در 2025/03/31 7,425

درک سیستم های تعبیه شده: تعریف ، ویژگی ها و طبقه بندی

این راهنما توضیح می دهد که سیستم های تعبیه شده چیست و چرا آنها مهم هستند.یک سیستم تعبیه شده یک رایانه کوچک است که در یک دستگاه بزرگتر ساخته شده است تا یک کار خاص را انجام دهد.آنها را در مواردی مانند مایکروویو ، اتومبیل ، ردیاب تناسب اندام و دستگاه های کارخانه پیدا خواهید کرد.بر خلاف رایانه های معمولی ، آنها ساخته شده اند که فقط یک یا چند کار را واقعاً خوب انجام دهند ، اغلب در زمان واقعی.این راهنما همچنین سیستم های تعبیه شده را با رایانه های عمومی مقایسه می کند و انواع مختلفی را بر اساس آنچه انجام می دهند و چقدر قدرتمند هستند نشان می دهد.

کاتالوگ

سیستم های تعبیه شده چیست؟

در سیستم تعبیه شده یک کامپیوتر تخصصی است که برای انجام یک عملکرد خاص در یک دستگاه یا سیستم بزرگتر طراحی شده است.بر خلاف رایانه های عمومی ، که می توانند طیف گسترده ای از کارها را برطرف کنند ، سیستم های تعبیه شده روی یک یا چند عملیات کاملاً تعریف شده متمرکز شده اند.این سیستم ها اغلب برای پاسخگویی به تقاضای زمان بندی دقیق و به طور مداوم در شرایط زمان واقعی مورد نیاز هستند.کلمه "تعبیه شده" به چگونگی ادغام سیستم محاسبات از نظر جسمی و عملکردی در محصولی که در آن ارائه می شود ، اشاره دارد.این ادغام هم نرم افزار و هم سخت افزار را در یک واحد خود قرار می دهد.میکروکنترلرها یا ریزپردازنده ها به طور معمول از طرف نرم افزار استفاده می کنند ، کدی را کنترل می کنند که رفتار را کنترل می کند ، در حالی که اجزای سخت افزاری مانند تابلوهای مدار چاپی (PCB) ، سنسورها و رابط های ورودی/خروجی به سیستم امکان تعامل با محیط خود را می دهند.

سیستم های تعبیه شده در همه جای زندگی مدرن وجود دارد و بی سر و صدا بسیاری از دستگاه هایی را که هر روز از آنها استفاده می کنیم ، نیرو می گیرند.در لوازم الکترونیکی مصرفی ، آنها در تلفن های هوشمند ، ساعت های هوشمند ، اجاق های مایکروویو و ماشین ظرفشویی یافت می شوند و همه چیز را از رابط های کاربر گرفته تا توابع کنترل داخلی انجام می دهند.در مراقبت های بهداشتی ، سیستم های تعبیه شده در دستگاه های پزشکی مانند ضربان سازها و مانیتورهای گلوکز ساخته می شوند ، جایی که عملکرد دقیق و قابل اعتماد بسیار مهم است.صنعت خودرو از آنها برای مدیریت موتورها ، کنترل سرگرمی در وسایل نقلیه و اطمینان از ایمنی از طریق ویژگی هایی مانند ترمز ضد قفل و سیستم های کیسه هوا استفاده می کند.در تنظیمات صنعتی ، از سیستم های تعبیه شده برای کنترل و نظارت بر ماشین آلات در کف کارخانه استفاده می شود و به حفظ بهره وری و کارآیی کمک می کند.آنچه سیستم های تعبیه شده را بسیار مؤثر می کند ، هماهنگی نزدیک بین نرم افزار و سخت افزار است.این ادغام محکم به هر سیستم اجازه می دهد تا به دلیل نقش دقیق آن تنظیم شود و در نتیجه عملکرد سریع و قابل اعتماد با حداقل هدر رفتن انرژی یا قدرت پردازش انجام شود.

خصوصیات سیستم های تعبیه شده

عملکرد هدفمند و هدفمند

سیستم های تعبیه شده برای انجام نقش های خوب تعریف شده مهندسی شده اند.آنها برای انعطاف پذیری ساخته نشده اند ، بلکه برای دقت هستند.به عنوان مثال یک ترموستات دیجیتال بگیرید.کار آن نظارت و تنظیم دما بر اساس ورودی از سنسورها و منطق داخلی است.نیازی به مرور اینترنت یا اجرای بازی ها نیست ، فقط کار واحد خود را انجام دهید و به طور مداوم این کار را انجام دهید.این طرح متمرکز در طیف گسترده ای از محصولات اعمال می شود.یک دستگاه اساسی مانند توستر نیاز به زمان بندی ساده و کنترل گرما دارد.از طرف دیگر ، یک کنترل کننده موتور خودرو باید سنسورهای متعدد و اجزای مکانیکی را در زمان واقعی هماهنگ کند.از آنجا که هر سیستم با توجه به شغل خاص خود ساخته شده است ، ویژگی های غیر ضروری از آن خارج می شوند.این دستگاه ها را ساده تر ، مقرون به صرفه تر و اغلب قابل اطمینان تر نگه می دارد.

زمان بندی و پاسخگویی در زمان واقعی

در بسیاری از سیستم های تعبیه شده ، هنگامی که یک عمل اتفاق می افتد به همان اندازه آنچه اتفاق می افتد مهم است.این سیستم ها غالباً تحت قوانین دقیق زمان بندی عمل می کنند.اگر یک کار به موقع تمام نشود ، کل سیستم ممکن است نقص داشته باشد یا ناامن شود.سیستم های زمان واقعی در دو دسته ، سیستم های سخت و نرم در زمان واقعی قرار می گیرند.

• سیستم های سخت در زمان واقعی

در سیستم های سخت در زمان واقعی ، هر عملیاتی باید در یک بازه زمانی کاملاً تعریف شده انجام شود ، که اغلب در میلی ثانیه یا حتی میکرو ثانیه اندازه گیری می شود.هیچ انعطاف پذیری وجود ندارد.اگر سیستم خیلی دیر پاسخ دهد ، حتی با کوچکترین حاشیه ، نتیجه می تواند فاجعه بار باشد.این سیستم ها در محیط های مهم ایمنی استفاده می شوند که در آن خرابی گزینه ای نیست.به عنوان مثال ، در یک تصادف اتومبیل ، سنسورهای کیسه هوا باید ضربه را تشخیص داده و استقرار را تقریباً فوراً انجام دهند.اگر سیستم به طول انجامید ، حتی به طور خلاصه ، کیسه هوا ممکن است خیلی دیر برای محافظت از مسافران مستقر شود.به طور مشابه ، در یک کارخانه پردازش شیمیایی ، سیستم های کنترل باید دما و فشار را در زمان واقعی تنظیم کنند.اگر دریچه در صورت لزوم باز نشود ، نتیجه می تواند یک انفجار یا نشت سمی باشد.برای دستیابی به این سطح از پاسخگویی ، سیستم های سخت در زمان واقعی با سخت افزار قابل پیش بینی ، کم تأخیر و نرم افزار بسیار بهینه ساخته شده اند.کل سیستم به گونه ای طراحی شده است که تضمین می کند که هر کار در مهلت خود انجام می شود ، بدون استثنا.این اغلب شامل پردازنده های اختصاصی ، سیستم عامل های زمان واقعی (RTO) و روش های برنامه ریزی قطعی است که اطمینان حاصل می کنند که هیچ کاری به دلیل سایر عملیات موجود در سیستم به تأخیر نمی افتد.آزمایش و اعتبارسنجی برای این سیستم ها نیز سختگیرانه است.

• سیستم های نرم زمان واقعی

سیستم های نرم در زمان واقعی نیز به پاسخ های به موقع متکی هستند ، اما امکان انعطاف پذیری بیشتری را فراهم می کنند.تأخیرهای گاه به گاه قابل قبول است ، و در حالی که ممکن است عملکرد هنگام از دست رفتن مهلت ها تخریب شود ، سیستم کلی عملکردی باقی مانده است.این سیستم ها برای تحمل نواقص ساخته شده اند ، تا زمانی که تأخیر تجربه کاربر را خراب نکند و یا یک تقصیر مهم ایجاد کند.یک برنامه کنفرانس ویدیویی را در نظر بگیرید.این هدف برای انتقال صدا و فیلم در زمان واقعی است ، اما اگر یک قاب به طور خلاصه سقوط کند یا صدای لکنت های صدا به طور خلاصه ، مکالمه ادامه می یابد.به همین ترتیب ، در بازی های آنلاین ، یک تاخیر کوتاه ممکن است گیم پلی را مختل کند اما سیستم را خراب نمی کند.این سیستم می تواند برای حفظ یک تجربه قابل قبول ، الگوریتم های هموار سازی را به دست آورد ، بازیابی یا اعمال کند.این سیستم ها هنوز هم با پاسخگویی در ذهن طراحی شده اند ، اما محدودیت ها نرم تر هستند.آنها ممکن است از سیستم عامل های با هدف کلی با پسوندهای در زمان واقعی استفاده کنند یا به تکنیک های بافر و تطبیقی ​​متکی باشند تا از شکاف عملکرد مختصر استفاده کنند.از آنجا که سیستم های نرم در زمان واقعی اغلب بر روی سیستم عامل های مشترک یا چند وظیفه ای کار می کنند ، باید بین پاسخگویی و استفاده از منابع تعادل برقرار کنید.برنامه ریزی کارآمد ، تخصیص منابع و مدیریت کیفیت خدمات برای ارائه عملکرد خوب بدون مهندسی بیش از حد سیستم مهم است.

راندمان هزینه در تولید و بهره برداری

یکی از اهداف اصلی هنگام طراحی سیستم های تعبیه شده ، پایین نگه داشتن هزینه های نه تنها برای محصول نهایی بلکه در کل فرآیند ، از انتخاب سخت افزاری گرفته تا توسعه نرم افزار و نگهداری طولانی مدت است.قیمت مناسب همان چیزی است که امکان استفاده از سیستم های تعبیه شده در طیف گسترده ای از محصولات ، از لوازم آشپزخانه گرفته تا وسایل پزشکی را فراهم می کند.حافظه و ذخیره سازی نیز به حداقل می رسند و فقط بر آنچه لازم است متمرکز می شوند.این استفاده هوشمندانه از منابع به کاهش هزینه های تولید در حالی که هنوز هم عملکرد قابل اعتماد را ارائه می دهد ، کمک می کند.به دلیل این رویکرد ، تولید کنندگان می توانند بدون اینکه محصولات را خیلی گران کنند ، سیستم های تعبیه شده را در مقادیر زیادی تولید کنند.به همین دلیل حتی وسایل مقرون به صرفه مانند ماشین های قهوه ، گروههای تناسب اندام یا اسباب بازی های بچه ها می توانند ویژگی های پیشرفته ای را ارائه دهند.در پشت صحنه ، یک سیستم تعبیه شده جمع و جور و کاملاً تنظیم شده کار را انجام می دهد.

متعادل کردن قدرت پردازنده و استفاده از حافظه

انتخاب پردازنده و پیکربندی حافظه مناسب بخش مهمی از طراحی سیستم تعبیه شده است.انتخاب تا حد زیادی به پیچیدگی و نیازهای عملکرد برنامه بستگی دارد.برای توابع اساسی مانند روشن کردن LED ، دمای خواندن از سنسور یا مدیریت زمان بندی ساده ، یک میکروکنترلر کم مصرف با رم محدود و حداقل توانایی پردازش معمولاً کافی است.این تراشه ها جمع و جور ، مقرون به صرفه و بسیار کارآمد هستند و آنها را برای دستگاه های کوچک و باتری ایده آل می کنند.با این حال ، برنامه های خواستار تر مانند پردازش فیلم در زمان واقعی ، ناوبری GPS با نقشه برداری سه بعدی یا پرواز هواپیماهای بدون سرنشین خودمختار نیاز به قدرت و حافظه پردازش بیشتری دارند.این سیستم ها غالباً به پردازنده های پیشرفته CPU یا سیگنال دیجیتال (DSP) متکی هستند ، به همراه RAM و ظرفیت های بزرگتر.با توجه به تعادل مناسب ، سیستم به طور قابل اعتماد و کارآمد ، بدون مهندسی بیش از حد یا بیش از محدودیت های فنی یا مالی پروژه ، اطمینان حاصل می کند.

محدودیت های طراحی فیزیکی و عملکردی

سیستم های تعبیه شده اغلب نیاز به کار در محدودیت های جسمی و محیطی دقیق دارند و این محدودیت ها هر جنبه ای از توسعه آنها را شکل می دهد.یکی از رایج ترین چالش ها اندازه است.دستگاه ها اغلب باید به اندازه کافی جمع و جور باشند تا در فضاهای محدود مانند داخل یک ساعت مچی ، سنسور هوشمند یا داشبورد وسیله نقلیه قرار بگیرند.این نیاز به انتخاب مؤلفه متفکر و طراحی طرح کارآمد دارد.مصرف برق یکی دیگر از نگرانی های مربوط به سیستم های باتری یا از راه دور مستقر است.در این موارد ، برای به حداقل رساندن مصرف انرژی ، افزایش عمر باتری یا کاهش نیاز به نگهداری مکرر ، باید بهینه سازی شود.طراحی کارآیی قدرت برای اطمینان از عملکرد بلند مدت در این زمینه مهم است.

هزینه همچنین نقش عمده ای را ایفا می کند ، و فراتر از تولید اولیه برای شامل نگهداری ، به روزرسانی نرم افزار و کل هزینه مالکیت در طول زندگی سیستم است.با وجود همه این محدودیت ها ، سیستم های تعبیه شده هنوز باید عملکرد قابل اعتماد و مداوم را ارائه دهند.این که آیا آن را جمع آوری داده ها از مانیتور بهداشتی پوشیدنی یا کنترل مسیر پرواز یک هواپیمای بدون سرنشین ، سیستم باید به طور دقیق و بدون خرابی کار کند.در نهایت ، هر انتخاب طراحی باید از توانایی سیستم در انجام کار اختصاص داده شده خود در مرز ، قدرت ، هزینه و مرزهای عملکرد پشتیبانی کند.

سیستم های تعبیه شده در مقابل سیستم های هدف عمومی

هدف

رایانه های هدف عمومی: این رایانه ها برای انجام کارهای مختلف ساخته شده اند.آنها انعطاف پذیر هستند و می توانند طیف گسترده ای از نرم افزار را از ویرایش ویدیو و مرور اینترنت گرفته تا الگوسازی مالی و پخش موسیقی اجرا کنند.همان رایانه می تواند فقط با تغییر نرم افزار به کاربران مختلف خدمت کند.سیستم های عامل مانند ویندوز ، MACOS یا لینوکس به مدیریت چندین برنامه به طور همزمان کمک می کنند و به کاربران این امکان را می دهند تا سریع کارها را تغییر دهند.در بسیاری از مواقع از رایانه های عمومی به عنوان چاقوهای ارتش دیجیتال سوئیس متنوع ، قدرتمند و مفید فکر کنید.

سیستم های تعبیه شده: سیستم های تعبیه شده برای انجام یک یا چند کار خاص طراحی شده اند و آنها در دستگاه های بزرگتر ساخته شده اند.به عنوان مثال ، یک ماشین لباسشویی دارای یک رایانه کوچک است که فقط عملکردهای شستشو مانند ریسندگی و سطح آب را کنترل می کند.نیازی به انجام کار دیگری نیست.این سیستم ها معمولاً یک بار برنامه ریزی می شوند و بندرت به روز می شوند.در اتومبیل ها ، سیستم های تعبیه شده مواردی مانند ترمز ، کیسه هوا و زمان بندی موتور را کنترل می کنند.آنها به سرعت و قابل اعتماد پاسخ می دهند زیرا آنها برای یک کار واحد ساخته شده اند.آنها بی سر و صدا همه چیز را در پس زمینه نگه می دارند.

محدودیت ها

رایانه های هدف عمومی: این سیستم ها با محدودیت های زیادی در ذهن ساخته نشده اند.آنها معمولاً در مکانهایی با قدرت ، فضا و خنک کننده فراوان می نشینند.این بدان معناست که آنها می توانند از قطعات قدرتمندی مانند پردازنده های سریع ، حافظه زیادی و درایوهای بزرگ ذخیره سازی استفاده کنند ، حتی اگر این قسمت ها از انرژی زیادی استفاده کنند و گرم شوند.آنها همچنین به راحتی به روز می شوند ، می توانید در صورت لزوم حافظه ، کارت گرافیک بهتر یا ذخیره سازی بزرگتر را اضافه کنید.این باعث می شود آنها انعطاف پذیر و قابل تنظیم باشند ، اما همچنین به این معنی است که آنها اغلب بزرگتر ، گران تر و کارآمدتر از انرژی نسبت به دستگاه های ساخته شده برای یک کار واحد هستند.

سیستم های تعبیه شده: سیستم های تعبیه شده باید در حد سخت کار کنند.آنها کوچک هستند ، از انرژی بسیار کمی استفاده می کنند (گاهی اوقات از باتری) ، و برای مدت طولانی باید به طور قابل اعتماد اجرا کنید ، غالباً بدون اینکه کسی آنها را اصلاح یا به روز کند.آنها ممکن است در شرایط سخت مانند گرما ، لرزش یا گرد و غبار مانند اتومبیل یا ماشین های فضای باز استفاده شوند.از آنجا که آنها اغلب به تعداد زیادی ساخته می شوند ، برای تولید ارزان هستند اما هنوز هم قابل اعتماد هستند.آنها فقط قطعات و قدرت مورد نیاز برای شغل خاص خود را شامل نمی شوند.پس از ساخت ، آنها معمولاً سالها بدون تغییر اجرا می شوند.

عمل

رایانه های هدف عمومی: این رایانه ها برای سرعت و چند وظیفه ای ساخته شده اند.آنها می توانند بسیاری از برنامه ها را به طور همزمان مانند یک تماس ویدیویی ، بارگیری پرونده ها ، پخش موسیقی و اسکن ویروس ها اجرا کنند ، همه بدون کند شدن.آنها از پردازنده های قدرتمند با هسته های مختلف ، رم و ذخیره سریع برای انجام کارهای بزرگ مانند بازی ، طراحی سه بعدی یا توسعه نرم افزار استفاده می کنند.طراحی آنها بر پاسخ های سریع و عملکرد صاف متمرکز است.آنها سخت افزار و نرم افزار را برای مدیریت وظایف ، تغییر منابع و بهبود سریع از مشکلات متعادل می کنند و آنها را برای بسیاری از انواع کار سریع و قابل اعتماد می کنند.

سیستم های تعبیه شده: برای سیستم های تعبیه شده ، عملکرد در مورد سرعت نیست ، این در مورد انجام یک کار خاص با اطمینان و به موقع است.به عنوان مثال ، کامپیوتر ضربان ساز نیازی به سریع بودن ندارد ، اما باید دقیقاً در لحظه مناسب سیگنالهایی را به قلب بفرستد.زمان بندی و دقیق بیشتر از قدرت.بسیاری از سیستم های تعبیه شده در زمان واقعی هستند ، به این معنی که آنها باید در محدوده زمانی دقیق پاسخ دهند.آنها بر روی انجام چند کار کاملاً کاملاً متمرکز هستند ، نه به سرعت بسیاری از کارها.عملکرد آنها با توجه به اینکه چقدر قابل اعتماد ، انرژی و مقاوم در برابر گرما هستند ، به ویژه در محیط های سخت قضاوت می شود.

رابط کاربری

رایانه های هدف عمومی: این رایانه ها برای افراد طراحی شده اند که مستقیماً با آنها ارتباط برقرار کنند.آنها از مواردی مانند صفحه کلید ، موش ، صفحه لمسی و حتی کنترل صدا یا ژست استفاده می کنند.این رابط کاربری انعطاف پذیر و آسان برای استفاده است ، خواه در مرور وب ، ویرایش اسناد ، بازی بازی یا ساخت فیلم.این نرم افزار اغلب زیبا به نظر می رسد ، بازخورد فوری می دهد و می توان سفارشی کرد.همه چیز در مورد نیازهای کاربر ساخته شده است و ابزارهایی را برای انواع کارها ارائه می دهد.

سیستم های جاسازی شده: بیشتر سیستم های تعبیه شده به تعامل کاربر زیادی احتیاج ندارند ، برخی به هیچ وجه ندارند.اگر آنها رابط کاربری داشته باشند ، معمولاً ساده و به این نکته است.به عنوان مثال ، یک مایکروویو دارای یک صفحه کوچک و چند دکمه است.یک ردیاب تناسب اندام ممکن است مراحل یا ضربان قلب شما را نشان دهد ، در حالی که تنظیمات بیشتر از طریق یک برنامه تلفن انجام می شود.برخی از سیستم ها به جای صفحه نمایش از چراغ یا صداها استفاده می کنند.هدف این است که فقط کنترل کافی برای استفاده از دستگاه به راحتی و ایمن داشته باشید ، در حالی که ساده و اغلب در پس زمینه پنهان نگه دارید.

انواع سیستم تعبیه شده بر اساس عملکرد و عملکرد

سیستم های تعبیه شده در زمان واقعی

سیستم های جاسازی شده در زمان واقعی واحدهای محاسباتی تخصصی هستند که برای کار در محدودیت های زمان بندی دقیق طراحی شده اند.این سیستم ها در دستگاه های بزرگتر تعبیه شده و برنامه ریزی شده اند تا در یک بازه زمانی تضمین شده به ورودی ها یا رویدادها پاسخ دهند.هدف اصلی آنها اطمینان از رفتارهای قابل پیش بینی و به موقع ، در سناریوهایی است که حتی تأخیرهای جزئی می تواند منجر به عواقب جدی شود.این سیستم ها از نرم افزار و اجزای سخت افزاری بهینه شده برای کارهای حساس به زمان استفاده می کنند.سیستم های زمان واقعی برای اولویت بندی مهلت ها طراحی شده اند ، با مکانیسم های خاص مانند کنترل قطع ، برنامه ریزی قطعی و حداقل تأخیر.بر اساس انتقاد از تحقق این مهلت ها ، سیستم های زمان واقعی به طور گسترده ای به دو دسته طبقه بندی می شوند: سیستم های سخت زمان واقعی و سیستم های نرم زمان واقعی.

شکل 2. سیستم های تعبیه شده در زمان واقعی

از سیستم های تعبیه شده در زمان واقعی در طیف گسترده ای از صنایع و محیط استفاده می شود.به عنوان مثال ، در سیستم های نظامی، آنها واکنش های سریع و دقیق را در عملیات دفاعی ، مانند ردیابی موشکی یا ارتباطات میدان نبرد امکان پذیر می کنند.در دستگاه های نظارت پزشکی، سیستم های زمان واقعی وظیفه ردیابی مداوم ویتامان بیمار و صدور هشدارها یا مداخلات را در صورت لزوم دارند.به همین ترتیب ، در سیستم های کنترل ترافیک، آنها زمان بندی سیگنال را مدیریت می کنند و حرکات وسیله نقلیه را در زمان واقعی کنترل می کنند تا از جریان صاف ترافیک اطمینان حاصل کنند و از برخورد جلوگیری کنند.سیستم های سخت در زمان واقعی در زمینه هایی به کار می روند که از دست دادن مهلت می تواند به عنوان مثال فاجعه بار باشد ، در سیستم های راهنمایی موشکی ، جایی که حتی یک تأخیر میلی ثانیه می تواند موفقیت مأموریت را به خطر بیاندازد ، یا در دستگاه های ضربی ، جایی که باید شوک های الکتریکی دقیقاً در لحظه مناسب برای بازگرداندن عملکرد قلب تحویل داده شود.از طرف دیگر ، سیستم های نرم در زمان واقعی امکان انحراف زمان بندی جزئی را فراهم می کنند ، و آنها را برای سناریوهای کمتر بحرانی مانند پخش ویدیو مناسب می کند ، جایی که تأخیرهای کوچک ممکن است باعث ایجاد بافر اما عدم موفقیت یا در اجاق های مایکروویو نشود ، جایی که تأخیر جزئی در زمان پخت و پز به طور کلی قابل قبول است.

سیستم های تعبیه شده مستقل

سیستم های جاسازی شده مستقل دستگاه های محاسباتی خود هستند که برای انجام کارهای خاص به طور مستقل طراحی شده اند ، بدون اینکه نیاز به برقراری ارتباط مداوم با یک رایانه یا شبکه میزبان مرکزی داشته باشند.بر خلاف سیستم های تعبیه شده که به عنوان بخشی از یک سیستم بزرگتر فعالیت می کنند ، نسخه های مستقل برای عملکرد خودمختار ، مدیریت ورودی ها ، پردازش ها و خروجی های خود ساخته شده اند.آنها از یک پردازنده اختصاصی ، حافظه ، رابط های ورودی/خروجی و نرم افزار خاص برنامه تشکیل شده اند که همه در یک فاکتور فرم جمع و جور تعبیه شده اند.طراحی آنها اغلب برای مصرف کم مصرف ، قابلیت اطمینان و عملکرد کارآمد در زمان واقعی بهینه می شود.یکی از ویژگی های اصلی سیستم های تعبیه شده مستقل ، توانایی آنها در کار بدون پشتیبانی خارجی پس از استقرار است.پس از برنامه ریزی و نیرو ، آنها می توانند وظایف را به طور مکرر یا در پاسخ به محرک های خاص انجام دهند ، و آنها را برای محیط هایی که اتصال شبکه محدود یا غیر ضروری است ، ایده آل می کند.آنها در برنامه هایی استفاده می شوند که قابلیت اطمینان ، استقلال و فشرده سازی اولویت ها هستند.این باعث می شود آنها در سناریوهایی که نیاز به عملکرد مداوم و بدون نظارت دستی یا منابع محاسباتی خارجی دارند ، ارزشمند باشند.

شکل 3. سیستم های جاسازی شده مستقل

کاربردهای سیستم های تعبیه شده مستقل در هر دو زمینه مصرف کننده و صنعتی گسترده است.به عنوان مثال ، پخش کننده های MP3 دستگاه های مستقل کلاسیک هستند که به طور مستقل مدیریت پخش موسیقی را مدیریت می کنند.آنها برای پخش فایلهای رسانه ای بدون نیاز به اتصال رایانه ، ذخیره سازی دیجیتال ، نرم افزار رمزگشایی و سخت افزار صوتی را ادغام می کنند. ماشین حساب، یک مثال مشهور دیگر ، از پردازنده های تعبیه شده برای انجام کارکردهای ریاضی و پیشرفته ریاضی در مورد تقاضا در آموزش ، تجارت و مهندسی استفاده کنید.سایر نمونه های متداول عبارتند از اجاق های مایکروویو وت ساعتهای دیجیتال بشرسیستم تعبیه شده یک اجاق مایکروویو از ورودی ، زمان بندی و کنترل قدرت برای مدیریت توابع پخت و پز بدون کمک خارجی برخوردار است.به همین ترتیب ، ساعتهای دیجیتال برای حفظ وقت و ارائه ویژگی هایی مانند هشدار یا تایمر ، همه در یک واحد کاملاً خودکفا ، به نوسان سازهای داخلی دقیق و نرم افزار تعبیه شده متکی هستند.این مثالها نشان می دهد که چگونه سیستم های تعبیه شده مستقل نقش های اختصاصی را در ابزارهای روزمره انجام می دهند و یکپارچه استقلال را با کارآیی ترکیب می کنند.

سیستم های تعبیه شده شبکه ای

سیستم های تعبیه شده شبکه ای واحدهای محاسباتی تخصصی هستند که از طریق انواع پروتکل های ارتباطی به هم پیوسته اند و آنها را قادر می سازد داده ها و منابع را یکپارچه در یک شبکه به اشتراک بگذارند.این سیستم ها بسته به نیازها و محدودیت های خاص برنامه ، به هر دو تنظیمات سیمی و بی سیم طراحی شده اند.طیف وسیعی از پروتکل های ارتباطی از این اتصال ، از جمله شبکه های محلی (LAN) ، شبکه های منطقه گسترده (WAN) ، Zigbee ، Bluetooth و Network Network (CAN) پشتیبانی می کنند.هر یک از این پروتکل ها از نظر دامنه ، نرخ داده ها ، مصرف برق و توپولوژی شبکه مزایای مختلفی را ارائه می دهند و امکان طراحی سیستم انعطاف پذیر و کارآمد را فراهم می کنند.

شکل 4. سیستم های تعبیه شده شبکه ای

کاربردهای سیستم های تعبیه شده شبکه ای چندین دامنه را شامل می شود که در آن به تبادل داده و اتوماسیون نیاز است.به عنوان مثال ، در بخش مالی ، آنها در دستگاه های خودکار گوینده (دستگاههای خودپرداز) تعبیه شده اند و ایمن ، معاملات و نگهداری از راه دور را تسهیل می کنند.در زیرساخت های انرژی ، شبکه های هوشمند این سیستم ها را برای نظارت و مدیریت توزیع برق به طور مؤثر ، به صورت پویا به الگوهای مصرف پاسخ می دهند.ایستگاه های هواشناسی از سیستم های تعبیه شده شبکه ای برای جمع آوری ، پردازش و انتقال داده های محیطی ، پشتیبانی از پیش بینی دقیق و نظارت بر آب و هوا استفاده می کنند.در محیط های مسکونی و تجاری ، سیستم های اتوماسیون منزل چنین فناوری را برای تقویت امنیت ، کنترل روشنایی و دما و بهبود مدیریت کلی انرژی ادغام می کنند.از طریق این برنامه های متنوع ، سیستم های تعبیه شده شبکه ای در اکوسیستم های فناوری مدرن نقش دارند و محیط های هوشمند ، پاسخگو و متصل را فعال می کنند.

سیستم های تعبیه شده موبایل

سیستم های تعبیه شده موبایل با اندازه و قابلیت حمل و نقل فشرده آنها متمایز می شوند و باعث می شوند که آنها برای ادغام در دستگاه های دستی یا پوشیدنی مناسب باشند.این سیستم ها برای کارآمد در محدودیت های تحرک طراحی شده اند ، از باتری ها بهره می برند و سخت افزار و نرم افزاری با انرژی کارآمد را در خود جای می دهند تا عمر باتری را بدون به خطر انداختن عملکرد افزایش دهند.با توجه به محدودیت های فیزیکی و عملیاتی آنها ، سیستم های تعبیه شده موبایل به طور کلی در مقایسه با همتایان ثابت خود دارای قدرت پردازش و حافظه محدود هستند.با این حال ، آنها برای اجرای نرم افزار تخصصی و سبک وزن بهینه شده اند که ضمن حفظ منابع ، پاسخگویی و عملکرد را تضمین می کند.

شکل 5. سیستم های تعبیه شده

این سیستم ها در انواع الکترونیکی یافت می شوند که راحتی و تحرک را در اولویت قرار می دهند.به عنوان مثال ، تلفن های هوشمند سیستم های تعبیه شده با تلفن همراه پیشرفته هستند که طیف گسترده ای از قابلیت های فراتر از ارتباطات صوتی ، از جمله مرور اینترنت ، عکاسی ، ناوبری و خدمات مبتنی بر برنامه را ارائه می دهند.ردیاب های تناسب اندام نمونه دیگری هستند ، با استفاده از سنسورها و نرم افزارهای جاسازی شده برای نظارت بر معیارهای بهداشتی مانند ضربان قلب ، مراحل انجام شده و کیفیت خواب ، ارائه بینش در زمان واقعی در مورد فعالیت بدنی آنها.به طور مشابه ، کنسول های بازی قابل حمل بر روی سیستم های تعبیه شده برای ارائه تجربیات بازی همهجانبه در Go ، عملکرد را با بهره وری باتری متعادل می کند.در کنار هم ، این مثالها تطبیق پذیری و اهمیت روزافزون سیستم های تعبیه شده موبایل در تقویت شیوه های زندگی مدرن را از طریق فناوری قابل حمل و هوشمند برجسته می کنند.

انواع سیستم تعبیه شده توسط عملکرد میکروکنترلر

سیستم های تعبیه شده در مقیاس کوچک

سیستم های تعبیه شده در مقیاس کوچک به طور معمول به میکروکنترلرهای 8 بیتی یا 16 بیتی مانند سری 8051 استفاده شده متکی هستند.این پردازنده ها برای سادگی ، قیمت مناسب و نیاز کم مصرف خود انتخاب می شوند و آنها را برای انجام کارهای ساده و از پیش تعریف شده مناسب می کنند.با توجه به قابلیت های محاسباتی محدود ، این سیستم ها برای برنامه هایی که پردازش پیچیده غیر ضروری است ایده آل هستند.منابع حافظه در سیستم های تعبیه شده در مقیاس کوچک حداقل ، اغلب برای ذخیره یک برنامه جمع و جور و رسیدگی به مجموعه داده های کوچک کافی است.این ظرفیت حافظه محدود با عملکرد ساده آنها هماهنگ است و هم هزینه و هم مصرف برق را کاهش می دهد.در نتیجه ، این سیستم ها نیازی به پشتیبانی گسترده نرم افزار یا ظرفیت بزرگ ذخیره سازی ندارند.مصرف برق یک مورد اصلی طراحی است ، زیرا بسیاری از سیستم های تعبیه شده در مقیاس کوچک باتری عمل می کنند.آنها برای مصرف کم انرژی برای طولانی کردن عمر باتری بهینه شده اند ، که در دستگاه های قابل حمل یا از راه دور که در آن شارژ یا نگهداری مکرر غیر عملی است ، مهم است.این سیستم ها معمولاً در دستگاه هایی مانند اسباب بازی های الکترونیکی ، دماسنج های دیجیتال ، ماشین های فروش و سایر لوازم خانگی که کارهای خاص و تکراری را انجام می دهند ، یافت می شود.این برنامه ها به تعامل کاربر کمی نیاز دارند و انتظار می رود در طی دوره های طولانی با حداقل مداخله قابل اعتماد باشد.سیستم های تعبیه شده در مقیاس کوچک راه حل های سطح ورودی متناسب با برنامه های خاص کار هستند.ویژگی های تعیین کننده آنها شامل کم هزینه ، حداقل پیچیدگی و بهره وری انرژی است.در حالی که از نظر توانایی در مقایسه با سیستم های پیشرفته تر محدود است ، آنها در محدوده عملکرد مورد نظر خود بسیار مؤثر و قابل اعتماد هستند.

سیستم های تعبیه شده در مقیاس متوسط

سیستم های تعبیه شده در مقیاس متوسط ​​از پردازنده های توانمندتر ، به طور معمول میکروکنترلرهای 16 بیتی تا 32 بیتی یا پردازنده های سیگنال دیجیتال (DSP) استفاده می شوند.این پردازنده های پیشرفته تر این سیستم را قادر می سازد حجم بیشتری از داده ها را کنترل کرده و محاسبات را با سرعت بالاتر نسبت به همتایان در مقیاس کوچک انجام دهد.در نتیجه ، آنها برای برنامه هایی که نیاز به قدرت پردازش و کارآیی بیشتری دارند ، مناسب هستند.از نظر نرم افزار ، این سیستم ها اغلب از زبانهای برنامه نویسی سطح بالاتر مانند C ، C ++ و گهگاه جاوا استفاده می کنند.این زبانها از طراحی نرم افزار پیچیده تر و همه کاره تر پشتیبانی می کنند و این امکان را فراهم می آورد تا عملکردهای پیشرفته و رابط های کاربر را پیاده سازی کند.استفاده از تکنیک های برنامه نویسی ساختاری ، شی گرا یا مدولار همچنین باعث افزایش قابلیت حفظ و مقیاس پذیری در توسعه نرم افزار می شود.

شکل 6. نمونه سیستم های تعبیه شده در مقیاس متوسط

ابزارهای توسعه برای سیستم های در مقیاس متوسط ​​پیشرفته تر هستند و شامل محیط های توسعه یکپارچه (IDE) ، کامپایلرها و اشکال زدایی هستند.این ابزارها گردش کار کارآمدتر و قوی تر را امکان پذیر می کنند و ویژگی هایی مانند ناوبری کد ، تشخیص خطای در زمان واقعی و شبیه سازی برای اشکال زدایی و پالایش نرم افزار در سیستم های پیچیده تر را ارائه می دهند.کاربردهای سیستم های تعبیه شده در مقیاس متوسط ​​، به ویژه در دستگاه هایی که نیاز به تعادل بین عملکرد و پیچیدگی دارند ، گسترده است.مثالهای متداول شامل دستگاه های خودکار (ATM) ، سیستم های موقعیت یابی جهانی (GPS) ، سیستم های کنترل صنعتی و روترهای شبکه است.این دستگاه ها با تکیه بر پردازش داده ها ، قابلیت های ارتباطی و تعامل ، بیش از توابع کنترل ساده نیاز دارند.سیستم های تعبیه شده در مقیاس متوسط ​​به عنوان پلی بین دستگاه های کوچک ، ساده و برنامه های بزرگ و پیچیده تعبیه شده خدمت می کنند.آنها عملکرد بهبود یافته ، پیچیدگی عملکردی متوسط ​​و نرم افزار پیشرفته و پشتیبانی از اتصال را ارائه می دهند و آنها را برای طیف گسترده ای از راه حل های تعبیه شده با خواست متوسط ​​ایده آل می کند.

سیستم های تعبیه شده پیشرفته

سیستم های تعبیه شده پیشرفته نشان دهنده پیشرفته ترین ردیف فناوری تعبیه شده ، با استفاده از پردازنده های 32 بیتی تا 64 بیتی با کارایی بالا ، اغلب با معماری های چندگانه.این پردازنده های قدرتمند برای رسیدگی به محاسبات پیچیده ، پردازش داده ها و چند وظیفه ای با راندمان بالا طراحی شده اند و این امکان را برای سیستم ها فراهم می کند تا در برنامه های مختلف نیازهای عملکردی خواستار را برآورده کنند.برای پشتیبانی از چنین پیچیدگی ، این سیستم ها اغلب در سیستم عامل های زمان واقعی (RTO) یا محیط های عملیاتی جامع تر مانند لینوکس تعبیه شده اجرا می شوند.انتخاب سیستم عامل به کاربرد خاص بستگی دارد ، به ویژه هنگامی که چند وظیفه ای ، پاسخگویی در زمان واقعی یا رابط های پیشرفته کاربر لازم است.حضور یک سیستم عامل همچنین توسعه ، مقیاس پذیری و حفظ کاربردهای پیشرفته را آسان تر می کند.

شکل 7. نمونه ای از سیستم های تعبیه شده پیشرفته

معماری سخت افزاری سیستم های تعبیه شده پیشرفته پیچیده تر از همتایان کوچک و متوسط ​​آنها است.این سیستم ها طیف گسترده ای از رابط ها را برای اتصال ، از جمله USB ، اترنت و Wi-Fi درج می کنند و اغلب سنسورها و محرک های متعدد را ادغام می کنند.این غنای سخت افزاری به آنها اجازه می دهد تا با محیط خود به صورت پویا در تعامل باشند ، مقادیر زیادی از داده ها را جمع آوری و پردازش کنند و عملکردهای کنترل پیچیده ای را انجام دهند.برنامه های کاربردی برای این سیستم ها در محیط های پر سر و صدا ، مأموریت مهم وجود دارد که قابلیت اطمینان ، دقت و سرعت آن غیر قابل مذاکره است.مثالها شامل ماهواره ها ، سیستم های هوایی ، تجهیزات تشخیصی پزشکی پیشرفته و سیستم عامل های اتوماسیون صنعتی با سطح بالا است.در این زمینه ها ، خرابی سیستم می تواند عواقب شدیدی داشته باشد و عملکرد و قابلیت اطمینان لازم را داشته باشد.سیستم های تعبیه شده پیشرفته نمایانگر اوج طراحی تعبیه شده است.آنها قادر به اجرای وظایف بسیار پیچیده و کاملاً مطابق با استانداردهای نظارتی و ایمنی هستند.این سیستم ها به چارچوب های نرم افزاری قوی ، استراتژی های پیشرفته مدیریت انرژی و توجه به قابلیت اطمینان سخت افزار و نرم افزار نیاز دارند و آنها را به چالش برانگیزترین و در عین حال قدرتمندترین کلاس سیستم های تعبیه شده تبدیل می کند.

پایان

سیستم های تعبیه شده بخش بزرگی از دستگاه هایی هستند که هر روز از آنها استفاده می کنیم ، حتی اگر آنها را نبینیم.آنها به کارها کمک می کنند تا به راحتی ، سریع و قابل اعتماد اجرا شوند ، این ماشین لباسشویی ، دستگاه پزشکی یا GPS باشد.این راهنما نشان می دهد که چگونه آنها کار می کنند ، چه چیزی باعث می شود آنها از رایانه های عادی متفاوت باشند و اشکال مختلفی که می توانند از آنها استفاده کنند.مهم نیست که چقدر سیستم های تعبیه شده ساده یا پیشرفته طراحی شده اند تا بتوانند کار خود را به خوبی با فضای کمی ، قدرت و هزینه انجام دهند.