Trong thời đại công nghệ số, hệ thống nhúng là lĩnh vực đang phát triển mạnh mẽ. Hiện nay, hệ thống này có mặt rộng rãi trong nhiều ứng dụng, đóng vai trò quan trọng trong việc tiết kiệm năng lượng, cải thiện hiệu suất và tiện ích. Vậy hệ thống nhúng là gì và thành phần, đặc điểm, ứng dụng như thế nào? Hãy cùng chúng tôi tìm hiểu chi tiết hơn các thông tin có liên quan trong nội dung dưới đây nhé.
Hệ thống nhúng là gì?
Hệ thống nhúng (Embedded system) là cụm từ dùng để chỉ những hệ thống tích hợp cả phần mềm và phần cứng, có thể tự trị được các nhúng vào môi trường hay hệ thống mẹ. Nó là hệ thống phục vụ cho các bài toán chuyên dụng trong lĩnh vực quan trắc, truyền tin hay tự động hóa điều khiển.
Hệ thống được thiết kế với mục đích thực hiện chức năng riêng biệt, tức là thực hiện được 1 hoặc vài chức năng nhất định, kèm theo yêu cầu nhất định gồm 1 phần cứng, 1 số thiết bị máy móc chuyên dụng. Hệ thống sở hữu tính hoạt động ổn định, tính năng tự động hóa cao và khác biệt so với máy tính đa năng thông thường.
Ở thị trường toàn cầu, Embedded system có tiềm năng phát triển mạnh, số lượng vi xử lý chiếm hơn 99% tổng số chip vi xử lý trên thế giới. Tại châu Á, đặc biệt là nước Nhật đang là thị trường phần mềm nhúng dẫn đầu hiện nay.
Lịch sử phát triển của hệ thống nhúng
Vào những năm đầu thập kỷ 1960, hệ thống nhúng được phát triển bởi Charles Stark Draper tại MIT – Viện Công nghệ Massachusetts và bắt đầu với Apollo Guidance Computer. Ban đầu hệ thống được sử dụng trong tên lửa quân sự và sản xuất hàng loạt từ năm 1961. Một trong những hệ thống đầu tiên là máy tính Máy tính Autonetics D-17 sử dụng bóng bán dẫn và đĩa cứng lưu dữ liệu.
Năm 1966, khi Minuteman II được sản xuất, D-17 đã được thay thế bằng 1 máy tính mới sử dụng mạch tích hợp. Máy tính Minuteman có đặc điểm thiết kế quan trọng là khả năng lập trình lại thuật toán để tăng độ chính xác của tên lửa, khả năng kiểm tra tên lửa mà không cần sử dụng đầu nối nặng và cáp điện.
Sau đó, hệ thống nhúng trải qua quá trình phát triển vượt bậc về khả năng xử lý với mật độ tích hợp tăng, mạch tích hợp cỡ lớn (LIS) và giảm giá thành. Đến cuối những năm 70, sự xuất hiện của các bộ xử lý 8 bit, nhưng vẫn cần dùng chip nhớ bên ngoài.
Giữa thập kỷ 80, kỹ thuật mạch tích hợp phát triển cho phép tích hợp nhiều thành phần vào bộ chip xử lý. Các bộ xử lý được gọi là microcontrollers – vi điều khiển và phổ biến rộng.
Hiện nay, hệ thống nhúng được định nghĩa là hệ thống thực hiện các chức năng đặc biệt sử dụng vi xử lý. Hệ thống không chỉ có phần mềm mà còn liên quan đến vi mạch và phần cứng. Sự phát triển của Embedded system đã mở ra nhiều cánh cửa cho tiện ích, ứng dụng từ các thiết bị công nghiệp, y tế và gia dụng.
Hệ thống nhúng có những thành phần nào?
Về cơ bản, Embedded system gồm 3 thành phần là phần cứng, phần mềm ứng dụng và hiệu điều hành thời gian thực:
- Phần cứng
- Phần mềm ứng dụng
- Hệ điều hành thời gian thực (RTOS): RTOS giám sát phần mềm ứng dụng, cung cấp cơ chế cho phép bộ xử lý chạy theo lịch trình bằng cách tuân theo kế hoạch kiểm soát độ trễ. Hệ điều hành thời gian thực định nghĩa cách thức hoạt động của hệ thống, đặt ra quy tắc trong quá trình thực thi chương trình ứng dụng.
Các hệ thống quy mô nhỏ có thể không có hệ điều hành thời gian thực.
Hệ thống nhúng có những đặc điểm gì?
Embedded system có những đặc điểm gì là băn khoăn của nhiều khách hàng. Giải đáp chi tiết có trong nội dung tiếp theo của bài viết, mời bạn tham khảo.
Các đặc điểm chi tiết của Embedded system
Embedded system bao gồm những đặc điểm: giao diện, kiến trúc CPU, thiết bị ngoại vi, công cụ phát triển và độ tin cậy.
Giao diện
Hệ thống nhúng có thể có hoặc không có giao diện người dùng, giao diện có thể đơn giản (đèn LED và nút bấm) hoặc phức tạp (màn hình cảm ứng hoặc đồ họa), trong đó:
- Embedded system đơn nhiệm không sử dụng giao diện
- Hệ thống đa nhiệm có thể sử dụng giao diện màn hình cảm ứng, đồ họa, các nút bấm tương tác
Kiến trúc CPU
Hệ thống sử dụng các kiến trúc CPU như vi điều khiển (microcontroller) và vi xử lý (microprocessor). Vi điều khiển thường tích hợp các thiết bị ngoại vi trên cùng 1 chip để giảm chi phí và kích thước. Trong hệ thống các kiến trúc CPU phổ biến bao gồm ARM, PowerPC, 8051, x86, MIPS, PIC, và nhiều hơn nữa.
Thiết bị ngoại vi
Thiết bị ngoại vi sử dụng trong Embedded system để tương tác và giao tiếp với thế giới bên ngoài. Các thiết bị phổ biến bao gồm:
- Các giao diện giao tiếp tuần tự: SPI, I2C, SSC
- Giao diện nối tiếp: RS-422, RS-232, RS-485, USB
- Thiết bị định thời và xử lý tín hiệu: Compare, PLL, Time Processing Units…
Công cụ phát triển
Các phần mềm hệ thống được phát triển bằng các trình dịch hợp ngữ, trình biên dịch, các công cụ gỡ lỗi. Các công cụ phát triển bao gồm chương trình mô phỏng, bộ gỡ lỗi mạch, tiện ích checksum và CRC, các công cụ xử lý tín hiệu số.
Độ tin cậy
Embedded system cần đạt độ tin cậy cao, nhất là trong các ứng dụng yêu cầu hoạt động liên tục và không gặp lỗi. Các thiết bị không đáng tin cậy như công tắc, ổ đĩa, nút bấm thường được hạn chế sử dụng để đảm bảo độ tin cậy và tính ổn định.
Hệ thống nhúng ứng dụng trong đời sống như thế nào?
Embedded system được ứng dụng rất nhiều trong thực tế, sử dụng trong thiết bị gia dụng, thiết bị mạng, hệ thống định vị và dẫn đường không lưu, thiết bị văn phòng, thiết bị y tế, máy trả lời tự động, dây chuyền sản xuất tự động và robots.
Thiết bị gia dụng
Hệ thống nhúng được tích hợp trong các thiết bị gia dụng thông thường như lò nước, lò vi sóng, tủ lạnh và nhiều sản phẩm khác. Ứng dụng này giúp tăng tính tiện ích, tự động hóa các hoạt động hàng ngày.
Thiết bị mạng
Embedded system được sử dụng trong các thiết bị mạng như gateway, router, hub. Ứng dụng hệ thống trong thiết bị mạng để điều phối, quản lý thông tin, truyền dữ liệu và tạo sự kết nối giữa các thiết bị.
Hệ thống dẫn đường không lưu, định vị
Hệ thống nhúng được ứng dụng trong các hệ thống định vị toàn cầu, các vệ tinh, thiết bị dẫn đường để cung cấp thông tin vị trí và hướng dẫn cho người dùng.
Thiết bị văn phòng
Embedded system được tích hợp trong các thiết bị văn phòng như máy fax, máy scan, máy photo, máy in để thực hiện các chức năng sao chụp, in ấn, quét tự động và hiệu quả.
Thiết bị y tế
Các thiết bị y tế như máy điều hòa nhịp tim, máy thẩm thấu, các thiết bị giám sát và điều chỉnh thông số quan trọng của bệnh nhân được ứng dụng hệ thống nhúng.
Máy trả lời tự động
Các máy trả lời tự động ứng dụng Embedded system cho phép tự động xử lý cuộc gọi, cung cấp dịch vụ hoặc thông tin cho người dùng.
Dây chuyền sản xuất tự động, robots
Trong các dây chuyền sản xuất tự động, robots trong công nghiệp khi ứng dụng Embedded system giúp tăng năng xuất, hiệu quả, sự chính xác cho quá trình sản xuất.
Xu hướng phát triển của hệ thống nhúng
Embedded system đã và đang làm nên làn sóng mới trong truyền thông và công nghệ thông tin. Ngành công nghiệp cho hệ thống này dự kiến sẽ tiếp tục phát triển nhanh chóng và được thúc đẩy bởi sự phát triển liên tục của Thực tế ảo (VR – Virtual reality), Trí tuệ nhân tạo (AI – Artificial Intelligence), Thực tại tăng cường (AR – Augmented reality), học sâu (Deep learning), học máy (Machine learning) và Internet vạn vật (IoT – Internet of things).
Với sự phát triển không ngừng hệ thống sớm trở thành lĩnh vực hứa hẹn những thách thức và cơ hội mới. Xu hướng phát triển của hệ thống này hiện nay là:
- Hệ thống ngày càng chiếm được tỷ trọng cao và trở thành thành phần cấu tạo của các thiết bị quan trọng như linh kiện điện tử, quang học, cơ khí…
- Hệ thống trở nên phức tạp hơn để đáp ứng các yêu cầu khắt khe về tiêu thụ điện năng, độ ổn định đáng tin cậy, thời gian thực.
- Hệ thống trở nên mềm dẻo hơn, có khả năng bảo trì từ xa và có tính cá nhân cao.
- Embedded system phát triển hơn về khả năng hội thoại, có thể kết nối mạng và hội thoại với người dùng và các đầu đo cơ cấu chấp hành
- Các hệ thống ngày càng có tính tự tổ chức cao, tính thích nghi cao và khả năng tái cơ cấu hình như một tác nhân, một thực thể.
- Hệ thống có thể tiếp nhận được năng lượng từ nhiều nguồn khác nhau để tạo nên các hệ thống trong quá trình hoạt động có thể tự tiếp nhận năng lượng.
Để đáp ứng xu hướng phát triển mạnh, Embedded system cần chuẩn bị để đối mặt với những thách thức song hành cùng thời gian là:
- Độ phức tạp của hệ thống ngày càng tăng để đáp ứng xu hướng ngày càng mở rộng nhằm phù hợp với nhiều ngành nghề. Trong khi phương pháp thiết kế và kiểm tra chưa được hoàn thiện dẫn đến khoảng cách giữa thực hành và lý thuyết ngày càng lớn.
- Thiếu phương pháp tích hợp tối ưu giữa các thành phần tạo nên hệ thống nhúng bao gồm công nghệ phần mềm, điều khiển tự động, vi xử lý, điện tử, thiết kế máy và các công nghệ hỗ trợ khác.
- Độ tin cậy và tính mở của hệ thống là một thách thức do phải thường xuyên hội thoại với môi trường xung quanh, dẫn đến có nhiều tình huống không được thiết kế trước gây loạn hệ thống.
- Với hệ thống mở, khi đưa các thành mới vào từ hãng thứ 3 (module mới) có thể gây ra hoạt động thiếu tin cậy.
Hệ thống nhúng và IoT khác nhau như thế nào?
IoT (Internet of things) và hệ thống nhúng có nhiều điểm khác biệt, để phân biệt hệ thống nhúng và IoT trước tiên chúng ta cần tìm hiểu IoT là gì? IoT được hiểu là một mạng lưới, trong mạng lưới có nhiều đối tượng sẽ thông qua internet để thực hiện thu thập và trao đổi thông tin. Như vậy, Embedded system được hiểu đơn giản là tập hợp con của IoT.
Theo các nhà nghiên cứu, IoT được hình thành nhờ sự kết hợp hoàn hảo của công nghệ mạng NT, công nghệ thông tin và công nghệ nhúng ET. IoT sẽ là mạng lưới đảm bảo nhiệm vụ là thiết bị nhúng bao gồm bộ điều khiển, phần mềm, cảm biến, thiết bị điện tử và mạng để thực hiện kết nối mọi thứ.
Bên cạnh đó IoT là một công cụ thực hiện nhiệm vụ tiếp thị, không phải là 1 thuật ngữ kỹ thuật. IoT trong thuật ngữ liên quan đến kỹ thuật internet đảm nhiệm vai trò hệ thống điều khiển để xử lý nhúng được kết nối trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua website.
Trong khi đó, Embedded system làm nhiệm vụ phân tán, ví dụ hệ thống chiếu sáng, hệ thống sưởi của chung cư hay tòa nhà thương mại không xuất hiện trên internet nên được bảo mật thông tin. Do đó, IoT là hệ thống nhúng bảo mật, bảo vệ để điều khiển các bộ vi xử lý hoạt động hiệu quả hơn.
Ngoài ra, IoT còn là 1 kiến trúc xem xét hay khung khái niệm về các thành phần sẽ được giao tiếp cùng nhau nên nó không phải là 1 công nghệ. IoT là một tổng hợp của nhiều yếu tố cấu thành với Embedded system để thực hiện chức năng tạo ra một mạng lưới thống nhất trên internet.
Hệ thống nhúng là những hệ thống được thiết kế để thực hiện các chức năng cụ thể. Hệ thống tích hợp công nghệ và các phần cứng nhỏ gọn tồn tại trong rất nhiều thiết bị hàng ngày như thiết bị điện tử, công nghiệp, y tế, gia dụng… Embedded system đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra những sản phẩm tiện ích, thông minh và đáng tin cậy.
Hy vọng nội dung chi tiết liên quan đến hệ thống này trên đây sẽ giúp bạn tìm kiếm được những kiến thức hữu ích cho mình. Đừng quên theo dõi chúng tôi để liên tục cập nhật thông tin về công nghệ mới nhất nhé.
