Cấu trúc của hệ thống nhúng

Cấu trúc của hệ thống nhúng ra sao? Các mô hình hay được dùng để thiết kế cấu trúc của hệ thống nhúng bao gồm những gì? Hãy cùng tham khảo bài viết dưỡi đây nhé.

1. Cấu trúc của hệ thống nhúng

Trước tiên chúng ta sẽ ôn lại khái niệm cơ bản của hệ thống nhúng trước khi tìm hiểu về cấu tạo của chúng

Hệ thống nhúng có tên tiếng Anh là embedded system, đây là một thuật ngữ dùng để chỉ một hệ thống có khả năng tự trị được nhúng vào trong môi trường hay một hệ thống mẹ. Hệ thống này tích hợp giữa cả phần cứng và phần mềm để phục vụ cho các bài toán chuyên dụng trong các lĩnh vực về công nghiệp, tự động hóa, điều khiển, truyền tin, quan trắc,… Chúng có tính hoạt động ổn định và tính năng tự động hóa cao.

Vậy cấu trúc của hệ thống nhúng bao gồm những gì?

Để nói về cơ bản thì cấu trúc của hệ thống nhúng sẽ bao gồm 3 phần: phần mềm hệ thống, phần mềm ứng dụng, bộ vi xử lý.

Phần mềm hệ thống: phần mềm này không bắt buộc phải có và có thể tái sử dụng trên một hệ thống nhúng khác. Chúng có chức năng quản lý bộ nhớ, quản lý tiến trình, quản lý chia sẻ tài nguyên. Trình điều khiển thiết bị: UART, Ethernet, ADC… Hệ điều hành nhúng: eCos, ucLinux, VxWorks, Monta Vista Linux, BIOS, QNX…

Phần mềm ứng dụng: không bắt buộc phải có và khó tái sử dụng trên một hệ thống nhúng khác. Chúng có chức năng quyết định hành vi cho một hệ thống nhúng.

Bộ vi xử lý (Hardware): đây là các thành phần bắt buộc trong một hệ thống nhúng, gồm có một số thiết bị như vi xử lý, bộ nhớ, tụ điện, điện trở, mạch tích hợp, bảng in mạch,…

Dưới đây là hình ảnh minh họa cho cấu trúc của hệ thống nhúng cơ bản:

[caption id="attachment_4306" align="aligncenter" width="600"] Cấu trúc của hệ thống nhúng cơ bản[/caption]

2. Ưu nhược điểm của hệ thống nhúng

Ưu điểm của hệ thống nhúng là có thể được sử dụng cho nhiều môi trường khác nhau. Rất ít khả năng lỗi mã hóa sản phẩm. Đơn giản hóa phần cứng và giảm chi phí tổng thể. Cải thiện chất lượng, tối ưu hóa hoạt động sản xuất cũng như tài nguyên hệ thống, chính vì vậy mà chúng được sử dụng nhiều trong việc sản xuất hàng loạt.

Nhược điểm: cần phải nỗ lực trong thời gian dài để có thể hoàn thiện. Mỗi hệ thống nhung có chức năng và nhiệm vụ riêng, khó có thể lập trình để tích hợp cùng các công việc khác. Bộ nhớ của hệ thống nhúng có giới hạn nên khách hàng sẽ gặp phải tình trạng khó lưu trữ các tệp dữ liệu.

3. Thiết kế hệ thống nhúng

Để thiết kế cấu trúc của hệ thống nhúng khá phức tạp đòi hỏi người thực hiện phải có nhiều kinh nghiệm. Hệ thống nhúng được thiết kế dựa vào các mô hình, có thể là một hoặc có thể kết hợp nhiều hơn các mô hình với nhau.

Một số mô hình phát triển hay được sử dụng để thiết kế cấu trúc của hệ thống nhúng:

• Mô hình big – bang: không có kế hoạch cụ thể trước và trong quá trình phát triển hệ thống.
• Mô hình code and fix: là mô hình đơn giản thích hợp cho các chương trình nhỏ với hai bước là viết code và fix các vấn đề phát sinh.
• Mô hình Waterfall: quá trình phát triển ở mô hình này được xây dựng theo từng bước, kết quả của từng bước được sử dụng làm tiền đề cho các bước tiếp theo.
• Mô hình spiral: quá trình phát triển được chia ra thành nhiều giai đoạn, dựa vào sự phản hồi của giai đoạn trước kết hợp với quá trình để lên kế hoạch cho giai đoạn tiếp theo.

4. Xu hướng phát triển và những thách thức của hệ thống nhúng trong tương lai

Hệ thống nhúng đang làm nên một làn sóng mới trong công nghệ thông tin và truyền thông sau máy tính lớn, PC và Internet. Xu hướng phát triển của hệ thống nhúng hiện nay là:

• Ngày càng chiếm được tỷ trọng cao và trở thành một thành phần cấu tạo nên các thiết bị của các phần cơ khí, linh kiện điện tử, quang học,…
• Trở nên phức tạp hơn để có thể đáp ứng được các yêu cầu khắt khe về thời gian thực, tiêu thụ điện năng ít, độ ổn định đáng tin cậy.
• Trở nên mềm dẻo hơn, có tính cá nhân cao và khả năng bảo trì từ xa.
• Phát triển hơn về khả năng hội thoại, có thể kết nối mạng và hội thoại với các đầu đo cơ cấu chấp hành và với người dùng.
• Các hệ thống nhúng ngày càng có tính thích nghi, tính tự tổ chức cao và có khả năng tái cơ cấu hình như một thực thể, một tác nhân.
• Có thể tiếp nhận được năng lượng từ nhiều nguồn khác nhau để tạo nên các hệ thống tự tiếp nhận năng lượng trong quá trình hoạt động.

Tuy nhiên đi kèm đó vẫn là những thách thức song hành cùng thời gian, các vấn đề mà hệ thống nhúng sẽ phải đối mặt như:

• Với xu hướng ngày càng mở rộng để phù hợp với nhiều ngành nghề, độ phức tạp của hệ thống cũng tăng cao. Mà phương pháp thiết kế và kiểm tra chưa được chín muồi dẫn đến khoảng cách giữa lý thuyết và thực hành sẽ càng lớn.
• Thiếu phương pháp tích hợp tối ưu giữa các thành phần tạo nên hệ nhúng bao gồm lý thuyết điều khiển tự động, công nghệ phần mềm, điện tử, vi xử lý, thiết kế máy, các công nghệ hỗ trợ khác.
• Do phải thường hội thoại với môi trường xung quanh nên độ tin cậy và tính mở của hệ thống sẽ là một thách thức. Bởi sẽ có nhiều tình huống không được thiết kế trước dẫn đến loạn hệ thống. Đối với hệ thống mở, các hãng thứ 3 đưa các module mới, thành phần mới vào cũng có thể gây nên sự hoạt động thiếu tin cậy

>>> Tham khảo: Hệ thống nhúng là gì? Ứng dụng trong thực tế