Hệ thống nhúng là gì? Ứng dụng thực tế của hệ thống nhúng

Hệ thống nhúng là một lĩnh vực công nghệ đang phát triển mạnh mẽ trong thời đại số hiện nay. Nhúng liên quan đến việc tích hợp các thiết bị điện tử thông minh vào các hệ thống khác nhau như thiết bị di động, xe hơi, thiết bị y tế và nhiều ứng dụng khác. Chúng đã có sự hiện diện mạnh mẽ trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta và đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất, tiện ích và tiết kiệm năng lượng. Vậy lập trình hệ thống nhúng là gì? Học hệ thống nhúng ra làm gì? Cùng Việt Tuấn tìm hiểu chi tiết hơn về khái niệm này qua bài viết sau đây nhé.

1. Hệ thống nhúng là gì?

Hệ thống nhúng là một thuật ngữ dùng để chỉ các hệ thống tích hợp cả phần cứng và phần mềm, được nhúng vào trong môi trường hoặc hệ thống mẹ. Đây là những hệ thống đáp ứng các yêu cầu chuyên biệt trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, tự động hóa điều khiển, quan trắc và truyền tin. Đặc trưng của hệ thống nhúng là hoạt động ổn định và có tính tự động hóa cao.

Hệ thống nhúng được thiết kế để thực hiện một chức năng cụ thể và thường chỉ chạy một hoặc vài chương trình chuyên dụng. Chúng bao gồm các thiết bị và phần cứng đặc biệt, khác biệt so với máy tính đa năng thông thường.

Trên thị trường toàn cầu, hệ thống nhúng có tiềm năng phát triển rất lớn. Số lượng vi xử lý trong các hệ thống nhúng chiếm hơn 99% tổng số chip vi xử lý trên thế giới. Châu Á, đặc biệt là Nhật Bản, đang dẫn đầu về thị trường hệ thống nhúng và là một trong những thị trường phần mềm nhúng hàng đầu trên thế giới.

2. Tìm hiểu lịch sử ra đời của hệ thống nhúng 

Lịch sử ra đời của hệ thống nhúng bắt đầu với Apollo Guidance Computer, được phát triển bởi Charles Stark Draper tại MIT vào những năm đầu thập kỷ 1960. Hệ thống này ban đầu được sử dụng trong tên lửa quân sự và được sản xuất hàng loạt từ năm 1961. Máy tính Autonetics D-17 là một trong những hệ thống nhúng đầu tiên, sử dụng bóng bán dẫn và đĩa cứng để lưu trữ dữ liệu. 

Sau đó, khi Minuteman II được sản xuất vào năm 1966, D-17 đã được thay thế bằng một máy tính mới sử dụng mạch tích hợp. Đặc điểm thiết kế quan trọng của máy tính Minuteman là khả năng lập trình lại thuật toán để tăng độ chính xác của tên lửa và khả năng kiểm tra tên lửa mà không cần sử dụng cáp điện và đầu nối nặng.

Từ những ứng dụng đầu tiên vào những năm 1960, hệ thống nhúng đã trải qua sự phát triển vượt bậc về khả năng xử lý và giảm giá thành. Bộ xử lý đầu tiên nhắm đến người tiêu dùng là Intel 4004, được phát minh để phục vụ máy tính và các hệ thống nhỏ khác. Tuy nhiên, nó vẫn cần sử dụng chip nhớ bên ngoài và các linh kiện hỗ trợ khác. Đến cuối những năm 1970, đã có sự xuất hiện của các bộ xử lý 8 bit, nhưng vẫn cần sử dụng chip nhớ bên ngoài như một yếu tố quan trọng.

Vào giữa thập kỷ 1980, kỹ thuật mạch tích hợp đã tiến bộ đáng kể, cho phép tích hợp nhiều thành phần vào một chip xử lý. Các bộ xử lý này được gọi là vi điều khiển (microcontrollers) và đã trở thành phổ biến rộng rãi. 

Đến nay, khái niệm về hệ thống nhúng được định nghĩa là hệ thống thực hiện các chức năng đặc biệt sử dụng vi xử lý. Hệ thống nhúng không chỉ bao gồm phần mềm mà còn liên quan đến phần cứng và vi mạch. Sự phát triển của hệ thống nhúng đã mở ra nhiều cánh cửa cho sự tiện ích và ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày, từ các thiết bị gia dụng đến các công cụ công nghiệp và y tế.

>>> Xem thêm bài viết: DCS là gì? Điểm khác biệt giữa hệ thống DCS và SCADA là gì?

3 Các đặc điểm chung nổi bật của hệ thống nhúng 

Nhiệm vụ chuyên dụng

Hệ thống nhúng được thiết kế để thực hiện các nhiệm vụ chuyên biệt, không phải là máy tính đa chức năng. Một số hệ thống đòi hỏi tính hoạt động thời gian thực để đảm bảo an toàn và ứng dụng, trong khi những hệ thống khác có sự linh hoạt hơn và giảm thiểu chi phí sản xuất.

Tích hợp trong thiết bị

Hệ thống nhúng thường không tồn tại dưới dạng một khối riêng lẻ, mà là một phần của thiết bị mà nó điều khiển. Chúng là những hệ thống phức tạp nằm bên trong các thiết bị đó.

Firmware

Phần mềm của hệ thống nhúng được gọi là firmware và được lưu trữ trong chip bộ nhớ ROM hoặc bộ nhớ flash, không phải trên ổ đĩa như máy tính thông thường.

Tài nguyên giới hạn

Hệ thống nhúng có hạn chế về phần cứng và chức năng phần mềm hơn so với máy tính cá nhân, vì vậy chúng phải hoạt động trong các ràng buộc nguồn tài nguyên nhất định.

Tương tác với thế giới thực

Hệ thống nhúng tương tác với môi trường bên ngoài theo nhiều cách, bao gồm cảm nhận môi trường, tác động trở lại môi trường và tương tác theo thời gian thực. Có thể có hoặc không có giao diện giao tiếp với người dùng như máy tính cá nhân.

Yêu cầu chất lượng ổn định và độ tin cậy cao

Các hệ thống nhúng thường yêu cầu chất lượng cao, hoạt động ổn định và độ tin cậy cao. Lỗi trên hệ thống nhúng có thể gây tai nạn nghiêm trọng và không thể sửa chữa được. Vì vậy, quá trình phát triển hệ thống nhúng đòi hỏi kiểm tra và kiểm thử cẩn thận.

4. Các đặc điểm chi tiết của hệ thống nhúng 

Giao diện

Hệ thống nhúng có thể có hoặc không có giao diện người dùng. Các hệ thống đơn nhiệm không sử dụng giao diện người dùng, trong khi các hệ thống đa nhiệm có thể sử dụng giao diện đồ họa, màn hình cảm ứng và các nút bấm để tương tác với người dùng. Giao diện của hệ thống nhúng có thể đơn giản với các nút bấm và đèn LED hoặc phức tạp hơn với màn hình đồ họa và cảm ứng.

Kiến trúc CPU

Hệ thống nhúng sử dụng các kiến trúc CPU như vi xử lý (microprocessor) và vi điều khiển (microcontroller). Vi điều khiển thường tích hợp các thiết bị ngoại vi trên cùng một chip để giảm kích thước và chi phí. Các kiến trúc CPU phổ biến trong hệ thống nhúng bao gồm ARM, MIPS, PowerPC, x86, PIC, 8051 và nhiều hơn nữa.

Thiết bị ngoại vi

Hệ thống nhúng sử dụng các thiết bị ngoại vi để giao tiếp và tương tác với thế giới bên ngoài. Các thiết bị ngoại vi phổ biến bao gồm giao diện nối tiếp như RS-232, RS-422, RS-485, USB, các giao diện giao tiếp tuần tự như I2C, SPI, SSC, và các thiết bị định thời và xử lý tín hiệu như PLL, Compare, Time Processing Units và nhiều hơn nữa.

Công cụ phát triển

Các phần mềm cho hệ thống nhúng được phát triển bằng các trình biên dịch, trình dịch hợp ngữ và các công cụ gỡ lỗi. Các công cụ phát triển bao gồm bộ gỡ lỗi mạch, chương trình mô phỏng, tiện ích checksum và CRC, và các công cụ xử lý tín hiệu số.

Độ tin cậy

Hệ thống nhúng cần đạt độ tin cậy cao, đặc biệt là trong các ứng dụng yêu cầu hoạt động liên tục và không gặp lỗi. Các thiết bị không đáng tin cậy như ổ đĩa, công tắc và nút bấm thường được hạn chế sử dụng trong các hệ thống nhúng để đảm bảo tính ổn định và tin cậy.

5. Ứng dụng thực tế của hệ thống nhúng

Hệ thống định vị và dẫn đường không lưu

Hệ thống nhúng được sử dụng trong các thiết bị dẫn đường, hệ thống định vị toàn cầu và các vệ tinh để cung cấp thông tin vị trí và hướng dẫn cho người sử dụng.

Thiết bị gia dụng

Các hệ thống nhúng được tích hợp trong các thiết bị gia dụng thông thường như tủ lạnh, lò vi sóng, lò nướng và nhiều sản phẩm khác, giúp tăng tính tiện ích và tự động hóa các hoạt động hàng ngày.

Thiết bị mạng

Hệ thống nhúng được sử dụng trong các thiết bị mạng như router, hub, gateway để điều phối và quản lý thông tin mạng, tạo kết nối và truyền dữ liệu giữa các thiết bị.

Thiết bị văn phòng

Các hệ thống nhúng được tích hợp trong các thiết bị văn phòng như máy photocopy, máy fax, máy in, máy scan để thực hiện các chức năng in ấn, sao chụp và quét một cách tự động và hiệu quả.

Thiết bị y tế

Hệ thống nhúng được sử dụng trong các thiết bị y tế như máy thẩm thấu, máy điều hòa nhịp tim và các thiết bị y tế khác để giám sát và điều chỉnh các thông số y tế quan trọng của bệnh nhân.

Máy trả lời tự động

Hệ thống nhúng được sử dụng trong các máy trả lời tự động, cho phép tự động xử lý cuộc gọi và cung cấp thông tin hoặc dịch vụ cho người dùng.

Dây chuyền sản xuất tự động và robots

Hệ thống nhúng được tích hợp trong các dây chuyền sản xuất tự động và robots trong công nghiệp, giúp tăng năng suất, chính xác và hiệu quả trong quá trình sản xuất.

Tạm kết 

Hệ thống nhúng là những hệ thống tích hợp công nghệ và phần cứng nhỏ gọn, được thiết kế để thực hiện các chức năng cụ thể. Chúng tồn tại trong rất nhiều thiết bị và ứng dụng hàng ngày của chúng ta, từ các thiết bị gia dụng, điện tử, đến công nghiệp và y tế. Hệ thống nhúng đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra những sản phẩm thông minh, tiện ích và đáng tin cậy. Với sự phát triển không ngừng, hệ thống nhúng đang trở thành một lĩnh vực hứa hẹn với những cơ hội và thách thức mới.