نظام مضمن

من ويكيبيديا، الموسوعة الحرة
اذهب إلى: تصفح، ‏ ابحث

الأنظمة المضمنة: (المدمجة) هي أنظمة لمعالجة المعلومات وتكون مضمنة في منتج أكبر وهي عادة ما تكون غير مرئية مباشرة للمستخدم، ويكون الهدف الأساسي من شراء المنتج، ليس الأنظمة المدمجة بحد ذاتها، بل المنتج الذي يحوي تلك الأنظمة والوظائف التي تقوم بها، والأنظمة المدمجة هي معالجات ما بعد الحواسيب الشخصية، إذ أن معالجة المعطيات لم يعد مقتصرا على أجهزة الحاسوب ذات الوظائف العامة، بل أصبح جزء أساسي من طيف واسع من الأجهزة بحيث أصبحت تلك الأنظمة متخصصة بالقيام بوظيفة محددة، أمثلة على أنظمة المدمجة تشمل أنظمة معالجة المعلومات في أجهزة الاتصالات السلكية واللاسلكية، نظم النقل والمعدات في تصنيع الإلكترونيات الاستهلاكية.
والأنظمة المدمجة مصممة لأغراض محددة، كالتحكم أو الاتصال أو التخاطب مع المستخدم من خلال واجهة تخاطبية، وغالبا ما تقوم بوظيفتها بالزمن الحقيقي، وهي غالبا ما تكون جزء من منظومة أكبر (قد تشمل عناصر ميكانيكية والكيان الصلب hardware)

يجتمع فيها الكيان الصلب HW مع العتاد البرمجي SW في بيئة واحدة ليحققوا التكامل المطلوب حيث يقود فيها العتاد البرمجي العتاد الصلب من اجل تنفيذ المهمة أو المهمات المطلوبة منه. وباختصار هي عبارة عن (أجهزة كمبيوتريه لأغراض خاصة أومحدوده بدقة عالية)، بخلاف الحواسيب التي هي أجهزة كمبيوتر لأغراض عامة. وتعرف أيضا بـ الأنظمة المتضمنة أو الأنظمة المطمورة.
تحوي جميع الأنظمة المدمجة على نواة أو نوى تقوم بعملية المعالجة، قد تكون متحكم صغري أو معالجات الإشارة الرقمية digital signal processors ويعتبر الجزء الأهم من المكونات الفيزيائية للأنظمة المدمجة
الأنظمة المدمجة هي أنظمة مصممة خصيصيا للقيام بمهمة أو مهمات محددة، لذلك فمن المتاح للمصممين أن يأمثلوا (optimize) الأنظمة المدمجة بجعلها أصغر ما يمكن، لا تستهلك الكثير من القدرة، وتقوم بوظيفتها بوثوقية عالية.

السمات العامة للأنظمة المدمجة[عدل]

غالبا ما تكون الأنظمة المدمجة مرتبطة مع البيئة من خلال حساسات ومفعلات actuators تتلقى المعطيات من البيئة لتقوم بناء على نتائج معالجة تلك المعطيات بالقيام بوظيفة محددة.

تتسم الأنظمة المدمجة بسمات رئيسة:

أ) يمكن الاعتماد عليها:

1)الوثوقية: هي احتمالية عدم فشل النظام في القيام بالوظيفة الموكلة إليه.

2)قابلية الصيانية: وهي إمكانية إعادة النظام إلى العمل، بعد حصول عطل خلال وقت قصير

3)الإتاحية: هي احتمالية أن النظام متاح في لحظة زمنية ما، ولتحقيق إتاحية عالية، يجب أن يكون كل من الوثوقية وقابلية الصيانة عاليتين.

4)الأمان: أي أن فشل النظام لن يسبب أذى.

5)أمن المعطيات: يكفل النظام بقاءالمعلومات السرية أمنة، كما أن النظام يضمن أي نوع من الاتصالات التي بحاجة إلى تأكيد هوية.

ب) هي أنظمة فعالة:

1) فعالة من حيث الكلفة.

2)فعالة من حيث الوزن: إذ يجب أن تكون أخف ما يمكن.

3)فعالة من حيث الطاقة: يجب أن تستهلك أقل قدر ممكن من الطاقة مع ضمان قيامها بوظيفتها بالشكل المطلوب.

4)فعالة من حيث حجم كود البرنامج: كل التعليمات التي ستنفذ في النظام، يجب أن تكون مخزنة ضمن النظام، والأنظمة المدمجة عادة لا تحوي قرصا صلبا.

5) فعالة من حيث العمل في الزمن الحقيقي: الحد الأدنى من المواد يجب أن يستخدم في تنفيذ الوظيفة المحددة، ويجب أن يلتزم النظام بقيود الزمن الحقيقي، من خلال أقل قدر ممكن من الموادر الفيزيائية وكذلك الحد الأدنى من الطاقة.

ج) هي أنظمة تقوم بعملها خلال الزمن المحدد لإنهاء العمل.

د)هي أنظمة تقوم بوظيفة محددة، أي لا تقوم بوظائف متنوعة.

ه)وهي أنظمة لا تستخدم - بشكل عام - وحدات التخاطب المألوفة في الحواسيب كالفأرة ولوحة الكتابة والشاشة، بل تستخدم الأزرار ودولاليب تحكم وغيرها، ولذلك لا يلاحظ المستخدم وجود أي نمط للمعالجة المعطيات، ولهذا السبب، تسمى هذه الأنظمة أحيانا بالحواسيب الداخلية.

ح)هي أنظمة هجينة في أغلب الحالات: أي أنها تحوي أجزاء تماثلية وأجزاء رقمية، الأولى تستخدم قيم معطيات تماثلية والثانية قيم معطيات رقمية (متقطعة).

ك)الأنظمة المدمجة عادة ما تكون أنظمة تفاعلية: بمعنى انها تتفاعل مع البيئة، فتبقى مستعدة لإستقبال أي معطيات جديدة من البيئة ومعالجتها ومن ثم توليد خرج مناسب، حسب البرنامج الذي زودت به، فهي دائما في حالة تفاعل مستمر مع البيئة بوتيرة تحددها تلك البيئة.

أين توجد الأنظمة المدمجة (المضمنة)؟[عدل]

  • في المعامل والمصانع:: دارات التحكم بالروبوتات:: المصانع النووية
  • في الشوارع والطرقات:: كدارات المراقبة:: دارات تنظيم المرور
  • في البيوت:: كما في الغسالات – المايكروويف – أجهزة الديجيتال
  • معك انت الآن:: أجهزة الموبايل:: أو الـ PDA
  • أجهزة الإنترنت المحمول والثابت
  • المعدات العسكرية مثل أجهزة التحكم بالصواريخ
  • أجهزة الاتصالات الحديثة مثل الاقمار الصناعية
  • الاجهزة الطبية باختلاف أنواعها

اذا الأنظمة المضمنة توجد في كل مكان. لا تستغرب فهي تحيا معك

ما هي التحديات التي تواجهنا في عملية تصميم الانظمة المدمجة[عدل]

  • حجم العتاد الصلب الذي نحتاجه: حجم الذواكر، والمعالج، ووحدة التحكم.
  • كيف يمكننا تحقيق الوظيفة ضمن الوقت المحدد لها: هل سنستخدم برامج أذكى أم نستخدم عتاد صلب أسرع ؟
  • كيف يمكننا تقلبل الطاقة المستهلكة للحد الأدنى ؟، عادة ما يتم اللجوء إلى إطفاء كل البوابات الغير مستخدمة أثناء تنفيذ مهمة معينة أو تقييد الوصول إلى الذاكرة.
  • هل فعلا النظام المدمج يعمل بشكل صحيح ؟

التأكد من صحة التوصيف، ومن ثم التأكد أن التنفيذ يحقق متطلبات التوصيف، واختبار ألية معينة من أجل التأكد من صحة المعلومات ومن توافق عمل النظام مع قيود الزمن الحقيقي.

  • كيف سنعمل على النظام: من خلال التحكم أم من خلال المشاهدة، وما هي أفاق التطوير.
  • تحسس البيئة: غالبا ما تكون الحساسات غير مثالية وتعاني من الضجيج، وغالبا يكون من الصعب جدا تحديد كل ملامح وصفات البيئة التي سيعمل عليها النظام المدمج،
  • تغير البيئة: من خلال المفعلات، التطبيقات التي ننجزها ربما تحتاج سرعة عالية ودقة كبيرة في الاستجابة للبيئة.
  • مشاكل الاختبار: لا يوجد غالبا لوحة تخاطبية تقليدية للأنظمة المدمجة، كما يصعب تحديد وتكرار كل الحالات الممكنة، وكما ان الاختبار غالبا ما يتضمن تفاعل بين المكونات المختلفة للنظام بالإضافة لتفاعل النظام مع الأنظمة الأخرى.
  • صعوبة التوفيق بين المتطلبات المختلفة للتصميم الجيد: حجم الذاكرة، مقدار الطاقة المستهلكة، وزن القطعة.

منهجية التصميم[عدل]

  • وضع خوازمية للتصميم
  • فهم الخوارزمية يتيح لنا التأكد من عدم إهمال أي شيء أساسي في التصميم.
  • اختبار التصميم من خلال أدوات محاكاة ونمذجة برمجية قبل الشروع في تطبيقه.

وهناك إجمالا طريقتين للتصميم:

  • من الأعلى للأسفل: البدء من توصيف مجرد للنظام ومن ثم الانتقال إلى التفصيل شيئا فشيئا.
  • من الأسفل للأعلى: البدء اولا بالمكونات البالغة الصغر ومن ثم الانتقال إلى المكونات الأكبر.
  • في الواقع نعتمد خليط من الطريقتين حسب الحاجة وما يراه المصمم مناسبا.

أهداف التصميم[عدل]

  • التأكد من قيام البرنامج بوظيفته، ومن عمل لوحات التخاطب بشكل صحيح.
  • التأكد من الأداء الجيد للنظام كزمن التنفيذ والسرعة.
  • تكاليف التصنيع.
  • استهلاك القدرة.

كيف يتم تصنيع النظام المضمن:: مراحل التصنيع[عدل]

  • تحديد مواصفات النظام Specifications
  • تشكيل النماذج والوحدات Modeling
  • التصميم المبدئي وتقسيم الوظائف Design Space Exploration And Partitioning
  • مرحلة التجميع وتحسين الأداء synthesis and optimization
  • مرحلة التحقق والإثبات Validations
  • مرحلة التنفيذ: Implementations

تحديد مواصفات النظام Specifications[عدل]

وتتضمن تحديد الوظائف والمهام المطلوبة من النظام مع وصف واضح ودقيق لكل وظيفة بشكل بعيد عن الغموض، ولا ينبغي أن يفرض شيئا من حيث ألية تنفيذ تلك الوظائف أو المهام.كما يجب أن يتضمن التوصيف ذكرا لكل الشروط الوظيفية والغير الوظيفية المفروض توافرها في ذلك النظام.

تشكيل النماذج والوحدات Modeling[عدل]

هي عملية التصور والتخيل للنظام مع اعادة ترتيب للمرحلة الأولى وفيها يتم إنشاء نموذج الكيان الصلب ونموذج الكيان البرمجي

التصميم المبدئي وتقسيم الوظائف Design Space Exploration And Partitioning[عدل]

ولها أسلوبين

  • Homogeneous: وفيها يتم تقسيم الوظائف من قبل مصمم النظام
  • Heterogeneous: وفيها يتم تقسيم الوظائف في المرحلة السابقة عند تشكيل النماذج

مرحلة التجميع وتحسين الأداء synthesis and optimization[عدل]

وفيها يتم تجميع الوظائف مع بعضها البعض ليتم اختبارها في المرحلة اللاحقة كما يتم فيها عملية تحسين للتصميم بشكل عام

مرحلة التحقق والإثبات Validations[عدل]

وفيها يتم اختبار التصميم عن طريق إحدى بيئات المحاكاة وذلك للتأكد من سلامة التصميم والتأكد من أن النظام يقوم بالوظائف المطلوبة منه كاملة.

مرحلة التنفيذ: Implementations[عدل]

وهي المرحلة الأخيرة من مراحل تصنيع الأنظمة المضمنة وفيها يتم بناء النظام بشكله الأخير ثم يختبر بشكل عملي قبل طرحه في الأسواق

السؤال التالي ماذا يمكن ان تحتوي الأنظمة المضمنة ؟

خصائص الأنظمة المضمنة ؟[عدل]

  • يخزن على ذاكرة ثابته أو فلاش ميموري
  • يقوم بأداء وظيفة واحدة على الأغلب
  • ممكن ان يتكون من عدة أنظمة مضمنه

ماذا تحتوي الأنظمة المضمنة ؟[عدل]

  • وحدات المعالجة المركزية
  • وحدات تخزين للمعلومات
  • وحدات توقيت وعد
  • وحدات التحويل من الإشارات التشابهية إلى الإشارات الرقمية
  • وحدات اظهار للنتائج
  • وحدات إرسال واستقبال معلومات

وحدات المعالجة المركزية[عدل]

وتقسم وحدات المعالجة المركزية إلى ثلاثة اقسام أولا: معالجات وحيدة الهدف: وهي عبارة عن دارة رقمية مصممة لتنفيذ برنامج واحد محدد خصائصها:

  • تحتوي فقط على العناصر التي نحتاجها لتنفيذ البرنامج
  • لا يوجد فيها ذاكرة

فوائدها:

  • السرعة في الأداء
  • الطاقة المنخفضة
  • الحجم الصغير

ثانيا: معالجات التطبيقات الخاصة:

وهي عبارة عن معالجات قابلة للبرمجة تم تصميمها وتصنيعها من اجل تنفيذ مجموعة محددة من التطبيقات في حالاتها العامة فهي مزيج بين نوعين من المعالجات النوع الأول الذي رأيناه والنوع الثالث الذي سنراه خصائصها:

  • تمتلك ذاكرة برامج
  • خط معطيات محسن: Optimized Databath
  • وحدات وظائفية محددة

فوائدها:

  • مرنة نوعا ما
  • أداء جيد
  • الحجم الصغير وطاقة منخفضة

ثالثا: معالجات الأهداف العامة:

وهي عبارة عن معالجات قابلة للبرمجة تستخدم وتصنيعها من اجل تنفيذ تطبيقات مختلفة وتعرف بالمعالجات الصغرية خصائصها:

  • تمتلك ذاكرة برامج
  • خط معطيات عام بالإضافة إلى وجود عدد كبير من المسجلات العامة ووجود وحدة حساب ومنطق عامة أيضا

فوائدها:

  • إنتاجها سريع وتكلفة إنتاجها منخفضة
  • مرنة بشكل كبير

وكمثال عليها معالجات البنتيوم من شركة انتل

وحدات التوقيت والعد:

وتشمل كافة أنواع العدادات والمؤقتان ويتم استخدامها في الأنظمة المطمورة من اجل تحقيق التزامن في عمل معين

وحدات التحويل من الإشارات التشابهية إلى الإشارات الرقمية والرقمية إلى تشابهية:

وهي من أهم الوحدات التي تتواجد في الأنظمة المطمورة فيها تقوم بتحويل الإشارات التشابهية إلى رقمية وبالعكس وذلك حسب متطلبات الدارات الموضوعة في النظام الرقمي

وحدات الخرج والدخل:

وحدات الخرج لإظهار النتائج والرسائل وكذلك للإعلام بحالات النظام ومن أهم هذه الدارات شاشات الإظهار الكريستالية. لوحات السبع قطع. الليدات وحدات الدخل تستعمل لادخال المعطيات مثل لوحات المفاتيح والحساسات وغيرها

وحدات إرسال واستقبال المعلومات:

ازدات أهمية هذه العناصر خاصة في الآونة الأخيرة حيث أصبح العالم بأكمله يتجه نحو التقنيات اللاسلكية ومن أهم هذه الدارات مرسلات ومستقبلات البلوتوث ومرسلات ومستقبلات الإشارات الراديوية

مراجع[عدل]

Power analysis of embedded operating systems - Design Automation

الوصلات الداخلية والخارجية[عدل]

يمكنك الاستفادة من الموضوع التالي الاوتومات