Hệ thống nhúng và sự phát triển của lĩnh vực công nghệ cao 3c

Hệ thống nhúng phát triển lĩnh vực công nghệ cao "3C" TS Nguyễn Hữu Công (mailto:huucongdk55@yahoo.com) - Trưởng khoa Điện tử - Trường ĐHKTCN Mở đầu Trong phát triển mạnh mẽ khoa học kĩ thuật với kinh tế trí thức xu hướng hội nhập toàn cầu nay, giới Việt nam thực việc kết hợp ngành thuộc lĩnh vực công nghệ cao Khoa sở đào tạo Đó lĩnh vực khoa học cờ: Máy tính, Điện tử- Viễn thông Điều khiển tự động mà ta thường gọi “3 C” (Computer – Communication - Control) Có thể nói, trình sản xuất quản lí như: hệ thống đo lường điều khiển tự động sản xuất công nghiệp; hệ thống di động không dây tiên tiến, hệ thống thông tin vệ tinh, hệ thống thông tin dựa Web, phủ điện tử, thương mại điện tử, sở liệu nhiều ngành kinh tế Quốc gia, hệ thống thiết bị Y tế đại, thiết bị điện tử dân dụng, sản phẩm kết hợp lĩnh vực khoa học trên.Bài báo giới thiệu việc ứng dụng hệ thống nhúng phát triển lĩnh vực công nghệ cao”3C” Bài viết theo phát biểu PGS.TSKH Phạm Thượng Cát- Viện Công nghệ Thông tin Hiện thời đại hậu PC sau giai đoạn phát triển máy tính lớn (Mainframe) 19601980, phát triển PC-Internet giai đoạn 1980-2000 Giai đoạn hậu PC-Internet dự đoán từ năm 2000 đến 2020 giai đoạn môi trường thông minh mà hệ thống nhúng cốt lõi làm nên sóng đổi công nghệ thông tin nói riêng lĩnh vực công nghệ cao “3C”, nói chung Một thực tế khách quan thị trường hệ thống nhúng lớn gấp khoảng 100 lần thị trường PC, nhìn thấy bề công nghệ thông tin PC Internet phần chìm công nghệ thông tin chiếm 99% số processor toàn cầu nằm hệ nhúng biết đến Sức đẩy công nghệ đưa công nghệ vi điện tử, công nghệ vi điện, công nghệ sinh học hội tụ tạo nên chip công nghệ nano, tảng cho thay đổi lĩnh vực công nghệ cao “3C, sức kéo thị trường đòi hỏi thiết bị phải có nhiều chức thân thiện với người dùng, có mức độ thông minh ngày cải thiện đưa đến vai trò tầm quan trọng hệ thống nhúng ngày cao kinh tế quốc dân Phát triển hệ nhúng phần mềm nhúng quốc sách nhiều quốc gia giới, giai đoạn hậu PC Ở nước ta đáng tiếc lĩnh vực lâu bị lãng quên, cần có điều chỉnh phù hợp chiến lược phát triển để theo kịp, rút ngắn khoảng cách tụt hậu nước khu vực giới trình hội nhập kinh tế toàn cầu tránh khỏi Khái niệm hệ nhúng Theo định nghĩa IEEE hệ thống nhúng hệ tính toán nằm sản phẩm, tạo thành phần hệ thống lớn thực số chức hệ thống Nói cách đơn giản hệ tính toán (có thể PC, IPC, PLC, vi xử lý, vi hệ thống, DSP v.v ) nhúng vào sản phẩm hay hệ thống thực số chức cụ thể hệ thống ta gọi hệ thống nhúng Ví dụ quanh ta có nhiều sản phẩm nhúng lò vi sóng, nồi cơm điện, điều hòa, điện thoại di động, ô tô, máy bay, tàu thủy, đầu đo, cấu chấp hành thông minh v.v ta thấy hệ thống nhúng có mặt lúc nơi sống Các nhà thống kê giới thống kê số chip vi xử lý máy PC server, mạng LAN, WAN, Internet chiếm khoảng 1% tổng số chip vi xử lý có giới, 99% số vi xử lý lại nằm hệ thống nhúng[] Như công nghệ thống không đơn PC, mạng LAN, WAN, Internet phần mềm quản lý nhiều người thường nghĩ Đó bề tảng băng chìm Phần chìm công nghệ thông tin ứng dụng hệ nhúng có mặt ngành nghề đời sống xã hội Các hệ nhúng tích hợp thiết bị đo lường điều khiển tạo nên đầu não linh hồn sản phẩm Trong hệ nhúng, hệ thống điều khiển nhúng đóng vai trò quan trọng Hệ điều khiển nhúng hệ thống mà máy tính nhúng vào vòng điều khiển sản phẩm nhằm điều khiển đối tượng, điều khiển trình công nghệ đáp ứng yêu cầu đặt Hệ thống điều khiển nhúng lấy thông tin từ cảm biến, xử lý tính toán thuật điều khiển phát tín hiệu điều khiển cho cấu chấp hành Khác với hệ thống điều khiển cổ điển theo nguyên lý thủy lực, khí nén, rơle, mạch tương tự, hệ điều khiển nhúng hệ thống điều khiển số hình thành từ năm 1960 đến Trước hệ điều khiển số thường máy tính lớn đảm nhiệm, ngày chức điều khiển số chíp vi xử lý, hệ nhúng thay Phần mềm điều khiển ngày tinh sảo tạo nên độ thông minh thiết bị ngày chiếm tỉ trọng lớn giá thành thiết bị Điểm qua chức xử lý tin PC thiết bị nhúng có nét khác biệt Đối với PC mạng internet chức xử lý phát triển mạnh lĩnh vực quản lý dịch vụ thương mại điện tử, ngân hàng điện tử, phủ điện tử, thư viện điện tử, đào tạo từ xa, báo điện tử ứng dụng thường sử dụng máy PC để bàn, mạng WAN, LAN hoạt động giới ảo Còn hệ nhúng chức xử lý tính toán ứng dụng cụ thể cho thiết bị vật lý (thế giới thật) mobile phone, quần áo thông minh, thiết bị điện tử cầm tay, thiết bị y tế, xe ô tô, tầu tốc hành, phương tiện vận tải thông minh, máy đo, đầu đo, cấu chấp hành thông minh, hệ thống điều khiển, nhà thông minh, thiết bị gia dụng thông minh v.v Vai trò hệ thống nhúng phát triển lĩnh vực công nghệ cao “3C “ Các hệ thống tự động chế tạo nhiều công nghệ khác thiết bị máy móc tự động cam chốt khí, hệ thống tự động hoạt động nguyên lý khí nén, thủy lực, rơle điện, mạch điện tử số thiết bị, hệ thống có chức xử lý mức độ tự động thấp so với hệ thống tự động đại xây dựng tảng hệ thống nhúng Trong hệ thống tin học sử dụng máy tính để hỗ trợ tự động hóa trình quản lý, hệ thống điều khiển tự động dùng máy tính để điều khiển tự động hóa trình công nghệ Chính thành tựu công nghệ phần cứng công nghệ phần mềm máy tính điện tử áp dụng phát triển cách có chọn lọc hiệu cho hệ thống điều khiển tự động Và phát triển vũ bão công nghệ thông tin kéo theo phát triển không ngừng lĩnh vực tự động hóa Ta thấy trình hệ nhúng thâm nhập vào phần tử, thiết bị thuộc lĩnh vực tự động hóa đầu đo, cấu chấp hành, thiết bị giao diện với người vận hành chí vào rơle, contactor, nút bấm mà trước hoàn toàn làm khí Trước đầu đo gồm phần tử biến đổi từ tham số đo sang tín hiệu điện, mạch khuyếch đại, mạch lọc mạch biến đổi sang chuẩn 4-20mA để truyền tín hiệu đo trung tâm xử lý Hiện đầu đo tích hợp chip vi xử lý, biến đổi ADC, truyền liệu số với phần mềm đo đạc, lọc số, tính toán truyền kết mạng số thẳng máy tính trung tâm Như đầu đo số hóa ngày thông minh chức xử lý từ máy tính trung tâm trước chuyển xuống xử lý chỗ chương trình nhúng đầu đo Tương tự cấu chấp hành môtơ chế tạo gắn kết hữu với servo với thuật toán điều chỉnh PID chỗ khả nối mạng số tới máy tính chủ Các tủ rơle điều khiển chiếm diện tích lớn phòng điều khiển co gọn PLC(programble Logic Controller) Các bàn điều khiển với hàng loạt đồng hồ báo, phím, núm điều khiển, tự ghi giấy cồng kềnh thay vài PC Hệ thống cáp truyền tín hiệu analog 4-20mA, ± 10V từ đầu đo, cấu chấp hành trung tâm điều khiển nhằng nhịt trước thay vài cáp đồng trục cáp quang truyền liệu số Ta nói hệ nhúng “thay chiếm phần ngày nhiều” phần tử, hệ thống thuộc lĩnh vực công nghệ cao “3C” Nếu xét riêng lĩnh vực tự động, Hình cho ta thấy chức xử lý hệ thống tự động 70 năm qua phát triển Vào năm 30 hệ thống tự động cam chốt khí thường hoạt động đơn lẻ với chức xử lý Các hệ thống tự động dùng rơle điện từ xuất vào năm 40 có mức xử lý khoảng 10 chức Các hệ thống tự động dùng bán dẫn hoạt động theo nguyên lý tương tự (Analog) thập kỷ 60 có mức xử lý khoảng 30 chức Vào năm 70 thiết bị điều khiển khả trình PLC đời với mức độ xử lý lên hàng trăm vào năm 80 với tham gia máy tính điện tử main frame mini hình thành hệ thống điều khiển phân cấp với số chức xử lý lên tới hàng chục vạn (105) Sang thập kỷ 90 với phát triển công nghệ phần cứng phần mềm, hệ thống điều khiển phân tán đời(DCS) cho mức xử lý lên tới hàng trục triệu (107) Và sang kỷ 21, hệ thống tự động có tính tự tổ chức, có tư hợp tác có mức xử lý lên tới hàng tỷ(109) Tuy nhiên để đạt độ thông minh sinh vật sống cần nhiều thời gian hệ thống tự động cần tích hợp nhiều công nghệ cao khác công nghệ cảm biến, công nghệ vật liệu mới, công nghệ quang laser v.v Đây xu phát triển hệ thống tự động ngày sử dụng nhiều công nghệ cấu trúc hoạt động Trong điều khiển trình công nghệ, việc áp dụng hệ nhúng tạo khả tự động hóa toàn dây chuyền sản xuất Kiến trúc hệ thống điều khiển trước tập trung xử lý máy tính đầu đo, cấu chấp hành, giao diện với người vận hành thông minh hóa có nhiều chức xử lý chỗ khả nối mạng nhanh tạo thành hệ thống mạng máy điều khiển hoạt động theo chế độ thời gian thực Ngoài chức điều khiển giám sát dây chuyền sản xuất hệ thống có nhiều sở liệu, khả tự xác định khắc phục hỏng hóc, khả thống kê, báo cáo kết hợp hệ thống mạng máy tính quản lý, lập kế hoạch, thiết kế kinh doanh tạo thành hệ thống tự động hóa sản xuất toàn cục Trong lĩnh vực rôbôt, với áp dụng thành tựu hệ nhúng, rôbôt có thị giác xúc giác Việc áp dụng trí khôn nhân tạo vào rôbôt đưa rôbôt từ ứng dụng chủ yếu công nghiệp sang lĩnh vực dịch vụ y tế Kết hợp với thành tựu điện tử, rôbôt ngày uyển chuyển thông minh Trong tương lai rôbôt không thay hoạt động bắp người mà thay thể công việc đòi hỏi họat động trí não người Lúc hệ thống điều khiển rôbôt không vi xử lý mạnh mà có hỗ trợ máy tính mạng nơron nhân tạo, xử lý song song nhúng rôbôt Các nghiên cứu phát triển giai đoạn ban đầu Đặc tính, phương pháp thiết kế xu phát triển hệ nhúng Các hệ nhúng hệ kết hợp phần cứng phần mềm cách tối ưu Các hệ nhúng hệ chuyên dụng, thường hoạt động chế độ thời gian thực, bị hạn chế nhớ, giá thành phải rẻ lại phải hoạt động tin cậy tiêu tốn lượng Các hệ nhúng đa dạng có nhiều kích cỡ, khả tính toán khác Ngoài hệ nhúng thuờng phải hoạt động môi trường khắc nghiệt có độ nóng ẩm, rung xóc cao Ví dụ điều khiển máy diesel cho tàu biển, thiết bị cảnh báo cháy nổ hầm lò Các hệ thống nhúng lớn thường hệ nối mạng Ở máy bay, tàu vũ trụ thường có nhiều mạng nhúng kết nối để kiểm soát hoạt động điều khiển.Trong ô tô đại có đến 80 nút mạng kết nối đầu đo cấu chấp hành để bảo đảm ô tô hoạt động an toàn thoải mái cho người sử dụng Thiết kế hệ thống nhúng thiết kế phần cứng phần mềm phối hợp Cách thiết kế cổ điển cách xác định trước chức phần mềm (SW) phần cứng (HW) sau bước thiết kế chi tiết tiến hành cách độc lập hai khối Hiện đa số hệ thống tự động hóa thiết kế (CAD) thường dành cho thiết kế phần cứng Các hệ thống nhúng sử dụng đồng thời nhiều công nghệ vi xử lý, DSP, mạng chuẩn phối ghép, protocol, xu thiết kế hệ nhúng đòi hỏi có khả thay đổi mềm dẻo trình thiết kế phần HW SW Để có thiết kế cuối tối ưu, trình thiết kế SW HW phải phối hợp với chặt chẽ thay đổi sau lần thử chức hoạt động tổng hợp Thiết kế hệ nhúng đòi hỏi kiến thức đa ngành điện tử, xử lý tín hiệu, vi xử lý, thuật điều khiển lập trình thời gian thực Phần mềm hệ nhúng ngày chiếm tỉ trọng cao trở thành thành phần cấu tạo nên thiết bị bình đẳng phần khí, linh kiện điện tử, linh kiện quang học hệ nhúng ngày phức tạp đáp ứng yêu cầu khắt khe thời gian thực, tiêu lượng, hoạt động tin cậy ổn định hơn, có khả hội thoại cao, có khả kết nối mạng, có thích nghi, tự tổ chức cao có khả tái cấu thực thể, tác nhân Và có khả tiếp nhận lượng từ nhiều nguồn khác (ánh sáng, rung động, điện từ trường, sinh học ) để tạo nên hệ thống tự tiếp nhận lượng trình họat động Tuy nhiên hệ thống nhúng phải đối mặt với nhiều thách Độ phức tạp hệ thống tăng cao kết hợp nhiều lĩnh vực đa ngành, kết hợp phần cứng - mềm, phương pháp thiết kế kiểm tra chưa chín muồi Khoảng cách lý thuyết thực hành lớn thiếu phương pháp lý thuyết hoàn chỉnh cho khảo sát phân tích toàn cục hệ nhúng bao gồm lý thuyết điều khiển tự động, thiết kế máy, công nghệ phần mềm, điện tử, vi xử lý, công nghệ hỗ trợ khác Mặt khác hệ nhúng nhiều vấn đề cần giải với độ tin cậy tính mở hệ thống Do hệ thống nhúng thường phải hội thoại với môi trường xung quanh nên nhiều gặp tình không lường trước dễ dẫn đến hệ thống bị loạn Trong trình hoạt động số phần mềm thường phải chỉnh lại thay đổi nên hệ thống phần mềm không kiểm soát Đối với hệ thống mở, hãng thứ đưa module mới, thành phần vào gây nên hoạt động thiếu tin cậy Môi trường thông minh Công nghệ bán dẫn phát triển mạnh theo xu ngày rẻ, tích hợp cao, có khả tính toán lớn, khả kết nối toàn cầu, khả phối hợp với cảm biến cấu chấp hành vi điện sinh học, khả giao diện không qua bàn phím tạo tiền đề sở cho bùng nổ thiết bị vật dụng thông minh xung quanh ta Đây khởi đầu thời đại hậu PC - Môi trường thông minh Các phần mềm nhúng chip vi hệ htống phong phú có độ mềm dẻo, tái sử dụng cao Sức đẩy công nghệ đưa công nghệ vi điện tử tiếp cận cộng với công nghệ sinh học tạo nên công nghệ nano với độ phức tạp giga vào thập niên 2010-2020 Các chip vi hệ thống xử lý hỗn hợp tương tự số MS-SoC (Mixed Signal System on chip) vào giai đoạn có tỷ transistor, 1000 lõi CPU, 100MB nhớ hoạt động tần số 200GHz Với vi hệ thống có khả tính toán siêu hạng việc thiết kế hệ nhúng gặp không thách thức xử lý song song, độ phức tạp phần mềm nhúng khả cung cấp lượng cho thiết bị cầm tay Trong tương lai lượng cho truyền liệu lớn gấp từ đến 30 lần lượng hoạt động CPU Trước hệ thống thường thiết kế phần cứng PC phần mềm Windown Linux, ngày số lượng hệ (platform) cho thiết kế hệ nhúng có khoảng 25 Trong tương lai hệ nhúng thiết kế chip MS-SoC tạo nên platform thiết kế chuyên dụng với số lượng lên đến 500 loại Ta liệt kê số ví dụ điển platform raptor II cho thiết kế camera số, PXA240 cho thiết kế thiết bị PDA, TL850 cho TV số, BLUECORE cho công nghệ không dây Bluetooth, CDMA cho mobile phone 3G hệ MS-SoC có khả tái cấu hình công cụ chủ chốt cho sản phẩm công nghệ cao “3C” Các hệ điều hành nhúng phần mềm nhúng Hệ điều hành nhúng Khác với PC thường chạy hệ điều hành windows unix, hệ thống nhúng có hệ điều hành nhúng riêng Các hệ điều hành dùng hệ nhúng trội bao gồm Embedded linux, VxWorks, WinCE, Lynyos, BSD, Green Hills, QNX DOS, Embeddde linux phát triển mạnh Năm 2001 hệ điều hành chiếm 12% thị phần hệ điều hành nhúng năm 2002 chiếm 27% chiếm vị trí số Hiện 40% nhà thiết kế hệ nhúng cân nhắc sử dụng Embedded linux cho ứng dụng sau đến hệ điều hành nhúng truyền thống VxWorks, WinCE Các đối thủ cạnh tranh Embedded linux hệ điều hành nhúng tự tạo windows CE Sở dĩ Embedded linux có phát triển vượt bậc có sức hấp dẫn ứng dụng giá thành thấp đòi hỏi thời gian đưa sản phẩm thị trường nhanh Mặt khác Linux phần mềm mã nguồn mở nên hiểu thay đổi theo ý Linux hệ điều hành có cấu trúc module chiếm nhớ windows đặc tính ưu việt Do thị trường sản phẩm nhúng tăng mạnh lên nhà sản xuất ngày sử dụng hệ điều hành nhúng để đảm bảo sản phẩm có sức cạnh tranh Embedded linux sản phẩm hệ điều hành nhúng có uy tín chiếm vị trí số năm tới Phần mềm nhúng Phần mềm nhúng phần mềm tạo nên phần hồn, phần trí tuệ sản phẩm nhúng Phần mềm nhúng ngày có tỉ lệ cao giá trị sản phẩm nhúng Hiện phần lớn phần mềm nhúng nằm sản phẩm truyền thông sản phẩm điện tử gia dụng (consumer electronics) tiếp đến sản phẩm ô tô, phương tiện vận chuyển, máy móc thiết bị y tế, thiết bị lượng thiết bị cảnh báo bảo vệ sản phẩm đo điều khiển Để tồn phát triển, sản phẩm công nghiệp tiêu dùng cần phải thường xuyên đổi ngày có nhiều chức tiện dụng thông minh Các chức phần lớn chương trình nhúng tạo nên Phần mềm nhúng lĩnh vực công nghệ then chốt cho phát triển kinh tế nhiều quốc gia giới Nhật Bản, Hàn Quốc, Phần Lan Trung Quốc Tại Mỹ có nhiều chương trình hỗ trợ nhà nước để phát triển hệ thống phần mềm nhúng Hàn Quốc có dự án lớn nhằm phát triển công nghệ phần mềm nhúng thiết bị gia dụng nối mạng Internet, hệ thống phần mềm nhúng cho phát triển thành phố thông minh, dự án phát triển ngành công nghiệp phần mềm nhúng, trung tâm hỗ trợ ngành công nghiệp hậu PC v.v Hàn Quốc chấp nhận Embedded linux hệ điều hành chủ chốt việc phát triển sản phẩm nhúng Thụy Điển coi phát triển hệ nhúng có tầm quan trọng chiến lược cho phát triển đất nước Phần Lan có sách quốc gia tích cực cho nghiên cứu phát triển hệ nhúng đặc biệt phần mềm nhúng Những quốc gia thành lập nhiều viện nghiên cứu trung tâm phát triển hệ nhúng Kết luận Các hệ nhúng công cụ cực mạnh hỗ trợ cho sản phẩm lĩnh vực công nghệ cao “3C” nước ta Với phát triển tiếp máy tính nơron, máy tính quang tử, máy tính sinh học, máy móc, hệ thống tự động tiếp cận đến mức thông minh sinh vật sống, phục vụ tốt người hiểu rõ thân người Sự hội tụ công nghệ truyền thông không dây băng rộng với thiết bị tính toán cầm tay đưa công nghệ thông tin tự động hóa sang thời đại - thời đại môi trường thông minh Sức đẩy công nghệ đưa công nghệ vi điện tử, công nghệ vi điện, công nghệ sinh học hội tụ tạo nên chip công nghệ nano, tảng cho thay đổi công nghệ thông tin tự động hóa Sức kéo thị trường đòi hỏi thiết bị phải có nhiều chức thân thiện với người dùng, có mức độ thông minh ngày cải thiện đưa đến vai trò tầm quan trọng hệ htống nhúng ngày cao kinh tế quốc dân Phát triển hệ nhúng phần mềm nhúng quốc sách nhiều quốc gia giới, vào giai đoạn hậu PC Nghiên cứu áp dụng công nghệ cao vào phát triển sản phẩm, hệ thống tự động công việc lý thú, hấp dẫn đầy hứa hẹn kinh tế thị trường nhu cầu phát triển xã hội loài người  ... gian hệ thống tự động cần tích hợp nhiều công nghệ cao khác công nghệ cảm biến, công nghệ vật liệu mới, công nghệ quang laser v.v Đây xu phát triển hệ thống tự động ngày sử dụng nhiều công nghệ. .. thông minh, hệ thống điều khiển, nhà thông minh, thiết bị gia dụng thông minh v.v Vai trò hệ thống nhúng phát triển lĩnh vực công nghệ cao 3C “ Các hệ thống tự động chế tạo nhiều công nghệ khác... ngày nhiều” phần tử, hệ thống thuộc lĩnh vực công nghệ cao 3C Nếu xét riêng lĩnh vực tự động, Hình cho ta thấy chức xử lý hệ thống tự động 70 năm qua phát triển Vào năm 30 hệ thống tự động cam