برنامهنویسی امبدد (Embedded Programming) سابقهای طولانی در بهکارگیری دستگاهها برای رفع نیازهای انسانها دارد، اما همچنان در سایه برنامهنویسی اپلیکیشن (Application Programming) قرار گرفته است. در حالی که برنامهنویسان اپلیکیشن از زبانهای سطح بالا و شیءگرا مانند C++ یا Java و محیطهای توسعه گرافیکی مانند MATLAB بهره میبردند، برنامهنویسان امبدد تازه از زبان اسمبلی به C مهاجرت کرده بودند. تعداد آنها همیشه کمتر از برنامهنویسان اپلیکیشن بوده است. امروزه حتی افراد مبتدی میتوانند با استفاده از زبانهای ساده اپلیکیشن بسازند و آن را با جهان به اشتراک بگذارند، اما برنامهنویسان امبدد نیاز به دانش عمیق در زمینه سختافزار، فریمور (Firmware) و نوشتن برنامههایی دارند که در محیطهای محدود از نظر منابع اجرا شوند. با ظهور اینترنت اشیا (IoT)، این تعادل در حال تغییر است. حالا که ترموستاتها، توسترها، ساعتها و لامپها مجهز به پردازنده و اتصال به شبکه شدهاند، بازار به برنامهنویسان امبدد بیشتری نیاز دارد تا این دستگاهها را برنامهریزی کنند و ابزارهای سادهتری برای نوشتن کد بدون نیاز به غرق شدن در جزئیات سطح پایین سختافزار فراهم کنند.
فهرست مطالب
برنامهنویسی امبدد چیست؟
طبق تعریف Techopedia، برنامهنویسی امبدد نوعی برنامهنویسی است که برای ایجاد دستگاههای مصرفی یا تجاری که از سیستمعاملهای سنتی مانند لپتاپها و گوشیهای هوشمند استفاده نمیکنند، طراحی شده است. این نوع برنامهنویسی بخش کلیدی در تکامل لوازم دیجیتال و تجهیزات در بازارهای فناوری اطلاعات امروزی است.
به زبان ساده، برنامهنویسی امبدد شامل طراحی و نوشتن برنامههایی برای کامپیوترهای کوچک (میکروکنترلرها) است که در دستگاههایی غیر از کامپیوترهای شخصی، لپتاپها یا گوشیهای هوشمند قرار دارند. این برنامهنویسی به میکروکنترلرها امکان میدهد دستگاههای “غیرهوشمند” مانند ترموستاتها، سیستمهای روشنایی، پارکومترها و غیره را بیدار کرده و به آنها توانایی “درک” محیط خود را بدهد.
برنامهنویسی امبدد و اینترنت اشیا (IoT)
از دیدگاه مهندسی، اینترنت اشیا شبکهای از دستگاههای امبدد مجهز به میکروپردازنده است که بهطور مستقیم یا غیرمستقیم به وب متصل هستند. سه رکن اصلی IoT عبارتاند از:
- برنامهنویسی امبدد
- فناوری شبکه
- فناوری اطلاعات
اینترنت اشیا بهزودی در همه جا حضور خواهد داشت و به همین ترتیب، دستگاههای امبدد نیز همهگیر خواهند شد. در ادامه نگاهی کوتاه به تأثیرات IoT در صنایع مختلف داریم:
- صنعت: ماشینآلات صنعتی، نظارت بر دما، تشخیص ناهنجاریهای شناختی.
- مراقبتهای بهداشتی: دستگاههای سنجش فشارخون، ضربان قلب، ردیابهای تناسباندام، سیستمهای تزریق دارو.
- هوافضا و دفاع: سیستمهای کنترل پرواز، عملگرها، مدیریت حرارتی و نظارت بر قدرت موتور.
- خانههای هوشمند: سیستمهای امنیتی خانگی، دوربینهای دیجیتال، تلویزیونها و لوازم آشپزخانه.
ورود به دنیای سیستمهای امبدد
برخی معتقدند هر سیستم پیچیده در جهان را میتوان به دو حوزه نرمافزار و سختافزار تقسیم کرد. سیستمهای امبدد، نقطه تلاقی این دو حوزه هستند: سختافزار و نرمافزار.
بررسی سختافزار امبدد
یک برد توسعه امبدد معمولاً به پنج ماژول تقسیم میشود: پردازنده، حافظه، دستگاههای ورودی، دستگاههای خروجی و کنترلکنندههای باس.
برنامهنویسی امبدد برای عملکرد دستگاههای IoT حیاتی است. برای تولید، به دانش C/C++ و تجربه عملی در الکترونیک نیاز دارید.
اجزای سختافزاری سیستم امبدد
پردازنده
پردازندههای امبدد به دو دسته تقسیم میشوند:
- میکروپردازندههای معمولی که از مدارهای مجزای حافظه و تجهیزات جانبی استفاده میکنند.
- میکروکنترلرها که تجهیزات جانبی داخلی دارند و مصرف انرژی، اندازه و هزینه را کاهش میدهند.
نمونهها شامل: - میکروکنترلر (CPU): دستگاهی هوشمند برای محاسبات دقیق وظایف کاربر.
- سیستم روی چیپ (SoC): شامل CPU، تجهیزات جانبی (تایمر، شمارشگر و غیره)، رابطهای ارتباطی (I²C، SPI، UART) و مدارهای مدیریت توان در یک مدار مجتمع.
- پردازنده ASIC: برای کاربردهای خاص طراحی شده است.
- پردازنده DSP: نویز را حذف کرده و کیفیت سیگنال را در کاربردهای صوتی و تصویری بهبود میبخشد.
حافظه
حافظه برای ذخیره دادههای مورد استفاده در دستگاه به کار میرود. انواع حافظه شامل RAM غیرفرار، RAM فرار، DRAM و غیره هستند.
دستگاههای ورودی
دستگاههایی مانند حسگرها، سوئیچها، فوتودیود و اپتوکوپلرها دادهها را از دنیای خارج برای پردازش یا خروجی جمعآوری میکنند.
دستگاههای خروجی
دستگاههایی مانند نمایشگرهای LCD یا LED، نمایشگرهای سگمنتی، بازرها و رلهها به رویدادهای ورودی پاسخ میدهند.
کنترلکنندههای باس
کنترلکننده باس دستگاهی ارتباطی است که دادهها را بین اجزای سیستم امبدد منتقل میکند. نمونههای رایج شامل باسهای سریال (I2C، SPI، SMBus)، RS232، RS485 و USB هستند.
بررسی نرمافزار امبدد
نرمافزار امبدد یا فریمور برای درایورهای دستگاه، سیستمعامل، برنامهها، مدیریت خطاها و اشکالزدایی نوشته میشود.
اجزای نرمافزاری سیستم امبدد
درایور دستگاه
درایور دستگاه کدی امبدد است که برای سختافزار خاصی نوشته میشود.
سیستمعامل یا میکروسیستمعامل
سیستمهای امبدد از سیستمعاملهای مختلفی مانند RTOS (سیستمعامل بلادرنگ)، سیستمهای امبدد موبایل، مستقل یا شبکهای استفاده میکنند.
بیشتر نرمافزارهای امبدد امروزی با زبانهای C و C++ نوشته میشوند. تفاوت C و C++ در نحو کم است، اما C++ ویژگیهای اضافی مانند امنیت بیشتر و نزدیکی به کاربردهای واقعی دارد، در حالی که C به دلیل تعامل مستقیم با سختافزار، قابلاعتمادتر و با عملکرد بهتر است.
نکات کلیدی در ساخت محصول امبدد
بهترین راه برای شروع نوشتن نرمافزاری که مستقیماً روی اشیاء فیزیکی تأثیر میگذارد، کاوش در پلتفرمهای امبدد مانند Arduino، Raspberry Pi یا Particle است. برای توسعه یک محصول موفق، این مراحل را دنبال کنید:
- یادگیری C یا C++
یادگیری این زبانها ممکن است دشوار باشد، اما برای نوشتن نرمافزار امبدد ضروری است (و شاید در آینده Rust). - یادگیری اصول اولیه الکترونیک
درک مفاهیمی مانند ولتاژ، جریان، توان، مقاومت و قانون اهم ضروری است. - تهیه تجهیزات اولیه
برنامهنویسان امبدد با دنیای فیزیکی تعامل دارند، بنابراین ابزارهایی مانند هویه، مولتیمتر دیجیتال (DMM)، دیباگر سختافزاری (مانند ST-Link یا OLMEX) یا آنالایزر منطقی مفید هستند. - انتخاب میکروکنترلر و ابزارها
برای اجرای برنامه، به میکروکنترلر، کامپایلر و ابزارهایی برای بارگذاری برنامه روی سختافزار نیاز دارید. برای مثال، میکروکنترلرهای STM32 با ابزارهای arm-gcc و openOCD پشتیبانی میشوند. - درک دیتاشیتها
قبل از نوشتن کد، باید مشخصات کاربر نهایی را درک کنید. - بررسی اجزا
اجزای نرمافزاری و سختافزاری مورد نیاز برای محصول را تحلیل و انتخاب کنید. - طراحی محصول
طراحی مهمترین مرحله است. در برنامهنویسی امبدد، باید سختافزار و نرمافزار را جداگانه توسعه داده و سپس یکپارچه کنید. - توسعه پروتوتایپ
پروتوتایپ نمونهای برای آزمایش مفهوم است که با استفاده از سختافزار و نرمافزار انتخابشده ساخته میشود. - آزمایش برنامه
با پروتوتایپ، میتوانید تستهایی را اجرا کنید تا پتانسیل برنامه را بررسی کنید. - استقرار برنامه
پس از آزمایش، نتیجه در محیط واقعی بررسی میشود تا ایده تأیید شود (Proof of Concept). - پشتیبانی و ارتقا
در صورت نیاز، باید آماده ارائه پشتیبانی و ارتقای برنامه با ویژگیهای جدید باشید.
منبع: iotforall