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

تعد طابعات الليزر أحد أمثلة الأنظمة المدمجة التي تستخدم الأنظمة المدمجة لإدارة الجوانب المختلفة للطباعة. وبصرف النظر عن أداء المهمة الرئيسية للطباعة، فإنه يجب أن يأخذ مدخلات المستخدم، وإدارة الاتصال مع نظام الكمبيوتر، ومعالجة الأخطاء، واستشعارها. papers تركت على الدرج، الخ.

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.
  • يصل السوق المدمج إلى 140 دولارًا billايون في عام 2013.
  • يتوقع المحللون سوقًا مضمنًا أكبر من 40 دولارًا billايون بحلول عام 2030.

خصائص النظام المضمن

خصائص النظام المضمن
خصائص النظام المضمن

فولوwing من الخصائص المهمة للنظام المدمج:

  • يتطلب الأداء في الوقت الحقيقي
  • يجب أن تتمتع بتوافر وموثوقية عالية.
  • تم تطويره حول نظام تشغيل في الوقت الحقيقي
  • عادةً ما تكون عملية سهلة وبدون أقراص، تمهيد 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 قسم القوات الجوية الذي يتتبع الهجمات الصاروخية القادمة أن يحسب ويخطط بدقة لهجومه المضاد بسبب الموعد النهائي الصعب في الوقت الفعلي. آخرwise، سوف يتم تدميره.

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

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

أدناه هو الأساسي archiبنية النظام المضمن:

Archiبنية النظام المدمج
Archiبنية النظام المدمج

1) جهاز استشعار

يساعدك المستشعر على قياس الكمية الفيزيائية وتحويلها إلى إشارة كهربائية. كما يقوم بتخزين الكمية المقاسة في الذاكرة. يمكن أن تكون هذه الإشارة جاهزة بواسطة مراقب أو بواسطة أي أداة إلكترونية 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
أنواع الأنظمة المدمجة

أنواع الأنظمة المدمجة

الأنظمة المدمجة على نطاق صغير

يمكن تصميم هذا النظام المضمن بوحدة تحكم دقيقة واحدة 8 أو 16 بت. ويمكن تشغيله بمساعدة البطارية. لتطوير نظام مضمن صغير الحجم، يعد المحرر والمجمع (IDE) والمجمع المتقاطع الأكثر أهمية أدوات البرمجة.

الأنظمة المدمجة على نطاق متوسط

تم تصميم هذه الأنواع من الأنظمة المدمجة باستخدام وحدات تحكم دقيقة 16 أو 32 بت. توفر هذه الأنظمة كلاً من الأجهزة والبرامجplexities. يتم استخدام أدوات C وC++ وJava وهندسة التعليمات البرمجية المصدر وما إلى ذلك لتطوير هذا النوع من الأنظمة المدمجة.

أنظمة مدمجة متطورة

يحتوي هذا النوع من الأنظمة المدمجة على الكثير من الأجهزة والبرامجplexities. قد تحتاج إلى IPS أو ASIPS أو PLAs أو معالج التكوين أو المعالجات القابلة 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، والمؤقت، parallels الإدخال/الإخراج، ADC، وDAC.
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. هذا النوع من النظام خفيف الوزن ورخيص الثمنares إلى المعالج 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

فولوwing ومن التطبيقات الهامة للنظام المدمج:

العلوم الروبوتية

  • المركبات الأرضية
  • طائرات بدون طيار
  • المركبات تحت الماء
  • الروبوتات الصناعية

المنشآت الطبية

  • جهاز غسل الكلى
  • مضخات ضخ
  • جهاز مراقبة القلب
  • جهاز اصطناعي

قطاع المعدات الثقيلة

  • التحكم في المحرك
  • نظام الإشعال
  • نظام الفرامل

الشبكات

  • راوتر
  • المحاور
  • بوابات
  • أدوات الإلكترونيات

أجهزة منزلية

  • تلفزيونات
  • المنبه الرقمي
  • أعمال التكييف
  • مشغل فيديو دي في دي
  • كما توفر الكاميرات

سيارات

  • حقن الوقود
  • نظام الإضاءة
  • أقفال الأبواب
  • أكياس الهواء
  • Windows
  • نظام مساعد ركن السيارة
  • أجهزة إنذار ضد السرقة حركة السوط

التحكم الصناعي

  • الروبوتات
  • نظام التحكم
  • صواريخ
  • المفاعلات النووية
  • محطات فضاء
  • المكوكات

مزايا النظام المدمج

فيما يلي إيجابيات/فوائد استخدام النظام المضمن:

  • إنها قادرة على تغطية مجموعة واسعة من البيئات
  • أقل احتمالا لتكرار الأخطاء
  • يعمل النظام المضمن على تبسيط الأجهزة، مما يقلل التكاليف بشكل عام.
  • يقدم أداءً محسنًا
  • النظام المضمن مفيد للإنتاج الضخم.
  • النظام المضمن موثوق للغاية.
  • لديها عدد قليل جدا من الترابط.
  • النظام المضمن صغير الحجم.
  • لديها عملية سريعة.
  • يقدم تحسين جودة المنتج.
  • يعمل على تحسين استخدام موارد النظام.
  • لديها عملية منخفضة الطاقة.

عيوب النظام المدمج

فيما يلي سلبيات/عيوب مهمة لاستخدام النظام المضمن.

  • لتطوير نظام مضمن يحتاج إلى جهد تطوير عالي.
  • يحتاج إلى وقت طويل للتسويق.
  • تقوم الأنظمة المضمنة بمهمة محددة جدًا، لذا لا يمكن برمجتها للقيام بأشياء مختلفة.
  • توفر الأنظمة المضمنة موارد محدودة جدًا للذاكرة.
  • لا يقدم أي تحسن تكنولوجي.
  • من الصعب عمل نسخة احتياطية من الملفات المدمجة.

نبذة عامة

  • النظام هو ترتيب تعمل فيه جميع مكوناته وفقًا لقواعد محددة محددة.
  • تعريف النظام المضمن: الأنظمة المضمنة تعني مجموعة من برامج الكمبيوتر والأجهزة التي تكون إما ثابتة في القدرة أو قابلة للبرمجة.
  • مثال على الأنظمة المدمجة هي طابعة الليزر التي تدير جوانب مختلفة من الطباعة.
  • في عام 1960، تم استخدام النظام المضمن لأول مرة لتطوير نظام توجيه أبولو بواسطة تشارلز ستارك دريبر في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.
  • يتطلب النظام المضمن الأداء في الوقت الحقيقي
  • مقياس الموثوقية لاحتمالية بقاء النظام عندما تكون الوظيفة حرجة أثناء وقت التشغيل.
  • التسامح مع الأخطاء هو قدرة نظام الكمبيوتر على البقاء في حالة وجود أخطاء.
  • يجب أن يفي النظام المضمن بالتوقيت والقيود الأخرى المختلفة.
  • تتمثل المرونة في بناء أنظمة ذات فرص تصحيح الأخطاء المضمنة التي تسمح بالصيانة عن بعد.
  • تعد قابلية النقل مقياسًا لسهولة استخدام نفس البرنامج المضمن في بيئات مختلفة.
  • وحدة التحكم الدقيقة عبارة عن وحدة VLSI أحادية الشريحة والتي تسمى أيضًا بالكمبيوتر الصغير.
  • 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.
  • Archiتشتمل حماية النظام المضمن على: المستشعر، ومحول AD، والذاكرة، والمعالج وASICs، ومحول DA، والمشغل.
  • ثلاثة أنواع من الأنظمة المدمجة هي: 1) صغيرة الحجم، 2) متوسطة الحجم، و3) متطورة.
  • الفرق الرئيسي بين المعالج الدقيق ووحدة التحكم الدقيقة هو أنه في المعالج الدقيق، تكون تعليمات التعامل مع البتات أقل بينما يقدم المتحكم الدقيق أنواعًا كثيرة من تعليمات التعامل مع البتات.
  • يتضمن تطبيق النظام المضمن: 1) علوم الروبوتات، 2) الطب، 3) السيارات، 3) الشبكات، 4) الأجهزة المنزلية، 5) السيارات، و6) التحكم الصناعي.
  • المزايا الرئيسية للنظام المضمن هو أنه قادر على تغطية مجموعة واسعة من البيئات.
  • العيب الرئيسي للنظام المضمن هو أنه يحتاج إلى وقت طويل للتسويق.