سیستم های تعبیه شده

یک سیستم تعبیه شده یک سیستم کامپیوتری است (ترکیبی از یک پردازنده کامپیوتر، حافظه کامپیوتر، و دستگاه های جانبی ورودی/خروجی) که عملکرد اختصاصی در یک سیستم مکانیکی یا الکترونیکی بزرگتر دارد. این بخش 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. سیستم های تعبیه شده بسیاری از دستگاه های رایج را کنترل می کنند.

سیستم‌های تعبیه‌شده مدرن اغلب مبتنی بر میکروکنترلرها هستند (یعنی ریزپردازنده‌ها با حافظه یکپارچه و رابط‌های جانبی)، اما ریزپردازنده‌های معمولی (استفاده از تراشه‌های خارجی برای حافظه و مدارهای رابط محیطی) 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، ربات‌ها، وسایل نقلیه، 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 آنها را تشکیل می دهند.

سیستم‌های تعبیه‌شده از پیچیدگی کم، با یک تراشه میکروکنترلر واحد، تا بسیار بالا با چندین واحد، تجهیزات جانبی و شبکه‌ها، که ممکن است در قفسه‌های تجهیزات یا در مناطق جغرافیایی بزرگی که از طریق خطوط ارتباطی از راه دور متصل می‌شوند، قرار داشته باشند، متغیر است.

تاریخچه

منشا 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 ۱۹۶۰ توسعه یافت. تا سال ۱۹۶۴، 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 ۱۹۶۰ شد. استفاده از تراشه‌های MOS LSI در محاسبات پایه‌ای برای اولین ریزپردازنده‌ها بود، زیرا مهندسان شروع به تشخیص این موضوع کردند 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 ۱۹۶۹ و Garrett AiResearch MP944 در سال ۱۹۷۰، با چندین تراشه MOS LSI توسعه یافتند. اولین ریزپردازنده تک تراشه ای اینتل ۴۰۰۴ بود که در سال ۱۹۷۱ عرضه شد. این ریزپردازنده توسط فدریکو فاگین با استفاده از فناوری MOS دروازه سیلیکونی خود به همراه مهندسان اینتل مارسیان هاف و استن مازور و مهندس Busicom ماساتوشی شیما توسعه یافت.

توسعه

یکی از اولین سیستم های تعبیه شده مدرن و قابل تشخیص، رایانه هدایت آپولو بود که حدوداً در سال ۱۹۶۵ توسط چارلز استارک دریپر در آزمایشگاه ابزار دقیق MIT توسعه یافت. در آغاز پروژه، کامپیوتر هدایت آپولو به عنوان پرخطرترین مورد در پروژه آپولو در نظر گرفته شد، زیرا از مدارهای مجتمع یکپارچه جدید توسعه یافته برای کاهش اندازه و وزن کامپیوتر استفاده می کرد.

یکی دیگر از سیستم های تعبیه شده اولیه تولید انبوه، کامپیوتر هدایت Autonetics D-17 برای موشک Minuteman بود که در سال ۱۹۶۱ منتشر شد. هنگامی که Minuteman II در سال ۱۹۶۶ تولید شد، D-17 با یک کامپیوتر جدید جایگزین شد که نشان دهنده اولین کامپیوتر با کیفیت بالا بود.

از زمان کاربردهای اولیه در دهه ۱۹۶۰، قیمت سیستم های تعبیه شده کاهش یافته و قدرت پردازش و عملکرد آن افزایش چشمگیری داشته است. یک ریزپردازنده اولیه، Intel 4004 (منتشر شد در سال ۱۹۷۱)، برای ماشین حساب ها و سایر سیستم های کوچک طراحی شده بود، اما همچنان به حافظه خارجی و تراشه های پشتیبانی نیاز داشت. در اوایل دهه ۱۹۸۰، اجزای سیستم حافظه، ورودی و خروجی در همان تراشه ای که پردازنده یک میکروکنترلر را تشکیل می داد، یکپارچه شده بود. میکروکنترلرها برنامه هایی را پیدا می کنند که در آنها یک کامپیوتر همه منظوره بسیار پرهزینه است. با کاهش هزینه ریزپردازنده ها و میکروکنترلرها، شیوع سیستم های تعبیه شده افزایش یافت.

یک میکروکنترلر نسبتاً کم هزینه ممکن است طوری برنامه ریزی شود که همان نقش تعداد زیادی از اجزای جداگانه را ایفا کند. اگرچه در این زمینه یک سیستم تعبیه شده معمولاً پیچیده تر از یک راه حل سنتی است، بیشتر پیچیدگی در خود میکروکنترلر وجود دارد. ممکن است قطعات اضافی بسیار کمی مورد نیاز باشد و بیشتر تلاش طراحی در نرم افزار است. نمونه اولیه و آزمایش نرم افزار را می توان در مقایسه با طراحی و ساخت مدار جدید بدون استفاده از پردازنده تعبیه شده سریعتر کرد.

کاربردها

سیستم های تعبیه شده معمولاً در کاربردهای مصرفی، صنعتی، خودروسازی، لوازم خانگی، پزشکی، مخابراتی، تجاری، هوافضا و نظامی یافت می شوند.

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 گرفته تا 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.

تجهیزات پزشکی از سیستم‌های تعبیه‌شده برای نظارت و تصویربرداری پزشکی مختلف (توموگرافی گسیل پوزیترون (PET)، توموگرافی کامپیوتری با انتشار تک فوتون (SPECT)، توموگرافی کامپیوتری (CT) و تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) برای بازرسی‌های داخلی غیرتهاجمی استفاده می‌کنند. سیستم های تعبیه شده در تجهیزات پزشکی اغلب توسط کامپیوترهای صنعتی تغذیه می شوند.

منبع

مقالات بیشتر