‌شده
ویژگی اصلی سیستم‌های تعبیه‌شده این است که آن‌ها خاص برای انجام وظایف طراحی شده‌اند. این سیستم‌ها معمولاً شامل ویژگی‌های اضافی زیر هستند:
- آن‌ها معمولاً شامل سخت‌افزار، نرم‌افزار و فریم‌ور هستند.
- می‌توانند در یک سیستم بزرگتر جاسازی شوند تا وظیفه‌ای خاص را انجام دهند، زیرا آن‌ها برای انجام وظایف خاص درون سیستم ساخته می‌شوند نه برای انجام وظایف مختلف.
- آن‌ها می‌توانند مبتنی بر میکروپروسسور یا میکروکنترلر باشند — هر دو مدارهای یکپارچه‌ای هستند که قدرت محاسباتی سیستم را فراهم می‌کنند.
- آن‌ها اغلب از SoCهای ASIC و FPGA استفاده می‌کنند.
- اغلب برای حسگرها و محاسبات زمان واقعی در دستگاه‌های اینترنت اشیاء (IoT) استفاده می‌شوند که دستگاه‌هایی هستند که به اینترنت متصل‌اند و نیازی به کاربر برای استفاده ندارند.
- می‌توانند در پیچیدگی و عملکرد متفاوت باشند که بر نوع نرم‌افزار، فریم‌ور و سخت‌افزاری که استفاده می‌کنند تأثیر می‌گذارد.
- آن‌ها اغلب باید عملکرد خود را تحت فشار زمانی انجام دهند تا سیستم بزرگتر به‌طور صحیح کار کند.
