Hệ nhúng-Giải pháp thiết kế cho các hệ thống và thiết bị số thông minh

Hệ nhúng-Giải pháp thiết kế cho các hệ thống và thiết bị số thông minh

TS. Lưu Hồng Việt

Bộ môn Điều khiển tự động-Đại học Bách khoa Hà Nội

Ngày nay chúng ta có thể đã nghe và gặp rất nhiều hệ nhúng, một khái niệm khá phổ biến trong cả lĩnh vực công nghệ phát triển phần cứng và phần mềm. Chúng ta cũng có thể ít nhiều nhận thức và hiểu được qua phân tích chính tên gọi của chúng, Hệ-Nhúng (dịch từ tiếng Anh là Embedded Sytem). Nhưng sự da dạng về ứng dụng và tốc độ phát triển nhanh chóng về công nghệ phần cứng và phần mềm đôi khi lại làm chúng ta lúng túng và mơ hồ khi được chỉ, vậy hệ nhúng thực chất là gì? Ứng dụng của chúng như thế nào? Đạc điểm công nghệ của hệ nhúng và xu thế phát triển của chúng? Để mang lại một cách nhìn nhận rõ nét và đầy đủ hơn về hệ nhúng, trong bài viết này tác giả giới thiệu theo trình tự để trả lời lần lượt các câu hỏi nêu trên.

Hệ nhúng là gì?

Trong thế giới thực của chúng ta bất kỳ một thiết bị hay một hệ thống điện/điện tử có khả năng xử lý thông tin và điều khiển đều có thể tiềm ẩn một hệ nhúng bên trong., ví dụ các thiết bị truyền thông, thiết bị đo lường điều khiển, các thiết bị phục vụ sinh hoạt hàng ngày như lò vi sóng, máy giặt, camera… Rất dễ dàng để có thể kể ra hàng loạt các thiết bị hay hệ thống như vậy đang tồn tại quanh ta, chúng là hệ nhúng. Vậy hệ nhúng là gì và nên hiểu như thế nào về hệ nhúng? Hiện nay cũng chưa có một định nghĩa nào thực sự thoả đáng để được chuẩn hoá và thừa nhận rộng rãi cho hệ nhúng mà vẫn chỉ là những khái niệm diễn tả về chúng thông qua những đặc thù chung. Tuy nhiên ở đây chúng ta có thể hiểu hệ nhúng là một phần hệ thống xử lý thông tin: nhúng trong các hệ thống lớn, phức hợp và độc lậpví dụ trong ôtô, các thiết bị đo lường, điều khiển, truyền thông và thiết bị thông minh nói chung. Chúng là những tổ hợp của phần cứng và phần mềm để thực hiện một hoặc một nhóm chức năng chuyên biệt,cụ thể ( Trái ngược với máy tính PC mà chúng ta thường thấy được sử dụng không phải cho một chức năng mà là rất nhiều chức năng hay phục vụ chung cho nhiều mục đích). PC thực chất lại là một hệ thống lớn, tổ hợp của nhiều hệ thống nhúng ví dụ như card màn hình, âm thanh, modem, ổ cứng, bàn phím…Chính vì điều này làm chúng ta dễ lúng túng nếu được hỏi nên hiểu thế nào về PC, có phải là hệ nhúng hay không.

Ngày nay hệ thống nhúng đã trở thành một khuynh hướng giải pháp được áp dụng rộng rãi trong công nghệ kỹ thuật, kết hợp toàn diện cả phần cứng và phần mềm. Trong thực tế có rất nhiều hệ nhúng với sự kết hợp hoàn hảo giữa phần cứng và phần mềm mà đôi khi ta không chú ý và có thể dễ dàng nhận ra được ngay, ví dụ như lò vi sóng, đồng hồ báo thức, máy ảnh số, camera… Chúng hầu hết đều chứa một bộ xử lý ( processor)và phần mềm ( frimware). Chúng có phần lưu giữ phần mềm ( thường là ROM hoặc tương đương) và không gian bộ nhớ cho việc thực hiện trao đổi dữ liệu (thường là RAM hoặc tương đương). Ngoài ra có chứa phần giao tiếp vào/ra với bộ xử lý và thường được xem như là ngoại vi. Có thể mô tả một cách tổng quan về cấu trúc hệ nhúng như theo hình vẽ H-1.

Trong mỗi hệ nhúng đều có những phần mang tính đặc trưng và riêng biệt về thiết kế phần cứng và phần mềm. Sự khác biệt này là kết quả của sự thoả hiệp về giải pháp thiết kế nhằm ưu tiên thoả mãn các yêu cầu và thực hiện chức năng cụ thể của hệ nhúng.

Ứng dụng hệ nhúng.

Chúng ta có thể kể ra rất nhiều các ứng dụng của hệ thống nhúng dang được sử dụng hiện nay và xu thế có thể còn tiếp tục tăng nhanh. Một số các lĩnh vực và sản phẩm thị trường rộng lớn của các hệ thống nhúng có thể được nhóm như sau:

Các thiết bị điều khiển.

Ôtô, tàu điện.

Truyền thông.

Thiết bị y tế.

Hệ thống đo lường thẩm định.

Toà nhà thông minh.

Thiết bị trong các dây chuyền sản xuất.

Robot.

………

Mặc dù phạm vi ứng dụng rất đa dạng và khác nhau nhiều về thiết kế vật lý (nền phần cứng) nhưng chúng đều có nguyên lý xử lý chung, tạo nên nét đặc thù của hệ nhúng.

Các yếu tố đặc trưng.

Các hệ thống như vậy đều có chung một số đặc điểm như yêu cầu về khả năng thời gian thực, độ tin cậy, tính độc lập và hiệu quả. Một câu hỏi được đặt ra là tại sao hệ thống nhúng lại phát triển và được phổ cập một cách nhanh chóng như hiện nay. Câu trả lời thực ra nằm ở các yêu cầu tăng lên không ngừng đối với các ứng dụng công nghệ hiện nay. Một trong những yêu cầu cơ bản đó là[1]:

Khả năng độc lập và thông minh hoá:Điều này được chỉ rõ hơn thông qua một số các thuộc tính yêu cầu, cụ thể như:

Độ tin cậy.

Khả năng bảo trì và phân cấp.

Sự phổ cập và tiện sử dụng.

Độ an toàn.

Tính bảo mật.

Hiệu quả:Yêu cầu này được thể hiện thông qua một số các đặc điểm của hệ thống như sau:

Năng lượng tiêu thụ.

Kích thước về phần cứng và phần mềm.

Hiệu quả về thời gian thực hiện.

Kích thước và khối lượng.

Giá thành.

Phân hoạch tác vụ và chức năng hoá:Các bộ vi xử lý trong các hệ nhúng thường được sử dụng đẻ đảm nhiệm và thực hiện một hoặc một nhóm chức năng rất độc lập và cũng rất đặc thù cho từng phần chức năng của hệ thống lớn mà nó được nhúng vào. Ví dụ như một vi xử lý thực hiện một phần điều khiển cho một chức năng thu thập, xử lý và hiển thị của ôtô hay hệ thống điều khiển quá trình. Khả năng này làm tăng thêm sự chuyên biệt hoá về chức năng của một hệ thống lớn và dễ dàng hơn cho quá trình xây dựng, vận hành và bảo trì.

Khả năng thời gian thực:Các hệ thống đều gắn liền với việc đảm nhiệm một chức năng chính và phải được thực hiện đúng theo một khung thời gian quy định. Thông thường một chức năng của hệ thống phải được thực hiện và hoàn thành theo một yêu cầu thời gian định trước để đảm bảo thông tin cập nhật kịp thời cho phần xử lý của các chức năng khác và có thể ảnh hưởng trực tiếp tới sự hoạt động đúng và chính xác của toàn hệ thống. Tuỳ thuộc vào từng bài toán và yêu cầu của hệ thống mà yêu cầu về khả năng thời gian thực cũng rất khác nhau.

Tuy nhiên, trong thực tế không phải hệ nhúng nào cũng đều có thể thoả mãn tất cả những yêu cầu nêu trên, vì chúng là kết quả của sự thoả hiệp của nhiều yêu cầu và điều kiện nhằm ưu tiên cho chức năng cụ thể mà chúng được thiết kế. chính điều này lại càng làm tăng thêm tính chuyên biệt hoá của các hệ/thiết bị nhúng mà các thiết bị đa năng không thể cạnh tranh được.

Công nghệ phát triển.

Vì sự phát triển của hệ nhúng là sự kết hợp nhuần nhuyễn giữa phần cứng và phần mềm nên công nghệ gắn liền với nó cũng chính là công nghệ kết hợp giữa các giải pháp cho phần cứng và mềm. Vì tính chuyên biệt của các thiết bị/hệ nhúng như đã giới thiệu nên các nền phần cứng cũng được chế tạo để ưu tiên đáp ứng cho chức năng hay nhiệm vụ cụ thể của yêu cầu thiết kế đặt ra, từ đơn giản đến phức tạp. Đó cũng là sự kết hợp đa dạng và sự ra đời của các hệ nhúng nhằm thoả mãn các ứng dụng đa dạng đó. Chính vì vậy cũng không có gì ngạc nhiên khi chúng ta thấy sự tồn tại song song của rất nhiều các Chíp siêu xử lý khác vẫn đang được ứng dụng rộng rãi cho hệ nhúng.

Với mỗi một nền phần cứng thường có những đặc thù riêng và kèm theo một giải pháp phát triển phần mềm tối ưu tương ứng. Không có một giải pháp nào chung và chuẩn tắc cho một thiết kế cụ thể của tất cả các hệ nhúng. Chính vì vậy thông thường các nhà phát triển và cung cấp giải pháp phần mềm và công cụ phát triển phần mềm kèm theo. Rất phổ biến hiện nay các Chíp vi xử lý hay vi điều khiển cũng như nhiều các Chíp xử lý nhúng đều có các hệ phát triển (Starter Kit hay Emulator) để hỗ trợ cho các nhà ứng dụng và xây dựng hệ nhúng với hiểu biết hạn chế về phần cứng. Ngôn ngữ mã hoá phần mềm cũng thường là c hoặc gần giống như c (likely C) thay vì phải viết hoàn toàn bằng Assembler. Điều này cho phép các nhà thiết kế tối ưu và đơn giản hoá rất nhiều cho bước phát triển và xây dựng hệ nhúng.

Trong xu thế phát triển không ngừng và nhằm thoả mãn được nhu cầu phát triển nhanh và hiệu quả có rất nhiều các công nghệ cho phép thực thi các giải pháp hệ nhúng. Đứng sau sự phổ cập rộng rãi của các nền phần cứng ứng dụng Chíp vi xử lý vì điều khiển, phải kể đến các công nghệ cũng đang rất được quan tâm hiện nay như ASICS, CPLD, FPGA, PSOC và sự tổ hợp của chúng [4]…Kèm theo đó là các kỹ thuật phát triển phần mềm cho phép đảm nhiệm được các bài toán yêu cầu khắt khe trên cơ sở một nền phần cứng hữu hạn về khả năng xử lý và không gian bộ nhớ [3]. Giải quyết các bài toán thời gian thực như phân chia tác vụ và giải quyết cạnh tranh chia sẻ tài nguyên chung. Hiện nay cũng đã có nhiều nhà phát triển công nghệ phần mềm lớn đang hướng vào thị trường hệ nhúng bao gồm Microsoft. Ngoài một số các hệ điều hành Windows quen thuộc dùng cho PC, Microsoft cũng đã tung ra các phiên bản mini như WindowsCE, WindowsXP Embeded và các công cụ phát triển ứng dụng kèm theo để phục vụ cho các thiết bị nhúng, điển hình như các thiết bị PDA, một số thiết bị điều khiển công nghệ như các máy tính nhúng, IPC của Siemens…

Sự phát triển và xu thế

Kỷ nguyên công nghệ mới đã và đang tiếp tục phát triển không ngừng nhằm thông minh hoá, hiện đại hoá thông suốt các hệ thống. Có thể nói đánh dấu sự ra đời và phát triển các hệ nhúng trước tiên phải kể đến sự ra đời của các bộ vi xử lý, vi điều khiển. Nó được đánh dấu bởi sự ra đời của Chip vi xử lý đầu tiên 4004 vào năm 1971 cho mục đích tính toán thương mại bởi một công ty Nhật Bản Busicom và sau đó đã chắp cánh và phát triển không ngừng bởi Intel để trở thành các bộ siêu xử lý như các Chip được ứng dụng cho PC ngày nay. Thập kỷ 80 có thể được coi là thời điểm bắt đầu kỷ nguyên của sự bùng nổ về phát triển các hệ nhúng. Từ đó khởi nguồn cho làn sóng ra đời của hàng loạt các chủng loại vi xử lý và gắn liền là các hệ nhúng để thâm nhập rộng khắp trong các ứng dụng hằng ngày của cuộc sống chúng ta ví dụ như các thiết bị điện tử sử dụng cho sinh hoạt hàng ngày (lò vi sóng, TV, tủ lạnh, máy giặt, điều hoà…) và văn phòng làm việc (máy fax, máy in, máy điện thoại…)…Các bộ vi xử lý và phần mềm cũng ngày càng được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều các hệ thống nhỏ. Các loại vi xử lý được sử dụng trong các hệ thống nhúng hiện nay đã vượt xa so với PC về số lượng chủng loại (chiếm đến 79% số các vi xử lý đang tồn tại [2] ) và vẫn còn tiếp tục phát triển để nhằm đáp ứng và thoả mãn rất nhiều ứng dung đa dang. Trong số đó vẵn còn ứng dụng cả các Chip vi xử lý 8 bit, 16 bit và hiện nay chủ yếu vẫn là 32 bit (chiếm khoảng 75%) [2]. Gắn liền với sự phát triển phần cứng, phần mềm cũng đang phát triển với tốc độ nhanh không thua kém, thậm chi sẽ tăng nhanh hơn rất nhiều theo sự phát triển hệ nhúng.

Có thể nói hệ nhúng đã trở thành một giải pháp công nghệ và phát triển một cách nhanh chóng, hứa hẹn nhiều thiết bị nhúng sẽ chiếm lĩnh được thị trường rộng lớn trong tương lai nhằm đáp ứng nhu cầu ứng dụng không ngừng trong cuộc sống của chúng ta. Đối với lĩnh vực công nghiệp về điều khiển và tự động hoá, hệ nhúng cũng là một giải pháp đầy tiềm năng đã và đang được ứng dụng rộng rãi. Nó rất phù hợp trong xu thế số hoá để thực thi các chức năng thông minh hoá, chuyên biệt trong các hệ thống và thiết bị công nghiệp. Giải pháp hệ nhúng có thể được thực thi từ cấp thấp nhất của hệ thống công nghiệp là cơ cấu chấp hành cho đến các cấp cao hơn như giám sát điều khiển quá trình.

Tài liệu tham khảo

[1] Peter Marwedel, Embedded System Design: Springer Verlag,2006

[2] A. Stiller, New Processors, CT, 22:52.2000

[3] Michael Barr, Programming Embedded System, O’Reilly, 1999

[4] www. embedded.com