Hệ thống nhúng là gì?
Một hệ thống nhúng có thể được xem là một hệ thống phần cứng máy tính có phần mềm được nhúng trong nó phục vụ cho một tác vụ cụ thể. Một hệ thống nhúng có thể là một hệ thống độc lập (ví dụ đồng hồ, máy giặt…) hoặc nó có thể là một phần của một hệ thống lớn (ví dụ hệ thống chống bó cứng phanh trên ô tô, bộ định tuyến trong hệ thống viễn thông…).
Vì hệ thống nhúng được sử dụng riêng cho các tác vụ cụ thể, các kỹ sư thiết kế có thể tối ưu hóa để giảm kích thước và giá thành của sản phẩm và tăng độ tin cậy và hiệu suất.
Độ phức tạp của hệ thống nhúng thay đổi từ thấp, với một chip vi điều khiển duy nhất, đến rất cao với nhiều đơn vị, thiết bị ngoại vi và mạng được gắn trên giá đỡ thiết bị lớn.
Lịch sử phát triển
Vào năm 1960 tại MIT – Viện Công nghệ Massachusetts – hệ thống nhúng được Charles Stark Draper sử dụng lần đầu tiên để phát triển Hệ thống dẫn đường Apollo; hệ thống này thường được sử dụng và cải tiến trong rất nhiều nhiệm vụ không gian của NASA.
Năm 1965, Autonetic, hiện là một phần của Boeing, đã phát triển D-17B, máy tính được sử dụng trong hệ thống dẫn đường tên lửa Minuteman I. Nó được công nhận là hệ thống nhúng được sản xuất hàng loạt đầu tiên.
Những năm cuối thập kỷ 60 và đầu thập kỷ 70, với mật độ tích hợp tăng và giá thành giảm, mạch tích hợp cỡ lớn (LSI) đã thúc đẩy sự phát triển của hệ thống nhúng. Việc ứng dụng chip MOS LSI vào điện toán là cơ sở cho các bộ vi xử lý đầu tiên, khi các kỹ sư bắt đầu nhận ra rằng một hệ thống xử lý máy tính hoàn chỉnh có thể được chứa trên một số chip MOS LSI.
Năm 1968, đã có hệ thống nhúng đầu tiên cho ô tô; Volkswagen 1600 đã sử dụng bộ vi xử lý để điều khiển hệ thống phun xăng điện tử.
Năm 1971 Intel cho ra đời bộ vi xử lý thương mại đầu tiên, Intel 4004; bộ vi xử lý 4 bit này được sử dụng với cùng với các chip nhớ và giao tiếp vào ra bên ngoài, để thiết kế máy tính (calculator) và các thiết bị điện tử nhỏ.
Intel 8008 8 bit, được phát hành năm 1972, Intel 8080 theo sau vào năm 1974 và tiếp theo họ x86, được phát hành vào năm 1978 và phần lớn vẫn được sử dụng cho đến ngày nay.
Cũng vào năm 1971, Texas Instruments phát triển bộ vi điều khiển đầu tiên, họ TMS1000, được tung ra thị trường vào năm 1974, chứa bộ xử lý 4 bit, bộ nhớ chỉ đọc (ROM) và bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM).
Năm 1987, hệ điều hành nhúng đầu tiên, VxWorks thời gian thực, được phát hành bởi Wind River, tiếp theo là Windows Embedded CE của Microsoft vào năm 1996. Đến cuối những năm 1990, các sản phẩm nhúng Linux đầu tiên bắt đầu xuất hiện. Ngày nay, Linux được sử dụng trong hầu hết các thiết bị nhúng.
Các thành phần của hệ thống nhúng
Một hệ thống nhúng có ba thành phần:
– Phần cứng;
– Phần mềm ứng dụng;
– Hệ điều hành thời gian thực (RTOS) giám sát phần mềm ứng dụng và cung cấp cơ chế cho phép bộ xử lý chạy một quy trình theo lịch trình bằng cách tuân theo kế hoạch kiểm soát độ trễ. RTOS định nghĩa cách thức hoạt động của hệ thống. Nó đặt ra các quy tắc trong quá trình thực thi chương trình ứng dụng.
Một hệ thống nhúng quy mô nhỏ có thể không có RTOS.
Đặc điểm của một hệ thống nhúng
– Đơn chức năng – Một hệ thống nhúng thường thực hiện một hoạt động chuyên biệt. Ví dụ: Máy nhắn tin, máy thu GPS…
– Bị ràng buộc chặt chẽ – Tất cả các hệ thống máy tính đều có các ràng buộc về số liệu thiết kế, nhưng các các số liệu này trên một hệ thống nhúng có thể đặc biệt chặt chẽ. Chẳng hạn yêu cầu một hệ thống nhúng có kích thước bằng một con chip, đủ nhanh để xử lý dữ liệu trong thời gian thực và tiêu thụ năng lượng tối thiểu để kéo dài tuổi thọ pin.
– Khả năng đáp ứng thời gian thực – Nhiều hệ thống nhúng phải liên tục phản ứng với những thay đổi trong môi trường của hệ thống và phải tính toán một số kết quả nhất định trong thời gian thực mà không có bất kỳ sự chậm trễ nào. Ví dụ bộ điều khiển hành trình xe hơi liên tục theo dõi và phản ứng với các cảm biến tốc độ và phanh; phải tính toán gia tốc hoặc giảm tốc liên tục trong một thời gian giới hạn; một tính toán chậm trễ có thể dẫn đến việc không kiểm soát được chiếc xe.
Ứng dụng của hệ thống nhúng
Hệ thống nhúng thường được tìm thấy trong các ứng dụng thương mại, công nghiệp, quân sự. y tế và sản phẩm gia dụng.
Tất cả đều sử dụng các thiết bị nhúng để cảm biến và điều khiển.
Xu hướng phát triển
Ngành công nghiệp cho các hệ thống nhúng dự kiến sẽ tiếp tục phát triển nhanh chóng, được thúc đẩy bởi sự phát triển liên tục của Trí tuệ nhân tạo (AI – Artificial Intelligence), Thực tế ảo (VR – Virtual reality) và Thực tại tăng cường (AR – Augmented reality), học máy (Machine learning), học sâu (Deep learning) và Internet vạn vật (IoT – Internet of things).
Theo báo cáo năm 2018 do QYResearch công bố, thị trường toàn cầu cho ngành công nghiệp hệ thống nhúng được định giá 68,9 tỷ đô la trong năm 2017 và dự kiến sẽ tăng lên 105,7 tỷ đô la vào cuối năm 2025.
Hệ thống nhúng trong các chương trình đào tạo của Học viện
Tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, Hệ thống nhúng được triển khai giảng dạy ở các ngành Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử, Công nghệ internet vạn vật (IoT), Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa, Kỹ thuật điện tử viễn thông, An toàn thông tin và Công nghệ thông tin.
Sinh viên được trang bị những kiến thực cơ bản về hệ thống nhúng, phương pháp phân tích và kiểm tra hệ thống, các hệ điều hành thời gian thực; các mô hình thiết kế hệ thống nhúng, và các phương pháp thiết kế các thành phần cấu thành của hệ thống nhúng. Qua đó giúp sinh viên có khả năng phát triển các hệ thống nhúng với sự tối ưu kể cả phần cứng và phần mềm.
Đặc biệt ở ngành Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử, sinh viên còn phải thực hiện Đồ án thiết kế hệ thống nhúng, giúp sinh viên có cơ hội nâng cao khả năng phân tích, tổng hợp, thiết kế hệ thống nhúng dựa trên các kit vi điều khiển sẵn có trong phòng thí nghiệm của Khoa Kỹ thuật điện tử. Sinh viên được hướng dẫn phương pháp phân tích, tổng hợp các yêu cầu thiết kế; từ đó sẽ tự đề ra phương án và triển khai thiết kế hệ thống nhúng đáp ứng yêu cầu thực tiễn.