Hệ thống nhúng là gì? Thời gian gần đây, trong lĩnh vực công nghệ hay sản xuất, đây là thuật ngữ được quan tâm nhiều nhất song hành cùng IoT. Vậy hai thuật ngữ này là gì? Lịch sử phát triển ra sau và có ứng dụng gì trong cuộc sống? Cùng IPC247 tìm hiểu ngay qua bài viết dưới đây.
1. Hệ thống nhúng là gì?
Hệ thống nhúng (tiếng Anh: Embedded System) là thuật ngữ chỉ về một hệ thống được tích hợp tính năng tự trị được nhúng vào hệ thống mẹ hoặc một môi trường lớn hơn.
Hệ thống nhúng được trang bị cả phần cứng lẫn phần mềm nhằm thực hiện những tác vụ nhất định. Đây là “cánh tay đắc lực” trong ngành công nghiệp tự động hoá, quan trắc và truyền tin. Thường được thiết kế với một chức năng cụ thể hoặc một số chức năng được yêu cầu bởi các thiết bị và không thể hoạt động linh hoạt. Tối ưu hóa cả về kích thước và chi phí, hệ thống nhúng có đặc điểm hoạt động ổn định và tự động hóa cao.
Embedded System được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Đây là giải pháp cho vấn đề hệ thống giao thông thông minh, quản lý kho hàng thông minh, giải pháp IoT, máy móc thông minh,…
Điểm đặc biệt ở các hệ thống nhúng đó chính là khả năng làm việc tuyệt vời trong các môi trường khắc nghiệt bao gồm môi trường ẩm ướt, nhiệt độ cao, chịu áp lực rung lắc lớn. Theo đó, hệ thống nhúng có thể làm việc trong môi trường khắc nghiệt từ âm 35 độ đến 70 độ vẫn hoạt động tốt. Với khả năng hoạt động ổn định và bền bỉ này, hệ thống nhúng liên tục giúp vận hành máy móc hoặc giám sát để tránh tối đa tình trạng máy dừng đột ngột trong khi đang hoạt động.
Bạn có thể dễ dàng bắt gặp hệ thống nhúng trong cuộc sống thường nhật của chúng ta. Đó có thể là những chiếc máy phát nhạc MP3 hoặc hệ thống đèn giao thông trên đường chúng ta đi.
2. Lịch sử hình thành Hệ thống nhúng
Lịch sử của hệ thống nhúng bắt đầu từ những năm 1960 với sự phát triển của Charles Stark Draper, người đã phát triển mạch tích hợp vào năm 1961 để giảm kích thước và trọng lượng của hệ thống máy tính điều khiển tàu Apollo (AGC – Apollo Guidance Computer). Đây là hệ thống kỹ thuật số được cài đặt trên module lệnh Apollo và module Mặt trăng, và là máy tính đầu tiên sử dụng vi mạch, giúp phi hành gia thu thập dữ liệu chuyến bay theo thời gian thực.
Năm 1965, Autonetics, hiện là bộ phận của Boeing, đã phát triển D-17B, một hệ thống nhúng được sử dụng trong hệ thống dẫn đường tên lửa Minuteman I. D-17B được công nhận rộng rãi là hệ thống nhúng đầu tiên được sản xuất hàng loạt.
Khi Minuteman II được sản xuất năm 1966, D-17B đã được thay thế bằng hệ thống dẫn đường tên lửa NS-17, được biết đến với việc sử dụng khối lượng lớn các vi mạch tích hợp.
Năm 1968, hệ thống nhúng đầu tiên cho một chiếc xe được phát hành, Volkswagen 1600 đã sử dụng một bộ vi xử lý để điều khiển hệ thống phun xăng điện tử.
Vào cuối những năm 1960 và đầu những năm 1970, giá của các mạch tích hợp giảm xuống và việc sử dụng tăng lên. Bộ vi điều khiển đầu tiên được Texas Instruments phát triển vào năm 1971. Dòng TMS1000, được bán trên thị trường vào năm 1974, chứa bộ xử lý 4 bit, bộ nhớ chỉ đọc (ROM) và bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM), và nó có giá khoảng 2 đô la từng đơn đặt hàng số lượng lớn.
Năm 1971, Intel đã phát hành bộ xử lý thương mại đầu tiên, 4004, được thiết kế để sử dụng trong máy tính và thiết bị điện tử nhỏ.
Tiếp đó là Intel 8008 vào năm 1972, và Intel 8080 vào năm 1974, với bộ nhớ tăng dần lên đến 64 KB. Sê-ri x86, kế nhiệm của 8080, được phát hành vào năm 1978 và vẫn được sử dụng phổ biến cho đến
3. Đặc điểm của hệ thống nhúng là gì
Hệ thống nhúng được thiết kế để thực hiện các tác vụ chuyên dụng, không phải để đóng vai trò của các hệ thống đa chức năng. Các hệ thống này có thể yêu cầu tính hoạt động thời gian thực để đảm bảo tính an toàn và ứng dụng, hoặc không yêu cầu ràng buộc chặt chẽ, cho phép đơn giản hóa phần cứng để giảm chi phí sản xuất.
Thường thì hệ thống nhúng không phải là một khối riêng biệt, mà là một hệ thống phức tạp nằm trong thiết bị mà nó điều khiển. Phần mềm được viết cho các hệ thống nhúng được gọi là firmware và được lưu trữ trong các chip bộ nhớ ROM hoặc bộ nhớ flash chứ không phải là trong một ổ đĩa.
Các hệ thống nhúng có tài nguyên giới hạn hơn về phần cứng và chức năng phần mềm so với máy tính cá nhân. Hệ thống nhúng tương tác với thế giới bên ngoài qua nhiều cách, bao gồm cảm nhận môi trường, tác động trở lại môi trường, và tốc độ tương tác phải đáp ứng thời gian thực. Một số hệ thống nhúng có giao diện giao tiếp với người dùng, nhưng không phải tất cả.
Yêu cầu về chất lượng của các hệ thống nhúng là rất cao, đặc biệt là về tính ổn định và độ tin cậy. Lỗi trên các hệ thống nhúng có thể dẫn đến tai nạn nghiêm trọng và không thể sửa chữa được. Do đó, việc phát triển các hệ thống nhúng yêu cầu quy trình kiểm tra và kiểm thử nghiêm ngặt.
4. Cấu tạo của hệ thống nhúng gồm những gì
4.1. Giao diện
Các hệ thống nhúng có thể sử dụng giao diện cũng có thể không sử dụng giao diện. Hệ thống nhúng không sử dụng giao diện được gọi là hệ thống đơn nhiệm, còn hệ thống có đầy đủ giao diện được dùng để giao tiếp như một hệ điều hành ở các thiết bị để bàn. Các hệ thống đơn giản sẽ sử dụng nút bấm và đèn led, chữ hiển thị ở kích cỡ nhỏ và chỉ hiển thị số, đi kèm với menu hệ thống đơn giản.
Các hệ thống nhúng phức tạp sẽ có một màn hình đồ họa, cảm ứng và các nút bấm ở lề màn hình.
4.2. Kiến trúc CPU
Bộ xử lý CPU của hệ thống nhúng được chia thành hai loại là vi xử lý và vi điều khiển. Trong các vi điều khiển thường có các thiết bị ngoại vi, tích hợp trên chip để giảm kích thước của hệ thống. Một số kiến trúc CPU sử dụng hệ thống nhúng như: ARM, MIPS, PowewPC, x86, PIC, 8051,…
4.3. Thiết bị ngoại vi
Một số thiết bị ngoại vi được sử dụng giao tiếp với hệ thống nhúng: SCI ( RS-232; RS-422; RS – 485,…), USB, Synchronous serial communication interface ( I2C, SPI, SSC,…), Bộ định lượng ( PLL, Compare, Time Processing Units,…),…
5. Ứng dụng của hệ thống nhúng
Ứng dụng của hệ thống nhúng là gì? Các hệ thống nhúng thông thường sẽ tiêu tốn rất ít điện năng, giá thành lại rẻ, không chiếm quá nhiều không gian. Chính vì thế ngày nay các hệ thống này đang dần được sử dụng phổ biến. Một trong số đó phải kể đến là:
- Các máy móc thiết bị y tế: máy thẩm thấu, máy điều hòa nhịp tim, máy hút phổi tự động, máy điều chỉnh dịch tử cung, và các thiết bị y tế khác. Các hệ thống nhúng trong lĩnh vực y tế giúp cải thiện chất lượng chăm sóc sức khỏe và đảm bảo tính an toàn cho bệnh nhân.
- Các thiết bị trong dân dụng như: tủ lạnh, lò vi sóng, lò nướng, nồi chiên, máy giặt, máy sấy, và các thiết bị gia đình khác. Hệ thống nhúng trong các thiết bị này giúp tăng cường tính năng và hiệu suất của chúng, đồng thời tiết kiệm năng lượng và đảm bảo tiện ích cho người dùng.
- Các thiết bị dùng trong văn phòng: máy fax, máy in, máy photocopy, máy quét, máy trả lời tự động, và các thiết bị văn phòng khác. Hệ thống nhúng trong các thiết bị này giúp tăng cường khả năng xử lý thông tin và kết nối mạng, cải thiện hiệu suất làm việc và tiết kiệm thời gian.
- Các thiết bị kết nối internet: router, hub, gateway, bộ chuyển đổi mạng, và các thiết bị mạng khác. Hệ thống nhúng trong các thiết bị này đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp kết nối mạng ổn định và an toàn cho các thiết bị và hệ thống khác.
- Các thiết bị điện tử: đồng hồ kỹ thuật số, máy nghe nhạc mp3, điện thoại di động, máy tính bảng, và các thiết bị di động khác. Hệ thống nhúng trong các thiết bị này giúp cung cấp các tính năng thông minh, tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng.
- Trong công nghiệp, các hệ thống nhúng được sử dụng trong hầu hết các dây chuyền sản xuất tự động và các robot công nghiệp để tăng hiệu suất và độ chính xác trong quá trình sản xuất. Chúng giúp điều khiển và theo dõi các quy trình tự động, đồng thời tăng tính an toàn và đảm bảo chất lượng sản phẩm.
- Các hệ thống dẫn đường trong không gian, hệ thống định vị và hệ thống thông tin địa lý. Các hệ thống nhúng trong lĩnh vực này được sử dụng để điều hướng và định vị trong không gian, cung cấp thông tin chi tiết về vị trí, hướng di chuyển và các dịch vụ liên quan.
6. Phân biệt hệ thống nhúng và IoT
Hiểu đơn giản, IoT là một mạng lưới các đối tượng kết nối với nhau thông qua internet để thực hiện trao đổi thông tin. Hệ thống nhúng, là một phần của IoT, bao gồm các thiết bị nhúng như bộ điều khiển, thiết bị điện tử, phần mềm và cảm biến, được kết nối thành một mạng để thực hiện các tác vụ. Các công nghệ thông tin, mạng và nhúng đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành và phát triển IoT.
Tuy nhiên, IoT không phải là một thuật ngữ kỹ thuật mà là một công cụ thực hiện nhiệm vụ tiếp thị, trong khi trong các thuật ngữ kỹ thuật internet, IoT thường đảm nhận vai trò là hệ thống điều khiển để xử lý các thiết bị nhúng được kết nối thông qua website.
7. Mối quan hệ giữa phần mềm nhúng và hệ thống nhúng
Phần mềm nhúng hay còn được biết tới với tên gọi tiếng Anh – Embedded Software là một hệ lập trình chuyên biệt trong các thiết bị. Đó cũng có thể là một phần của ứng dụng trên chip hoặc một phần vi mạch có vai trò vô cùng quan trọng với cơ quan chính. Phần mềm nhúng chịu trách nhiệm trong việc điều khiển các chức năng cụ thể nhất định.
Khác với các software khác, phần mềm nhúng không thể lắp đặt được trên các loại máy tính cá nhân hay PC cây khác. Chúng chỉ có thể lắp đặt được trên các phần cứng cố định và chỉ xử lý một số tác vụ cụ thể.
Giữa hệ thống nhúng và phần mềm nhúng có mối quan hệ gắn kết vô cùng chặt chẽ với nhau. Các loại phần cứng trong thiết bị đang sử dụng phần mềm nhúng chính là hệ thống nhúng. Các thành phần của hệ thống nhúng được sử dụng trong thiết bị có thể kể đến là cổng giao tiếp nối tiếp, bộ định thời, thiết bị bộ nhớ flash,…
Ban đầu, khi thiết kế thiết bị, phần cứng sẽ được gia công để tạo nên hệ thống nhúng hoàn thiện. Lúc này, cấu hình của nó trong thiết bị sẽ được quyết định. Sau đó, phần mềm nhúng đã được thiết kế sẵn từ ban đầu sẽ được thiết lập và chạy trên phần cứng của cấu hình hoàn thiện này.
Xem thêm video sau:
