Phần mềm nhúng là một loại phần mềm chuyên dụng để điều khiển, giám sát và quản lý chức năng của các thiết bị và hệ thống phần cứng. Không giống như phần mềm máy tính có mục đích chung chạy trên PC và thiết bị di động, phần mềm nhúng hoạt động theo kiểu hạn chế, chuyên dụng và không thể thiếu với phần cứng mà nó điều khiển.
Nguồn gốc và sự phát triển của phần mềm nhúng
Khái niệm về hệ thống nhúng và phần mềm liên quan có từ những năm 1960. Máy tính hướng dẫn Apollo, được thiết kế bởi Charles Stark Draper tại MIT và được sử dụng trong các sứ mệnh đổ bộ lên mặt trăng Apollo, được coi là hệ thống nhúng đầu tiên. Phần mềm nhúng đã có một bước nhảy vọt lớn vào năm 1971 khi kỹ sư Intel Ted Hoff sản xuất bộ vi xử lý đầu tiên, Intel 4004, cho phép tăng cường triển khai các hệ thống nhúng. Sự đề cập đầu tiên về phần mềm nhúng bắt đầu xuất hiện trong tài liệu kỹ thuật vào giữa những năm 1980, trùng hợp với sự gia tăng các ứng dụng vi điều khiển.
Đi sâu vào phần mềm nhúng
Phần mềm nhúng là một phần không thể thiếu trong nhiều hệ thống khác nhau, từ thiết bị gia dụng, thiết bị y tế, bộ điều khiển công nghiệp cho đến ô tô và máy bay. Nó được thiết kế để thực hiện một hoặc nhiều nhiệm vụ cụ thể trong một hệ thống lớn hơn, thường có những hạn chế về tính toán theo thời gian thực. Được 'nhúng' nên nó có những yêu cầu nghiêm ngặt về độ tin cậy, hiệu quả và độ nén.
Ngược lại với các ứng dụng máy tính để bàn truyền thống, cho phép chạy nhiều ứng dụng khác nhau trên PC, các ứng dụng phần mềm nhúng thường có chức năng đơn lẻ. Chúng chạy ngay khi thiết bị được bật nguồn và chúng độc quyền tất cả tài nguyên của thiết bị.
Phần mềm này thường được viết bằng các ngôn ngữ cấp cao như C, C++ hoặc Python, mặc dù hợp ngữ vẫn có thể được sử dụng để phản hồi tốc độ hoặc thời gian thực. Thông thường, phần mềm được biên dịch chéo trên một hệ thống khác (máy chủ) để chạy trên thiết bị nhúng mục tiêu.
Các bánh răng đằng sau phần mềm nhúng
Phần mềm nhúng hoạt động phối hợp với các hệ thống nhúng, bộ vi xử lý hoặc vi điều khiển cùng với các thiết bị ngoại vi. Bộ vi xử lý hoặc vi điều khiển chạy phần mềm và nó tương tác với thế giới vật lý thông qua các thiết bị ngoại vi như cảm biến, bộ truyền động và giao diện truyền thông.
Phần mềm tuân theo một chuỗi hoạt động được xác định trước và được mã hóa trong quá trình tạo. Tùy thuộc vào mức độ phức tạp, nó có thể sử dụng hệ điều hành thời gian thực (RTOS) hoặc có thể chạy cơ bản mà không cần hệ điều hành.
Các tính năng chính của phần mềm nhúng
Phần mềm nhúng có một số đặc điểm quan trọng để phân biệt nó với các loại phần mềm khác:
-
Hoạt động thời gian thực: Nhiều hệ thống nhúng có yêu cầu về thời gian thực. Phần mềm phải phản hồi các sự kiện hoặc đầu vào trong một thời gian cố định.
-
Sự ổn định và độ tin cậy: Vì chúng thường thực hiện các chức năng quan trọng nên chúng phải hoạt động liên tục trong thời gian dài.
-
Hiệu quả bộ nhớ: Hệ thống nhúng thường có bộ nhớ hạn chế, yêu cầu phần mềm sử dụng tài nguyên một cách tiết kiệm.
-
Hiệu suất năng lượng: Nhiều hệ thống nhúng chạy bằng pin, đòi hỏi phải sử dụng năng lượng hiệu quả.
-
Chức năng cụ thể: Phần mềm nhúng được thiết kế để thực hiện các tác vụ cụ thể, trái ngược với phần mềm có mục đích chung.
Các loại phần mềm nhúng
Phần mềm nhúng có thể được phân loại rộng rãi dựa trên nhiều khía cạnh khác nhau. Đây là một biểu diễn dạng bảng:
| Dựa trên chức năng | Dựa trên độ phức tạp | Dựa trên hiệu suất |
|---|---|---|
| Phần mềm điều khiển | Đơn giản (Tác vụ đơn) | Thời gian thực |
| Phần mềm giám sát | Trung bình (Đa nhiệm) | Không theo thời gian thực |
| Phần mềm xử lý dữ liệu | Phức tạp (dựa trên RTOS) | – |
Việc sử dụng, vấn đề và giải pháp của phần mềm nhúng
Phần mềm nhúng có nhiều ứng dụng, từ thiết bị sử dụng hàng ngày, hệ thống giải trí, thiết bị y tế, tự động hóa công nghiệp, hệ thống giao thông, viễn thông đến các ứng dụng hàng không vũ trụ quan trọng.
Tuy nhiên, việc thiết kế và triển khai phần mềm nhúng đặt ra một số thách thức, bao gồm nguồn lực hạn chế, sự phụ thuộc vào phần cứng, yêu cầu thời gian thực và các tiêu chuẩn an toàn và bảo mật nghiêm ngặt. Để giảm thiểu những điều này, các kỹ sư sử dụng các chiến lược như thiết kế hệ thống cẩn thận, thuật toán hiệu quả, kiểm tra nghiêm ngặt và quy trình xác thực.
So sánh với các điều khoản tương tự
| Thuật ngữ | Sự miêu tả |
|---|---|
| Phần sụn | Một loại phần mềm nhúng được lưu trữ trong bộ nhớ cố định như ROM hoặc bộ nhớ flash. Nó cung cấp khả năng kiểm soát cấp thấp cho phần cứng cụ thể của thiết bị. |
| Phần mềm hệ thống thời gian thực | Phần mềm đảm bảo khả năng cụ thể trong một giới hạn thời gian cụ thể. Hầu hết các hệ thống nhúng quan trọng đều sử dụng điều này. |
| Phần mềm hệ thống | Phần mềm chịu trách nhiệm quản lý và kiểm soát phần cứng máy tính, kích hoạt phần mềm ứng dụng. Nó bao gồm hệ điều hành, trình điều khiển thiết bị và tiện ích. Nó rộng hơn phần mềm nhúng vì nó có thể có mục đích chung hoặc được nhúng. |
Viễn cảnh và công nghệ tương lai của phần mềm nhúng
Tương lai của phần mềm nhúng đang được định hình bởi các xu hướng như IoT (Internet of Things), AI và Machine Learning, Hệ thống vật lý điện tử và Điện toán ranh giới. Những tiến bộ trong các lĩnh vực này sẽ dẫn đến các hệ thống nhúng ngày càng thông minh, tự chủ và được kết nối.
Máy chủ proxy và phần mềm nhúng
Máy chủ proxy có thể tương tác với các hệ thống nhúng theo nhiều cách. Chúng có thể giúp các thiết bị nhúng kết nối Internet một cách an toàn, bảo vệ chúng khỏi tiếp xúc trực tiếp với mạng bên ngoài, lưu lượng cân bằng tải và dữ liệu bộ nhớ đệm để truy xuất nhanh hơn. Do đó, phần mềm nhúng cần được thiết kế để xử lý các khía cạnh này, thường liên quan đến các yếu tố lập trình mạng và an ninh mạng.
