البرنامج التعليمي للأنظمة المدمجة: ما هو التاريخ والخصائص

قبل أن نتعلم النظام المضمن، دعونا نتعلم:

ما هو النظام؟

النظام هو ترتيب تعمل فيه جميع مكوناته وفقًا لقواعد محددة ومحددة. هي طريقة لتنظيم أو العمل أو أداء مهمة أو أكثر وفق خطة ثابتة.

ما هو النظام المضمن؟

نظام مضمن عبارة عن مزيج من برامج الكمبيوتر والأجهزة التي تكون إما ثابتة في القدرة أو قابلة للبرمجة. يمكن أن يكون النظام المضمن إما نظامًا مستقلاً، أو يمكن أن يكون جزءًا من نظام كبير. وهو مصمم في الغالب لوظيفة أو وظائف محددة ضمن نظام أكبر. على سبيل المثال، يعد جهاز إنذار الحريق مثالًا شائعًا للنظام المدمج الذي يمكنه استشعار الدخان فقط.

مثال على الأنظمة المدمجة

طابعة ليزرية

الطابعات الليزرية هي أحد الأمثلة على الأنظمة المضمنة التي تستخدم الأنظمة المضمنة لإدارة جوانب مختلفة من الطباعة. وبصرف النظر عن أداء المهمة الرئيسية للطباعة، يتعين عليها تلقي مدخلات المستخدم وإدارة الاتصال بنظام الكمبيوتر والتعامل مع الأخطاء واستشعار الأوراق المتروكة على الدرج، وما إلى ذلك.

هنا، تتمثل المهمة الرئيسية للمعالج الدقيق في فهم النص والتحكم في رأس الطباعة بطريقة تؤدي إلى تفريغ الحبر عند الحاجة إليه.

للقيام بذلك، فإنه يحتاج إلى فك تشفير الملفات المختلفة المعطاة له وفهم الخط والرسومات. سوف تستهلك وقتًا كبيرًا من وحدة المعالجة المركزية لمعالجة البيانات بالإضافة إلى أنها يجب أن تأخذ مدخلات المستخدم ومحركات التحكم وما إلى ذلك.

تاريخ النظام المدمج

فيما يلي معالم مهمة من تاريخ النظام المضمن:

في عام 1960، تم استخدام النظام المضمن لأول مرة لتطوير نظام توجيه أبولو بواسطة تشارلز ستارك دريبر في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.
في عام 1965، قامت شركة Autonetics بتطوير D-17B، وهو الكمبيوتر المستخدم في نظام توجيه الصواريخ Minuteman.
في عام 1968، تم إصدار أول نظام مدمج للمركبة.
قامت شركة Texas Instruments بتطوير أول متحكم دقيق في عام 1971.
في عام 1987، تم إصدار أول نظام تشغيل مضمن، VxWorks، بواسطة Wind River.
Microsoftالصورة Windows جزءا لا يتجزأ من CE في عام 1996.
بحلول أواخر التسعينيات، ظهر أول نظام Linux مدمج.
بلغ حجم سوق الأجهزة المضمنة 140 مليار دولار في عام 2013.
يتوقع المحللون أن يصل حجم سوق الأنظمة المضمنة إلى أكثر من 40 مليار دولار بحلول عام 2030.

خصائص النظام المضمن

فيما يلي الخصائص المهمة للنظام المضمن:

يتطلب الأداء في الوقت الحقيقي
يجب أن تتمتع بتوافر وموثوقية عالية.
تم تطويره حول نظام التشغيل في الوقت الحقيقي
عادةً ما يكون التشغيل سهلاً وبدون أقراص، ويتم تشغيل ROM
مصممة لمهمة واحدة محددة
يجب أن يكون متصلاً بالأجهزة الطرفية لتوصيل أجهزة الإدخال والإخراج.
توفر موثوقية واستقرار عاليين
مطلوب الحد الأدنى من واجهة المستخدم
ذاكرة محدودة، تكلفة منخفضة، استهلاك أقل للطاقة
أنها لا تحتاج إلى أي الذاكرة الثانوية في الحاسوب.

المصطلحات الهامة المستخدمة في النظام المدمج

الآن في هذا البرنامج التعليمي للأنظمة المضمنة، سنغطي بعض المصطلحات المهمة المستخدمة في النظام المضمن.

الموثوقية

هذا مقياس لاحتمال بقاء النظام عندما تكون الوظيفة حرجة أثناء وقت التشغيل.

التسامح مع الخطأ

التسامح مع الأخطاء هو قدرة نظام الكمبيوتر على البقاء في حالة وجود أخطاء.

آنية

يجب أن يفي النظام المضمن بالتوقيت والقيود الأخرى المختلفة. يتم فرضها عليها من خلال السلوك الطبيعي في الوقت الحقيقي للعالم الخارجي.

على سبيل المثال، يجب على إدارة القوات الجوية التي تتعقب الهجمات الصاروخية القادمة أن تحسب وتخطط بدقة لهجومها المضاد بسبب الموعد النهائي الصارم في الوقت الحقيقي. وإلا فإنها ستتعرض للتدمير.

مرونة

إنها أنظمة بناء ذات فرص تصحيح الأخطاء المضمنة التي تسمح بالصيانة عن بعد.

على سبيل المثال، أنت تقوم ببناء مركبة فضائية ستهبط على زارع آخر لجمع أنواع مختلفة من البيانات وإرسال التفاصيل التي تم جمعها إلينا. إذا أصيبت هذه المركبة الفضائية بالجنون وفقدت السيطرة، فيجب أن نكون قادرين على إجراء بعض التشخيصات المهمة. لذا، تعد المرونة أمرًا حيويًا أثناء تصميم النظام المدمج.

قابلية النقل

تعد قابلية النقل مقياسًا لسهولة استخدام نفس البرنامج المضمن في بيئات مختلفة. يتطلب تجريدًا عامًا بين منطق برنامج التطبيق نفسه وواجهات النظام ذات المستوى المنخفض.

ما هو متحكم؟

وحدة التحكم الدقيقة عبارة عن وحدة VLSI أحادية الشريحة والتي تسمى أيضًا بالكمبيوتر الصغير. فهو يحتوي على كافة واجهات الذاكرة والإدخال/الإخراج المطلوبة، في حين يحتاج المعالج الدقيق للأغراض العامة إلى شرائح إضافية توفرها هذه الوظائف الضرورية. تُستخدم وحدات التحكم الدقيقة على نطاق واسع في الأنظمة المدمجة لتطبيقات التحكم في الوقت الفعلي.

ما هو المعالج الدقيق؟

المعالج الدقيق هو جهاز أشباه الموصلات ذو شريحة واحدة. تحتوي وحدة المعالجة المركزية الخاصة به على عداد برامج، وALU، ومؤشر مكدس، وسجل عمل، ودائرة توقيت على مدار الساعة. ويشمل أيضا ROM و RAMووحدة فك ترميز الذاكرة والعديد من المنافذ التسلسلية والمتوازية.

Archiبنية النظام المدمج

فيما يلي البنية الأساسية للنظام المضمن:

1) جهاز استشعار

يساعدك المستشعر على قياس الكمية الفيزيائية وتحويلها إلى إشارة كهربائية. كما يقوم أيضًا بتخزين الكمية المقاسة في الذاكرة. يمكن أن تكون هذه الإشارة جاهزة بواسطة مراقب أو بواسطة أي جهاز إلكتروني مثل محول A2D.

2) محول الإعلان

يتيح لك محول AD (المحول التناظري إلى الرقمي) تحويل الإشارة التناظرية المرسلة بواسطة المستشعر إلى إشارة رقمية.

3) الذاكرة

يتم استخدام الذاكرة لتخزين المعلومات. يحتوي النظام المضمن بشكل رئيسي على خليتين للذاكرة 1) متطايرة 2) ذاكرة غير متطايرة.

4) المعالج وASICs

يقوم هذا المكون بمعالجة البيانات لقياس المخرجات وتخزينها في الذاكرة.

5) محول دا

يساعدك محول DA (محول رقمي إلى تمثيلي) على تحويل البيانات الرقمية التي يغذيها المعالج إلى بيانات تمثيلية.

6) المحرك

يسمح لك المشغل بمقارنة المخرجات المقدمة بواسطة محول DA بالمخرجات الفعلية المخزنة فيه وتخزين المخرجات المعتمدة في الذاكرة.

أنواع الأنظمة المدمجة

ثلاثة أنواع من الأنظمة المدمجة هي:

مقياس صغير
مقياس متوسط
متطورة

الأنظمة المدمجة على نطاق صغير

يمكن تصميم هذا النظام المضمن باستخدام متحكم دقيق واحد 8 أو 16 بت. ويمكن تشغيله بمساعدة بطارية. لتطوير نظام مضمن صغير الحجم، يعد المحرر والمجمع (IDE) والمجمع المتقاطع من أهم العناصر. أدوات البرمجة.

الأنظمة المدمجة على نطاق متوسط

تم تصميم هذه الأنواع من الأنظمة المضمنة باستخدام وحدات تحكم دقيقة ذات 16 أو 32 بت. توفر هذه الأنظمة تعقيدات في الأجهزة والبرامج. C++, Java، وأداة هندسة الكود المصدري، وما إلى ذلك، تُستخدم لتطوير هذا النوع من الأنظمة المدمجة.

أنظمة مدمجة متطورة

هذا النوع من الأنظمة المضمنة يحتوي على الكثير من التعقيدات المتعلقة بالأجهزة والبرامج. قد تحتاج إلى IPS أو ASIPS أو PLAs أو معالج تكوين أو معالجات قابلة للتطوير. لتطوير هذا النظام، تحتاج إلى تصميم مشترك للأجهزة والبرامج والمكونات التي يجب دمجها في النظام النهائي.

الفرق بين المعالج الدقيق والمتحكم الدقيق

تعلم الفرق بين المعالج الدقيق والمتحكم

المعالج الصغري	متحكم
ويستخدم كتل وظيفية مثل التسجيل، ALU، والتوقيت، ووحدات التحكم.	ويستخدم كتل وظيفية من المعالجات الدقيقة مثل ذاكرة الوصول العشوائي (RAM)، والمؤقت، وأجهزة الإدخال والإخراج الموازية، والمحول التناظري إلى الرقمي، والمحول الرقمي إلى التناظري.
في المعالجات الدقيقة، تكون تعليمات التعامل مع البتات أقل، نوع واحد أو نوعين فقط.	يقدم المتحكم الدقيق العديد من أنواع تعليمات التعامل مع البتات.
يوفر تحركات سريعة للتعليمات البرمجية والبيانات بين الذاكرة الخارجية والمعالج الدقيق.	يوفر تحركات سريعة للتعليمات البرمجية والبيانات في وحدة التحكم الدقيقة.
يساعدك على تصميم نظام أجهزة الكمبيوتر الرقمية للأغراض العامة.	يساعدك على تصميم أنظمة مخصصة خاصة بالتطبيقات.
يسمح لك بالقيام بمهام متعددة في وقت واحد.	إنه نظام موجه نحو مهمة واحدة.
في نظام المعالجات الدقيقة، يمكنك تحديد عدد الذاكرة أو منافذ الإدخال/الإخراج المطلوبة.	في نظام المتحكم الدقيق، الرقم الثابت للذاكرة أو الإدخال/الإخراج يجعل المتحكم الدقيق مثاليًا لإكمال المهمة المحددة.
يوفر دعمًا للذاكرة الخارجية ومنافذ الإدخال/الإخراج، مما يجعله نظامًا أثقل وأكثر تكلفة.	يعتبر هذا النوع من النظام خفيف الوزن وأرخص مقارنة بالمعالج الدقيق.
تحتاج الأجهزة الخارجية إلى مساحة أكبر، كما أن استهلاكها للطاقة أعلى بكثير.	يستهلك هذا النوع من الأنظمة مساحة أقل، كما أن استهلاك الطاقة منخفض جدًا أيضًا.

تطبيقات الأنظمة المدمجة

فيما يلي التطبيقات الهامة للنظام المضمن:

العلوم الروبوتية

المركبات الأرضية
طائرات بدون طيار
المركبات تحت الماء
الروبوتات الصناعية

خدمات الطبية

جهاز غسل الكلى
المضخات
جهاز مراقبة القلب
جهاز اصطناعي

سيارات

التحكم في المحرك
نظام الإشعال
نظام الفرامل

الشبكات

راوتر
المحاور
بوابات
الأجهزة الإلكترونية

أجهزة منزلية

تلفزيونات
Digiإنذار طويل
التكييف
مشغل فيديو دي في دي
الكاميرات