في حياتنا اليومية نعيش مع العشرات من الأنظمة المدمجة دون أن ندرك ذلكمن السيارات والغسالات إلى أجهزة الصراف الآلي وأجهزة التوجيه المنزلية وأجهزة تنظيم ضربات القلب، تخفي جميع هذه الأجهزة معالجًا دقيقًا واحدًا أو أكثر مصممًا لمهمة محددة للغاية، بعيدًا كل البعد عن الفكرة الكلاسيكية لـ "الكمبيوتر" التي نضعها في اعتبارنا.
وراء تلك البساطة الظاهرية يكمن عالم تقني واسع: وحدات التحكم الدقيقة، ومعالجات الإشارات الرقمية، ومصفوفات البوابات المنطقية القابلة للبرمجة، وأنظمة التشغيل في الوقت الحقيقي، والحافلات، وأجهزة الاستشعار، والمشغلات، ومجموعات الاتصالات.إن فهم كيفية ترابط كل هذا أمر أساسي لأي مهندس أنظمة أو أتمتة أو روبوتات أو إلكترونيات يرغب في تصميم منتجات فعالة وموثوقة وتنافسية.
ما هو النظام المدمج أو المخفي؟
عندما نتحدث عن نظام مضمن (أو مدمج، متكامل، داخلي) نحن نشير إلى نظام حاسوبي مصمم لأداء وظيفة واحدة أو بضع وظائف محددة للغاية، مدمجة داخل قطعة أكبر من المعدات (سيارة، آلة صناعية، جهاز منزلي، جهاز طبي، إلخ).
بدلاً من جهاز كمبيوتر للأغراض العامة، يجمع النظام المدمج بين أجهزة إلكترونية مخصصة (معالجات دقيقة، وحدات تحكم دقيقة، ذاكرات، واجهات، أجهزة استشعار، مشغلات) وبرامج عالية الكفاءة للتحكم في عملية معينة أو مراقبتها، غالباً في ظل قيود الوقت الفعلي والاستهلاك والتكلفة.
في كثير من الحالات، لا يدرك المستخدم حتى وجود جهاز كمبيوتر بالداخل: يتم إخفاء "الدماغ" في لوحة دوائر متكاملة أو وحدة نمطية.بدون لوحة مفاتيح أو فأرة، ربما مع عدد قليل من الأزرار فقط، وشاشة LCD صغيرة، ومصابيح LED، أو واجهة ويب للتكوين والتشخيص.
يجب أن يتفاعل جزء كبير من هذه الأنظمة ضمن أطر زمنية محددة بدقة؛ لذلك، فإن العديد منها أنظمة الوقت الحقيقيحيث لا يكفي إتقان العمل فحسب، بل يجب إنجازه في الوقت المحدد. وهنا تبرز أهمية مفاهيم مثل أنظمة الوقت الحقيقي المرنة والصلبة، أو استخدام أنظمة تشغيل الوقت الحقيقي المحددة.
البنية الأساسية لنظام إلكتروني مضمن
في قلب كل نظام مضمن نجد عنصر المعالجة: المعالج الدقيق، أو وحدة التحكم الدقيقة، أو معالج الإشارات الرقمية، أو النظام على شريحة واحدةأما بقية الوحدات فتتم تنظيمها حولها: الذاكرة، ووحدات الإدخال/الإخراج، والاتصالات، والساعة، ومصدر الطاقة، وأجهزة الاستشعار والمشغلات.
في الإعداد النموذجي، يتصل المعالج بالمكونات الأخرى عبر ناقلات النظام: ناقل البيانات، وناقل العناوين، وناقل التحكميتم تبادل التعليمات والبيانات وإشارات التزامن عبر هذه الحافلات بين وحدة المعالجة المركزية والذاكرة ووحدات الإدخال/الإخراج الطرفية.
يخزن النظام الفرعي للذاكرة كلاً من البرنامج والبيانات: التعليمات البرمجية المقيمة (غالبًا في الذاكرة غير المتطايرة) وبيانات الإدخال والنتائج الوسيطة والمخرجاتيمكن دمج الذاكرة في الشريحة نفسها (كما هو الحال في العديد من وحدات التحكم الدقيقة) أو وضعها على شرائح خارجية متصلة بالناقل.
يتم تنظيم الدخول والخروج على شكل وحدات الإدخال/الإخراج الطرفية المتخصصةتتضمن هذه الوحدات المؤقتات، ومحولات التناظرية إلى الرقمية (ADCs)، ومحولات الرقمية إلى التناظرية (DACs)، والمنافذ التسلسلية (UART، SPI، I²C، CAN)، وواجهات USB، وEthernet، وGPIOs الرقمية، وما إلى ذلك. تسمح هذه الوحدات للنظام بالتفاعل مع أجهزة الاستشعار والمشغلات والشبكات والمستخدمين.
من المهم أن نفهم أن ملف لا يتطابق الهيكل الوظيفي (وحدة المعالجة المركزية، الذاكرة، الإدخال/الإخراج) دائمًا مع التقسيم المادي إلى رقائق أو لوحات.يمكن أن تحتوي الدائرة المتكاملة الواحدة على وحدة معالجة مركزية وذاكرة ووحدات طرفية، أو قد تحتوي على جزء فقط من هذه الوظائف. ما يراه المصمم هو "أنظمة فرعية وظيفية" يتم تنفيذها بعد ذلك بطرق متنوعة.
مكونات الأجهزة: وحدة المعالجة المركزية، والذاكرة، ووحدات الإدخال/الإخراج، وساعة النظام، والطاقة
الكتلة المركزية هي المعالج. المعالج الدقيق هو عبارة عن دائرة متكاملة تُنفذ وحدة المعالجة المركزية (CPU). في الحاسوب: يحتوي على وحدة الحساب والمنطق، والسجلات، ووحدة التحكم، والذاكرة المؤقتة الداخلية، وغالبًا ما يحتوي على وظائف دعم أخرى. واليوم، نستخدم مصطلحي "المعالج" و"المعالج الدقيق" بشكل شبه مترادف.
Un وحدة التحكم الدقيقة (MCU) هي معالج دقيق مزود بذاكرة ووحدات إدخال/إخراج مدمجة على نفس الشريحة.يتضمن عادةً ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) وذاكرة البرنامج (Flash) والمؤقتات ومحول الإشارة التناظرية إلى الرقمية (ADC) ومحول الإشارة الرقمية إلى التناظرية (DAC) وواجهات الاتصال وتعديل عرض النبضة (PWM) وما إلى ذلك. ولهذا السبب، يُعتبر "جهاز كمبيوتر مخصص على شريحة واحدة"، وهو مثالي لتطبيقات التحكم منخفضة التكلفة والمحدودة الموارد.
بين هذين العالمين تقع حلول الأنظمة المدمجة على رقاقة (SoC) وحلول أجهزة الكمبيوتر الشخصية: شركات تصنيع مثل STMicroelectronics (STPC) و AMD (Geode) و Motorola (ColdFire) أو Intel فهي تدمج وحدات المعالجة المركزية x86 أو غيرها من البنى مع وحدات التحكم في الذاكرة والرسومات الأساسية ووحدات الإدخال/الإخراج الشائعة لتقديم منصات مدمجة مصممة للأنظمة المدمجة.
عادةً ما يتم تنظيم الذاكرة في عدة مستويات: الذاكرة الرئيسية (RAM) لتشغيل التعليمات البرمجية والبيانات، والذاكرة غير المتطايرة (Flash، ROM) للبرامج الثابتة وفي حالة أجهزة الكمبيوتر المدمجة، ذاكرة التخزين المؤقت L1/L2 عالية السرعة، بالإضافة إلى أجهزة التخزين الضخمة (أقراص SSD، وبطاقات الفلاش، وما إلى ذلك).
الوحدة الرئيسية هي مولد الساعةيبدأ هذا النظام عادةً بمذبذب رئيسي (بلورة كوارتز أو مذبذب RC)، ويستخدم حلقة PLL لتوليد الترددات المختلفة المطلوبة. تتميز بلورات الكوارتز بثباتها وتوازنها الجيد بين الدقة والتكلفة؛ بينما تقلل مذبذبات RC من استهلاك الطاقة على حساب الثبات.
وأخيرًا، وحدة تزويد الطاقة مسؤولة عن الحصول على الطاقة من مدخل التيار المتردد أو التيار المستمر، الفولتية والتيارات المطلوبة لكل جزء من أجزاء النظاموهنا يأتي دور محولات التيار المتردد/المستمر ومحولات التيار المستمر/المستمر، ومنظمات الجهد الخطية أو ذات الوضع المبدل، والمرشحات، ودوائر مراقبة الجهد. في الأنظمة التي تعمل بالبطاريات، يصبح استهلاك الطاقة أولوية قصوى.
الواجهات، وأجهزة الاستشعار، والمحركات، والعرض التقديمي
من أجل مراقبة العمليات الفيزيائية والتحكم بها، يحتاج النظام المدمج إلى المدخلات من أجهزة الاستشعار والمخرجات إلى المشغلاتوحدة الإدخال/الإخراج التناظرية والرقمية مسؤولة عن رقمنة الإشارات، وقراءة حالات المنطق، وتوليد إشارات التحكم.
يتم التقاط المدخلات التناظرية بواسطة محولات ADCتتيح لك هذه المستشعرات قياس درجة الحرارة والضغط والجهد والتيار والموقع والسرعة، وغيرها. تقرأ المدخلات الرقمية أزرار الضغط ومفاتيح الحد أو الإشارات من الأجهزة الأخرى. أما المخرجات الرقمية فتُشغّل مصابيح LED أو المرحلات أو مشغلات الطاقة.
يمكن أن تكون المحركات متنوعة للغاية: المحركات الكهربائية، والمرحلات، والصمامات، وعناصر التسخينإلخ. ومن التقنيات الشائعة جدًا استخدام مخرجات تعديل عرض النبضة (PWM) للتحكم، على سبيل المثال، في سرعة محركات التيار المستمر أو شدة إضاءة المصباح.
أما بالنسبة لواجهة المستخدم، فيمكن أن يتراوح النظام من مصابيح LED وأزرار بسيطة إلى... نظام عرض أكثر تطوراً: شاشات عرض رسومية، أو شاشات LCD أبجدية رقمية، أو شاشات لمس لأتمتة المنزلفي حالات أخرى، تكون "الواجهة الأمامية" للمستخدم عبارة عن واجهة ويب يقدمها النظام المدمج نفسه.
تلعب خاصية الاتصال دورًا أساسيًا: فالعديد من الأنظمة تحتاج إلى التواصل مع الأجهزة الأخرى أو مع الشبكة. ولتحقيق ذلك، تُستخدم واجهات مثل RS-232، RS-485، SPI، I²C، CAN، USB، Ethernet/IP، Wi-Fi، GSM/GPRS، DSRCإلخ. اعتمادًا على التطبيق، سيتم اختيار الحافلات الصناعية أو الاتصالات التسلسلية البسيطة أو شبكات IP الكاملة.
المعالجات الدقيقة، ووحدات التحكم الدقيقة، ومعالجات الإشارات الرقمية، ومصفوفات البوابات المنطقية القابلة للبرمجة، والأنظمة على رقاقة
Un معالج دقيق عام يركز هذا النظام على توفير قوة حوسبة عالية، مع ذاكرة تخزين مؤقتة كبيرة، وخطوط معالجة متقدمة، والقدرة على تشغيل أنظمة تشغيل معقدة. وهو يشكل أساس أجهزة الكمبيوتر المدمجة، وأجهزة الكمبيوتر اللوحية، والأنظمة التي تتطلب واجهات غنية أو قدرة معالجة عالية.
Un وحدة التحكم الدقيقة (MCU) يُضحي هذا النظام بقوة المعالجة الخام مقابل التكامل وانخفاض استهلاك الطاقة. وبفضل تضمينه الذاكرة، ووحدات الإدخال/الإخراج، والمؤقتات، ومحول الإشارة التناظرية إلى الرقمية، ومحول الإشارة الرقمية إلى التناظرية، والاتصالات على شريحة واحدة، فإنه يُبسط بشكل كبير تصميم أنظمة التحكم، وأجهزة الاستشعار، والروبوتات الصغيرة، وأجهزة القياس، والإلكترونيات الاستهلاكية.
الكثير DSP (معالج الإشارة الرقمية) هذه معالجات مُحسَّنة للمعالجة المكثفة للإشارات الرقمية: الصوت والفيديو والرادار والاتصالات السلكية واللاسلكية وما إلى ذلك. تم تصميم بنيتها لعمليات MAC (الضرب والتجميع) السريعة، والاستخدام الفعال للذاكرة، وخطوط الأنابيب المصممة خصيصًا لخوارزميات التصفية والتحويل.
ال التصميم بما تمثل هذه التقنية نهجًا مختلفًا: فهي عبارة عن مصفوفات من وحدات المنطق القابلة للبرمجة وموارد الربط البيني التي تتيح تنفيذ أجهزة مخصصة دون الحاجة إلى تصنيع شريحة محددة. تُعرَّف الدوائر باستخدام لغات وصف الأجهزة (HDLs)، ويتم تكوين وحدة FPGA لمحاكاة المعالجات أو وحدات التحكم أو المرشحات الرقمية أو غيرها من الوحدات.
على المدى نظام على رقاقة (SoC) هو مصطلح واسع النطاق، ويُستخدم غالبًا لوصف الرقاقات التي تدمج وحدة معالجة مركزية (أو عدة وحدات)، وذاكرة، ووحدات طرفية، ووحدات تحكم في الاتصالات، وأحيانًا وحدات FPGA أو DSP، كل ذلك في حزمة واحدة. يمكن اعتبار العديد من وحدات التحكم الدقيقة المتقدمة ومعالجات التطبيقات الحديثة أنظمة على رقاقة (SoCs)، مثل بعض وحدات المعالجة المركزية التجارية RISC-V.
منصات التطوير: أردوينو، راسبيري باي، ومجموعات التطوير
ولتسهيل التصميم والتجريب، هناك لوحات التطوير أو مجموعات التطويرهذه لوحات تقوم بدمج وحدة التحكم الدقيقة المستهدفة أو المعالج الدقيق أو FPGA مع المكونات اللازمة لتشغيلها وسلسلة من واجهات الاختبار (الموصلات، ومصابيح LED، والأزرار، وأجهزة الاستشعار النموذجية، وما إلى ذلك).
المثال الأكثر شيوعًا لمنصة تعتمد على المتحكمات الدقيقة هو اردوينوعلى مستوى الأجهزة، فإن لوحة أردوينو هي في الأساس وحدة تحكم دقيقة تحتوي على كل ما هو ضروري للعمل: تنظيم الجهد، والبلورة أو المذبذب، والدبابيس التي يمكن الوصول إليها، وفي العديد من الطرازات، واجهة USB مدمجة.
تكمن أعظم نقاط قوة أردوينو في نظامها البيئي البرمجي: فهو يوفر بيئة تطوير متكاملة (IDE) وطبقة تجريدية يُسهّل هذا الأمر بشكل كبير عملية تجميع البرامج الثابتة وتحميلها والوصول إلى الأجهزة الطرفية. ونتيجة لذلك، اعتمده آلاف الطلاب والمبتكرين والمهنيين لإنشاء نماذج أولية سريعة للأنظمة المدمجة.
وعلاوة على ذلك، فطيرة التوت إنه حاسوب أحادي اللوحة (SBC)، أي حاسوب كامل على لوحة واحدة: معالج قوي، وذاكرة وصول عشوائي (RAM)، ووحدة تخزين خارجية، واتصال شبكي، ومنافذ USB، ومنفذ HDMI، إلخ. ويعمل عادةً بأنظمة تشغيل لينكس (مثل Raspbian) ويتيح تطوير التطبيقات التي تتطلب ذلك. المزيد من موارد الحوسبة، أو واجهة رسومية، أو الاستخدام المكثف للشبكات.
تجمع العديد من المشاريع بين العالمين: أ وحدة تحكم دقيقة بسيطة للتحكم في الوقت الحقيقي على مستوى منخفض (قراءة سريعة للمستشعرات، وتعديل عرض النبضة للمحركات) وجهاز Raspberry Pi أو أي جهاز كمبيوتر لوحي أحادي اللوحة آخر للطبقة العليا (واجهة المستخدم، واتصالات بروتوكول الإنترنت، وتسجيل البيانات، والذكاء الاصطناعي). وتُكمل وحدات FPGA وغيرها من مجموعات التطوير نطاق الخيارات حسب مدى تعقيد التطبيق.
تاريخ وتطور البرمجيات للأنظمة المدمجة
أدخلت الأنظمة المدمجة الأولى، وخاصة في مجال الاتصالات (المفاتيح الكهروميكانيكية في الستينيات)، فكرة "أنظمة التحكم في البرامج المخزنة"بدلاً من توصيل المنطق بالأجهزة، تم نقله إلى برنامج، وهو ما يمثل تغييراً جذرياً في المرونة.
في ذلك الوقت كانت أدوات التطوير بدائية للغايةكانت مترجمات لغات البرمجة عالية المستوى نادرة، وكان كل شيء تقريبًا يُنفذ بلغة التجميع. أعاد كل مشروع كتابة جزء كبير من البرنامج من الصفر، مع إعادة استخدام ضئيلة جدًا، وبدون مكتبات قياسية تقريبًا.
فكرة إنشاء مكتبات وأنظمة تشغيل قابلة لإعادة الاستخدام خاصة بالأنظمة المدمجةومع ذلك، فإن العديد من أنظمة التشغيل تلك كانت مكتوبة بلغة التجميع ولم تكن قابلة للنقل بشكل كبير: فعندما يتغير المعالج الدقيق، يجب إعادة كتابة نظام التشغيل والتطبيقات.
مع ظهور لغة C ونضوجها، انفتح الباب أمام أنظمة تشغيل فعالة ومستقرة وقابلة للنقليُعد نظام لينكس المثال الأكثر وضوحًا، ولكنه ليس المثال الوحيد. فمنذ ثمانينيات القرن الماضي، ظهرت مجموعة واسعة من أنظمة التشغيل للأنظمة المدمجة، سواء كانت احتكارية أو مفتوحة المصدر.
اليوم نجد من نظام RTOS خفيف الوزن (VxWorks، وpSOS، وNucleus، وFreeRTOS، وμC/OS-II) يشمل ذلك الإصدارات المدمجة من الأنظمة الأكبر حجماً (Windows CE، وQNX، وEmbedded Linux). مع ذلك، لا تزال العديد من الأنظمة البسيطة لا تستخدم نظام تشغيل، بل تعمل على حلقة رئيسية مُهيكلة باستخدام المقاطعات.
أنظمة الوقت الحقيقي وأنظمة التشغيل في الوقت الحقيقي
Un نظام الوقت الحقيقي إنها مؤسسة يجب أن تستجيب للأحداث الخارجية ضمن أطر زمنية محددة بدقة. لا يقتصر الأمر على "السرعة" فحسب، بل يتعلق بضمان إتمام عمليات معينة قبل موعد نهائي معروف.
يتم التمييز تقليدياً بين فئتين: الوقت الحقيقي الناعم y الوقت الحقيقي الصعبفي الأنظمة المرنة، قد يؤدي التأخير العرضي في إنجاز المهام إلى تراجع الأداء (على سبيل المثال، تأخير طفيف في صوت الحاسوب). أما في الأنظمة الصلبة، فقد يؤدي التأخير إلى عطل حرج أو عواقب وخيمة (مثل تعطل نظام التحكم في الطيران أو نظام الفرامل في الطائرة).
مع ازدياد تعقيد البرمجيات، يصبح الحفاظ على هذا التزامن الزمني باستخدام حلقة تحكم بسيطة أمرًا بالغ الصعوبة. لذلك، في الأنظمة المعقدة، ... نظام التشغيل في الوقت الحقيقي (RTOS) والتي توفر جدولة المهام، وإدارة الانقطاعات، وقوائم الانتظار، والإشارات، والمؤقتات، وغيرها من الخدمات.
يُسهّل نظام التشغيل في الوقت الحقيقي (RTOS) التنفيذ المتزامن لمهام متعددة (قراءة المستشعرات، والاتصالات، وواجهة المستخدم، وتسجيل البيانات، وما إلى ذلك) مع تحقيق قيود مؤقتة صارمةبالإضافة إلى ذلك، تقوم العديد من أنظمة التشغيل في الوقت الحقيقي بدمج حزم الاتصالات (TCP/IP، CANopen، Modbus، إلخ) التي تبسط عملية دمج الشبكة.
يحتل نظام لينكس المدمج مكانة خاصة: فهو يستخدم نفس نواة لينكس ولكن تم تعديلها وتقليصها وتحسينها صُمم هذا البرنامج ليعمل على الأجهزة ذات الموارد المحدودة. وبحسب الحالة، يمكن تزويده بامتدادات تعمل في الوقت الفعلي أو استخدامه في التطبيقات التي لا يُعد فيها التوقيت عاملاً حاسماً.
تصنيف الأنظمة المدمجة
يمكننا تصنيف الأنظمة المدمجة بعدة طرق. إحدى أكثر الطرق شيوعًا هي تصنيفها وفقًا لـ متطلبات الأداء والوظائف في:
من ناحية لدينا الأنظمة المدمجة في الوقت الحقيقيهذه الأنظمة، التي سبق أن ناقشناها، يمكن أن تكون مرنة أو صارمة، وذلك بحسب أهمية الالتزام بالمواعيد النهائية بدقة. مثال على نظام مرن هو نظام الصوت في جهاز الكمبيوتر الشخصي؛ ومثال على نظام صارم هو نظام التحكم في الطيران في الطائرة.
هناك أيضا الأنظمة المدمجة المستقلةلا تتطلب هذه الأجهزة حاسوبًا مضيفًا لأداء وظيفتها. فهي تعمل بشكل مستقل وتنفذ مهامها باستخدام وحدة المعالجة المركزية والذاكرة ووحدات الإدخال/الإخراج الخاصة بها: ومن الأمثلة الجيدة على ذلك فرن الميكروويف، والغسالة، وجهاز ألعاب الفيديو.
الكثير الأنظمة المدمجة في الشبكة تتصل هذه الأجهزة بشبكة سلكية أو لاسلكية (شبكة محلية، شبكة واسعة، واي فاي، شبكات الهاتف المحمول) للتفاعل مع أجهزة أو خدمات أخرى. ومن الأمثلة الشائعة على ذلك أجهزة الصراف الآلي، وأنظمة أمن المنازل المتصلة بالإنترنت، وآلات البيع الذكية.
أخيرًا ، هناك أنظمة الهواتف المحمولة المدمجةصغيرة الحجم، محمولة، ومصممة لمرافقة المستخدم: الكاميرات الرقمية، والهواتف المحمولة، والساعات الذكية، وأجهزة تتبع النشاط، وما إلى ذلك. عادة ما تكون محدودة للغاية في الذاكرة واستهلاك الطاقة، ولكن يجب أن توفر واجهات سهلة الاستخدام وخيارات اتصال متنوعة.
أمثلة على تطبيقات عملية في العالم الحقيقي
قائمة الأمثلة الواقعية لا حصر لها عمليًا، ولكن يجدر استعراض بعض الأنواع التمثيلية للاطلاع عليها. كيف تؤثر الأنظمة المدمجة على العديد من جوانب الحياة الحديثة.
في المجال المنزلي، أنظمة تدفئة مركزية تستخدم هذه الأنظمة وحدات تحكم مدمجة لتنظيم درجة الحرارة عبر منظمات حرارة ذكية، تعمل على الغلايات أو المضخات أو الصمامات. وهذا يتيح الراحة وتوفير الطاقة والتحكم عن بعد.
El تحديد المواقع GPS وهو يدمج جهاز استقبال مع نظام مدمج يقوم بمعالجة إشارات الأقمار الصناعية، وحساب الموقع والسرعة والوقت، وعرض المعلومات في أنظمة الملاحة بالسيارات أو الهواتف المحمولة أو الأجهزة المحمولة باليد.
الكثير أجهزة طبية وهي مجال رئيسي آخر: أجهزة تنظيم ضربات القلب، وأجهزة إزالة الرجفان القابلة للزرع، ومضخات الأنسولين، وأجهزة مراقبة العلامات الحيوية تستخدم أنظمة مدمجة لمعالجة بيانات المستشعرات، واتخاذ القرارات الحاسمة، وفي كثير من الحالات، إرسال المعلومات إلى السحابة للمراقبة عن بعد.
في صناعة السيارات، يتم التحكم في السيارة بأكملها تقريبًا بواسطة أجهزة تحكم: وحدة إدارة المحرك، أنظمة منع انغلاق المكابح، نظام التحكم في الجر، الوسائد الهوائية، نظام التوجيه المعزز آلياً، أنظمة الترفيه، نظام الملاحة، أنظمة مساعدة القيادة (ADAS)، إلخ. يمكن أن تحتوي السيارة الحديثة على العشرات أو حتى أكثر من مائة وحدة تحكم دقيقة.
نجد في وسائل النقل العام أنظمة من تحصيل الرسوم التلقائي (AFC) مع آلات البيع، وأجهزة التحقق، وبوابات الدخول، والبطاقات الذكية. يدمج كل عنصر نظامًا واحدًا أو أكثر من الأنظمة المدمجة التي تدير المدفوعات، والتحقق من صحة البيانات، والاتصالات الخلفية، وأمن البيانات.
الكثير أجهزة الصراف الآلي (ATM) يجمع هذا النظام بين حاسوب مدمج متصل بشبكة البنك ووحدات خاصة لقراءة البطاقات، ولوحة مفاتيح آمنة، وجهاز صرف واستلام النقود. يدير النظام المدمج التفاعل بين المستخدم والجهاز، بينما يقوم خادم البنك بالتحقق من صحة المعاملات وتسجيلها.
في الصناعة، روبوتات المصانع تستخدم هذه الأنظمة وحدات تحكم متكاملة تُنسق عمل المشغلات، وأجهزة استشعار المواقع، وأنظمة الرؤية، والاتصالات مع عناصر المصنع الأخرى. ويجب أن تكون هذه الأنظمة سريعة ودقيقة وآمنة، وهي تدمج بشكل متزايد خوارزميات الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي.
ومن الأمثلة الحالية الأخرى ما يلي: محطات شحن للسيارات الكهربائيةوالتي تتضمن وحدات تحكم لإدارة الحمولة، والتفاعل مع المركبة، وعرض المعلومات على الشاشات، والتواصل مع منصات الإدارة، والإبلاغ عن الأعطال أو احتياجات الصيانة.
وأخيرا، فإن أكشاك تفاعلية وآلات الخدمة الذاتية (في المطارات ومراكز التسوق والمستشفيات والإدارات العامة وما إلى ذلك) دمج أجهزة الكمبيوتر المدمجة أو أنظمة SoC المتقدمة التي تدير شاشات اللمس وأنظمة الدفع وطابعات التذاكر واتصالات الشبكة لتقديم خدمات على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع.
الأهمية الصناعية ومزايا الأنظمة المدمجة
في البيئة الصناعية، تُعد الأنظمة المدمجة أساسًا لـ أتمتة العمليات ومراقبتها والتحكم بهاتتيح لك هذه الأنظمة إدارة خطوط الإنتاج والأفران والمحركات والروبوتات وأنظمة التعبئة والتغليف والخدمات اللوجستية الداخلية وغير ذلك الكثير.
بالمقارنة مع الحلول العامة، يوفر النظام المدمج المصمم جيدًا تنفيذ مهام التحكم والأتمتة بدقة عاليةأوقات استجابة سريعة للغاية وموثوقية هائلة، من خلال التركيز على وظيفة محددة جيدًا.
إن العمل باستخدام أجهزة مخصصة وبرامج محسّنة يعني أنه يمكنك حل المشكلات باستخدام خوارزميات محددة، مما يحقق أقصى استفادة من إمكانيات المعالج وبنية الذاكرة والأجهزة الطرفية المتاحة.
علاوة على ذلك، فإن هذه الأنظمة عادة ما تكون أكثر اقتصادية وأكثر إحكاما بدلاً من تجميع جهاز كمبيوتر تقليدي وملحقات عامة: من خلال التخلص من فتحات التوسعة غير الضرورية وتعديل الأجهزة فقط وفقًا لما يحتاجه التطبيق، يتم تقليل الحجم والتكلفة والاستهلاك.
يسمح التصميم المعياري والاتصال العالي للمصنع الصناعي بربط العديد من الأجهزة المدمجة، مما يؤدي إلى إنشاء شبكات من أجهزة الاستشعار والمشغلات وأجهزة التحكم التي تسهل المراقبة في الوقت الفعلي والتتبع والصيانة التنبؤية.
التدريب والمهارات في الأنظمة المدمجة
نظراً لثقلها في الصناعة والتكنولوجيا الحالية، فإن العديد من تُخصص شهادات الماجستير والدورات الجامعية للأنظمة المدمجةيهدف هذا البرنامج إلى تمكين المهندس المستقبلي ليس فقط من البرمجة، بل أيضاً من امتلاك فهم شامل للأجهزة والبرامج والاتصالات ومعايير التصميم.
تغطي هذه البرامج مواضيع مثل: مقدمة في الأنظمة المدمجة، وحدات التحكم الدقيقة، ومعالجات الإشارات الرقمية (DSPs)، وأنظمة على رقاقة (SoCs)بالإضافة إلى ذلك، يتم العمل العملي باستخدام أجهزة المحاكاة، ولوحات التطوير الخاصة (على سبيل المثال من شركة Microchip)، وArduino أو منصات أخرى.
من المتوقع أن يطور الطالب مهارات مثل اختر وحدة التحكم الدقيقة أو معالج الإشارات الرقمية الأنسب للتطبيق، تفسير بيانات مصنعي أشباه الموصلات، وتصميم مخططات لوحات الدوائر الإلكترونية، والتعامل مع تحويل الإشارات التناظرية إلى رقمية والرقمية إلى تناظرية، أو تطبيق تقنيات معالجة الإشارات الرقمية.
من الناحية المنهجية، تعتمد هذه المواضيع عادةً على منصات التعلم الافتراضيةتحتوي هذه المنصة على مواد نظرية، وأدلة عملية، وبيانات للأنشطة، ومنتديات للدروس الخصوصية. ويعتمد التقييم غالبًا على الأنشطة العملية (PEC) ومشاريع تصميم الأنظمة المدمجة الكاملة.
تُستكمل المحتويات بقائمة مراجع متخصصة، مع إمكانية الوصول إلى مجموعات من الكتب الإلكترونية (O'Reilly, Springer, Elsevier) والوثائق الفنية من الشركات المصنعة مثل Microchip و Texas Instruments و Arduino و Raspberry Pi أو أدوات مثل Proteus و Matlab/Simulink.
لينكس المدمج وخيارات أنظمة التشغيل الأخرى
عندما يتطلب التطبيق ذلك، يمكن للنظام المدمج تنفيذ نظام تشغيل شبه كاملفي عالم أنظمة التشغيل في الوقت الحقيقي، هناك VxWorks و QNX و Nucleus و pSOS و FreeRTOS وغيرها، المصممة للتحكم الدقيق في الوقت الحقيقي.
في حالات أخرى يكون من المفيد استخدام لينكس المدمجوهو ليس أكثر من مجرد نسخة من نظام لينكس مُكيّفة للموارد المحدودة: يتم حذف الخدمات، وتعديل النواة، وتضمين المكونات الأساسية فقط للجهاز المستهدف.
يحتفظ نظام لينكس المدمج بنفس نواة نظام لينكس المكتبي، ولكن مع حجم أصغر، واستهلاك أقل لوحدة المعالجة المركزية والذاكرة ومجموعة من الوظائف المصممة خصيصًا للتطبيق. عادةً ما يتم إنشاء صور مخصصة تتضمن بالضبط برامج التشغيل والمكتبات والتطبيقات المطلوبة.
الميزة الرئيسية هي ذلك البرنامج قابل لإعادة الاستخدام عبر مختلف المنصات.حتى مع تغير المكونات المادية الأساسية، يمكن نقل جزء كبير من الكود مع تعديلات طفيفة. وهذا يختلف عن الأنظمة القديمة القائمة على لغة التجميع، حيث كان انتهاء عمر المعالج الدقيق يعني إعادة كتابة كل شيء.
في الوقت نفسه، لا تزال الأنظمة التي لا تحتوي على أنظمة تشغيل مخصصة موجودة، خاصة في وحدات التحكم الدقيقة الصغيرة، حيث تتحكم حلقة رئيسية منظمة جيدًا وعدد قليل من المقاطعات في النظام بأكمله بأقل تكلفة وتعقيد.
تطوير البرمجيات المدمجة والملفات الشخصية المهنية
الكثير مطورو برامج الأنظمة المدمجة إنهم يعملون بشكل وثيق مع الأجهزة: فهم يقومون بتهيئة سجلات الأجهزة الطرفية، وتحسين الإجراءات الحرجة، وإدارة المقاطعات، وفي كثير من الحالات، يعتنون بالاستهلاك وإدارة الطاقة وبدء التشغيل على مستوى منخفض.
تاريخياً، كانت اللغة السائدة هي Cتُكمَّل لغة التجميع بلغة C++ في الأجزاء الأكثر أهمية. ومع مرور الوقت، اكتسبت C++ مكانة بارزة بفضل طبيعتها المعيارية والقابلة لإعادة الاستخدام، شريطة استخدامها بطريقة مُحكمة لتجنب الاستهلاك المفرط للموارد.
ومن المثير للاهتمام أن اللغات "الأعلى" مثل لقد وجدت لغتا بايثون وجافا سكريبت مكانتهما المناسبة في بعض البيئات المدمجة، وخاصة عند التشغيل على أنظمة لينكس المدمجة أو أجهزة الكمبيوتر أحادية اللوحة ذات الموارد الأكبر، وعندما يكون من المهم تسريع التطوير على حساب التحسين الأمثل.
يشمل العمل المعتاد ما يلي: برامج تشغيل الأجهزة وطبقات تجريد الأجهزة يشمل ذلك بروتوكولات الاتصال، وخوارزميات التحكم، وواجهات المستخدم، ومنطق التطبيق. وتُحدث جودة التصميم فرقًا كبيرًا في متانة المنتج، وسهولة صيانته، وقابليته للتوسع.
تختار العديد من الشركات الاستعانة بمصادر خارجية لجزء من تطوير البرمجيات المدمجة إلى الفرق المتخصصة في لغات C/C++ و RTOS و Linux المدمج والمنصات المحددة، خاصة عندما لا يمتلكون تلك المعرفة داخليًا أو عندما تكون المواعيد النهائية ضيقة للغاية.
في ضوء كل ما سبق، يتضح أن الأنظمة المدمجة هي العمود الفقري غير المرئي للتكنولوجيا الحديثة: فهي تجمع بين مكونات مادية محددة، وبرامج محسّنة، وتقنيات اتصالات، وتحكم في الوقت الفعلي. لإحياء منتجات آمنة وفعالة وسهلة الوصول، وتمثيل مجال مهني ذي إمكانات هائلة لأولئك الذين يتقنون كلاً من الإلكترونيات والبرمجة منخفضة المستوى.
