एम्बेडेड सिस्टम ट्यूटोरियल

एम्बेडेड सिस्टम सीखने से पहले, आइए जानें:

सिस्टम क्या है?

सिस्टम एक ऐसी व्यवस्था है जिसमें इसके सभी घटक विशिष्ट परिभाषित नियमों के अनुसार काम करते हैं। यह एक निश्चित योजना के अनुसार एक या अधिक कार्यों को व्यवस्थित करने, काम करने या निष्पादित करने की एक विधि है।

एम्बेडेड सिस्टम का उदाहरण

लेजर प्रिंटर

लेजर प्रिंटर एम्बेडेड सिस्टम के उदाहरणों में से एक है जो प्रिंटिंग के विभिन्न पहलुओं को प्रबंधित करने के लिए एम्बेडेड सिस्टम का उपयोग करता है। प्रिंटिंग के मुख्य कार्य को करने के अलावा, इसे उपयोगकर्ता इनपुट लेना, कंप्यूटर सिस्टम के साथ संचार का प्रबंधन करना, दोषों को संभालना और ट्रे पर छोड़े गए कागज़ों को पहचानना आदि भी करना होता है।

यहां, माइक्रोप्रोसेसर का मुख्य कार्य पाठ को समझना और प्रिंटिंग हेड को इस तरह से नियंत्रित करना है कि वह स्याही को वहां छोड़े जहां इसकी आवश्यकता है।

ऐसा करने के लिए, इसे दी गई विभिन्न फ़ाइलों को डिकोड करना होगा और फ़ॉन्ट और ग्राफ़िक्स को समझना होगा। डेटा को प्रोसेस करने के लिए यह पर्याप्त CPU समय का उपभोग करेगा और साथ ही इसे उपयोगकर्ता इनपुट लेना होगा, मोटर्स को नियंत्रित करना होगा, आदि।

एम्बेडेड सिस्टम का इतिहास

एम्बेडेड सिस्टम के इतिहास से महत्वपूर्ण मील के पत्थर यहां दिए गए हैं:

• 1960 में, एम्बेडेड सिस्टम का पहली बार उपयोग एम.आई.टी. में चार्ल्स स्टार्क ड्रेपर द्वारा अपोलो गाइडेंस सिस्टम विकसित करने के लिए किया गया था।
• 1965 में, ऑटोनेटिक्स ने डी-17बी विकसित किया, जो मिनिटमैन मिसाइल मार्गदर्शन प्रणाली में प्रयुक्त कंप्यूटर था।
• 1968 में किसी वाहन के लिए पहली एम्बेडेड प्रणाली जारी की गई।
• टेक्सास इंस्ट्रूमेंट्स ने 1971 में पहला माइक्रोकंट्रोलर विकसित किया।
• 1987 में, पहला एम्बेडेड ऑपरेटिंग सिस्टम, VxWorks, विंड रिवर द्वारा जारी किया गया था।
• Microsoftहै Windows सन् 1996 में एम्बेडेड सी.ई.
• 1990 के दशक के अंत तक, पहला एम्बेडेड लिनक्स सिस्टम सामने आया।
• 140 में एम्बेडेड बाज़ार 2013 बिलियन डॉलर तक पहुंच गया।
• विश्लेषकों का अनुमान है कि 40 तक एम्बेडेड बाजार 2030 बिलियन डॉलर से भी बड़ा हो जाएगा।

एम्बेडेड सिस्टम की विशेषताएं

एम्बेडेड सिस्टम की महत्वपूर्ण विशेषताएं निम्नलिखित हैं:

• वास्तविक समय प्रदर्शन की आवश्यकता है
• इसकी उपलब्धता और विश्वसनीयता उच्च होनी चाहिए।
• वास्तविक समय ऑपरेटिंग सिस्टम के आसपास विकसित
• आमतौर पर, आसान और डिस्क रहित ऑपरेशन, ROM बूट होता है
• एक विशिष्ट कार्य के लिए डिज़ाइन किया गया
• इनपुट और आउटपुट डिवाइस को जोड़ने के लिए इसे बाह्य उपकरणों से जोड़ा जाना चाहिए।
• उच्च विश्वसनीयता और स्थिरता प्रदान करता है
• न्यूनतम उपयोगकर्ता इंटरफ़ेस की आवश्यकता
• सीमित मेमोरी, कम लागत, कम बिजली खपत
• इसकी कोई जरूरत नहीं है माध्यमिक स्मृति कम्प्यूटर में।

एम्बेडेड सिस्टम में प्रयुक्त महत्वपूर्ण शब्दावलियाँ

अब इस एम्बेडेड सिस्टम ट्यूटोरियल में, हम एम्बेडेड सिस्टम में प्रयुक्त कुछ महत्वपूर्ण शब्दों को कवर करेंगे।

विश्वसनीयता

यह प्रणाली के अस्तित्व की संभावना का माप है जब कार्य संचालन समय के दौरान महत्वपूर्ण होता है।

दोष सहिष्णुता

दोष-सहिष्णुता किसी कंप्यूटर प्रणाली की दोषों की उपस्थिति में जीवित रहने की क्षमता है।

वास्तविक समय

एम्बेडेड सिस्टम को विभिन्न समय और अन्य बाधाओं को पूरा करना होगा। ये बाहरी दुनिया के वास्तविक समय के प्राकृतिक व्यवहार द्वारा उस पर लगाए जाते हैं।

उदाहरण के लिए, एक वायुसेना विभाग जो आने वाले मिसाइल हमलों पर नज़र रखता है, उसे वास्तविक समय की सख्त समय सीमा के कारण अपने जवाबी हमले की सटीक गणना और योजना बनानी होगी। अन्यथा, यह नष्ट हो जाएगा।

लचीलापन

यह अंतर्निहित डिबगिंग अवसरों के साथ प्रणालियों का निर्माण कर रहा है जो दूरस्थ रखरखाव की अनुमति देता है।

उदाहरण के लिए, आप एक अंतरिक्ष यान बना रहे हैं जो विभिन्न प्रकार के डेटा एकत्र करने के लिए दूसरे प्लांटर पर उतरेगा और एकत्रित विवरण हमें वापस भेजेगा। यदि यह अंतरिक्ष यान पागल हो गया और नियंत्रण खो दिया, तो हमें कुछ महत्वपूर्ण निदान करने में सक्षम होना चाहिए। इसलिए, एम्बेडेड सिस्टम को डिज़ाइन करते समय लचीलापन महत्वपूर्ण है।

सुवाह्यता

पोर्टेबिलिटी एक ऐसा माप है जिससे पता चलता है कि एक ही एम्बेडेड सॉफ्टवेयर को विभिन्न वातावरणों में इस्तेमाल करना कितना आसान है। इसके लिए एप्लीकेशन प्रोग्राम लॉजिक और लो-लेवल सिस्टम इंटरफेस के बीच सामान्यीकृत अमूर्तता की आवश्यकता होती है।

माइक्रोकंट्रोलर क्या है?

माइक्रोकंट्रोलर एक सिंगल-चिप VLSI यूनिट है जिसे माइक्रोकंप्यूटर भी कहा जाता है। इसमें सभी आवश्यक मेमोरी और I/O इंटरफेस होते हैं, जबकि एक सामान्य प्रयोजन वाले माइक्रोप्रोसेसर को इन आवश्यक कार्यों को करने के लिए अतिरिक्त चिप्स की आवश्यकता होती है। माइक्रोकंट्रोलर का उपयोग वास्तविक समय नियंत्रण अनुप्रयोगों के लिए एम्बेडेड सिस्टम में व्यापक रूप से किया जाता है।

माइक्रोप्रोसेसर क्या है?

माइक्रोप्रोसेसर एक सिंगल चिप सेमीकंडक्टर डिवाइस है। इसके CPU में एक प्रोग्राम काउंटर, एक ALU एक स्टैक पॉइंटर, वर्किंग रजिस्टर, एक क्लॉक टाइमिंग सर्किट होता है। इसमें ये भी शामिल है ROM और RAM, मेमोरी डिकोडर, और कई सीरियल और समानांतर पोर्ट।

Archiएम्बेडेड सिस्टम की तकनीक

नीचे एम्बेडेड सिस्टम की मूल संरचना दी गई है:

1) सेंसर

सेंसर आपको भौतिक मात्रा को मापने और उसे विद्युत संकेत में बदलने में मदद करता है। यह मापी गई मात्रा को मेमोरी में भी संग्रहीत करता है। यह संकेत किसी पर्यवेक्षक या किसी इलेक्ट्रॉनिक उपकरण जैसे A2D कनवर्टर द्वारा तैयार किया जा सकता है।

2) एडी कनवर्टर

एडी कनवर्टर (एनालॉग-टू-डिजिटल कनवर्टर) आपको सेंसर द्वारा भेजे गए एनालॉग सिग्नल को डिजिटल सिग्नल में परिवर्तित करने की अनुमति देता है।

3) स्मृति

मेमोरी का उपयोग जानकारी संग्रहीत करने के लिए किया जाता है। एम्बेडेड सिस्टम में मुख्य रूप से दो मेमोरी सेल होते हैं 1) वोलेटाइल 2) नॉन वोलेटाइल मेमोरी।

4) प्रोसेसर और एएसआईसी

यह घटक आउटपुट को मापने के लिए डेटा को संसाधित करता है और उसे मेमोरी में संग्रहीत करता है।

5) डीए कनवर्टर

डीए कनवर्टर (डिजिटल-टू-एनालॉग कनवर्टर) आपको प्रोसेसर द्वारा दिए गए डिजिटल डेटा को एनालॉग डेटा में परिवर्तित करने में मदद करता है।

6) एक्ट्यूएटर

एक एक्ट्यूएटर आपको डीए कनवर्टर द्वारा दिए गए आउटपुट की तुलना उसमें संग्रहीत वास्तविक आउटपुट से करने की अनुमति देता है और अनुमोदित आउटपुट को मेमोरी में संग्रहीत करता है।

एम्बेडेड सिस्टम के प्रकार

एम्बेडेड सिस्टम तीन प्रकार के होते हैं:

• छोटा तराजू
• मध्यम पैमाना
• जटिल

छोटे पैमाने पर एम्बेडेड सिस्टम

इस एम्बेडेड सिस्टम को एक सिंगल 8 या 16-बिट माइक्रोकंट्रोलर के साथ डिज़ाइन किया जा सकता है। इसे बैटरी की मदद से संचालित किया जा सकता है। छोटे पैमाने पर एम्बेडेड सिस्टम विकसित करने के लिए, एडिटर, असेंबलर, (IDE) और क्रॉस असेंबलर सबसे महत्वपूर्ण हैं प्रोग्रामिंग उपकरण.

मध्यम पैमाने पर एम्बेडेड सिस्टम

इस प्रकार के एम्बेडेड सिस्टम 16 या 32-बिट माइक्रोकंट्रोलर का उपयोग करके डिज़ाइन किए गए हैं। ये सिस्टम हार्डवेयर और सॉफ़्टवेयर दोनों तरह की जटिलताएँ प्रदान करते हैं। C++, Java, और स्रोत कोड इंजीनियरिंग टूल आदि का उपयोग इस तरह के एम्बेडेड सिस्टम को विकसित करने के लिए किया जाता है।

परिष्कृत एम्बेडेड सिस्टम

इस प्रकार के एम्बेडेड सिस्टम में बहुत सारी हार्डवेयर और सॉफ्टवेयर जटिलताएं होती हैं। आपको IPS, ASIPS, PLAs, कॉन्फ़िगरेशन प्रोसेसर या स्केलेबल प्रोसेसर की आवश्यकता हो सकती है। इस सिस्टम के विकास के लिए, आपको हार्डवेयर और सॉफ़्टवेयर सह-डिज़ाइन और घटकों की आवश्यकता होती है जिन्हें अंतिम सिस्टम में संयोजित करने की आवश्यकता होती है।

माइक्रोप्रोसेसर और माइक्रोकंट्रोलर के बीच अंतर

इनके बीच का अंतर जानें माइक्रोप्रोसेसर और माइक्रोकंट्रोलर

माइक्रोप्रोसेसर	microcontroller
यह रजिस्टर, ए.एल.यू., टाइमिंग और नियंत्रण इकाइयों जैसे कार्यात्मक ब्लॉकों का उपयोग करता है।	यह RAM, टाइमर, पैरेलल्स I/O, ADC और DAC जैसे माइक्रोप्रोसेसरों के कार्यात्मक ब्लॉकों का उपयोग करता है।
माइक्रोप्रोसेसर में बिट हैंडलिंग निर्देश कम, एक या दो प्रकार के ही होते हैं।	माइक्रोकंट्रोलर कई प्रकार के बिट हैंडलिंग निर्देश प्रदान करता है।
बाह्य मेमोरी और माइक्रोप्रोसेसर के बीच कोड और डेटा का तीव्र गति से स्थानांतरण प्रदान करता है।	माइक्रोकंट्रोलर में कोड और डेटा की तीव्र गति प्रदान करता है।
आपको सामान्य प्रयोजन डिजिटल कंप्यूटर सिस्टम डिजाइन करने में मदद करता है।	आपको अनुप्रयोग-विशिष्ट समर्पित प्रणालियों को डिजाइन करने में मदद करता है।
यह आपको एक समय में कई काम करने की सुविधा देता है।	यह एकल कार्योन्मुख प्रणाली है।
माइक्रोप्रोसेसर प्रणाली में, आप आवश्यक मेमोरी या I/O पोर्ट की संख्या तय कर सकते हैं।	माइक्रोकंट्रोलर प्रणाली में, मेमोरी या I/O की निश्चित संख्या, माइक्रोकंट्रोलर को विशिष्ट कार्य पूरा करने के लिए आदर्श बनाती है।
यह बाह्य मेमोरी और I/O पोर्ट के लिए समर्थन प्रदान करता है, जो इसे भारी और महंगा सिस्टम बनाता है।	इस प्रकार की प्रणाली माइक्रोप्रोसेसर की तुलना में हल्की और सस्ती होती है।
बाह्य उपकरणों को अधिक स्थान की आवश्यकता होती है, तथा उनकी बिजली खपत भी काफी अधिक होती है।	इस प्रकार की प्रणाली कम स्थान लेती है, तथा बिजली की खपत भी बहुत कम होती है।

एंबेडेड सिस्टम के अनुप्रयोग

एम्बेडेड सिस्टम के महत्वपूर्ण अनुप्रयोग निम्नलिखित हैं:

रोबोटिक विज्ञान

• ग्राउंड वाहन
• राजा
• पानी के नीचे वाहन
• औद्योगिक रोबोट

चिकित्सा

• डायलिसिस मशीन
• आसव पंप्स
• कार्डिएक मॉनिटर
• कृत्रिम उपकरण

मोटर वाहन

• इंजन नियंत्रण
• प्रज्वलन की व्यवस्था
• ब्रेक प्रणाली

शुद्ध कार्यशील

• रूटर
• केन्द्र
• द्वार
• इलेक्ट्रॉनिक्स उपकरण

घरेलू उपकरण

• टीवी
• Digiताल अलार्म
• एयर कंडीशनर
• डीवीडी वीडियो प्लेयर
• कैमरा

गाडियां

• ईंधन इंजेक्शन
• प्रकाश प्रणाली
• दरवाजे के ताले
• एयर बैग्स
• Windows
• पार्किंग सहायक प्रणाली
• एंटी-चोरी अलार्म व्हिपर्स मोशन

औद्योगिक नियंत्रण

• रोबोटिक्स
• नियंत्रण प्रणाली
• मिसाइलों
• परमाणु रिएक्टर
• अंतरिक्ष स्टेशन
• शटल

एम्बेडेड सिस्टम के लाभ

एम्बेडेड सिस्टम का उपयोग करने के लाभ/पक्ष इस प्रकार हैं:

• यह विभिन्न प्रकार के वातावरण को कवर करने में सक्षम है
• Less गलतियाँ दोहराने की संभावना
• एम्बेडेड सिस्टम ने हार्डवेयर को सरल बना दिया है, जिससे समग्र लागत कम हो जाती है।
• बेहतर प्रदर्शन प्रदान करता है
• एम्बेडेड सिस्टम बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए उपयोगी है।
• एम्बेडेड सिस्टम अत्यधिक विश्वसनीय है।
• इसमें बहुत कम अंतर्संबंध हैं.
• एम्बेडेड सिस्टम आकार में छोटा है।
• इसका संचालन तीव्र है।
• बेहतर उत्पाद गुणवत्ता प्रदान करता है.
• यह सिस्टम संसाधनों के उपयोग को अनुकूलित करता है।
• इसका संचालन कम शक्ति पर होता है।

एम्बेडेड सिस्टम के नुकसान

यहां, एम्बेडेड सिस्टम का उपयोग करने के महत्वपूर्ण नुकसान/ कमियां दी गई हैं।

• एक एम्बेडेड सिस्टम विकसित करने के लिए उच्च विकास प्रयास की आवश्यकता होती है।
• इसे बाजार में लाने में काफी समय लगेगा।
• एम्बेडेड सिस्टम बहुत विशिष्ट कार्य करते हैं, इसलिए इन्हें अलग-अलग कार्य करने के लिए प्रोग्राम नहीं किया जा सकता।
• एम्बेडेड सिस्टम मेमोरी के लिए बहुत सीमित संसाधन प्रदान करते हैं।
• इसमें कोई तकनीकी सुधार नहीं है।
• एम्बेडेड फ़ाइलों का बैकअप लेना कठिन है।

सारांश

• एक प्रणाली एक व्यवस्था है जहां इसके सभी घटक विशिष्ट परिभाषित नियमों के अनुसार काम करते हैं।
• एम्बेडेड सिस्टम परिभाषा: एम्बेडेड सिस्टम का अर्थ है कंप्यूटर सॉफ्टवेयर और हार्डवेयर का संयोजन जो या तो क्षमता में निश्चित या प्रोग्राम योग्य होता है।
• एम्बेडेड सिस्टम का उदाहरण लेजर प्रिंटर है जो मुद्रण के विभिन्न पहलुओं का प्रबंधन करता है।
• 1960 में, एम्बेडेड सिस्टम का पहली बार उपयोग एम.आई.टी. में चार्ल्स स्टार्क ड्रेपर द्वारा अपोलो गाइडेंस सिस्टम विकसित करने के लिए किया गया था।
• एम्बेडेड सिस्टम को वास्तविक समय प्रदर्शन की आवश्यकता होती है
• जब कार्य संचालन समय के दौरान महत्वपूर्ण होता है, तो सिस्टम की उत्तरजीविता संभावना का विश्वसनीयता माप।
• दोष-सहिष्णुता किसी कंप्यूटर प्रणाली की दोषों की उपस्थिति में जीवित रहने की क्षमता है।
• एम्बेडेड सिस्टम को विभिन्न समय और अन्य बाधाओं को पूरा करना होगा।
• लचीलापन अंतर्निहित डिबगिंग अवसरों के साथ प्रणालियों का निर्माण करना है जो दूरस्थ रखरखाव की अनुमति देता है।
• पोर्टेबिलिटी विभिन्न वातावरणों में एक ही एम्बेडेड सॉफ्टवेयर का उपयोग करने की आसानी का माप है।
• माइक्रोकंट्रोलर एक एकल-चिप वीएलएसआई इकाई है जिसे माइक्रो कंप्यूटर भी कहा जाता है।
• माइक्रोप्रोसेसर एक सिंगल चिप सेमीकंडक्टर डिवाइस है। इसके CPU में एक प्रोग्राम काउंटर, एक ALU, एक स्टैक पॉइंटर, वर्किंग रजिस्टर, एक क्लॉक टाइमिंग सर्किट होता है।
• Archiएम्बेडेड सिस्टम की संरचना में शामिल हैं: सेंसर, एडी कनवर्टर, मेमोरी, प्रोसेसर और एएसआईसी, डीए कनवर्टर, और एक्ट्यूएटर।
• एम्बेडेड सिस्टम तीन प्रकार के होते हैं: 1) लघु पैमाने, 2) मध्यम पैमाने, और 3) परिष्कृत।
• माइक्रोप्रोसेसर और माइक्रोकंट्रोलर के बीच मुख्य अंतर यह है कि माइक्रोप्रोसेसर में, बिट हैंडलिंग निर्देश कम होता है जबकि माइक्रोकंट्रोलर कई प्रकार के बिट हैंडलिंग निर्देश प्रदान करता है।
• एम्बेडेड सिस्टम के अनुप्रयोग में शामिल हैं: 1) रोबोटिक विज्ञान, 2) चिकित्सा, 3) ऑटोमोटिव, 3) नेटवर्किंग, 4) घरेलू उपकरण, 5) ऑटोमोबाइल, और 6) औद्योगिक नियंत्रण।
• एम्बेडेड सिस्टम का प्रमुख लाभ यह है कि यह विभिन्न प्रकार के वातावरण को कवर करने में सक्षम है।
• एम्बेडेड सिस्टम का मुख्य दोष यह है कि इसे बाजार में आने में काफी समय लगता है।