۲۰ نمونه واقعی از کامپیوترهای توکار که زندگی روزمره و صنعت را متحول می‌کنند

مقدمه

یک کامپیوتر جاسازی شده یک سیستم محاسباتی تخصصی است که برای انجام وظایف اختصاصی در یک دستگاه یا برنامه بزرگتر طراحی شده است. برخلاف ... کامپیوتر همه منظوره مانند لپ‌تاپ یا دسکتاپ، یک سیستم تعبیه‌شده برای ... بهینه‌سازی شده است. قابلیت خاص، که اغلب تحت محدودیت‌های سختگیرانه‌ای عمل می‌کنند مصرف برق، اندازه، هزینه، و عملکرد در زمان واقعیاین سیستم‌ها معمولاً حول ... ساخته می‌شوند. میکروکنترلرها، ریزپردازنده‌ها، یا سیستم روی تراشه (SoC) معماری‌هایی که سخت‌افزار و نرم‌افزار را در یک راهکار واحد و فشرده ادغام می‌کنند.

تاریخچه کامپیوترهای تعبیه شده قدمت آن به دهه ۱۹۶۰ برمی‌گردد، که نمونه‌های اولیه آن مانند کامپیوتر هدایت آپولو در ماموریت‌های فضایی ناسا مورد استفاده قرار گرفت. از آن زمان، این حوزه به طرز چشمگیری تکامل یافته و امکان... رایانه‌های شخصی تعبیه‌شده، کامپیوترهای تک بردی (SBC) مانند رزبری پای و بیگل‌بورد، و بی‌شمار دستگاه‌های اینترنت اشیا آن قدرت دنیای متصل امروز. از واحدهای کنترل موتور خودرو (ECU) به ضربان‌سازهای پزشکی، و از ربات‌های اتوماسیون صنعتی به سیستم‌های علامت‌گذاری دیجیتالکامپیوترهای تعبیه‌شده به ستون فقرات خاموش فناوری مدرن تبدیل شده‌اند.

اهمیت سیستم‌های تعبیه‌شده در همه جا بودن و سازگاری آنها نهفته است. آنها در موارد زیر یافت می شوند لوازم الکترونیکی مصرفی مانند تلفن‌های هوشمند، ماشین‌های لباسشویی و ساعت‌های هوشمند، و همچنین در کاربردهای حیاتی مانند وسایل نقلیه خودران، خطوط اتوماسیون کارخانه، و تجهیزات مراقبت‌های بهداشتیطراحی آنها اغلب شامل موارد زیر است سیستم عامل‌های تعبیه‌شده (RTOS، لینوکس تعبیه‌شده یا انواع اندروید)، تضمین عملکرد قابل اعتماد و قابل پیش بینی.

این مقاله بررسی جامعی از نمونه‌هایی از کامپیوترهای تعبیه‌شده، پوشا دستگاه‌های مصرفی، سیستم‌های صنعتی، تجهیزات پزشکی، فناوری خودرو و راه‌حل‌های اینترنت اشیاما همچنین آنها را بررسی خواهیم کرد معماری‌های سخت‌افزاری، پلتفرم‌های نرم‌افزاری، ویژگی‌های طراحی و روندهای آیندهدر پایان، خوانندگان درک روشنی از نحوه عملکرد این سیستم‌ها، محل کاربرد آنها و دلیل ضروری بودن آنها در شکل‌دهی صنایع و زندگی روزمره به دست خواهند آورد.

دوم. دسته بندی کامپیوترهای تعبیه شده

کامپیوترهای جاسازی‌شده بسیار متنوع هستند، با این حال طراحی و استقرار آنها را می‌توان در دسته‌های واضحی گروه‌بندی کرد. درک این طبقه‌بندی‌ها برای مهندسان، متخصصان فناوری اطلاعات و کسب‌وکارهایی که در حال ارزیابی هستند، ضروری است. راهکارهای کامپیوترهای شخصی تعبیه‌شدهاین سیستم‌ها معمولاً توسط ... سازماندهی می‌شوند. فرم فاکتور و معماری از یک سو، و از سوی دیگر قابلیت عملکرد و شبکه سازی از طرف دیگر.

الف. بر اساس فرم فاکتور / معماری

۱. کامپیوترهای تعبیه‌شده سیستم روی تراشه (SoC)

الف سیستم روی تراشه (SoC) ادغام می‌کند پردازنده، حافظه، کنترل‌کننده‌های ورودی/خروجی و گاهی حتی پردازنده‌های گرافیکی در یک بسته سیلیکونی واحد. این معماری بسیار جمع و جور، کم مصرف و مقرون به صرفهطرح‌های SoC در ... یافت می‌شوند. گوشی‌های هوشمند، دستگاه‌های اینترنت اشیا، ساعت‌های هوشمند و سیستم‌های دیجیتال ساینیججایی که عملکرد باید با ... متعادل شود مصرف برق پایینطراحی مستقل آنها، آنها را برای موارد زیر ایده‌آل می‌کند: لوازم الکترونیکی قابل حمل و مصرفی جایی که فضا محدود است.

۲. رایانه‌های شخصی توکار سوکتی یا ماژولار

کامپیوترهای توکار مبتنی بر سوکت مهندسی شده‌اند برای انعطاف‌پذیری و سفارشی‌سازیبرخلاف SoCها، پردازنده و ماژول‌های حافظه اغلب می‌توان آن را ارتقا داد و چرخه عمر محصول را افزایش داد. اتوماسیون صنعتی، رباتیک، کیوسک‌ها و تجهیزات تصویربرداری پزشکیآنها ویژگی دارند اسلات‌های توسعه و گزینه‌های ورودی/خروجی متعدد، پشتیبانی از لوازم جانبی پیشرفته مانند شتاب‌دهنده‌های GPU، اترنت پرسرعت و رابط‌های گذرگاه CANاین سیستم‌ها زمانی انتخاب می‌شوند که مقیاس‌پذیری عملکرد و قابلیت اطمینان بلندمدت بحرانی هستند.

۳. کامپیوترهای تک بردی (SBC)

کامپیوترهای تک بردی (SBC) مانند رزبری پای، بیگل‌بورد و آردوینو تمام اجزای ضروری را روی یک برد مدار جمع و جور ادغام کنید. آنها تعادل بین ... را ارائه می‌دهند. مقرون به صرفه بودن و کارایی، و آنها را برای ... محبوب می کند آموزش، نمونه‌سازی اولیه، دروازه‌های اینترنت اشیا و کنترل صنایع سبک. کامپیوترهای تک بردی SBC همه‌کاره هستند: در کلاس‌های درس، توسعه‌ی نهفته را آموزش می‌دهند؛ در صنعت، ارائه می‌دهند کنترل اتوماسیون کم هزینه یا توابع محاسبات لبهمحبوبیت آنها ناشی از یک جامعه توسعه‌دهنده بزرگ و پشتیبانی گسترده از سیستم‌عامل‌ها، از جمله لینوکس و اندروید تعبیه‌شده.

ب. بر اساس عملکرد / قابلیت شبکه

۱. سیستم‌های تعبیه‌شده مستقل

الف سیستم تعبیه‌شده مستقل برای اجرای یک تک ساخته شده است تابع اختصاصی بدون اتصال خارجی. مثال‌ها شامل موارد زیر است کنترل‌کننده‌های مایکروویو، ماشین‌حساب‌ها یا بردهای منطقی ماشین لباسشوییسخت‌افزار و میان‌افزار آنها برای قابلیت اطمینان، سادگی و هزینه به شدت بهینه شده‌اند. این سیستم‌ها بر ... تأکید دارند. عملکرد قطعی درون محیط‌های بسته

۲. سیستم‌های تعبیه‌شده بلادرنگ (مبتنی بر RTOS)

برخی از صنایع نمی‌توانند تأخیر را تحمل کنند. سیستم‌های تعبیه‌شده بلادرنگ (RTOS) اطمینان حاصل کردن عملکرد قطعی و قابل پیش‌بینی با پاسخ به سیگنال‌های ورودی در عرض چند میکروثانیه. این سیستم‌ها برق کنترل‌های ایمنی خودرو مانند سیستم‌های ترمز ضد قفل (ABS)، کیسه‌های هوا، و واحدهای کنترل موتور (ECU)، و همچنین دستگاه‌های پزشکی مانند ضربان‌سازها یا دفیبریلاتورهاپلتفرم‌های RTOS مانند VxWorks، QNX یا لینوکس توکار با پچ‌های PREEMPT_RT به طور گسترده در هوافضا، دفاع و رباتیک صنعتی.

۳. سیستم‌های تعبیه‌شده شبکه‌ای

در عصرِ اینترنت اشیا و محاسبات لبه، سیستم‌های تعبیه‌شده شبکه‌ای به طور فزاینده‌ای رایج هستند. این سیستم‌ها دارای ویژگی‌های داخلی هستند اتصال اترنت، وای‌فای، بلوتوث، زیگبی یا تلفن همراهو آنها را قادر می‌سازد تا با پلتفرم‌های ابری، سرورها و سایر دستگاه‌ها ارتباط برقرار کنند. نمونه‌هایی از این موارد عبارتند از دستگاه‌های فروش خودکار هوشمند، حسگرهای صنعتی، دروازه‌های اینترنت اشیا و سیستم‌های امنیتی متصلبا ادغام نظارت از راه دور و تجزیه و تحلیل داده‌ها، آنها تعمیر و نگهداری پیش‌بینانه را در کارخانه‌ها تقویت می‌کنند، مدیریت ناوگان در حمل و نقل، و بهینه‌سازی مصرف انرژی در شبکه‌های هوشمند.

خلاصه

دسته بندی های کامپیوترهای تعبیه‌شده تنوع این حوزه را نشان می‌دهد. در بخش معماری، می‌بینیم طرح‌های مبتنی بر SoC برای بهره‌وری فشرده، کامپیوترهای شخصی ماژولار سوکتی برای مقیاس‌پذیری، و SBC ها برای انعطاف پذیری و مقرون به صرفه بودناز نظر عملکردی، موارد زیر وجود دارد سیستم‌های مستقل برای قابلیت اطمینان متمرکز، سیستم‌های بلادرنگ برای کاربردهای ایمنی-بحرانی، و سیستم‌های تعبیه‌شده شبکه‌ای نیرو بخشیدن به انقلاب اینترنت اشیا.

با طبقه بندی کامپیوترهای توکار صنعتی به این ترتیب، تصمیم‌گیرندگان می‌توانند فناوری را بهتر با نیازهای خود هماهنگ کنند - چه ... حسگر اینترنت اشیا کم‌هزینه، یک کامپیوتر صنعتی با کارایی بالا، یا یک کنترل‌کننده بلادرنگ برای سیستم‌های حیاتی.

III. مثال‌های دنیای واقعی در حوزه‌های مختلف

ارزش واقعی یک کامپیوتر جاسازی شده وقتی نحوه‌ی به‌کارگیری آن را در صنایع مختلف بررسی کنیم، روشن می‌شود. لوازم الکترونیکی مصرفی به اتوماسیون صنعتی، مراقبت‌های بهداشتی، خودرو و سیستم‌های اینترنت اشیاکامپیوترهای تعبیه‌شده، این موارد را فراهم می‌کنند عملکرد قابل اعتماد و مختص به وظیفه که جامعه مدرن به آن وابسته است. در زیر نمونه‌های عملی از دامنه‌ی نفوذ آنها آورده شده است.

الف. دستگاه‌های مصرفی

در بخش لوازم الکترونیکی مصرفیکامپیوترهای تعبیه‌شده عملاً نامرئی هستند، با این حال تجربه کاربری را تعریف می‌کنند.

• 
  گوشی‌های هوشمند و تبلت‌ها - مجهز به سیستم پیشرفته پردازنده‌های سیستم روی تراشه (SoC)، آنها همه چیز را از پردازش تصویر دوربین به اتصال شبکه.
  
  

• لوازم خانگی ماشین‌های لباسشویی، یخچال‌ها و مایکروویوها به ... متکی هستند. میکروکنترلرها برای مدیریت موتورها، تایمرها و مکانیسم‌های ایمنی.

• دوربین‌های دیجیتال و کنسول‌های بازی – اینها استخدام می‌کنند کامپیوترهای تک بردی (SBC) برای ایجاد تعادل بین قدرت پردازش، طراحی جمع و جور، و پاسخگویی بلادرنگ.

• پوشیدنی‌ها ساعت‌های هوشمند و ردیاب‌های تناسب اندام با هم ادغام می‌شوند سیستم‌های تعبیه‌شده کم‌مصرف که بیومتریک‌ها را ردیابی می‌کنند، برنامه‌ها را اجرا می‌کنند و از طریق بلوتوث یا وای‌فای به طور یکپارچه متصل می‌شوند.

در اینجا، تأکید بر این است که راندمان انرژی، فرم فاکتور جمع و جور و قیمت مناسب در عین حال عملکرد پاسخگو را تضمین می‌کند.

ب. سیستم‌های صنعتی و تجاری

در دنیای صنعتیکامپیوترهای تعبیه‌شده برای موارد زیر حیاتی هستند: اتوماسیون و قابلیت اطمینان.

• 
  اتوماسیون کارخانه – کامپیوترهای صنعتی در کابینت‌های کنترل تعبیه شده، سیستم‌های نقاله، بازوهای رباتیک و خطوط تولید را با زمان‌بندی قطعی مدیریت می‌کنند.

• ربات‌های صنعتی – مجهز به سیستم‌های عامل تعبیه‌شده بلادرنگ (RTOS)این کامپیوترها دقت حرکت، قفل‌های ایمنی و سیستم‌های بینایی ماشین را کنترل می‌کنند.

• کیوسک‌ها و دستگاه‌های خودپرداز - رایانه‌های شخصی تعبیه‌شده، عملکرد ایمن و مداومی را فراهم می‌کنند. سیستم‌های خودپرداز، دستگاه‌های فروش خودکار و پایانه‌های بانکی، اغلب با سخت‌افزار مقاوم برای کارکرد ۲۴ ساعته و ۷ روز هفته.

• انرژی و خدمات رفاهی - کنتورهای هوشمند، کنترل کننده های شبکه و ایستگاه‌های شارژ خودروهای برقی از کنترل‌کننده‌های تعبیه‌شده برای اطمینان استفاده کنید توزیع و نظارت کارآمد انرژی.

اولویت اینجا این است طراحی مستحکم، قابلیت توسعه‌پذیری و چرخه عمر طولانیزیرا زمان از کارافتادگی مستقیماً بر بهره‌وری و سودآوری تأثیر می‌گذارد.

ج. خودرو و حمل و نقل

صنعت خودرو یکی از بزرگترین مصرف‌کنندگان فناوری‌های نهفته است.

• 
  واحدهای کنترل موتور (ECU) – این کنترل‌کننده‌های تعبیه‌شده، تزریق سوخت، زمان‌بندی احتراق و میزان انتشار گازهای گلخانه‌ای را تنظیم می‌کنند و از رعایت استانداردهای جهانی اطمینان حاصل می‌کنند.

• سیستم‌های ایمنی – کنترل‌کننده‌های کیسه هوا، سیستم‌های ترمز ضد قفل (ABS) و کروز کنترل تطبیقی همه تکیه می‌کنند کامپیوترهای تعبیه‌شده بلادرنگ.

• اطلاعات سرگرمی و ناوبری – رایانه‌های شخصی جاسازی‌شده، نمایشگرهای داخل خودرو، GPS و سیستم‌های چندرسانه‌ای را تغذیه می‌کنند و اغلب به صورت سفارشی اجرا می‌شوند. لینوکس جاسازی‌شده پلتفرم‌ها

• رانندگی خودکار - وسایل نقلیه مدرن چندین مورد را ادغام می‌کنند سیستم‌های تعبیه‌شده شبکه‌ای برای لیدار، رادار و تصمیم‌گیری مبتنی بر هوش مصنوعی.

اینجا، ایمنی، قابلیت اطمینان و پاسخ قطعی حیاتی هستند، و باعث می‌شوند RTOS و معماری‌های تعبیه‌شده‌ی افزونه ضروری.

د. دستگاه‌های پزشکی و مراقبت‌های بهداشتی

کامپیوترهای تعبیه‌شده همچنین دقت را در [موارد زیر] ممکن می‌سازند: فناوری پزشکی.

• 
  ضربان‌سازها و پمپ‌های انسولین سیستم‌های مبتنی بر میکروکنترلر، عملکردهای حیاتی را با مصرف بسیار کم انرژی و حداکثر قابلیت اطمینان ارائه می‌دهند.

• تجهیزات تصویربرداری - دستگاه‌هایی مانند دستگاه‌های سونوگرافی و سیستم‌های MRI از این روش استفاده می‌کنند. رایانه‌های شخصی توکار با کارایی بالا برای رندر تصویر در زمان واقعی.

• دستگاه‌های پزشکی پوشیدنی – مانیتورهای قلب و ابزارهای تشخیصی از اهرم استفاده می‌کنند اتصال اینترنت اشیا تعبیه‌شده برای نظارت از راه دور بر بیمار

مطالبات بخش بهداشت و درمان گواهینامه‌های ایمنی، مصرف انرژی پایین و عملکرد قطعی و بلادرنگ برای محافظت از جان بیماران.

ه. اینترنت اشیا و سیستم‌های هوشمند

ظهور اینترنت اشیا و محاسبات لبه دامنه کامپیوترهای تعبیه‌شده را گسترش داده است:

• 
  دروازه‌های اینترنت اشیا - فرم فاکتور کوچک رایانه‌های شخصی تعبیه‌شده داده‌ها را از چندین حسگر جمع‌آوری کرده و به صورت ایمن به فضای ابری منتقل می‌کند.

• ساختمان‌های هوشمند – سیستم‌های روشنایی، تهویه مطبوع و اعلام حریق توسط ... تغذیه می‌شوند. کنترل‌کننده‌های تعبیه‌شده شبکه‌ای.

• پهپادها و سیستم‌های نظارتی – سیستم‌های تعبیه‌شده، حسگرها، تثبیت‌کننده‌ها و جریان داده‌ها را مدیریت می‌کنند. محیط‌های بلادرنگ.

در این موارد، اتصال عامل تعیین‌کننده است، با رابط‌های اترنت، وای‌فای، 5G و CAN امکان تبادل داده در زمان واقعی را فراهم می کند.

چهارم. قطعات و معماری‌های سخت‌افزاری

در هسته هر کامپیوتر جاسازی شده ترکیبی با دقت مهندسی شده از اجزای سخت‌افزاری و معماری سیستم نهفته است. برخلاف رایانه‌های شخصی همه منظوره، این سیستم‌ها برای ... بهینه شده‌اند. کارایی، قابلیت اطمینان و عملکرد خاص وظیفه. درک اجزای سازنده—میکروکنترلرها، ریزپردازنده‌ها، حافظه و رابط‌های جانبی—هنگام ارزیابی راه‌حل‌ها ضروری است اتوماسیون صنعتی، دستگاه‌های اینترنت اشیا یا سیستم‌های پزشکی.

الف. میکروکنترلرها در مقابل ریزپردازنده‌ها و SoCها

• میکروکنترلرها (MCU): تراشه‌های فشرده و کم‌هزینه یکپارچه‌سازی می‌شوند پردازنده، رم، حافظه فلش و لوازم جانبی ورودی/خروجیرایج در لوازم خانگی، حسگرها، ماشین حساب‌ها و کنترل‌کننده‌های خودرو، MCU ها برای موارد زیر ایده آل هستند سیستم‌های تعبیه‌شده مستقل.

• ریزپردازنده‌ها (MPU): این پردازنده‌ها که برای عملکرد بالاتر طراحی شده‌اند، به حافظه و پشتیبانی خارجی نیاز دارند. سیستم‌های عامل پیچیده مانند لینوکس یا اندروید توکارآنها در ... یافت می‌شوند رایانه‌های شخصی صنعتی، تابلوهای دیجیتال و سیستم‌های اطلاعاتی-سرگرمی درون خودرو.

• سیستم روی تراشه (SoC): بهترین‌های هر دو جهان را با هم ترکیب می‌کند، جاسازی پردازنده مرکزی (CPU)، پردازنده گرافیکی (GPU) و ماژول‌های اتصال روی یک تراشه واحد. SoCها غالب هستند گوشی‌های هوشمند، دروازه‌های اینترنت اشیا و پلتفرم‌های محاسبات لبه‌ای به دلیل آنها راندمان توان و تراکم یکپارچه‌سازی.

ب. رابط‌های جانبی و اتصال

سیستم‌های تعبیه‌شده به موارد متنوعی وابسته هستند رابط‌های ورودی/خروجی برای اتصال حسگرها، محرک‌ها و شبکه‌ها:

• GPIO، UART، I²C و SPI برای کنترل سطح پایین

• اتوبوس CAN در سیستم‌های خودرو

• اترنت، وای‌فای و بلوتوث برای سیستم‌های تعبیه‌شده شبکه‌ای.

• یو‌اس‌بی و پی‌سی‌آی‌ای برای گسترش محیطی در رایانه‌های شخصی توکار صنعتی.

این رابط‌ها انعطاف‌پذیری را تضمین می‌کنند اتوماسیون کارخانه، رباتیک و اکوسیستم‌های اینترنت اشیا.

ج. گزینه‌های حافظه و ذخیره‌سازی

انتخاب حافظه بر پاسخگویی و پایداری سیستم تأثیر می‌گذارد:

• رام/فلش – برای فریمور و بوت لودرها.

• SRAM/DRAM - برای وظایف محاسباتی بلادرنگ.

• EEPROM و eMMC - فضای ذخیره‌سازی بادوام و غیرفرار برای داده‌های حیاتی.

در برنامه‌های کاربردی حیاتی مانند تصویربرداری پزشکی یا هوافضا، قابلیت اطمینان حافظه به همان اندازه عملکرد خام حیاتی است.

خلاصهتعادل معماری‌های سخت‌افزاری تعبیه‌شده عملکرد، اندازه، هزینه و اتصالچه با استفاده از میکروکنترلر برای یک گره حسگر یا یک SoC برای یک دستگاه هوشمند، این اجزا، توانایی سیستم و قابلیت اطمینان بلندمدت آن را تعریف می‌کنند.

V. نرم‌افزار و سیستم‌های عامل

در حالی که سخت‌افزار توانایی فیزیکی یک فرد را تعریف می‌کند کامپیوتر جاسازی شده، این است که نرم‌افزار و سیستم عامل که نحوه رفتار، تعامل و پاسخ سیستم را تعیین می‌کنند. از سیستم عامل در حال اجرا بر روی میکروکنترلرها به سیستم عامل‌های توکار با امکانات کامل در کامپیوترهای صنعتی، لایه نرم‌افزاری چیزی است که این سیستم‌ها را واقعاً هوشمند و کاربردی می‌کند.

الف. میان‌افزار و نرم‌افزارهای تعبیه‌شده

بیشترین سیستم‌های مبتنی بر میکروکنترلر دویدن میان‌افزار، یک برنامه سبک وزن ذخیره شده در حافظه ROM یا فلشاین نرم‌افزار معمولاً به زبان ... نوشته می‌شود. زبان سی یا اسمبلی، از نظر سرعت و اندازه بهینه شده است. مثال‌ها شامل منطق کنترل در یک ماشین لباسشویی، سیستم تزریق سوخت خودرو، یا الگوریتم ایمنی در ضربان ساز. میان‌افزار به گونه‌ای طراحی شده است که پایدار، قطعی و مقاوم در برابر شکست، زیرا بسیاری از کاربردها به سال‌ها عملیات بدون وقفه نیاز دارند.

ب. سیستم‌های عامل تعبیه‌شده

برای کارهای پیچیده‌تر، سیستم عامل‌های تعبیه‌شده (OS) یک محیط ساختار یافته فراهم کنید:

• 
  سیستم‌های عامل بلادرنگ (RTOS): پلتفرم‌هایی مانند VxWorks، QNX و FreeRTOS تحویل دادن زمان‌های پاسخ قطعی، بحرانی در سیستم‌های ایمنی خودرو، کاربردهای هوافضا و رباتیک صنعتی.

• لینوکس جاسازی‌شده: به طور گسترده در استفاده می شود سیستم‌های تعبیه‌شده شبکه‌ای، دروازه‌های اینترنت اشیا و رایانه‌های شخصی اتوماسیون صنعتی، انعطاف‌پذیری، مقیاس‌پذیری و پشتیبانی قوی جامعه را ارائه می‌دهد. توزیع‌هایی مانند یاکتو، بیلدروت و اوپن‌ورث شخصی‌سازی را فعال کنید.

• انواع اندروید: سفارشی سیستم عامل اندروید به طور فزاینده‌ای در حال گسترش است تابلوهای دیجیتال، کیوسک‌ها و سیستم‌های اطلاع‌رسانی و سرگرمیبه لطف آن رابط گرافیکی غنی و اکوسیستم برنامه.

• ویندوز امبدد / WinCE: اگرچه امروزه کمتر رایج است، اما هنوز هم مورد استفاده قرار می‌گیرد کیوسک‌های قدیمی، پایانه‌های دستی و دستگاه‌های پزشکی.

ج. ملاحظات نرم‌افزاری

انتخاب سیستم عامل تعبیه شده بستگی دارد به:

• الزامات بلادرنگ (سیستم عامل بلادرنگ سخت در مقابل نرم).

• نیازهای اتصال (اترنت، وای‌فای، شبکه CAN bus).

• امنیت و قابلیت اطمینان (در مراقبت‌های بهداشتی و کنترل صنعتی بسیار مهم است).

در اصل، لایه نرم‌افزار تبدیل می‌کند کامپیوتر جاسازی شده از سیلیکون خام به یک سیستم هدفمند و قابل اعتماد- قادر به تأمین انرژی همه چیز از دستگاه‌های اینترنت اشیا به کنترل‌های هوافضایی حیاتی برای ماموریت‌های حیاتی.

ششم. ویژگی‌ها و محدودیت‌های طراحی

طراحی یک کامپیوتر جاسازی شده شامل متعادل کردن چندین مورد است محدودیت‌ها در عین حال که نیازهای عملکردی کاربرد خود را برآورده می‌کند. برخلاف رایانه‌های همه منظوره، سیستم‌های تعبیه‌شده اغلب باید تحت شرایط سخت کار کنند. توان، اندازه، هزینه و الزامات بلادرنگ، ضمن اینکه تضمین می‌کند استحکام، امنیت و قابلیت اطمینان.

الف. توان، اندازه و هزینه

• مصرف برق پایین: بسیاری از دستگاه‌های تعبیه‌شده، مانند حسگرهای اینترنت اشیا، ایمپلنت‌های پزشکی و پوشیدنی‌ها، با قدرت باتری محدود کار می‌کند. سخت‌افزار و نرم‌افزار برای ... بهینه شده‌اند. بهره‌وری انرژی از طریق تکنیک‌هایی مانند مدیریت توان پویا و SoC های ولتاژ پایین.

• فاکتور فرم جمع و جور: برنامه‌های کاربردی مانند ECU های خودرو، کنترل کننده های علائم دیجیتال و دروازه های صنعتی به سیستم‌هایی نیاز دارند که بتوانند بدون کاهش عملکرد، در محفظه‌های محدود قرار گیرند.

• بهره‌وری هزینه: تولید در مقیاس بزرگ لوازم الکترونیکی مصرفی مانند ماشین لباسشویی یا ماشین حساب میکروکنترلرهای توکار کم‌هزینه که هنوز هم قابلیت اطمینان را ارائه می‌دهند.

ب. محدودیت‌های بلادرنگ

بسیاری از صنایع به آن متکی هستند سیستم‌های تعبیه‌شده بلادرنگ مواردی که پردازش باید در مهلت‌های دقیق انجام شود:

• سیستم‌های بلادرنگ سخت - مثال‌ها عبارتند از کنترل‌کننده‌های کیسه هوا، سیستم‌های ترمز ضد قفل (ABS) و ضربان‌سازها، جایی که حتی میکروثانیه تأخیر می‌تواند منجر به خرابی شود.

• سیستم‌های نرم‌افزاری بلادرنگ - یافت شده در پخش‌کننده‌های چندرسانه‌ای، سیستم‌های سرگرمی و ابزارهای نظارت صنعتی، که در آن تأخیرها قابل تحمل هستند اما همچنان به حداقل می‌رسند.

ج. استحکام و قابلیت اطمینان

رایانه‌های شخصی توکار صنعتی اغلب در محیط‌های خشن با دماهای شدید، لرزش و گرد و غبار. برای حفظ قابلیت اطمینان، آنها دارای ویژگی هستند خنک‌کننده بدون فن، ذخیره‌سازی حالت جامد، پوشش منسجم و تحمل دمایی گستردهطول عمر نیز بسیار مهم است؛ بسیاری از صنایع انتظار دارند چرخه عمر ۱۰+ ساله برای تجهیزات بدون وقفه.

د. ملاحظات امنیتی

با ظهور سیستم‌های تعبیه‌شده شبکه‌ای در اینترنت اشیا، خودرو و اتوماسیون صنعتی، امنیت سایبری به یک اولویت طراحی تبدیل شده است. ویژگی‌هایی مانند بوت امن، رمزگذاری سخت‌افزاری و تشخیص نفوذ به طور فزاینده‌ای برای حفاظت از زیرساخت‌های حیاتی استاندارد شده‌اند.

در نتیجه،، کامپیوترهای صنعتی بدون فن طراحی، تعادلی ظریف از کارایی، پاسخگویی بلادرنگ، قابلیت اطمینان بالا و امنیتاین محدودیت‌ها تعریف می‌کنند که چگونه سیستم‌های تعبیه‌شده همه چیز را از ... نیرو می‌دهند. ربات‌های کارخانه‌ای به دستگاه‌های پزشکی با دقت و امانتداری.

V. نرم‌افزار و سیستم‌های عامل

لایه نرم‌افزاری چیزی است که یک را متحول می‌کند کامپیوتر جاسازی شده از یک سخت‌افزار ساده به یک سیستم هوشمند و کاربردی. چه در حال اجرا باشد و چه نباشد میان‌افزار مبتنی بر میکروکنترلر یا کامل سیستم عامل تعبیه شده، نرم‌افزار تعریف می‌کند عملکرد، قابلیت اطمینان و انعطاف‌پذیریانتخاب پلتفرم مناسب برای برنامه‌های کاربردی در ... بسیار مهم است. اتوماسیون صنعتی، دستگاه‌های پزشکی، ایمنی خودرو و اکوسیستم‌های اینترنت اشیا.

الف. میان‌افزار و نرم‌افزارهای تعبیه‌شده

برای بسیاری سیستم‌های تعبیه‌شده مستقل، پایه و اساس است میان‌افزار— برنامه‌های سبک ذخیره شده در حافظه ROM یا فلشنوشته شده در سی، سی پلاس پلاس یا اسمبلی، میان‌افزار تضمین می‌کند اجرای قطعی و پایداری بلندمدت. نمونه‌های معمول شامل منطق کنترل‌کننده‌ی a هستند. چرخه ماشین لباسشویی، سیستم تزریق سوخت در خودرو، یا مکانیزم زمان‌بندی در ضربان‌سازاز آنجا که این سیستم‌ها اغلب سال‌ها بدون به‌روزرسانی کار می‌کنند، باید میان‌افزار (firmware) کارآمد، ایمن و بسیار قابل اعتماد.

ب. سیستم‌های عامل تعبیه‌شده

وقتی برنامه‌ها پیچیدگی بیشتری را می‌طلبند، سیستم عامل تعبیه شده (OS) وارد عمل می‌شود:

• سیستم‌های عامل بلادرنگ (RTOS): پلتفرم‌هایی مانند FreeRTOS، VxWorks و QNX فعال کردن کنترل سخت در زمان واقعی برای هوافضا، سیستم‌های ترمز خودرو و ربات‌های صنعتی.

• لینوکس جاسازی‌شده: یک راهکار انعطاف‌پذیر و مقیاس‌پذیر برای سیستم‌های تعبیه‌شده شبکه‌ای، دروازه‌های اینترنت اشیا و رایانه‌های شخصی صنعتیبا ساخت‌های محبوبی مانند یاکتو، بیلدروت و اوپن‌ورث.

• اندروید برای سیستم‌های تعبیه‌شده: مورد استفاده در تابلوهای دیجیتال، کیوسک‌ها و سیستم‌های اطلاع‌رسانی و سرگرمی، ارائه یک رابط کاربری غنی و اکوسیستم اپلیکیشن.

• ویندوز امبدد / WinCE: هنوز هم موجود در پایانه‌های دستی قدیمی و تجهیزات پزشکی، شناخته شده برای آن پشتیبانی بلندمدت.

ج. ملاحظات کلیدی

انتخاب سیستم عامل تعبیه شده بستگی دارد به:

• پاسخگویی بلادرنگ در مقابل انعطاف‌پذیری همه منظوره.

• الزامات اتصال مانند اترنت، وای‌فای یا گذرگاه CAN.

• گواهینامه‌های امنیتی و حفاظتی برای برنامه‌های کاربردی حیاتی.

خلاصه اینکه، این نرم‌افزار، هوش یک کامپیوتر جاسازی شدهچه از طریق سادگی سیستم عامل یا تطبیق پذیری پلتفرم‌های RTOS و Embedded Linux.

VII. روندها و مسیرهای آینده

حوزه‌ی کامپیوترهای تعبیه‌شده به سرعت در حال تکامل است، که ناشی از پیشرفت‌ها در ... اینترنت اشیا، محاسبات لبه‌ای و هوش مصنوعی (AI)همانطور که صنایع تقاضای بیشتری دارند اتوماسیون، اتصال و کاراییآینده سیستم‌های تعبیه‌شده بر راه‌حل‌های هوشمندتر، سریع‌تر و امن‌تر متمرکز خواهد بود.

الف. هوش مصنوعی در لبه

یکی از مهمترین روندها، ادغام ... هوش مصنوعی و یادگیری ماشینی مستقیماً به داخل رایانه‌های شخصی تعبیه‌شده و پلتفرم‌های سیستم روی تراشه (SoC)به جای ارسال داده به فضای ابری، هوش مصنوعی لبه‌ای امکان تصمیم‌گیری در لحظه را در محل فراهم می‌کند. برای مثال:

• ربات‌های صنعتی مجهز به سیستم‌های بینایی مبتنی بر هوش مصنوعی می‌توانند نقص‌های محصول را فوراً تشخیص دهند.

• وسایل نقلیه خودران از پردازنده‌های گرافیکی (GPU) و واحدهای پردازش عصبی (NPU) تعبیه‌شده استفاده کنید تشخیص تصویر در زمان واقعی.

• دوربین‌های هوشمند و دروازه‌های اینترنت اشیا تجزیه و تحلیل را به صورت محلی اجرا کنید، تأخیر را کاهش داده و حریم خصوصی را بهبود بخشید.

این تغییر، دستگاه‌های تعبیه‌شده را به ... تبدیل می‌کند. پلتفرم‌های محاسبات لبه هوشمند.

ب. بهره‌وری انرژی و پایداری

با میلیاردها دستگاه مستقر در سراسر جهان، طراحی کم مصرف دیگر اختیاری نیست. تولیدکنندگان در حال اتخاذ موارد زیر هستند:

• مدیریت پویای توان برای افزایش عمر باتری.

• معماری‌های خنک‌کننده بدون فن برای محیط‌های ناهموار.

• سیستم‌های تعبیه‌شده سبز که مصرف انرژی را کاهش می‌دهند مراکز داده، کارخانه‌ها و خانه‌های هوشمند.

بهره‌وری انرژی همچنان یک محدودیت اصلی طراحی در ... خواهد بود. پوشیدنی‌ها، دستگاه‌های پزشکی و حسگرهای اینترنت اشیا.

ج. همگرایی و اتصال اینترنت اشیا

همگرایی اینترنت اشیا و محاسبات تعبیه‌شده بیشتر ایجاد می‌کند سیستم‌های تعبیه‌شده شبکه‌ای عوامل کلیدی عبارتند از:

• اتصال 5G برای کاربردهای با تأخیر بسیار کم.

• اترنت، وای‌فای ۶ و گذرگاه CAN ادغام در اتوماسیون صنعتی.

• پلتفرم‌های تعبیه‌شده‌ی بومی ابری که به طور یکپارچه به Azure، AWS یا ابرهای لبه خصوصی متصل می‌شوند.

در نتیجه،، آینده‌ی کامپیوترهای تعبیه‌شده ازپیشرو سازنده کامپیوتر توکار در همجوشی نهفته است هوش مصنوعی در لبه، طراحی با مصرف بهینه انرژی و اتصال اینترنت اشیااین نوآوری‌ها نقش خود را در ... گسترش خواهند داد. کارخانه‌های هوشمند، حمل و نقل خودران، فناوری پزشکی و لوازم الکترونیکی مصرفی نسل بعدی.

توصیه به خواندن: