Liên hiệp các hội khoa học và kỹ thuật Việt Nam
Thứ ba, 05/12/2006 00:12 (GMT+7)

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

Nguồn: Tự động hoá ngày nay, số 10 (74) 2006

Xem Thêm

Thúc đẩy khởi nghiệp đổi mới sáng tạo gắn với tự tạo việc làm cho thanh niên trí thức
Sáng ngày 28/7, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) đã phối hợp với Viện Khoa học và Quản lý kinh tế (IESEM) tổ chức hội thảo "Thực trạng và giải pháp thúc đẩy khởi nghiệp đổi mới sáng tạo gắn với tự tự tạo việc làm cho thanh niên trí thức trong bối cảnh Cách mạng công nghiệp 4.0".
Thúc đẩy ứng dụng AI trong quản lý năng lượng - Giải pháp then chốt giảm phát thải nhà kính
Ngày 17/12, tại phường Bà Rịa, thành phố Hồ Chí Minh (TP.HCM), Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) phối hợp cùng Sở Công Thương TP.HCM, Trung tâm Chứng nhận Chất lượng và Phát triển Doanh nghiệp và Công ty Cổ phần Tập đoàn Vira tổ chức Hội thảo khoa học “Giải pháp thúc đẩy ứng dụng AI trong quản lý, sử dụng năng lượng hiệu quả nhằm giảm phát thải khí nhà kính”.
Thúc đẩy vai trò của Liên hiệp các Hội KH&KT địa phương trong bảo tồn đa dạng sinh học và thực thi chính sách
Trong hai ngày 12-13/11, tại tỉnh Cao Bằng, Liên hiệp các Hội KH&KT Việt Nam (VUSTA) phối hợp với Trung tâm Con người và Thiên nhiên (PanNature) và Liên hiệp các Hội KH&KT tỉnh Cao Bằng tổ chức Chương trình chia sẻ “Thúc đẩy vai trò của Liên hiệp các Hội KH&KT địa phương trong bảo tồn đa dạng sinh học và thực thi chính sách”.
Thúc đẩy ứng dụng thực tiễn của vật liệu tiên tiến trong sản xuất năng lượng sạch
Ngày 24/10, tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) phối hợp với Hội Khoa học Công nghệ Xúc tác và Hấp phụ Việt Nam (VNACA) tổ chức Hội thảo khoa học “Vật liệu tiên tiến ứng dụng trong sản xuất nhiên liệu tái tạo và giảm phát thải khí nhà kính”.
Dựa vào thiên nhiên để phát triển bền vững vùng núi phía Bắc
Đó là chủ đề của hội thảo "Đa dạng sinh học và giải pháp dựa vào thiên nhiên cho phát triển vùng núi phía Bắc" diễn ra trong ngày 21/10, tại Thái Nguyên do Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (Vusta) phối hợp với Trung tâm Con người và Thiên nhiên (PANNATURE) phối hợp tổ chức.
Muốn công tác quy hoạch hiệu quả, công nghệ phải là cốt lõi
Phát triển đô thị là một quá trình, đô thị hoá là tất yếu khách quan, là một động lực quan trọng cho phát triển kinh tế - xã hội nhanh và bền vững. Trong kỷ nguyên vươn mình, quá trình đô thị hoá không thể tách rời quá trình công nghiệp hoá - hiện đại hoá đất nước...
Hội thảo quốc tế về máy móc, năng lượng và số hóa lần đầu tiên được tổ chức tại Vĩnh Long
Ngày 20/9, tại Vĩnh Long đã diễn ra Hội thảo quốc tế về Máy móc, năng lượng và số hóa hướng đến phát triển bền vững (IMEDS 2025). Sự kiện do Hội Nghiên cứu Biên tập Công trình Khoa học và Công nghệ Việt Nam (VASE) - hội thành viên của Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) phối hợp cùng Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long (VLUTE) tổ chức.

Tin mới

Liên hiệp Hội các tỉnh, thành phố: Phát huy hiệu quả nguồn lực trí tuệ giải quyết các bài toán thực tiễn tại địa phương
Hoạt động của Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật các tỉnh, thành phố thời gian qua ngày càng bám sát yêu cầu phát triển và những vấn đề đặt ra từ thực tiễn. Thông qua tư vấn, phản biện chính sách, chuyển giao khoa học công nghệ, phổ biến kiến thức, đội ngũ trí thức đã có nhiều đóng góp thiết thực, góp phần đưa tri thức khoa học vào đời sống, phục vụ phát triển KH-XH tại địa phương.
Tổng Bí thư, Chủ tịch nước Tô Lâm đề xuất mạng lưới “Không gian vì Phát triển và Khả năng chống chịu”
Tổng Bí thư, Chủ tịch nước đã nêu 5 nguyên tắc quản trị đa phương với không gian vũ trụ, kêu gọi không đe dọa hoặc sử dụng vũ lực, đặt con người và Trái Đất ở trung tâm, đồng thời sẵn sàng làm điểm kết nối cho Đông Nam Á trong hợp tác quốc tế về không gian vũ trụ.
Bắc Ninh: Tháo gỡ vướng mắc trong tổ chức các hội thi, cuộc thi
Ngày 08/9, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật tỉnh đã tổ chức Tọa đàm “Nghị quyết số 25/2026/NQ-HĐND – Từ quy định đến thực tiễn tổ chức các hội thi, cuộc thi sáng tạo do Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật tỉnh Bắc Ninh tham mưu, chủ trì”. Ông Nguyễn Hồng Sơn- Phó Chủ tịch Liên hiệp hội tỉnh chủ trì hội nghị.
Tổng Bí thư, Chủ tịch nước Tô Lâm kết thúc tốt đẹp chuyến thăm cấp Nhà nước tới Liên bang Nga
Theo đặc phái viên TTXVN, tối 9/9 (giờ địa phương), Tổng Bí thư, Chủ tịch nước Tô Lâm cùng Phu nhân và Đoàn đại biểu cấp cao Việt Nam rời thủ đô Moskva kết thúc tốt đẹp chuyến thăm cấp Nhà nước tới Liên bang Nga (từ ngày 7-9/9/2026) và tiếp tục thăm chính thức Cộng hòa Pháp, dự Hội nghị Thượng đỉnh Không gian vũ trụ tại Paris từ ngày 9 -12/9/2026.
Tuyên bố chung về củng cố hơn nữa quan hệ đối tác chiến lược toàn diện Việt Nam- Nga
Nhân chuyến thăm cấp Nhà nước của Tổng Bí thư, Chủ tịch nước Tô Lâm cùng Phu nhân và Đoàn Đại biểu cấp cao Việt Nam tới Liên bang Nga từ ngày 7-9/9, hai bên đã ra Tuyên bố chung về việc củng cố hơn nữa quan hệ Đối tác chiến lược toàn diện Việt Nam - Nga trong giai đoạn mới. Ban Biên tập vusta.vn trân trọng giới thiệu toàn văn Tuyên bố chung:
Tổng Bí thư, Chủ tịch nước Tô Lâm hội đàm với Tổng thống Nga Vladimir Putin
Trong khuôn khổ chuyến thăm cấp Nhà nước tới Liên bang Nga, ngày 9/9/2026, tại Điện Kremlin, sau Lễ đón trọng thị với nghi thức cấp nhà nước, Tổng Bí thư Ban Chấp hành Trung ương Đảng Cộng sản Việt Nam, Chủ tịch nước Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam Tô Lâm đã hội đàm với Tổng thống Nga Vladimir Putin.
Hải Phòng: Sáp nhập Hội Làm vườn và Hội Kế hoạch hóa gia đình về Liên hiệp hội Thành phố
Ủy ban nhân dân thành phố Hải Phòng vừa ban hành Quyết định số 3494/QĐ-UBND ngày 29/8/2026 về việc cho phép sáp nhập Hội Làm vườn thành phố Hải Phòng và Hội Kế hoạch hóa gia đình thành phố Hải Phòng vào Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật (Liên hiệp Hội) thành phố Hải Phòng.
Thanh Hoá: Tập huấn công nghệ số và ứng dụng số trong sản xuất và đời sống
Ngày 08/9, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Thanh Hóa (Liên hiệp hội tỉnh) đã phối hợp với Hội Tin học Thanh Hóa và Trường Đại học Hồng Đức tổ chức Hội nghị tập huấn với chủ đề “Công nghệ số và ứng dụng số cho công dân xuất sắc và tiêu biểu trong lao động và sản xuất trên địa bàn tỉnh”.