الرئيسية - مساحة المقالات - علوم الحاسب - مُقدّمة في الأنظمة المُضّمنة (المدمجة) Intro to Embedded Systems

مُقدّمة في الأنظمة المُضّمنة (المدمجة) Intro to Embedded Systems

الأنظمة المضمنة Embedded systems
يطلق مُصطلح الأنظمة المُضمّنة (أو الأنظمة المدمجة) عادةً على الشرائح الرّقمية المُبرمجة ذات الأداء العالي الموجودة في نظام ما لكي تحل محل الحواسيب، وتكون مكرّسة للقيام بوظائف مُتخصصة، بينما تعتبر الحواسيب واجهة عامة يمكن أن تحل محل الأنظمة المضمنة. إذاً، فالأنظمة المضمنة تعريفاً هي:

عبارة عن أنظمة رقمية كاملة يَجتمع فيها الكيان الصلب (Hardware) مع العتاد البرمجي (Software) في بيئةٍ واحدة ليُحققوا التّكامل المطلوب حيث يقود فيها العتاد البرمجي العتاد الصلب من أجل تنفيذ المَهمات المطلوبة منه.

مُعظم الأجهزة التي نواجهها في الحياة اليومية مبنية بالاعتماد على الأنظمة المضمنة كأجهزة التكييف والميكرويف والمُسجلات والتلفزيونات والهواتف النقالة والسيارات وإشارات المرور. وبالطبع، فإننا نُلاحظ أن عدد الأنظمة المُضمنة يفوق عدد أجهزة الحاسب بمرات عديدة، والتي لا تُشكل إلاّ  5% فقط من سوق استهلاك المعالجات.
عند تصميم الأنظمة المضمنة تؤخذ الاعتبارات التالية:
• عادة ما يكون للأنظمة المضمنة مجموعة من الضوابط الزمنية، أي أن هذه الأنظمة يجب أن تتفاعل مع الأحداث لحظة وقوعها وهذا ما نسميه بـ “المعالجة ضمن الزمن الحقيقي Real Time Processing”.
• إن أخطاء البرمجة في الأنظمة المُضمنة لها عواقب أشد خطورة من تلك في الحواسب الشخصية .
• عادة ما يكون للنظام المُضمن ضوابط معينة تتعلق باستهلاك الطاقة وتغذية النظام .
• يجب على الأنظمة المضمنة العمل في أحوال جوية ومناخية وبيئية قاسية من حرارة ورطوبة وغبار.
• يكون للأنظمة المضمنة عدد أقل من موارد النظام والأجهزة المحيطية وذلك لأن النظام المضمن مصمم لإنجاز هدف محدد في حين أن الحاسب مصنع للاستخدامات المتنوعة في جميع المجالات.
• تستخدم أدوات وطرق متخصصة لزيادة وثوقية ومردود النظام.
قد يتألف النظام المُضمن من:
1- دارة منطقية مبنية على شريحة متكاملة PLD: Programmable Logic Device
يعتبر استخدام شرائح PLD أفضل بكثير من استخدام الدارات المنطقية، وذلك لأنه يمكن تمثيل التّصميم المطلوب بدارةٍ مُتكاملة واحدة بدلاً من استخدام عدة دارات منفصلة. تتألف شرائح PLD من مَصفوفةٍ كبيرة من البوابات المَنطقية القابلة للبرمجة، حيث أن المُصمم هو الذي يحدد وظيفة هذه البوابات. تتميز شرائح PLD بالسرعة في الأداء والاستهلاك المُرتفع للطاقة، ولكن عادةً ما ينتج هدر كبير بسبب الاستخدام الجزئي لهذه الشريحة ( بمعنى أنه من الممكن أن نكون قد استخدمنا 20 بوابة مَنطقية لتمثيل التصميم المطلوب، و لكن عادة ما تحتوي شرائح PLD أكثر من 150 بوابة، هذا ما يؤدي إلى ارتفاع في استهلاك الطاقة وهدر كبير لإمكانيات PLD).
2- دارة متكاملة مبنية خصيصاً لأداء وظيفة معينة ASIC: Application Specific Integrated Circuit
إن دارات ASIC تغطي عيوب دارات PLD وذلك لأنها تستخدم فقط البوابات المنطقية المطلوبة للتصميم ممّا يقلل من استهلاك الطاقة و يمنع الهدر الحاصل عند استخدام شرائح PLD.
3- متحكم صغري Microcontroller أو معالج صغري Microprocessor
تتميز المتحكمات والمعالجات الصغرية باستهلاك أقل للطاقة من شرائح PLD، ولكنها بالمقابل تكون ذات سرعة أخفض ويتم برمجتها بشكل أساسي باستخدام لغات التّجميع Assembly، وحديثاً يتم استخدامها باستخدام اللغات عالية المستوى، وأهمها لغة C. يُعتبر استخدام المُتحكمات أحد الحلول الفعالة بسبب الإمكانيات الكبيرة التي يوفرها بالمُقارنة مع سعره. كما تتميز المُتحكمات الصغرية بأنها ذات جهود تغذية منخفضة (1.5 حتى 5 فولت) وتتواصل جهود التغذية بالتناقص حتى وصلت تغذية نواة بعض المتحكمات إلى 0.8v.
4- معالج الإشارة الرقمية DSP-Digital Signal processor
هو مُعالج صغريّ من نوعٍ خاص، يملك عتاداً صلب مُعد للتعامل مع العمليات الحسابية المعقدة والمَصفوفات العددية. يتميز بأنه أسرع بكثير من المُتحكمات المصغرة، وقادر على التعامل مع العمليات والخوارزميات الرياضية المعقدة، والتي تنتج كمياتٍ كبيرة من البيانات تتطلب قوة وأداء حاسوبي أعلى من تلك التي يقدمها المتحكم الصغري التقليدي. إن الغرض المُهم للـ DSP هو القراءة السريعة للبيانات على مداخله وانجاز الخوارزميات المُعقدة عليها وإخراج النتائج. وهو مستخدم في معالجة الصوت والفيديو وفي الاتصالات والرادارات والأجهزة الطبية وأجهزة الهاتف المحمول وأجهزة التحكم في القدرة.
يتجه بعض المُصنّعين إلى دمج بعض من خصائص الـ DSP في متحكماتهم وبالتالي الحصول على متحكم صغري Microcontroller معالج إشارة رقمية في شريحة واحدة.
5- مصفوفة البوابات المنطقية القابلة للبرمجة FPGA: Field Programmable Gates Array
شرائح الـ FPGA هي شرائح رقمية منطقية قابلة للبرمجة بشكلٍ صلب، وذلك يعني أنه بإمكاننا برمجتها للحصول أي تابع منطقي. يتم برمجتها باستخدام لغة VHDL بشكلٍ أساسي .من أهم مزايا الـ FPGA بالإضافة إلى كلفتها المنخفضة أنها تؤمن مرونة كبيرة في التصميم وقدرة على إعادة برمجتها في الزمن الحقيقي.
 
مراحل تصنيع النظام المضمن
1- تحديد الوظائف والمهام المطلوبة من النظام مع وصفٍ واضحٍ ودقيق لكل وظيفة بشكل بعيد عن الغموض.
2- انشاء نموذج الكيان الصلب ونموذج الكيان البرمجي.
3- اختبار التصميم عن طريق إحدى بيئات المحاكاة وذلك للتأكد من سلامة التصميم والتأكد من أنّ النظام يقوم بالوظائف المطلوبة منه كاملة.
4- يتم بناء النظام بشكله الأخير ثم يُختبر بشكلٍ عمليّ قبل طرحه في الأسواق.
اعتبارات تصميمية

تمثل المناعة ضد الضجيج noise immunity واستهلاك الطاقة Power consumption والسرعة اعتبارات هامة جداً في التصميم المنطقي. ويجب أن يؤخذ المكان والبيئة التي ستعمل فيها المنظومة بالاعتبار. فمثلاً، إذا كانت المنظومة ستعمل ضمن مصنع يحوي محركات كهربائية كبيرة أو قرب مَحطات إرسال راديو أو تلفزيون، فيجب استخدام دارات مُتكاملة من عائلات ذات مناعة عالية ضد الضجيج. والمناعة تعني أن الدارة غير حساسة لجهود الضجيج التي يتم توليدها وبثها بشكل غير مرغوب إلى النظام الإلكتروني، وإذا لم يكن ذلك كافياً، فيجب استخدام أسلاك توصيل محجوبة Shielded لنقل الإشارات المنطقية. لا يُعتبر استهلاك الطاقة مشكلة في التجهيزات التي تتغذى عبر مُقوّم ومُنظم من منبع جهد الشبكة ولكن يجب أن تصمم الأجهزة التي تعمل على بطاريات باستخدام دارات قليلة الاستهلاك للطاقة. تُعتبر سرعة العمل إحدى المعايير التي تُضيّق مجال اختيار نوع الدارة المتكاملة أو المعالج ولذلك يجب دراسة نشرات المواصفات الفنية Datasheet التي تُعطيها الجهات الصانعة من أجل تحقيق أفضل انتقاء للعائلة المنطقية التي تحقق المطلوب.

يُمثل عامل تحميل الخرج لبوابةٍ مَنطقية أو لأداةٍ مَنطقية عدد المداخل التي يمكن وصلها مع الخرج في وقت واحد، ويجب مراعاة هذا العامل بدقة للتأكد من أن خرج الدارة لن يُجبَر على قيادة أو تشغيل ما يزيد عن إمكانياته من المداخل المنطقية.

يمثل التأخير الزمني ضمن العنصر المنطقي (بوابة مثلاً) والذي يسمى تأخير الانتشار، الوقت بين لحظة تطبيق الدخل المنطقي وظهور الخرج المنطقي الموافق. وهذا التأخير يمكن أن يسبب أحياناً مَشاكل كالحالات العابرة غير المرغوبة أو يسبب ما يسمى glitches.

اعتبارات تصميم الدارات المطبوعة PCB
يجب الأخذ بعين الاعتبار تأثير التداخل الكهرومغناطيسي EMI: Electromagnetic Inference عند تصميم الدارة المطبوعة الخاصة بالنظام المضمن، حيث أن النظام الإلكتروني الذي لا يراعي اعتبارات الحماية من (EMI) أو الضجيج noise سيقود إلى منطق غير متنبأ به بين مكونات الدارة الإلكترونية بالإضافة إلى فشل حلقة قفل الطور phase-locked loop failures وبالتالي تقليل الوثوقية للدارة.

إن المصدر الرئيسي للتشويش في الأنظمة المضمنة:
1- منبع التغذية التقطيعي switching power supplies.
2- تيار النمط المشترك common mode current.
3- الجزر الأرضية الصاخبة noisy ground islands.
4- الإشارات ذات الترددات العالية high frequency switching signals.
5- الهزازات oscillators.
6- حلقات قفل الطور phase-locked loop circuits.
7- خطوط النقل الكهربائية the transmission line effect.
8- التأثير المتبادل بين خطوط نقل الإشارة crosstalk between signals.

• فمثلاً عند اقتراب خطي إشارة يحملان تردداً عاليا، يُمكن أن ينشأ تبادل راديوي متبادل بينهما. حيث أن خط النقل الذي يحمل ترددات عالية يمكن تشبيهه بهوائي يصدر أمواجا كهرمغناطيسية يؤثر على العناصر المحيطة.

غالباً ما تستخدم مُكثفات إلغاء التبادل decouple من خلال توصيلها بين خطي التغذية والأرضي فتقوم بقصر الترددات أو فلترةالضجيج، لكنها فعالة فقط حتى ترددات معينة.

تمثل الترددات العالية التّحدي الأكثر صعوبة، للحد من تأثيرها على الدارة الإلكترونية. وتتطلب مرشحات متقدمة لوقف الضجيج. يعتبر التصميم الجيد الذي يراعي ممرات التيار current paths، حلقات العودة return loop بالإضافة إلى تموضع المكونات الفيزيائية بالنسبة لبعضها إلى تقليل الضجيج و الإشعاعات الراديوية.

عن ماريو رحال

ماريو رحال
مهندس طبي ومدون تقني. مدير موقع عالم الإلكترون.

اضف رد

لن يتم نشر البريد الإلكتروني . الحقول المطلوبة مشار لها بـ *

*

x

‎قد يُعجبك أيضاً

تعاون بين غوغل وديزني لإنتاج كرتون بين المجرات لإلهام الأطفال أن يهتموا بالبرمجة

لا يمكن أن يكون التعليم هو مجرد تلقين بسيط للمعلومات ضمن صفٍ مدرسي، وبفضل التقنيات ...