امبدد سیستم (Embedded System) چیست؟

‌آشنایی با سیستم‌های امبدد

سیستم‌های امبدد Embedded Systems یک مجموعه از بخش های سخت افزار و نرم افزار کامپیوتر است. به همین دلیل به سیستم‌های Embedded، سیستم‌های نهفته‌ نیز می گویند. این سیستم‌های تعبیه یک وظیفه مشخص را برعهده دارند. این مجموعه داخل یک دستگاه بزرگتر الکترونیکی و مکانیکی قرار می گیرند و وظایف کنترلی و پردازشی را انجام می دهند. برای نمونه سیستم‌های تعبیه‌شده یک یخچال مدرن را مدیریت می کنند. در این وسیله هشدار باز ماندن درب یخچال و میزان خنک سازی و دمای یخچال توسط سیستم‌های نهفته‌شده انجام می شود. وقتی شما یک وسیله الکترونیکی یا مکانیکی را نگاه می‌کنید، مثل ماشین لباسشویی، خودرو یا تلفن همراه، بخشی از آن که مسئول کنترل دما، زمان‌بندی، پردازش اطلاعات حسگرها یا اجرای دستورات کاربر است، همان سیستم امبدد است.

وظایف سیستم‌های Embedded Systems 

به طور کلی سیستم‌های امبدد وظیفه کنترل، مدیریت و پردازش اطلاعات در سیستم‌های بزرگ تر را برعهده دارند. این سیستم‌ها داده ها را از سنسورها میگیرند و پس از پردازش تصمیمات منطبق را انتخاب می کنند. مثلا در یک ماشین لباسشویی، سیستم امبدد دما، زمان شستشو و سرعت چرخش موتور را تأیین می‌کند تا بهترین عملکرد را ارائه دهد. همچنین این سیستم‌ها می‌توانند خروجی‌هایی دقیق و فوری تولید کنند. سیستم‌های ترمز ABS خودرو توسط سیستم‌های امبدد به سرعت واکنش نشان می‌دهند تا ایمنی حفظ شود. همچنین یکی دیگر از ویژگی های مفیدی که برای کاربران دارند، برقراری ارتباط با افراد است. با رابط‌های کاربری ساده مثل دکمه، اپلیکیشن موبایل و نمایشگرها تعامل میان سیستم و کاربر برقرار می‌شود.

ویژگی‌های مشترک سیستم‌های امبدد

اصلی ترین ویژگی سیستم‌های امبدد در انجام یک وظیفه است. علاوه بر این ویژگی هایی دارند که در اکثریت آنها مشترک است:

·     استفاده از MCU و CPU

میکروکنترلرها و میکروپردازنده‌ها در همه سیستم‌های تعبیه‌شده قرار می‌گیرند که هر کدام برای سیستم خاصیتی دارند. CPU، قدرت پردازشی بالا را در این نوع سیستم‌ها ارائه می دهد. MCU (میکروکنترلر) علاوه بر اینکه میکرو‌ پردازنده دارد، حافظه و ورودی و خروجی های لازم جهت کنترل دستگاه را نیز فراهم می کند. مثلا در یک خودرو مجهز به ترمز ABS، میکروکنترلر وظیفه دارد سرعت چرخ‌ها را در زمان بسنجد.

·    کاربرد سیستم‌های Embedded در IOT

سیستم‌های تعبیه‌شده بخش اساسی دستگاه های IOT محسوب می شوند. اینترنت اشیا یک مجموعه حرفه ای از دستگاه‌ها است که بدون اینکه به دخالت انسان نیاز داشته باشد، این بخش‌ها با هم ارتباط می گیرند و اطلاعات را انتقال می دهند. سیستم‌های امبدد در این دستگاه‌ها مسئولیتی مثل جمع‌آوری داده از سنسورها، پردازش بلادرنگ و ارسال اطلاعات به سرور یا گوشی کاربر را انجام می‌دهند. برای مثال در ترموستات اتوماتیک خانه سنسور ابتدا وضعیت دما را می سنجد، سیستم Embedded داخل ترموستات بعد از پردازش دیتاهای ارسال شده تصمیم می گیرد سیستم گرمایشی را روشن یا خاموش کند. بعد از آن وضعیت تصمیم گرفته شده به اپلیکیشن موبایل شما ارسال می‌شود یا روی نمایشگر قرار می گیرد تا شما بتوانید آن را تغییر دهید.

·    نقش مهم در عملکردهای حساس به زمان

بسیاری از امبدد سیستم‌ها برای اینکه وظیفه خود را درست انجام دهند، باید در لحظه ای دقیق فعالیت داشته باشند. به این ویژگی مهم Real-Time می گویند. سیستم ABS ماشین از این دسته می باشد که باید در صدم ثانیه عمل کند تا خودرو امنیت داشته باشد.

بخش‌های اصلی یک سیستم تعبیه‌شده

بخش سخت افزار

همانطور که گفتیم سیستم‌های امبدد Embedded Systems دارای میکروکنترلر و CPU هستند. این قطعات مغز دستگاه محسوب می‌شوند و با قطعات دیگر مانند حافظه، منبع تغذیه و نمایشگرهای LCD ارتباط دارند تا پردازش داده‌ها و اجرای دستورات را انجام دهند. این مجموعه بخش اصلی و سخت افزار سیستم‌های نهفته هستند.

نرم افزار دستگاه در سیستم‌های Embedded

Application Software همان نرم افزاری است که روی سخت افزار سیستم اجرا می شود. این نرم افزار عملکرد اصلی دستگاه را کنترل می کند و برنامه‌های خاصی دارد که با سخت افزار دستگاه ملحق می شود. این بخش می تواند یه رابط کاربری مثل موبایل، دکمه و نمایشگر برای کاربر فراهم کند. در بسیاری از دستگاه‌های امبدد جدید و مدرن می‌توان این نرم افزارها را با اپلیکیشن خاص از فواصل دور آپدیت کرد. بخش نرم افزاری‌های سیستم امبدد در دو حالت ساده و پیچیده وجود دارد. در سیستمی مثل ساعت این بخش ساده و در سیستمی مثل کنترل خودرو این بخش بسیار سنگین است زیرا هم‌زمان اطلاعات چندین حسگر را پردازش می کند.

سیستم عامل بلادرنگ RTOS

این سیستم عامل لحظه‌ای است، یعنی به عملکردهای خارجی به سرعت جواب می دهد. این ویژگی در دستگاه‌هایی که به زمان حساس هستند، بسیار مهم است و حتی کوچکترین تأخیر باعث اختلال در روند کار می شود. به طور کلی این سیستم وظیفه دارد تا زمان فعالیت‌ها را به صورت دقیق کنترل مدیریت کند.

دسته‌بندی سیستم‌های نهفته (Embedded)

1. مستقل

به آن دسته از سیستم‌های امبدد Embedded Systems، مستقل می گویند که بدون نیاز به کامپیوتر، دستگاه یا سرور کار می کنند. یعنی همه ابزارهای موردنیاز برای انجام فعالیت‌هایی مثل گرفتن ورودی، پردازش و خروجی گرفتن در یک دستگاه قرار گرفته است. ماشین حساب و ساعت دیجیتال و دستگاه تست قند خون نمونه‌هایی از سیستم‌های تعبیه‌شده مستقل است که عملکرد بسیار ساده ای دارند.

2. سیستم‌های امبدد شبکه ای (Network Systems)

این سیستم‌ها دسته ای از امبددها هستند که برای شروع و انجام فعالیت خود نیاز به اتصال به یک شبکه LAN یا اینترنت دارند. سیستم‌های شبکه بخش اصلی بسیاری از طراحی‌های IOT و سیستم‌های توزیع‌شده هستند و از راه دور کنترل و مانیتور می شوند. مودم اینترنت، دوربین امنیتی، دستگاه POS و ترموستات هوشمند نمونه‌هایی از امبدد سیستم‌های شبکه ای می باشند. POS یک سیستم نهفته شبکه ای است که هم داده‌های تراکنش را پردازش می‌کند و هم به سرور بانکی متصل می‌شود.

3. موبایل

سیستم‌های تعبیه‌شده موبایلی، سیستم‌های کوچک، سبک و قابل حمل هستند. این دسته از امبدد سیستم‌ها منبع انرژی محدودی دارند و با باتری کار می‌کنند. بنابر این ویژگی مصرف انرژی یکی از نکات مهم است که هنگام طراحی باید آن را در نظر داشت. همه سیستم‌های امبدد موبایل به صورت مستقل کار می‌کنند و به اتصال دائم به شبکه نیاز ندارند. اسپیکرهای کوچک قابل حمل، گوشی های هوشمند و دوربین های دیجیتال نمونه های رایج سیستم‌های امبدد موبایل هستند.

چرا سیستم‌های امبدد در دنیای امروز ضروری هستند؟

سیستم‌های امبدد Embedded Systems تقریبا در همه بخش های خانگی، پزشکی و صنعتی کاربرد دارند. در کارخانه‌ها، سیستم‌های امبدد خطوط تولید، اتوماسیون و روبات های صنعتی را کنترل می کنند. همچنین در خودروها سیستم‌های امبدد نقش بسیار مهمی در ایمنی و کنترل ترمز خودرو دارند. در حوزۀ پزشکی، دستگاه‌های مانیتورینگ علائم حیاتی، تجهیزات تصویربرداری و پمپ‌های تزریق به کمک سیستم‌های امبدد با دقت و اطمینان بالا عمل می‌کنند. از طرفی لوازم خانگی مثل سیستم‌های روشنایی، تلویزیون و یخچال از طریق این بخش‌ها کنترل می شوند. 

بردهای امبدد

سیستم‌های تعبیه شده حتما باید رو یک سخت افزار اجرا شوند. بردهای آردوینو و ماژول‌هایی که با معماری AVR طراحی‌ شده‌اند، نمونه‌های کاربردی سیستم های امبدد هستند. این محصولات همه ویژگی هایی را که تا به حال بررسی کردیم در پروژه ارائه می دهند و گزینه اقتصادی در سیستم‌های Embedded هستند. بنابراین اگر می خواهید در پروژه‌های الکترونیکی و هوش مصنوعی خود سیستم‌های تعبیه‌شده را اجرا کنید می توانید از محصولاتی مثلبرد Arduino Nano ESP32، میکروکنترلر ATMEGA8A-AU و Arduino Nano 33 Sense BLE Rev2 استفاده کنید.