| اینترنت اشیاء |
|---|
| مفاهیم کلی |
| پروتکل‌های ارتباطات |
سامانه‌های تعبیه‌شده یاسامانه‌های توکار (سامانه‌های نهان یاسامانه‌های نهفته) (بهانگلیسی:Embedded system) در واقعرایانه‌هایی هستند که برای کنترل یک سامانه بزرگ و مشخص طراحی شده‌اند و مخصوصاً در زمان‌هایی که محدودیت‌هایی در مورد پردازش همزمان وجود دارد به کار می‌روند. سامانه نهفته معمولاً به عنوان بخشی از یک سامانه بزرگ که اغلب دارایسخت‌افزارها و بخش‌های مکانیک مختلفی است جاسازی می‌شود.[۱][۲] برخلاف یک رایانه چند منظوره، مانند یکرایانه شخصی که به شکلی انعطاف‌پذیر (از نظر معماری پردازنده) طراحی شده‌است که بخش بزرگی از نیازهای مصرف‌کننده‌ها را برآورده کند برای انجام کار مشخصی طراحی شده‌اند. سامانه‌های نهفته، امروزه برای کنترل خیلی از دستگاه‌ها به کار می‌روند.[۳]
سامانه‌های نهفته دارای هسته‌های پردازشی هستند که می‌توانندمیکروکنترلر یاپردازنده سیگنال‌های دیجیتال (DSP) باشند.[۴]پردازنده یک واحد مهم در سخت‌افزار یک سامانه نهفته است. در واقع پردازنده قلب این سامانه است.[۵]
به هر حال مشخصه کلیدی این سامانه‌ها، طراحی اختصاصی برای انجام یک کار مشخص است؛ بنابراین چون سامانه‌های نهفته برای یک کار مشخص اختصاص یافته‌اند، مهندسین طراح می‌توانند محصول را برای کاهش اندازه و قیمت بهینه کنند اطمینان پذیری و کارایی آن را بالا ببرند. برخی از سامانه‌های نهفته با بهره‌گیری ازمزیت‌های تولید با تعداد بالا، به شکل انبوه تولید شده‌اند.
از لحاظ فیزیکی، گستره سامانه‌های نهفته از دستگاه‌های قابل‌حمل مانند:ساعت مچی و پخش کننده‌های MP3 تا ایستگاه-های نصب‌شده و ثابت، مانندچراغ راهنمایی،کنترل‌کننده منطقی برنامه‌پذیر و سامانه‌های بزرگ و پیچیده مانند:خودرو هیبرید، تصویربرداری با تشدیدخودروی هیبریدی،ام‌آرآی واویونیک به‌کار می‌روند. پیچیدگی این سامانه‌ها از کم مانند یک تراشه میکرو کنترلر تا بسیار زیاد مانند دستگاه‌های جانبی یک سامانه و شبکه‌های سوار شده روی یک شاسی یا یک محوطه تغییر می‌کند.
کاربرد سامانه‌های نهفته در مصارف دستگاه‌های مصرفی، صنعتی، تجاری و نظامی گسترده شده‌است.سامانه‌های مخابراتی به شکل انبوهی از سامانه‌های نهفته درتلفن‌خانه درشبکه‌های مخابراتی و در تلفن‌های همراه در سمت مصرف‌کننده کاربرد دارند. شبکه‌های رایانه‌ای ازرهیاب‌های اختصاصی وپل‌های شبکه برای مسیریابی داده‌ها استفاده می‌کنند.سامانه‌های نهفته در محصولات الکترونیکی شاملدستیار دیجیتال شخصی (PDA) پخش کننده‌هایMP3، گوشی‌های تلفن همراه، انواعکنسول بازی،دوربین دیجیتال،پخش کننده‌های DVD، گیرنده‌هایسامانه موقعیت‌یاب جهانی (GPS) وچاپگرها نیز کاربرد دارند. بسیاری از لوازم خانگی، ماننددستگاه مایکروویو،ماشین لباس‌شویی وماشین ظرف‌شویی همگی شامل یک سامانه نهفته هستند که موجب انعطاف‌پذیری، بهره‌وری و امکانات بیشتر شده‌است. سامانه‌های سرمایش – گرمایش و تصفیه هوا از شبکهٔترموستات‌ها (حسگر دما) استفاده می‌کنند که به کنترل دقیق‌تر و کاراتر دما در ساعت‌های روز و فصل‌ها دست یابند.اتوماسیون خانگی از شبکه‌های سیمی یا بی‌سیم استفاده می‌کند که بتواند نور، هوا، امنیت، رسانه‌های صدایی و سیمایی، سامانه‌های نظارت و… را کنترل کند. در تمام این کاربردها، دستگاه‌های نهفته برای حس کردن و کنترل کردن استفاده می‌شوند.
سامانه‌های ترابری از پرواز تا خودروها به شکل فزاینده‌ای از سامانه‌های نهفته استفاده می‌کنند. هواپیماهای جدید، دارای وسایل ارتباط هوایی پیشرفته‌ای نظیرسامانه‌های ناوبری هوایی و گیرنده‌های GPS می‌باشند که به نوبه خود نیازهای قابل توجه امنیتی دارند. انواع موتوهای الکتریکی،موتورهای جریان مستقیم (DC) بدون شانه،موتورهای القائی وموتورهای DC از کنترل کننده‌های الکتریکی استفاده می‌کنند. خودروها، وسایل نقلیه الکتریکی ووسایل نقلیه هیبرید برای بیشینه کردن کارایی و کاهش آلودگی، به شکل فزاینده‌ای از سامانه‌های نهفته استفاده می‌کنند. دیگر سامانه‌های امنیت خودرو شاملسامانه ضد قفل ترمز(ABS)،سامانه‌های کنترل پایداری (ESC/ESP)،سامانه کنترل کشش (TCS) و نیرو محرکه چهار چرخ اتوماتیک (Automatic 4WD) نیز از سامانه‌های نهفته بهره می‌برند.
تجهیزات پزشکی از سامانه‌های نهفته در نشانگرهای علایم حیاتی، گوشی‌های تشخیص دیجیتال -برای تقویت صداها - و سامانه‌های گوناگون تصویر برداری پزشکی (PET,مقطع‌نگاری رایانه‌ای تک‌فوتونی، CT,MRI) - برای تحقیق وجستجوی غیر تهاجمی در داخل بدن - استفاده می‌کنند. سامانه‌های نهفته در تجهیزات پزشکی اغلب به وسیلهرایانه‌های صنعتی ایجاد شده‌اند.[۶]
سامانه‌های نهفته در ترابری، امنیت، کاربردهای پزشکی و سامانه‌های اضطراری حیاتی- که لازم است ازهک شدن در امان باشند- کاربردهای وسیعی دارند. در زمینه امنیت در برابر آتش‌سوزی، سامانه‌های نهفته توانایی بالایی در تحمل شرایط حرارتی دارند و می‌توانند دماهای بالایی را تحمل کنند و به کار خود ادامه دهند. در مورد امنیت، سامانه‌های نهفته می‌توانند این قابلیت را داشته باشند که بی‌نیاز از شبکه برق یا شبکه مخابراتی به کار خود ادامه دهند.
گونه‌ای جدید از دستگاه‌های بسیار کوچک بی‌سیم که به ریز دستگاه یا خرده دستگاه (motes) موسوم شده‌اند، به شدت در حال محبوب شدن در زمینه حسگرهای بی‌سیم هستند. شبکه حسگرهای بی‌سیم (Wireless sensors network یاشبکه بی‌سیم حسگر)، با بهره‌گیری از کاهش اندازه‌ای که به لطف روش‌های پیشرفته طراحی [مدارهای مجتمع] فراهم شده‌است، باعث شده‌اند که سامانه‌های جانبی بی‌سیم، همراه با حسگرهای تخصصی در یک بسته‌بندی کوچک قابل جاسازی باشد. این دست‌آورد به کاربران و شرکت‌ها این اجازه را می‌دهد که ده‌ها هزار متغیر را در دنیای فیزیکی اندازه‌گیری کرده و بر اساس آن‌ها درمانیتورینگ اطلاعات و کنترل سامانه‌ها عمل کنند. این «خرده دستگاه»ها کاملاً خودکفا هستند (نیازی به قطعه اضافه خارجی ندارند) و معمولاً یک منبع باتری را قبل از این که نیاز به تعویض یا شارژ داشته باشد، برای سال‌های زیادی استفاده می‌کنند.
یکی از نخستین سامانه‌های نهفته قابل ذکر، رایانه راهنمایی آپولو (Apollo Guidance Computer) بود که توسط چارلز پارکر دراپر(چارلز استارک دراپر) در آزمایشگاه تجهیز نظامی مؤسسه تکنولوژی ماساچوست (MIT) توسعه یافت. در میان پروژه آپولو، رایانه راهنمایی آپولو - که به‌دلیل استفاده ازمدارهای مجتمع یکپارچه، باعث کاهش وزن و اندازه آپولو می‌شد و به تازگی توسعه یافته بود - یکی از پر ریسک‌ترین بخش‌های پروژهآپولو بود. نخستین سامانه نهفته‌ای که به شکل انبوه تولید شد، Autonetics D-17 guidance computer، تولید شده برای موشک‌های Minutemam در سال ۱۹۶۱ بود. وقتی موشک Minutemam II در سال ۱۹۶۶ واردخط تولید شد، D-17 با یک رایانه جدید - که نخستین مورد استفاده عمده از مدارهای مجتمع بود- جایگزین گردید. این برنامه به‌تنهایی هزینه‌های تولید برای مدارهای مجتمعدرگاهNAND چهارتایی را از هزار دلار برعدد به ۳ دلار برعدد کاهش داد که استفاده این مدارها را در پروژه‌های تجاری معقول ساخت.
پس از کاربردهای محدود اولیه در دهه شصت، سامانه‌های نهفته از نظر قیمت هر روز ارزان‌تر شدند و بهبود بسیار زیادی در توانایی‌هایپردازش و کارایی این سامانه‌ها به‌وجود آمده است. برای مثال: نخستینریزپردازنده،اینتل ۴۰۰۴، برای ماشین‌های حساب و سامانه‌های کوچک دیگر طراحی شد، اما این تراشه نیاز به تعداد زیادی قطعات خارجی مکمل مانند: حافظه و تراشه‌های مکمل داشت. در سال ۱۹۷۸اتحادیه ملی تولیدکنندگان محصولات مهندسی (NEMA) یک استاندارد اولیه برای میکروکنترلرهای قابل برنامه‌ریزی از جمله همه کنترل کننده‌های بر پایه رایانه، مانند رایانه‌های یک تکه، رقمی یا کنترل کننده‌های مبتنی بر رویدادها، منتشر کرد.
به‌دلیل پایین آمدن قیمت میکرو کنترلرها و ریزپردازنده‌ها، جایگزینی شستی‌های پیچی گران‌قیمت و با اجزایآنالوگ، مثلپتانسیومترها وخازن‌های متغیر، با دکمه‌های «بالا / پایین» یا شستی‌های پیچی که به وسیله ریز کنترل کننده، کنترل می‌شوند، حتی برای محصول‌های مصرفی نیز عملی شد. در اوایل دهه ۸۰ میلادی، حافظه و سامانه ورودی و خروجی داده‌ها (ورودی/خروجی) با پردازنده ادغام و به شکل یکتراشه میکروکنترلر عرضه شد. میکروکنترلرها در کاربردهایی که رایانه‌های چند منظوره گران تمام می‌شوند، کاربرد گسترده‌ای دارند.
در سال های اخیر در ایران برنامه نویسان و بلاگر های فراوانی در حوزه سامانه های نفهفته فعالیت دارند. برای اطلاعات بیشتر در مورد سامانه های نهفته بهوبلاگ فارسی استک دیزاین مراجعه کنید.
سامانه‌های نهفته برای انجام وظایفی مشخص طراحی شده‌اند، برخلاف رایانه‌های چند منظوره که برای انجام وظایف مختلفی طراحی شده‌اند. همچنین برخی از سامانه‌های نهفته شرط‌هایی مانند امنیت و قابلیت بهره‌برداری برای انجام پردازش داده‌های به‌هنگام (بی‌درنگ) دارند که باید برآورده شود، برخی دیگر شرط‌های کمی برای انجام عملیات دارند و برخی هیچ شرطی برای انجام این وظایف ندارند که موجب سادگی بیشتر سخت‌افزار سامانه و در نتیجه کاهش قیمت تولید سامانه می‌شود.[۷]
سامانه‌های نهفته همواره یک دستگاه کاملاً مجزا از کل سامانه(Stand-alone)اصلی نیستند، بسیاری از سامانه‌های نهفته شامل بخش‌های کوچک و وابسته به رایانه، میان یک دستگاه بزرگ‌تر هستند که وظیفه‌ای کلی‌تر را انجام می‌دهند. برای مثال، ربات گیتار گیبسون (Gibson Guitar Robot) از یک سامانه نهفته برای کوک کردن سیم‌های گیتار به بهره می‌برد. در حالی که وظیفه کلی و اصلی ربات گیبسون، نواختن موسیقی است.[۸]
دستورهایبرنامه‌نویسی که برای یک سامانه نهفته نوشته می‌شوند به سفت‌افزار (سفت‌افزار) موسوم است و در حافظه فقط خواندنی (ROM) یا تراشه‌هایحافظه فلش نگهداری می‌شود. این دستورها توانایی اجرا شدن با منابع محدود سخت‌افزاری -یعنی: حافظه کم،صفحه‌کلید ونمایشگر کوچک یا عدم وجود صفحه کلید و نمایشگر- را دارند.
دامنه گوناگونی سامانه‌های نهفته از سامانه‌ای بدون رابط کاربری – برای انجام تنها یک وظیفه – تا یکسامانه پیچیده همراه بارابط کاربری گرافیکی که شبیهسامانه‌عامل رایانه‌های رومیزی است تغییر می‌کند.سامانه‌های ساده معمولاً از دکمه، دیودهای نورانی (LED)، یا نمایشگرهای کریستال مایع (LCD)کاراکتری یا گرافیکی (برای مثال: مدل محبوبHD44780 LCD) استفاده می‌کنند. دستگاه‌های تخصصی‌تر که از نمایشگرهای گرافیکی باحسگرهای لمسی یا دکمه‌های کنار صفحه استفاده می‌کنند، انعطاف بیشتری دارند و فضای کمتری اشغال می‌کنند.برخی از سامانه‌ها به شکلاز راه دور و با استفاده از پروتکل‌های ارتباطی (مانند:RS-232,USB,I2C) یا شبکه‌های رایانه‌ای (مانند:اترنت) با کاربر ارتباط برقرار می‌کنند. این روش چند مزیت عمده دارد، گسترش توانایی‌های سامانه، صرفه‌جویی در هزینه نمایشگر، ساده کردنBSP و امکان ساختن یک رابط کاربری قوی در رایانه‌های رومیزی نسبت به سامانه نهفته.به عنوان یک مثال خوب برای استفاده از شبکه، می‌توان از یکسرور نهفته داخل یک دستگاه (مثل:دوربین پروتکل اینترنت) یامسیریاب‌های شبکه نام برد. رابط کاربری در یکمرورگر وب بر روی یک رایانه که به سامانه وصل است نشان داده خواهد شد؛ بنابراین نیازی به نصب نرم‌افزار سفارشی روی رایانه نیست.
انواع سامانه‌های نهفته در دو دسته جای می‌گیرند، ریزپردازنده‌های معمولی (μP) که از مدارهای مجتمع جدا برای حافظه و بقیه سامانه‌های جانبی استفاده می‌کنند وریزکنترل‌کننده‌ها (μC) که معمولاً سامانه‌های جانبی زیادی روی تراشه دارند که موجب کم شدن مصرف انرژی، اندازه و هزینه می‌شود. برخلاف بازار رایانه‌های شخصی، به دلیل این که نرم‌افزار سامانه‌های نهفته برای یک کاربرد خاص نوشته شده و برای نصب شدن توسط کاربران عادی تولید نمی‌شوند، برایطراحی سامانه‌ها از معماری‌های گوناگونی برای پردازنده استفاده می‌شود، هر دو معماریجان فون نویمان و چندین گونه طراحیHarvard architectures مورد استفاده قرار می‌گیرند، هر دو گونه پردازندهمعماری ریسک وnon-RISC به کار رفته‌اند. طول هرکلمه باینری از ۴بیت تا ۶۴ بیت و حتی بیشتر تغییر می‌کند، البته شایع‌ترین گونه استفاده از کلمه‌های باینری در فرم‌های ۸ و ۱۶ بیتی است. اکثر معماری‌ها با گونه‌ها و اندازه‌های متنوع عرضه شده و به‌وسیله شرکت‌های تولیدی مختلفی تولید می‌شوند.میکروکنترلرهای بسیار زیادی برای استفاده در سامانه‌های نهفته تولید شده‌اند. پردازنده‌های چند منظوره هم در این سامانه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند ولی غالباً نیاز به مدارهای جانبی بسیار بیشتری درمقایسه با میکروکنترلرها دارند.
An embedded system is a microprocessor based system that is built to control a function or a range of functions.
توجه: این الگو تقریباً ازسیستم دسته‌بندی رایانش ای‌سی‌ام پیروی می‌کند. | |
| سخت‌افزار | |
| سازمان سامانه‌های رایانه | |
| شبکه رایانه‌ای | |
| سازمان نرم‌افزار | |
| نظریه زبان‌های برنامه‌نویسی وابزار توسعه نرم‌افزار | |
| توسعه نرم‌افزار | |
| نظریه محاسبات | |
| الگوریتمها | |
| ریاضیات رایانه | |
| سامانه اطلاعاتی | |
| امنیت رایانه | |
| تعامل انسان و رایانه | |
| همروندی | |
| هوش مصنوعی | |
| یادگیری ماشین | |
| گرافیک رایانه‌ای | |
| رایانش کاربردی | |
توجه: بنا برسامانه رده‌بندی رایانش ای‌سی‌ام علم رایانه همچنین می‌تواند به موضوع‌ها یا زمینه‌های گوناگون تقسیم شود. | |
