نظام مضمن
النظام المضمن embedded system، هو نظام حاسوب بوظيفة مخصصة ضمن نظام ميكانيكي أو كهربائي أكبر، عادة ما يكون مقيد بحوسبة الزمن الحقيقي.[1][2] وهو مضمن كجزء من جهاز كامل عادة ما يشمل على عتاد وأجزاء ميكانيكية. تتحكم الأنظمة المضمنة في الكثير من الأجهزة الشائعة المستخدمة اليوم.[3] ثمانون بالمائة من جميع المعالجات الدقيقة يتم تصنيعها كمكونات للأنظمة المضمنة.[4]
أمثلة خصائص الحواسب المضمنة التقليدية عند مقارنتها بنظيراتها ذات الأغراض العامة تعتبر أقل استهلاكاً للطاقة، أصغر حجماً، مدى تشغيل صارم، وتكلفة أقل للوحدة. يأتي هذا السعر من موارد المعالجة المحدودة، والتي تجعل من الصعوبة برمجتها والتفاعل معها. ومع ذلك، عن طريق بناء الآليات الذكية على العتاد، مع الاستفادة من المجسات الموجودة المحتملة ووجود شبكة الوحدات المضمنة، يمكن للمرء أن يدير الموارد المتاحة على النحو الأمثل على مستوى الوحدة والشبكة، فضلاً عن توفير وظائف إضافية، بالإضافة للموجودة بالفعل.[5] For example, intelligent techniques can be designed to manage power consumption of embedded systems.[6]
عادة ما تعتمد الأنظمة المضمنة الحديثة على المتحكمات الدقيقة (على سبيل المثال وحدة المعالجة المركزية ذات الذاكرة المدمجة أو الواجهات الطرفية)،[7] لكن المعالجات الدقيقة الاعتيادية (تستخدم الرقائق الخارجية للذاكرة ودوائر الواجهات الطرفية) هي أيضاً شائعة، خاصة في الأنظمة الأكثر تعقيداً. في كلا الحالتين، قد تستخدم المعالجات أنواع تتراوح من الأنواع ذات الغرض العام إلى الأنواع المتخصصة في طراز معين من الحوسبة، أو حتى الأنواع المصممة لتطبيق معين. النوع التقليدي الشائع من المعالجات المخصصة هو معالج الإشارة الرقمية.
حيث أن النظام المضمن مخصص لمهام محددة، يمكن لمهندسي التصميم تحسينه لتقليل الحجم وتكلفة الإنتاج وزيادة الموثوقية والأداء. بعض الأجهزة المضمنة يتم إنتاجها بكميات كبيرة، للاستفادة من وفورات الحجم.
تتعدد الأنظمة المضمنة ما بين الأجهزة المحمولة مثل الساعات الرقمية ومشغلات الصوت الرقمية، إلى التركيبات الثابتة الكبيرة مثل اشارات المرور، أجهزة تحكم المصانع، والأنظمة المعقدة الضخمة مثل المركبات الهجين، التصوير بالرنين المغناطيسي، وإلكترونيات الطيران.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
التطبيقات
غالباً ما تجد الأنظمة المدمجة في:
- في المعامل والمصانع في دارات التحكم بالروبوتات وفي المصانع النووية
- في الشوارع والطرقات كدارات المراقبة ودارات تنظيم المرور
- في الأجهزة المنزلية كالغسالات، والمايكروويف وأجهزة الديجيتال
- أجهزة الهواتف النقالة أو الـ PDA
- أجهزة الإنترنت المحمول والثابت
- المعدات العسكرية مثل أجهزة التحكم بالصواريخ
- أجهزة الاتصالات الحديثة مثل الأقمار الصناعية
- الأجهزة الطبية باختلاف أنواعها
الخصائص
غالبا ما تكون الأنظمة المدمجة مرتبطة مع البيئة من خلال حساسات ومفعلات actuators تتلقى المعطيات من البيئة لتقوم بناء على نتائج معالجة تلك المعطيات بالقيام بوظيفة محددة.
تتسم الأنظمة المدمجة بسمات رئيسة:
أ- يمكن الاعتماد عليها:
1-الوثوقية: هي احتمالية عدم فشل النظام في القيام بالوظيفة الموكلة إليه.
2- قابلية الصيانية: وهي إمكانية إعادة النظام إلى العمل، بعد حصول عطل خلال وقت قصير
3- الإتاحية: هي احتمالية أن النظام متاح في لحظة زمنية ما، ولتحقيق إتاحية عالية، يجب أن يكون كل من الوثوقية وقابلية الصيانة عاليتين.
4- الأمان: أي أن فشل النظام لن يسبب أذى.
5- أمن المعطيات: يكفل النظام بقاءالمعلومات السرية أمنة، كما أن النظام يضمن أي نوع من الاتصالات التي بحاجة إلى تأكيد هوية.
ب- هي أنظمة فعالة:
1- فعالة من حيث الكلفة.
2- فعالة من حيث الوزن: إذ يجب أن تكون أخف ما يمكن.
3- فعالة من حيث الطاقة: يجب أن تستهلك أقل قدر ممكن من الطاقة مع ضمان قيامها بوظيفتها بالشكل المطلوب.
4- فعالة من حيث حجم كود البرنامج: كل التعليمات التي ستنفذ في النظام، يجب أن تكون مخزنة ضمن النظام، والأنظمة المدمجة عادة لا تحوي قرصا صلبا.
5- فعالة من حيث العمل في الزمن الحقيقي: الحد الأدنى من المواد يجب أن يستخدم في تنفيذ الوظيفة المحددة، ويجب أن يلتزم النظام بقيود الزمن الحقيقي، من خلال أقل قدر ممكن من الموادر الفيزيائية وكذلك الحد الأدنى من الطاقة.
ج- هي أنظمة تقوم بعملها خلال الزمن المحدد لإنهاء العمل.
د- هي أنظمة تقوم بوظيفة محددة، أي لا تقوم بوظائف متنوعة.
هـ- وهي أنظمة لا تستخدم - بشكل عام - وحدات التخاطب المألوفة في الحواسيب كالفأرة ولوحة الكتابة والشاشة، بل تستخدم الأزرار ودولاليب تحكم وغيرها، ولذلك لا يلاحظ المستخدم وجود أي نمط للمعالجة المعطيات، ولهذا السبب، تسمى هذه الأنظمة أحيانا بالحواسيب الداخلية.
ح- هي أنظمة هجينة في أغلب الحالات: أي أنها تحوي أجزاء تماثلية وأجزاء رقمية، الأولى تستخدم قيم معطيات تماثلية والثانية قيم معطيات رقمية (متقطعة).
ك- الأنظمة المدمجة عادة ما تكون أنظمة تفاعلية: بمعنى انها تتفاعل مع البيئة، فتبقى مستعدة لإستقبال أي معطيات جديدة من البيئة ومعالجتها ومن ثم توليد خرج مناسب، حسب البرنامج الذي زودت به، فهي دائما في حالة تفاعل مستمر مع البيئة بوتيرة تحددها تلك البيئة.
منهجية التصميم
- وضع خوارزمية للتصميم.
- فهم الخوارزمية يتيح لنا التأكد من عدم إهمال أي شيء أساسي في التصميم.
- اختبار التصميم من خلال أدوات محاكاة ونمذجة برمجية قبل الشروع في تطبيقه.
وهناك إجمالاً طريقتين للتصميم:
- من الأعلى للأسفل: البدء من توصيف مجرد للنظام ومن ثم الانتقال إلى التفصيل شيئا فشيئا.
- من الأسفل للأعلى: البدء اولا بالمكونات البالغة الصغر ومن ثم الانتقال إلى المكونات الأكبر.
- في الواقع نعتمد خليط من الطريقتين حسب الحاجة وما يراه المصمم مناسبا.
أهداف التصميم
- التأكد من قيام البرنامج بوظيفته، ومن عمل لوحات التخاطب بشكل صحيح.
- التأكد من الأداء الجيد للنظام كزمن التنفيذ والسرعة.
- تكاليف التصنيع.
- استهلاك القدرة.
تصنيع النظام المضمن
- تحديد مواصفات النظام مواصفة
- تشكيل النماذج والوحدات
- التصميم المبدئي وتقسيم الوظائف
- مرحلة التجميع وتحسين الأداء
- مرحلة التحقق والإثبات
- مرحلة التنفيذ:
تحديد مواصفات النظام
وتتضمن تحديد الوظائف والمهام المطلوبة من النظام مع وصف واضح ودقيق لكل وظيفة بشكل بعيد عن الغموض، ولا ينبغي أن يفرض شيئا من حيث ألية تنفيذ تلك الوظائف أو المهام.كما يجب أن يتضمن التوصيف ذكرا لكل الشروط الوظيفية والغير الوظيفية المفروض توافرها في ذلك النظام.
تشكيل النماذج والوحدات
هي عملية التصور والتخيل للنظام مع اعادة ترتيب للمرحلة الأولى وفيها يتم إنشاء نموذج الكيان الصلب ونموذج الكيان البرمجي
التصميم المبدئي وتقسيم الوظائف
ولها أسلوبين
- Homogeneous: وفيها يتم تقسيم الوظائف من قبل مصمم النظام
- Heterogeneous: وفيها يتم تقسيم الوظائف في المرحلة السابقة عند تشكيل النماذج
مرحلة التجميع وتحسين الأداء
وفيها يتم تجميع الوظائف مع بعضها البعض ليتم اختبارها في المرحلة اللاحقة كما يتم فيها عملية تحسين للتصميم بشكل عام
مرحلة التحقق والإثبات
وفيها يتم اختبار التصميم عن طريق إحدى بيئات المحاكاة وذلك للتأكد من سلامة التصميم والتأكد من أن النظام يقوم بالوظائف المطلوبة منه كاملة.
مرحلة التنفيذ
وهي المرحلة الأخيرة من مراحل تصنيع الأنظمة المضمنة وفيها يتم بناء النظام بشكله الأخير ثم يختبر بشكل عملي قبل طرحه في الأسواق
السؤال التالي ماذا يمكن ان تحتوي الأنظمة المضمنة ؟
مكونات الأنظمة المضمنة
- وحدات المعالجة المركزية
- وحدات تخزين للمعلومات
- وحدات توقيت وعد
- وحدات التحويل من الإشارات التشابهية إلى الإشارات الرقمية
- وحدات اظهار للنتائج
- وحدات إرسال واستقبال معلومات
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
وحدات المعالجة المركزية
وتقسم وحدات المعالجة المركزية إلى ثلاثة أقسام:
أولا: معالجات وحيدة الهدف: وهي عبارة عن دارة رقمية مصممة لتنفيذ برنامج واحد محدد خصائصها:
- تحتوي فقط على العناصر التي نحتاجها لتنفيذ البرنامج
- لا يوجد فيها ذاكرة
فوائدها:
- السرعة في الأداء
- الطاقة المنخفضة
- الحجم الصغير
ثانيا: معالجات التطبيقات الخاصة:
وهي عبارة عن معالجات قابلة للبرمجة تم تصميمها وتصنيعها من اجل تنفيذ مجموعة محددة من التطبيقات في حالاتها العامة فهي مزيج بين نوعين من المعالجات النوع الأول الذي رأيناه والنوع الثالث الذي سنراه خصائصها:
- تمتلك ذاكرة برامج
- خط معطيات محسن
- وحدات وظائفية محددة
فوائدها:
- مرنة نوعا ما
- أداء جيد
- الحجم الصغير وطاقة منخفضة
ثالثا: معالجات الأهداف العامة:
وهي عبارة عن معالجات قابلة للبرمجة تستخدم وتصنيعها من اجل تنفيذ تطبيقات مختلفة وتعرف بالمعالجات الصغرية خصائصها:
- تمتلك ذاكرة برامج
- خط معطيات عام بالإضافة إلى وجود عدد كبير من المسجلات العامة ووجود وحدة حساب ومنطق عامة أيضا
فوائدها:
- إنتاجها سريع وتكلفة إنتاجها منخفضة
- مرنة بشكل كبير
وكمثال عليها معالجات البنتيوم من شركة انتل
وحدات التوقيت والعد:
وتشمل كافة أنواع العدادات والمؤقتان ويتم استخدامها في الأنظمة المطمورة من اجل تحقيق التزامن في عمل معين
وحدات التحويل من الإشارات التشابهية إلى الإشارات الرقمية والرقمية إلى تشابهية:
وهي من أهم الوحدات التي تتواجد في الأنظمة المطمورة فيها تقوم بتحويل الإشارات التشابهية إلى رقمية وبالعكس وذلك حسب متطلبات الدارات الموضوعة في النظام الرقمي
وحدات الخرج والدخل:
وحدات الخرج لإظهار النتائج والرسائل وكذلك للإعلام بحالات النظام ومن أهم هذه الدارات شاشات الإظهار الكريستالية. لوحات السبع قطع. الليدات وحدات الدخل تستعمل لادخال المعطيات مثل لوحات المفاتيح والحساسات وغيرها
وحدات إرسال واستقبال المعلومات:
ازدات أهمية هذه العناصر خاصة في الآونة الأخيرة حيث أصبح العالم بأكمله يتجه نحو التقنيات اللاسلكية ومن أهم هذه الدارات مرسلات ومستقبلات البلوتوث ومرسلات ومستقبلات الإشارات الراديوية.
انظر أيضاً
الهوامش
المصادر
- ^ Michael Barr. "Embedded Systems Glossary". Neutrino Technical Library. Retrieved 2007-04-21.
- ^ Heath, Steve (2003). Embedded systems design. EDN series for design engineers (2 ed.). Newnes. p. 2. ISBN 978-0-7506-5546-0.
An embedded system is a microprocessor based system that is built to control a function or a range of functions.
- ^ Michael Barr; Anthony J. Massa (2006). "Introduction". Programming embedded systems: with C and GNU development tools. O'Reilly. pp. 1–2. ISBN 978-0-596-00983-0.
- ^ Barr, Michael (1 August 2009). "Real men program in C". Embedded Systems Design. TechInsights (United Business Media). p. 2. Retrieved 2009-12-23.
- ^ C.Alippi: Intelligence for Embedded Systems. Springer, 2014, 283pp, ISBN 978-3-319-05278-6.
- ^ S. Mittal, "A survey of techniques for improving energy efficiency in embedded computing systems", IJCAET, 6(4), 440–459, 2014.
- ^ Giovino, Bill. "Micro controller.com – Embedded Systems supersite".
- ^ Electronic Voting Machine Information Sheet Accupoll AVS 1000
قراءات إضافية
- John Catsoulis (May 2005). Designing Embedded Hardware, 2nd Edition. O'Reilly. ISBN 0-596-00755-8.
- James M. Conrad; Alexander G. Dean (September 2011). Embedded Systems, An Introduction Using the Renesas RX62N Microcontroller. Micrium. ISBN 978-1935-7729-96.
- Klaus Elk (August 2016). Embedded Software Development for the Internet Of Things, The Basics, The Technologies and Best Practices. ISBN 978-1534602533.
وصلات خارجية
- Embedded Systems course with mbed YouTube, ongoing from 2015
- Trends in Cyber Security and Embedded Systems Dan Geer, November 2013
- Modern Embedded Systems Programming Video Course YouTube, ongoing from 2013
- Embedded Systems Week (ESWEEK) yearly event with conferences, workshops and tutorials covering all aspects of embedded systems and software
- Workshop on Embedded and Cyber-Physical Systems Education, workshop covering educational aspects of embedded systems