امبدد سیستم (Embedded system) یا سامانه های نهفته و یا به عبارتی سیستم های تعبیه شده، سیستم های کامپیوتری با عملکردی مخصوص و هدفی مشخص هستند که در داخل یک سیستم مکانیکی یا الکتریکی بزرگ تر قرار می گیرند و اغلب دارای قیدهای رایانش بی درنگ ((Real time Computin می باشند.
این سیستم های تعبیه شده به عنوان بخشی از یک دستگاه کامل که شامل سخت افزار و قطعات مکانیکی می باشد عمل می کنند. سامانه های نهفته بسیاری از دستگاه هایی را که امروزه به طور متداول مورد استفاده قرار می گیرند کنترل می کنند. 98درصد تمام ریزپردازنده ها به عنوان اجزایی از سامانه های نهفته تولید می شوند.
نحوه عملکرد سیستم عامل نهفته
سیستم عامل نهفته مدرن اغلب مبتنی بر میکروکنترلرها یعنی ریزپردازنده‌هایی با حافظه یکپارچه و رابط‌های محیطی هستند. اما ریزپردازنده‌های معمولی (استفاده از تراشه‌های خارجی برای حافظه و مدارهای رابط محیطی) نیز بخصوص در سیستم‌های پیچیده‌تر رایج هستند. درهرصورت، پردازنده (های) مورداستفاده ممکن است انواع مختلفی باشد. از اهداف کلی گرفته تا افراد خاص در کلاس خاصی از محاسبات ، یا حتی سفارشی که برای برنامه موردنظر طراحی‌شده باشد. کلاس استاندارد متداول پردازنده‌های اختصاصی ، پردازنده سیگنال دیجیتال (DSP) است.
یک سیستم عامل تعبیه شده بر روی کارت با پردازنده، حافظه، منبع تغذیه و رابط ها آن ها به کارهای خاص اختصاص داده‌شده است. مهندسان طراحی می‌توانند آن را بهینه‌سازی کنند.
تا اندازه و هزینه محصول را کاهش دهند و قابلیت اطمینان و کارایی را افزایش دهند. برخی از انواع سیستم عامل نهفته تولید انبوه هستند و از این مزیت اقتصادی بودن بهره مند می‌شوند.
embedded system از دستگاه‌های قابل‌حمل مانند ساعت‌های دیجیتال و پخش کننده های MP3استفاده می‌شوند. تا دستگاه‌های بزرگ ثابت مانند کنترل کننده های چراغ راهنمایی، کنترل کننده های منطق قابل برنامه ریزی و سیستم‌های پیچیده بزرگ مانند وسایل نقلیه ترکیبی ، سیستم‌های تصویربرداری پزشکی و اویونیک. پیچیدگی از پایین با یک تراشه میکروکنترلر تک ، تا واحد بسیار زیاد، لوازم جانبی و شبکه‌های نصب‌شده است. که در داخل یک قفسه تجهیزات بزرگ بسیار متفاوت است.
مشخصات سیستم های نفهته و بیدرنگ
سیستم های نهفته و بیدرنگ با هدف انجام وظیفه ای خاص طراحی می شوند. از این جهت نیاز به تجهیزات سخت افزاری زیاد ندارند و منابع فیزیکی کمی استفاده می کنند. به طور مثال دارای صفحه نمایش و کیبوردهای کوچک هستند. حتی در برخی مدل ها فاقد صفحه نمایش و صفحه کلید می باشند. این سیستم ها بر اساس یک سری دستورالعمل های خاص و از پیش تعیین شده به نام فریمور (Firmware) فعالیت می کنند. این دستورات درون حافظه های Read-Only یا فلش چیپ ذخیره می شوند.
برخی از امبدد سیستم ها دارای قیدهای آنی برای کارکرد خود هستند که لازم است آن ها را برای حفظ امنیت و کارایی دستگاه رعایت نمود. البته برخی از این سیستم ها نیاز به کارکرد خاصی نداشته و می توان از سخت افزارهای کوچکتر نیز برایشان استفاده نمود.
جایگاه پردازنده ها در سامانه های نهفته
پردازنده در سامانه های نهفته در دو دسته به نام های ریزپردازنده معمولی و میکروکنترلر قرار می گیرد. در ریز پردازنده های معمولی (Microprocessor) برای حافظه و دیگر بخش های جانبی از مدارهای مجتمع جداگانه استفاده می شود. اما در میکروکنترلر ها (Micro-controller) بخش های جانبی به روی چیپ اصلی قرار می گیرند و از مدار جدا استفاده نمی کنند. به همین سبب میزان مصرف توان، ابعاد چیپ و هزینه های آن بسیار کاهش می یابد. به طور کلی می توان گفت میکرو کنترلر ها و ریز پردازنده های متعددی با کاربردهای عمومی برای استفاده در سامانه های نهفته طراحی شده اند، اما نیاز به مدار های پشتیبان در ریز پردازنده ها بیشتر می باشد.
معماری به کار رفته در ساخت پردازنده های نهفته متفاوت از معماری بازار کامپیوتر های رومیزی است. در این پردازنده ها از دو معماری فون نویمان و هاروارد استفاده می کنند. همچنین پردازنده های RISC (کامپیوترهای کم دستور) و غیر RISC نیز در سامانه های امبدد به کار گرفته می شوند. در معماری پردازنده جاسازی شده طول کلمات در بازه 4 تا 64 بیت متغیر است. البته کلمات 8 یا 16 بیتی کاربرد بیشتری دارند.
مزایای استفاده از سیستم امبدد چیست؟
طراحی سیستم امبدد برای انجام یک وظیفه و تابع به خصوص سبب شده مزایای متعددی برای شرکت ها داشته باشد. برخی از این مزایا به صورت زیر است:
• مصرف انرژی کم برای انجام فعالیت مشخص شده
• نیاز به فضای کوچک برای راه اندازی و شروع فعالیت
• کاهش تعداد منابع سخت افزاری سیستم نسبت به دستگاه هایی با عملکرد مشابه
• کاهش هزینه های ساخت و تولید
نیاز به تعمیرات کم و دیر مدت برای انجام اصلاحات یا به روز رسانی سیستم
خصوصیات سامانه های نهفته چیست؟
سامانه های نهفته برای انجام عملی خاص طراحی می شوند که با رایانه های رومیزی در تقابل عملکردی قرار دارند. به همین دلیل معمولا سخت افزار به کار رفته در ساخت این سامانه ها محدود بوده و هزینه های کمی در بر خواهد داشت. یک امبدد سیستم الزاما یک سیستم جداگانه نیست و می تواند همچون بخشی کوچک از یک اکوسیستم بزرگ با هدفی متفاوت باشد. به طور مثال در یک خودرو تعداد زیادی امبدد سیستم به صورت مجزا و در عین حال در ارتباط با یک دیگر کار می کنند. سیستم ترمز اتومبیل به تنهایی یک سامانه نهفته است که در ارتباط با دیگر سامانه های فعال در خودرو قرار دارد و در صورت نیاز با آن ها همکاری می کند.