Một hệ thống nhúng là một hệ thống phần cứng máy tính có phần mềm được tích hợp sẵn trong đó để phục vụ cho một tác vụ cụ thể. Nó có thể tồn tại dưới dạng một hệ thống độc lập như đồng hồ hoặc máy giặt, hoặc là một phần của một hệ thống lớn như hệ thống chống bó cứng phanh trên ô tô hoặc bộ định tuyến trong hệ thống viễn thông.
Do sử dụng hệ thống nhúng riêng cho từng tác vụ cụ thể, kỹ sư thiết kế có thể tối ưu hóa để giảm kích thước và giá thành sản phẩm, đồng thời tăng độ tin cậy và hiệu suất.
Hệ thống nhúng có độ phức tạp biến đổi từ thấp, chỉ sử dụng một chip vi điều khiển duy nhất, đến cao, khi có nhiều đơn vị, thiết bị ngoại vi và mạng được kết nối trên một giá đỡ của thiết bị lớn.
Table of Contents
Lịch sử phát triển
Vào năm 1960 tại MIT – Viện Công nghệ Massachusetts – hệ thống nhúng được Charles Stark Draper sử dụng lần đầu tiên để phát triển Hệ thống dẫn đường Apollo; hệ thống này thường được sử dụng và cải tiến trong rất nhiều nhiệm vụ không gian của NASA.
Năm 1965, công ty Autonetic, hiện nay là một phần của Boeing, đã phát triển máy tính D-17B dùng trong hệ thống dẫn đường của tên lửa Minuteman I. Đây là hệ thống nhúng hàng loạt đầu tiên được công nhận.
Trong những năm cuối thập kỷ 60 và đầu thập kỷ 70, với sự gia tăng mật độ tích hợp và giảm giá thành, sự phát triển của hệ thống nhúng đã được thúc đẩy bởi mạch tích hợp cỡ lớn (LSI). Ứng dụng của chip MOS LSI vào lĩnh vực điện toán đã tạo nên cơ sở cho sự phát triển của các bộ vi xử lý đầu tiên. Kỹ sư đã nhận ra rằng một hệ thống xử lý máy tính hoàn chỉnh có thể được tích hợp trên một số chip MOS LSI.
Năm 1968, ô tô Volkswagen 1600 đã trở thành mẫu xe đầu tiên được trang bị hệ thống nhúng, sử dụng bộ xử lý để điều khiển hệ thống phun xăng điện tử.
Năm 1971 Intel cho ra đời bộ vi xử lý thương mại đầu tiên, Intel 4004; bộ vi xử lý 4 bit này được sử dụng với cùng với các chip nhớ và giao tiếp vào ra bên ngoài, để thiết kế máy tính (calculator) và các thiết bị điện tử nhỏ.
Năm 1972, Intel phát hành vi xử lý 8 bit có tên là Intel 8008. Hai năm sau đó, vào năm 1974, họ phát hành vi xử lý Intel 8080. Sau đó, vào năm 1978, họ tiếp tục phát hành loạt vi xử lý x86, mà đến nay vẫn được sử dụng rộng rãi.
Texas Instruments đã phát triển bộ vi điều khiển đầu tiên của họ, gọi là TMS1000, vào năm 1971. Bộ vi điều khiển này được tung ra thị trường vào năm 1974 và đi kèm với bộ xử lý 4 bit, bộ nhớ chỉ đọc (ROM) và bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM).
Năm 1987, Wind River phát hành hệ điều hành nhúng đầu tiên là VxWorks, một hệ điều hành thời gian thực. Sau đó, vào năm 1996, Microsoft ra mắt Windows Embedded CE. Cuối những năm 1990, các sản phẩm nhúng Linux đầu tiên bắt đầu xuất hiện. Hiện nay, Linux được sử dụng rộng rãi trên hầu hết các thiết bị nhúng.
Các thành phần của hệ thống nhúng
Một hệ thống nhúng có ba thành phần:
Thiết bị máy tính;
Ứng dụng phần mềm;.
Hệ điều hành thời gian thực (RTOS) có nhiệm vụ giám sát phần mềm ứng dụng và cung cấp cơ chế cho phép bộ xử lý chạy một quy trình theo lịch trình thông qua việc tuân theo kế hoạch kiểm soát độ trễ. RTOS xác định cách thức hoạt động của hệ thống và áp đặt các quy tắc trong quá trình thực thi chương trình ứng dụng.
Một hệ thống nhúng quy mô nhỏ có thể không có hệ điều hành thời gian thực.
Đặc điểm của một hệ thống nhúng
Chức năng đơn – Một hệ thống nhúng thường thực hiện một tác vụ đặc biệt. Ví dụ: Máy gửi tin nhắn, máy thu vị trí GPS….
Có hạn chế về ràng buộc – Tất cả các hệ thống máy tính đều phải tuân thủ một số ràng buộc về thiết kế dữ liệu, nhưng các ràng buộc này trên hệ thống nhúng có thể rất nghiêm ngặt. Ví dụ, một hệ thống nhúng cần có kích thước tương đương với một con chip, đủ nhanh để xử lý dữ liệu theo thời gian thực và tiêu thụ ít năng lượng nhất để kéo dài tuổi thọ pin.
Thực hiện các tính toán trong thời gian thực và phản ứng liên tục với môi trường là yêu cầu cần thiết của nhiều hệ thống nhúng. Ví dụ, hệ thống điều khiển hành trình của xe ô tô phải liên tục giám sát và đáp ứng theo tốc độ và cảm biến phanh, đồng thời tính toán gia tốc hoặc giảm tốc một cách liên tục trong thời gian giới hạn. Một độ trễ nhỏ có thể dẫn đến mất kiểm soát của xe.
Ứng dụng của hệ thống nhúng
Hệ thống nhúng thường có mặt trong nhiều lĩnh vực như ứng dụng thương mại, công nghiệp, quân sự, y tế và sản phẩm gia dụng.
Mọi người đều sử dụng các thiết bị nhúng để phát hiện và điều khiển.
Xu hướng phát triển
Các lĩnh vực công nghiệp cho các hệ thống nhúng dự kiến sẽ tiếp tục phát triển mạnh mẽ, được thúc đẩy bởi sự tiến bộ liên tục của Trí tuệ nhân tạo (AI), Thực tế ảo (VR) và Thực tại tăng cường (AR), học máy (Machine learning), học sâu (Deep learning) và Internet vạn vật (IoT).
Báo cáo năm 2018 của QYResearch cho biết, thị trường toàn cầu của ngành công nghiệp hệ thống nhúng đã có giá trị 68,9 tỷ đô la vào năm 2017 và được dự đoán sẽ đạt 105,7 tỷ đô la vào cuối năm 2025.
Hệ thống nhúng trong các chương trình đào tạo của Học viện
Ở Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, Hệ thống nhúng được áp dụng trong việc giảng dạy các ngành Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử, Công nghệ internet vạn vật (IoT), Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa, Kỹ thuật điện tử viễn thông, An toàn thông tin và Công nghệ thông tin.
Sinh viên được trang bị những kiến thức cơ bản về hệ thống nhúng, phân tích và kiểm thử hệ thống, hệ điều hành thời gian thực, mô hình thiết kế hệ thống nhúng và phương pháp thiết kế các thành phần của hệ thống nhúng. Điều này giúp sinh viên phát triển các hệ thống nhúng tối ưu về cả phần cứng và phần mềm.
Trong ngành Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử, sinh viên cần thực hiện Đồ án thiết kế hệ thống nhúng, nhằm cung cấp cơ hội cho sinh viên nâng cao khả năng phân tích, tổng hợp và thiết kế hệ thống nhúng dựa trên các kit vi điều khiển đã có sẵn trong phòng thí nghiệm của Khoa Kỹ thuật điện tử. Sinh viên sẽ được hướng dẫn về phương pháp phân tích và tổng hợp các yêu cầu thiết kế. Từ đó, sinh viên sẽ tự đề ra phương án và thực hiện thiết kế hệ thống nhúng để đáp ứng yêu cầu thực tế.
