البرامج المضمنة هي نوع مخصص من البرامج التي تتحكم في وظائف الأجهزة والأنظمة وتراقبها وتديرها. على عكس برامج الكمبيوتر ذات الأغراض العامة التي يتم تشغيلها على أجهزة الكمبيوتر الشخصية والأجهزة المحمولة، تعمل البرامج المضمنة بطريقة محدودة ومخصصة وهي جزء لا يتجزأ من الأجهزة التي تتحكم فيها.
نشأة وتطور البرمجيات المضمنة
يعود مفهوم الأنظمة المدمجة والبرامج المرتبطة بها إلى الستينيات. يعتبر حاسوب التوجيه أبولو، الذي صممه تشارلز ستارك دريبر في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا واستخدم في مهمات الهبوط على سطح القمر، أول نظام مدمج. حققت البرامج المضمنة قفزة هائلة في عام 1971 عندما أنتج مهندس إنتل تيد هوف أول معالج دقيق، إنتل 4004، مما أتاح زيادة كبيرة في نشر الأنظمة المضمنة. بدأ أول ذكر للبرمجيات المضمنة في حد ذاتها في الظهور في الأدبيات التقنية خلال منتصف الثمانينات، بالتزامن مع ظهور تطبيقات المتحكمات الدقيقة.
الغوص العميق في البرامج المضمنة
تعد البرامج المضمنة جزءًا لا يتجزأ من مجموعة واسعة من الأنظمة التي تتراوح من الأجهزة المنزلية والمعدات الطبية وأجهزة التحكم الصناعية إلى السيارات والطائرات. وهي مصممة لأداء مهمة أو مهام محددة ضمن نظام أكبر، غالبًا مع قيود الحوسبة في الوقت الفعلي. نظرًا لكونها "مضمنة"، فإن لديها متطلبات صارمة فيما يتعلق بالموثوقية والكفاءة والاكتناز.
على النقيض من تطبيقات سطح المكتب التقليدية، التي تسمح بتشغيل تطبيقات مختلفة على جهاز الكمبيوتر، تكون تطبيقات البرامج المضمنة عادةً فريدة في الوظيفة. إنهم يعملون في اللحظة التي يتم فيها تشغيل الجهاز، ويحتكرون جميع موارد الجهاز.
غالبًا ما تتم كتابة البرنامج بلغات عالية المستوى مثل C أو C++ أو Python، على الرغم من أنه لا يزال من الممكن استخدام لغة التجميع للسرعة أو الاستجابات في الوقت الفعلي. عادةً ما يتم تجميع البرنامج على نظام مختلف (المضيف) لتشغيله على الجهاز المضمن المستهدف.
التروس وراء البرامج المضمنة
تعمل البرامج المضمنة بالتآزر مع الأنظمة المضمنة، أو المعالجات الدقيقة، أو وحدات التحكم الدقيقة، إلى جانب الأجهزة الطرفية. يقوم المعالج الدقيق أو وحدة التحكم الدقيقة بتشغيل البرنامج، ويتفاعل مع العالم المادي من خلال الأجهزة الطرفية مثل أجهزة الاستشعار والمحركات وواجهات الاتصال.
يتبع البرنامج سلسلة محددة مسبقًا من العمليات المشفرة أثناء إنشائه. اعتمادًا على التعقيد، قد يستخدم نظام تشغيل في الوقت الفعلي (RTOS) أو قد يعمل بدون نظام تشغيل.
الميزات الرئيسية للبرامج المضمنة
تعرض البرامج المضمنة بعض الخصائص الهامة التي تميزها عن أنواع البرامج الأخرى:
-
عملية في الوقت الحقيقي: العديد من الأنظمة المدمجة لديها متطلبات في الوقت الحقيقي. يجب أن يستجيب البرنامج للأحداث أو المدخلات خلال فترة زمنية محددة.
-
الاستقرار والموثوقية: نظرًا لأنها تؤدي في كثير من الأحيان وظائف حرجة، فيجب أن تعمل دون أي عطل لفترات طويلة.
-
كفاءة الذاكرة: غالبًا ما تكون للأنظمة المضمنة ذاكرة محدودة، مما يتطلب من البرنامج استخدام الموارد بشكل مقتصد.
-
كفاءة الطاقة: العديد من الأنظمة المدمجة تعمل بالبطارية، مما يستلزم استخدامًا فعالاً للطاقة.
-
وظائف محددة: تم تصميم البرامج المضمنة لأداء مهام محددة، على النقيض من البرامج ذات الأغراض العامة.
أنواع البرامج المدمجة
يمكن تصنيف البرامج المضمنة على نطاق واسع بناءً على جوانب مختلفة. إليك تمثيل جدولي:
| على أساس الوظيفة | على أساس التعقيد | على أساس الأداء |
|---|---|---|
| برامج التحكم | بسيطة (مهمة واحدة) | في الوقت الحالى |
| برامج المراقبة | معتدل (متعدد المهام) | غير الوقت الحقيقي |
| برامج معالجة البيانات | مجمع (يعتمد على نظام RTOS) | – |
استخدام ومشاكل وحلول البرامج المضمنة
تحتوي البرامج المضمنة على العديد من التطبيقات، بدءًا من أجهزة الاستخدام اليومي، وأنظمة الترفيه، والمعدات الطبية، والأتمتة الصناعية، وأنظمة النقل، والاتصالات، إلى تطبيقات الفضاء الجوي المهمة.
ومع ذلك، فإن تصميم وتنفيذ البرامج المضمنة يطرح العديد من التحديات، بما في ذلك الموارد المحدودة، وتبعيات الأجهزة، ومتطلبات الوقت الحقيقي، ومعايير السلامة والأمن الصارمة. وللتخفيف من هذه المشكلات، يستخدم المهندسون استراتيجيات مثل التصميم الدقيق للنظام، والخوارزميات الفعالة، والاختبارات الصارمة، وعمليات التحقق من الصحة.
مقارنات مع مصطلحات مماثلة
| شرط | وصف |
|---|---|
| البرامج الثابتة | نوع من البرامج المضمنة المخزنة في ذاكرة غير متطايرة مثل ذاكرة القراءة فقط (ROM) أو ذاكرة الفلاش. فهو يوفر تحكمًا منخفض المستوى لأجهزة معينة بالجهاز. |
| برامج أنظمة الوقت الحقيقي | برنامج يضمن قدرة محددة خلال فترة زمنية محددة. تستخدم معظم الأنظمة المدمجة أهمية هذا. |
| برنامج النظام | البرمجيات المسؤولة عن إدارة أجهزة الكمبيوتر والتحكم فيها، وتمكين البرامج التطبيقية. ويشمل أنظمة التشغيل وبرامج تشغيل الأجهزة والأدوات المساعدة. إنه أوسع من البرامج المضمنة، حيث يمكن أن يكون للأغراض العامة أو مضمنًا. |
وجهات النظر المستقبلية وتقنيات البرامج المضمنة
يتم تشكيل مستقبل البرامج المضمنة من خلال اتجاهات مثل إنترنت الأشياء (IoT)، والذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي، والأنظمة الفيزيائية السيبرانية، والحوسبة المتطورة. سيؤدي التقدم في هذه المجالات إلى أنظمة مدمجة ذكية ومستقلة ومتصلة بشكل متزايد.
الخوادم الوكيلة والبرامج المدمجة
يمكن أن تتفاعل الخوادم الوكيلة مع الأنظمة المضمنة بطرق متعددة. يمكنها مساعدة الأجهزة المضمنة على الاتصال بشكل آمن بالإنترنت، وحمايتها من التعرض المباشر للشبكات الخارجية، وحركة مرور موازنة التحميل، وبيانات ذاكرة التخزين المؤقت لاسترجاعها بشكل أسرع. وبالتالي، يجب تصميم البرامج المضمنة للتعامل مع هذه الجوانب، والتي غالبًا ما تتضمن برمجة الشبكات وعناصر الأمن السيبراني.
