Giới thiệu hệ thống nhúng

Hệ thống nhúng (Embedded System) là gì ?Trong thế giới thực của chúng ta bất kỳ một thiết bị hay hệ thống điện, điện tử có khả năng xử lí thông tin và điều khiển đều có thể tiềm ẩn một hệ nhúng bên trong ví dụ như các thiết bị truyền thông, thiết bị đo lường điều khiển, các thiết bị phục vụ sinh hoạt hàng ngày như lò vi sóng, máy giặt, camera…..Rất dễ dàng để có thể kể ra hàng loạt các thiết bị hay hệ thống như vậy đang tồn tại quanh ta, chúng là hệ nhúng. Vậy hệ nhúng thực chất là gì và nên hiểu thế nào về hệ nhúng?

Chúng ta có thể hiểu hệ thống nhúng là một phần hệ thống xử lí thông tin nhúng trong hệ thống lớn, phức hợp và độc lập. Đây là một hệ thống có khả năng tự trị được nhúng vào trong một môi trường hay một hệ thống mẹ. Chúng là các hệ thống tích hợp cả phần cứng và phần mềm để thực hiện một hoặc một nhóm chức năng chuyên biệt trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, tự động hoá điều khiển, quan trắc và truyền tin. Đặc điểm của các hệ thống nhúng là hoạt động ổn định và có tính năng tự động hoá cao.

Hình 1 – Các ứng dụng hệ thống nhúng trong kỹ thuật và đời sống.

Ngày nay hệ thống nhúng đã trở thành một khuynh hướng giải pháp được áp dụng rộng rãi trong công nghệ kỹ thuật, kết hợp toàn diện cả phần cứng và phần mềm. Trong mỗi hệ nhúng đều có những phần mang tính đặc trưng và riêng biệt về thiết kế phần cứng và phần mềm. Sự khác biệt này là kết quả của sự thỏa hiệp về giải pháp thiết kế nhằm ưu tiên thỏa mãn các yêu cầu và thực hiện chức năng cụ thể của hệ nhúng.

Ứng dụng hệ thống nhúng

Rất nhiều các ứng dụng của hệ thống nhúng đang được sử dụng hiện nay và xu thế sẽ còn tiếp tăng nhanh. Một số các lĩnh vực và sản phẩm thị trường rộng lớn của các hệ nhúng có thể được nhóm lại như sau:

· Các thiết bị điều khiển.

· Máy bay, ôtô, tàu lửa tốc độ cao.

· Hệ thống điều khiển tàu trụ.

· Truyền thông.

· Thiết bị y tế.

· Hệ thống đo lường thẩm định.

· Tòa nhà thông minh.

· Thiết trong các dây chuyền sản xuất.

· Rôbốt.

· Các thiết bị quân sự (hệ thống tên lửa , máy bay chiến đấu, tàu chiến...).

· ……….

Hình 2 – Hệ thống nhúng trong xe ôtô.

Mặc dù phạm vi ứng dụng rất đa dạng và khác nhau nhiều về thiết kế vật lý (nền phần cứng) nhưng chúng đều có nguyên lý xử lý chung, tạo nên nét đặc thù của hệ nhúng.

Các yếu tố đặc trưng của hệ thống nhúng

Các hệ thống nhúng đều có chung một số đặc điểm yêu cầu về khả năng thời gian thực, độ tin cậy, tính độc lập và hiệu quả. Các yêu cầu cơ bản :

- Khả năng độc lập và thông minh hóa : Điều này được chỉ rõ hơn thông qua một số các thuộc tính yêu cầu, cụ thể như :

· Độ tin cậy.

· Khả năng bảo trì và nâng cấp.

· Sự phổ cập và tiện sử dụng.

· Độ an toàn .

· Tính bảo mật.

- Hiệu quả : Yêu cầu này được thể hiện thông qua một số các đặc điểm của hệ thống như sau:

· Năng lượng tiêu thụ.

· Kích thước về phần cứng và phần mềm.

· Hiệu quả về thời gian thưc hiện.

· Kích thước và khối lượng.

· Giá thành.

- Phân hoạch tác vụ và chức năng hóa : Các bộ vi xử lý trong các hệ nhúng thường được sử dụng để đảm nhiệm và thực hiện một hoặc một nhóm chức năng rất độc lập và cũng đặc thù cho từng phần chức năng của hệ thống lớn mà nó được nhúng vào.Khả năng này làm tăng thêm sự chuyên biệt hóa về chức năng của một hệ thống lớn và dể dàng hơn cho quá trình xây dựng, vận hành và bảo trì.

- Khả năng thời gian thực : Các hệ đều gắn liền với việc đảm nhiệm một chức năng chính và phải được thực hiện đúng theo một khung thời gian qui định. Thông thường một chức năng của hệ thống phải được thực hiện và hoàn thành theo một yêu cầu thời gian định trước để đảm bảo thông tin cập nhật kịp thời cho phần xử lý của các chức năng khác và có thể ảnh hưởng trực tiếp tới sự hoạt động đúng và chính xác của toàn hệ thống.

Công nghệ phát triển

Vì sự phát triển hệ nhúng là sự kết hợp nhuần nhuyễn giữa phần cứng và phần mềm nên công nghệ gắn liền với nó cũng chính là công nghệ kết hợp giữa các giải pháp cho phần cứng và mềm. Vì tính chuyên biệt của các thiết bị /hệ nhúng như đã giới thiệu nên các nền phần cứng cũng được chế tạo để ưu tiên đáp ứng cho chức năng hay nhiệm vụ cụ thể của yêu cầu thiết kế đặt ra, từ đơn giản đến phức tạp và sự ra đời cảu các hệ nhúng nhằm thỏa mãn các ứng dụng đa dạng đó. Chính vì vậy các chíp vi xử lý, vi điều khiển 8 bít, 16 bít, 32bít và các chíp siêu xử lý khác vẫn đang được ứng dụng rộng rãi cho hệ nhúng.

Hình 3 – Hệ thống nhúng tích hợp trong giày thể thao thông minh của hãng Adidas.

Hình 4 – Hệ thống camera giám sát không dây.

Với mỗi một nền phần cứng thường có những đặc thù riêng và kèm theo một giải pháp phát triển phần mềm tối ưu tương ứng. Không có một giải pháp nào chung và chuẩn tắc cho việc thiết kế cụ thể của tất cả các hệ thống nhúng. Chính vì vậy thông thường các nhà phát triển và cung cấp phần cứng cũng lại chính là nhà cung cấp giải pháp phần mềm hoặc công cụ phát triển phần mềm kèm theo. Rất phổ biến hiện nay các Chíp vi xử lý hay vi điều khiển cũng như nhiều các Chíp xử lý nhúng đều có hệ phát triển (Starter Kit hay Emulator ) để hỗ trợ cho các nhà ứng dụng và xây dựng hệ nhúng với hiểu biết hạn chế về phần cứng. Điều này cho phép các nhà thiết kế tối ưu và đơn giản hóa rất nhiều cho các bước phát triển và xây dựng hệ nhúng.

Sự phát triển và xu thế của hệ thống nhúng

Kỷ nguyên công nghệ mới đã và đang tiếp tục phát triển không ngừng nhằm thông minh hóa hiện đại hóa thông suốt các hệ thống . Có thể nói đánh dấu sự ra đời và phát triển của hệ thống nhúng trước tiên phải kể đến sự ra đời của các bộ vi xử lý, vi điều khiển. Thập kỷ 80 có thể coi là khởi điểm bắt đầu kỷ nguyên của sự bùng nổ về sự phát triển các hệ nhúng . Từ đó khởi nguồn cho làn sóng ra đời của hàng loạt các chủng loại vi xử lý và gắn liền là các hệ nhúng để thâm nhập rộng khắp trong các ứng dụng hàng ngày của cuộc sống chúng ta. Các bộ vi xử lý và phần mềm cũng ngày càng được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều hệ thống nhỏ. Các loại vi xử lý được sử dụng trong các hệ thống nhúng hiện nay đã vượt xa so với PC về số lượng chủng loại (chiếm đến 79% số các vi xử lý đang tồn tại) và vẫn còn tiếp tục phát triển để nhằm đáp ứng và thỏa mãn rất nhiều ứng dụng đa dạng.

Hình 5 – Vi mạch siêu nhỏ so với kích thước của một đồng xu (hình trái) được phóng đại dưới kính lúp (hình phải).

Có thể nói hệ nhúng đã trở thành một giải pháp công nghệ và phát triển nhanh chóng, hứa hẹn nhiều thiết bị nhúng sẽ chiếm lĩnh thị trường rộng lớn trong tương lai nhằm đáp ứng nhu cầu ứng dụng không ngừng trong cuộc sống của chúng ta. Đối với lĩnh vực công nghiệp về điều khiển và tự động hóa, hệ nhúng cũng là một giải pháp đầy tiềm năng đã và đang được ứng dụng rộng rãi. Nó rất phù hợp trong xu thế số hóa để thực thi các chức năng thông minh hóa, chuyên biệt trong các hệ thống và thiết bị công nghiệp. Giải pháp hệ nhúng có thể được thực thi từ cấp thấp nhất của hệ công nghiệp là cơ cấu chấp hành cho đến các cấp cao hơn như giám sát điều khiển quá trình.

Phát triển các hệ thống nhúng và phần mềm nhúng là quốc sách của nhiều quốc gia trên thế giới, nhất là vào giai đoạn hậu PC hiện nay. Ở Việt Nam, hệ thống nhúng mới được quan tâm‎ trong thời gian gần đây. Các trung tâm nghiên về hệ thống nhúng cũng chưa nhiều, mới có một số trung tâm thuộc các trường Đại học Quốc gia Hà Nội, Đại học Bách khoa Hà Nội, các đơn vị như Học Viện Kỹ thuật quân sự, Viện nghiên cứu Điện tử - Tin học và Tự động hóa, Tổng công ty Điện tử - Tin học, Công ty thiết bị điện tử y tế, Công ty VTC - Truyền hình số mặt đất và một số công ty phần mềm khác.

Các sản phẩm hệ thống nhúng “Made in Việt Nam” có lẽ mới chỉ là con số khá khiêm tốn, còn lại là làm gia công cho nước ngoài. Có thể điểm ra một vài sản phẩm tiêu biểu do người Việt làm ra như phần mềm nhúng cho đầu thu kỹ thuật số của Công ty điện tử HANEL (giải Sao Khuê 2005), nhúng cá thể hóa thẻ thông minh của Công ty Liên doanh thẻ thông minh MK (giải Sao Khuê 2005) ...

Việc nghiên cứu và đi đến sản xuất, phát triển các sản phầm hệ thống nhúng của các doanh nghiệp tại Việt Nam còn gặp nhiều khó khăn. Thách thức lớn nhất mà Việt Nam phải vượt qua hiện nay là chưa có nhiều kinh nghiệm trong lĩnh vực mới mẻ này, mới chỉ loanh quanh làm gia công, làm thuê theo đơn đặt hàng của nước ngoài, chưa có các trung tâm nghiên cứu, đào tạo chuyên sâu về phát triển hệ thống nhúng.

Điều quan trọng cần làm hiện nay để tận dụng được cơ hội tham gia vào thị trường mới mẻ đầy hấp dẫn này là phải có một chiến lược phát triển lâu dài, trong đó chú trọng vào đào tạo nguồn nhân lực cũng như đào tạo ngoại ngữ được coi là chìa khóa để thành công.

Để hiểu thêm về hệ thống nhúng và cách sử dụng windows 7 cho máy tính công nghiệp Advantech, mời bạn đọc tham khảo bài viết: Hội thảo: "Nhúng" Windows 7 vào máy tính Advantech!
http://tudonghoatn.com/diendan/content.php?r=175-Gioi-thieu-he-thong-nhung

Posted in: Đo lường và Điều khiển tự động