موضوع مقاله: سامانه تعبیه‌شده | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # سامانه تعبیه‌شده | مقدمه: سامانه نهفته معمولاً به عنوان بخشی از یک سامانه بزرگ که اغلب دارای سخت‌افزارها و بخش‌های مکانیک مختلفی است جاسازی می‌شود. | ## بخش 1: سامانه تعبیه‌شده | برخلاف یک رایانه چند منظوره، مانند یک رایانه 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 دارای هسته‌های پردازشی هستند که می‌توانند میکروکنترلر یا پردازنده سیگنال‌های دیجیتال (DSP) باشند. 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 از مزیت‌های 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، مانند چراغ راهنمایی، کنترل‌کننده منطقی برنامه‌پذیر و سامانه‌های بزرگ و پیچیده مانند: خودرو هیبرید، تصویربرداری با تشدید خودروی هیبریدی، ام‌آرآی و اویونیک 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. گونه‌های سامانه‌های نهفته کاربرد سامانه‌های نهفته در مصارف دستگاه‌های مصرفی، صنعتی، تجاری و نظامی گسترده شده‌است. سامانه‌های مخابراتی به شکل انبوهی از سامانه‌های نهفته در تلفن‌خانه در شبکه‌های مخابراتی و در تلفن‌های همراه در سمت مصرف‌کننده کاربرد دارند. شبکه‌های رایانه‌ای از رهیاب‌های اختصاصی و پل‌های شبکه برای مسیریابی داده‌ها استفاده می‌کنند. سامانه‌های نهفته در محصولات الکترونیکی شامل دستیار دیجیتال شخصی (PDA) پخش کننده‌های MP3، گوشی‌های تلفن همراه، انواع کنسول بازی، دوربین دیجیتال، پخش کننده‌های DVD، گیرنده‌های سامانه موقعیت‌یاب جهانی (GPS) و چاپگرها نیز کاربرد دارند. بسیاری از لوازم خانگی، مانند دستگاه مایکروویو، ماشین لباس‌شویی و ماشین ظرف‌شویی همگی شامل یک سامانه نهفته هستند که موجب انعطاف‌پذیری، بهره‌وری و امکانات بیشتر شده‌است. سامانه‌های سرمایش – گرمایش و تصفیه هوا از شبکهٔ ترموستات‌ها (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 نظیر سامانه‌های ناوبری هوایی و گیرنده‌های GPS می‌باشند که به نوبه خود نیازهای قابل توجه امنیتی دارند. | ## بخش 2: سامانه تعبیه‌شده | انواع موتوهای الکتریکی، موتورهای جریان مستقیم (DC) بدون شانه، موتورهای القائی و موتورهای DC از کنترل کننده‌های الکتریکی استفاده می‌کنند. خودروها، وسایل نقلیه الکتریکی و وسایل نقلیه هیبرید برای بیشینه کردن کارایی و کاهش آلودگی، به شکل فزاینده‌ای از سامانه‌های نهفته استفاده می‌کنند. 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 و جستجوی غیر تهاجمی در داخل بدن - استفاده می‌کنند. سامانه‌های نهفته در ترابری، امنیت، کاربردهای پزشکی و سامانه‌های اضطراری حیاتی- که لازم است از هک 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. این دست‌آورد به کاربران و شرکت‌ها این اجازه را می‌دهد که ده‌ها هزار متغیر را در دنیای فیزیکی اندازه‌گیری کرده و بر اساس آن‌ها در مانیتورینگ 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. در میان پروژه آپولو، رایانه راهنمایی آپولو - که به‌دلیل استفاده از مدارهای مجتمع یکپارچه، باعث کاهش وزن و اندازه آپولو می‌شد و به تازگی توسعه یافته بود - یکی از پر ریسک‌ترین بخش‌های پروژه آپولو بود. این برنامه به‌تنهایی هزینه‌های تولید برای مدارهای مجتمع درگاهNAND 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 توانایی‌های پردازش و کارایی این سامانه‌ها به‌وجود آمده است. برای مثال: نخستین ریزپردازنده، 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 ۱۹۷۸ اتحادیه 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 اجزای آنالوگ، مثل پتانسیومترها و خازن‌های 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 یک تراشه میکروکنترلر عرضه شد. | ## بخش 3: سامانه تعبیه‌شده | 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 به وبلاگ فارسی استک دیزاین مراجعه کنید. مشخصات 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. 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. دامنه گوناگونی سامانه‌های نهفته از سامانه‌ای بدون رابط کاربری – برای انجام تنها یک وظیفه – تا یک سامانه پیچیده همراه با رابط کاربری گرافیکی که شبیه سامانه‌عامل رایانه‌های رومیزی است تغییر می‌کند. سامانه‌های ساده معمولاً از دکمه، دیودهای نورانی (LED)، یا نمایشگرهای کریستال مایع (LCD) کاراکتری یا گرافیکی (برای مثال: مدل محبوب HD44780 LCD) استفاده می‌کنند. دستگاه‌های تخصصی‌تر که از نمایشگرهای گرافیکی با حسگرهای لمسی یا دکمه‌های کنار صفحه استفاده می‌کنند، انعطاف بیشتری دارند و فضای کمتری اشغال می‌کنند. برخی از سامانه‌ها به شکل از 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 کردن BSP 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 یک سرور نهفته داخل یک دستگاه (مثل: دوربین پروتکل اینترنت) یا مسیریاب‌های شبکه نام برد. رابط کاربری در یک مرورگر وب بر روی یک رایانه که به سامانه وصل است نشان داده خواهد شد؛ بنابراین نیازی به نصب نرم‌افزار سفارشی روی رایانه نیست. 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، برای طراحی سامانه‌ها از معماری‌های گوناگونی برای پردازنده استفاده می‌شود، هر دو معماری جان فون نویمان و چندین گونه طراحی Harvard architectures مورد استفاده قرار می‌گیرند، هر دو گونه پردازنده معماری ریسک و non-RISC به کار رفته‌اند. طول هر کلمه باینری از ۴ بیت 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. | ## جمع‌بندی | پردازنده‌های چند منظوره هم در این سامانه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند ولی غالباً نیاز به مدارهای جانبی بسیار بیشتری درمقایسه با میکروکنترلرها دارند.