سیستم‌های تعبیه‌شده (Embedded Systems) به عنوان بخش جدایی‌ناپذیر از فناوری‌های مدرن، در قلب بسیاری از دستگاه‌ها و تجهیزات هوشمند قرار دارند؛ از تلفن‌های همراه و خودروها گرفته تا تجهیزات پزشکی و صنعتی. این سیستم‌ها با هدف انجام وظایف خاص، به‌صورت بهینه و با منابع محدود طراحی می‌شوند و نقش مهمی در افزایش کارایی و هوشمندسازی ابزارهای روزمره ایفا می‌کنند.

سیستم تعبیه‌شده چیست؟

سیستم تعبیه‌شده (Embedded System) یک سیستم کامپیوتری کوچک و تخصصی است که به‌عنوان بخشی از یک دستگاه بزرگ‌تر طراحی شده و وظیفه انجام عملکردی مشخص و از پیش تعیین‌شده را بر عهده دارد. برخلاف رایانه‌های عمومی که برای اجرای انواع مختلفی از نرم‌افزارها طراحی می‌شوند، سیستم‌های تعبیه‌شده با هدف انجام یک یا چند وظیفه خاص ساخته می‌شوند و معمولاً از منابع سخت‌افزاری محدود اما بهینه بهره می‌برند.

یک مثال ساده از سیستم تعبیه‌شده، کنترل‌کننده دمای یک مایکروویو دیجیتال است که دمای مورد نظر را به‌صورت خودکار تنظیم و پایدار نگه می‌دارد. این سیستم‌ها در بسیاری از ابزارهای روزمره مانند ماشین لباسشویی، تلویزیون، تلفن همراه، تجهیزات پزشکی، خودروها و حتی هواپیماها حضور دارند. به دلیل عملکرد دقیق، مصرف انرژی پایین، و واکنش سریع، سیستم‌های تعبیه‌شده نقش کلیدی در هوشمندسازی دستگاه‌ها و بهبود تجربه کاربری ایفا می‌کنند.

اجزای اصلی سیستم‌های تعبیه‌شده

• پردازنده (Processor)
• حافظه (Memory)
• ورودی/خروجی (I/O Interfaces)
• واحدهای ارتباطی (Communication Interfaces)
• سیستم‌عامل یا نرم‌افزار کنترل‌کننده (Embedded OS/Firmware)
• حسگرها و محرک‌ها (Sensors and Actuators)
• منبع تغذیه (Power Supply)

انواع سیستم‌های تعبیه‌شده: طبقه‌بندی بر اساس عملکرد و پیچیدگی

• سیستم‌های تعبیه‌شده مستقل (Stand-alone Embedded Systems)

این سیستم‌ها به‌صورت مستقل و بدون نیاز به اتصال به سیستم‌های دیگر کار می‌کنند. معمولاً ورودی را از محیط دریافت کرده، آن را پردازش می‌کنند و خروجی لازم را تولید می‌نمایند. نمونه‌هایی از آن‌ها شامل ماشین‌حساب‌های دیجیتال، کنترل‌کننده‌های مایکروویو یا پخش‌کننده‌های MP3 هستند.

• سیستم‌های تعبیه‌شده بلادرنگ (Real-time Embedded Systems)

در این سیستم‌ها پردازش اطلاعات باید در بازه زمانی بسیار مشخص و دقیقی انجام شود. سیستم‌های بلادرنگ به دو دسته سخت (Hard Real-time) و نرم (Soft Real-time) تقسیم می‌شوند. از کاربردهای آن می‌توان به کنترل ترمز ضدقفل در خودرو یا سیستم‌های پرتاب موشک اشاره کرد، جایی که تأخیر حتی در حد میلی‌ثانیه می‌تواند بحرانی باشد.

سیستم‌های تعبیه‌شده شبکه‌ای (Networked Embedded Systems)

این نوع از سیستم‌های تعبیه‌شده برای ارتباط و تبادل داده با سایر سیستم‌ها از طریق شبکه طراحی شده‌اند. آن‌ها در بسترهایی مانند اینترنت اشیاء (IoT)، خانه‌های هوشمند و سیستم‌های نظارت صنعتی به‌کار می‌روند. یک مثال ساده، یخچال هوشمندی است که وضعیت خود را از طریق وای‌فای به اپلیکیشن موبایل گزارش می‌دهد.

• سیستم‌های تعبیه‌شده موبایل (Mobile Embedded Systems)

سیستم‌هایی هستند که در تجهیزات قابل‌حمل مانند گوشی‌های هوشمند، تبلت‌ها، دوربین‌های دیجیتال و GPS استفاده می‌شوند. آن‌ها نیاز به مصرف پایین انرژی، سرعت پردازش مناسب و طراحی جمع‌وجور دارند. این سیستم‌ها معمولاً با محیط‌های مختلف در تعامل‌اند و نقش مهمی در زندگی روزمره ما ایفا می‌کنند.

سیستم‌عامل‌های رایج برای سیستم‌های تعبیه‌شده

1. FreeRTOS:

این یکی از سبک‌ترین و محبوب‌ترین سیستم‌عامل‌های بلادرنگ برای سیستم‌های تعبیه‌شده است. FreeRTOS سیستم‌عامل منبع‌باز بوده و برای میکروکنترلرهایی با منابع محدود طراحی شده است. استفاده از آن در پروژه‌های صنعتی، پزشکی و IoT بسیار رایج است، چون هم عملکرد قابل‌اعتماد دارد و هم پشتیبانی وسیعی در جامعه توسعه‌دهندگان دارد.

2. Embedded Linux:

لینوکس نسخه‌های سبک و بهینه‌شده‌ای برای سیستم‌های تعبیه‌شده ارائه می‌دهد که به آن‌ها Embedded Linux گفته می‌شود. این سیستم‌عامل در ابزارهایی مانند روترها، سیستم‌های چندرسانه‌ای و دستگاه‌های پزشکی کاربرد دارد. با انعطاف‌پذیری بالا، پشتیبانی از درایورها و قابلیت سفارشی‌سازی Embedded Linux انتخابی مناسب برای پروژه‌های پیچیده‌تر محسوب می‌شود.

3. VxWorks:

VxWorks یک سیستم‌عامل تجاری بلادرنگ (RTOS) است که در کاربردهای حساس مانند صنعت هوافضا، پزشکی و نظامی استفاده می‌شود. این سیستم‌عامل سرعت بالا، امنیت قوی و پشتیبانی از استانداردهای صنعتی را ارائه می‌دهد و به همین دلیل در پروژه‌هایی مانند فضاپیمای ناسا یا سیستم‌های کنترل پرواز کاربرد دارد.

4. Zephyr OS:

Zephyr یک RTOS منبع‌باز است که توسط بنیاد لینوکس پشتیبانی می‌شود. این سیستم‌عامل برای دستگاه‌های IoT و میکروکنترلرهای کم‌مصرف طراحی شده و به‌خاطر معماری ماژولار و پشتیبانی از چندین معماری سخت‌افزاری، محبوبیت زیادی در بین توسعه‌دهندگان پیدا کرده است.

5. TinyOS:

سیستم‌عامل TinyOS برای سنسورهای شبکه‌ای و دستگاه‌های بسیار محدود طراحی شده است. این سیستم‌عامل مبتنی بر رویداد (event-driven) است و مصرف انرژی بسیار کمی دارد. در پروژه‌های تحقیقاتی و شبکه‌های حسگر بی‌سیم از TinyOS استفاده زیادی می‌شود.

تفاوت Embedded Systems با کامپیوترهای معمولی

سیستم‌های تعبیه‌شده (Embedded Systems) به طور خاص برای انجام وظایف مشخص و محدود طراحی می‌شوند، در حالی که کامپیوترهای معمولی مانند لپ‌تاپ یا دسکتاپ برای انجام طیف وسیعی از وظایف و اجرای نرم‌افزارهای مختلف ساخته شده‌اند. سیستم‌های تعبیه‌شده معمولاً در سخت‌افزار دستگاه‌ها ادغام شده‌اند و با منابع محدود مانند پردازنده ضعیف‌تر و رم کمتر کار می‌کنند. در مقابل کامپیوترهای معمولی برای عملکرد بالا طراحی شده‌اند و قابلیت ارتقاء، نصب برنامه‌های مختلف و انجام چندوظیفگی دارند.

همچنین سیستم‌های تعبیه‌شده اغلب به صورت بلادرنگ (Real-time) کار می‌کنند؛ یعنی باید در زمان مشخص و بسیار دقیق وظیفه خود را انجام دهند، مثلاً در ایربگ خودرو. در حالی که کامپیوترهای معمولی نیازی به چنین دقت زمانی‌ای ندارند. علاوه‌بر‌این سیستم‌های تعبیه‌شده از لحاظ مصرف انرژی بهینه هستند و اغلب از منابع انرژی محدودی مانند باتری تغذیه می‌کنند، در حالی که کامپیوترهای شخصی مصرف برق بیشتری دارند و اغلب به برق دائم متصل‌اند.