Đặt vấn đề Ở nước ta, giao thông đường bộ đang là một trong những vấn đề lớn được xã hội quan tâm, đặc biệt ở các thành phố lớn. Càng ngày càng có nhiều phương tiện và người tham gia giao thông, trong khi đó cơ sở hạ tầng giao thông mặc dù đã được cải thiện đáng kể song cũng không thể đáp ứng được nhu cầu đi lại quá cao của người dân như hiện nay. An toàn giao thông ở nước ta được xem là một quốc sách, vì vậy việc quản lý giao thông là vô cùng quan trọng. Hệ thống giao thông thông minh ITS (Intelligent Transportation Systems) áp dụng công nghệ tích hợp Điện tử - Tin học vào hệ thống vận tải đường bộ được nhìn nhận rộng rãi như là một giải pháp cho bài toán vận tải mà xã hội chúng ta đang phải đối mặt.
Ở những khía cạnh khác, một nhu cầu ngày càng tăng về tính lưu động đang phải đối mặt với những ràng buộc về kinh tế, xã hội và vật lý trên cơ sở hạ tầng vận tải sẵn có. Những sự ràng buộc này bao gồm sự giảm bớt chi phí cho những dự án vận tải, những mối quan tâm tới môi trường và sự thiếu không gian vật lý cho những dự án cải thiện hạ tầng. Những ứng dụng của ITS, mà ở đó khoa học ứng dụng được sử dụng để tăng hiệu suất hoạt động và khả năng của cơ sở hạ tầng vận tải, có thể phụ thêm vào hay thậm chí thay thế sự phát triển của cơ sở hạ tầng, cung cấp những giải pháp lưu động có hiệu quả hơn mà lại giảm chi phí cho xã hội. Trên thế giới hiện nay, hệ thống điều khiển giao thông đã được phát triển và trải qua rất nhiều giai đoạn, từ các bộ điều khiển cơ điện tử đến các bộ điều khiển sử dụng vi điện tử, kết hợp với phần mềm điều khiển linh hoạt.1 Lịch sử phát triển của các hệ thống điều khiển giao thông Với tình hình giao thông ở Việt Nam hiện nay, việc thiết kế một hệ thống giao thông thông minh có khả năng thay đổi thông số thích nghi theo điều kiện hiện thời dưới tác động của hệ điều khiển tập trung thông qua các phương tiện của mạng viễn thông (điện thoại, vô tuyến, internet…) là hết sức cần thiết.
Tổng quan về hệ nhúng 2. Các khái niệm về hệ nhúng 2. Hệ nhúng Trong thế giới thực của chúng ta bất kỳ một thiết bị hay hệ thống điện/điện tử có khả năng xử lý thông tin và điều khiển đều có thể tiềm ẩn trong đó một thiết bị hay hệ nhúng, ví dụ như các thiết bị truyền thông, thiết bị đo lường điều khiển, các thiết bị phục vụ sinh hoạt hàng ngày như lò vi sóng, máy giặt, camera…Rất dễ dàng để có thể kể ra hàng loạt các thiết bị hay hệ thống như vậy đang tồn tại quanh ta, chúng là hệ -5- nhúng. Hiện nay cũng chưa có một định nghĩa nào thực sự thoả đáng để được chuẩn hoá và thừa nhận rộng rãi cho hệ nhúng mà vẫn chỉ là những khái niệm diễn tả về chúng thông qua những đặc thù chung.
Tuy nhiên chúng ta có thể hiểu hệ nhúng là một phần hệ thống xử lý thông tin nhúng trong các hệ thống lớn, phức hợp và độc lập ví dụ như trong ôtô, các thiết bị đo lường, điều khiển, truyền thông và thiết bị thông minh nói chung. Chúng là những tổ hợp của phần cứng và phần mềm để thực hiện một hoặc một nhóm chức năng chuyên biệt, cụ thể .2 Một vài hình ảnh về hệ nhúng 2. Hệ thời gian thực Trong các bài toán điều khiển và ứng dụng chúng ta rất hay gặp thuật ngữ “thời gian thực”. Thực chất, theo cách hiểu nếu nói trong các hệ thống kỹ thuật đặc biệt các hệ thống yêu cầu khắt khe về sự ràng buộc thời gian, thời gian thực được hiểu là yêu cầu của hệ thống phải đảm bảo thoả mãn về tính tiền định trong hoạt động của hệ thống.
Tính tiền định nói lên hành vi của hệ thống thực hiện đúng trong một khung thời -6- gian cho trước hoàn toàn xác định. Ở đây chúng ta phân biệt yếu tố thời gian gắn liền với khái niệm về thời gian thực. Không phải hệ thống thực hiện rất nhanh là sẽ đảm bảo được tính thời gian thực vì nhanh hay chậm hoàn toàn là phép so sánh có tính tương đối vì mili giây có thể là nhanh với hệ thống điều khiển nhiệt nhưng lại là chậm đối với các đối tượng điều khiển điện như dòng, áp… Hơn thế nữa nếu chỉ nhanh không thì chưa đủ mà phải đảm bảo duy trì ổn định bằng một cơ chế hoạt động tin cậy. Thực tế thấy rằng hầu hết hệ nhúng là các hệ thời gian thực và hầu hết các hệ thời gian thực là hệ nhúng.
Điều này phản ánh mối quan hệ mật thiết giữa hệ nhúng và thời gian thực và tính thời gian thực đã trở thành như một thuộc tính tiêu biểu của hệ nhúng. Vì vậy hiện nay khi đề cập tới các hệ nhúng người ta đều nói tới đặc tính cơ bản của nó là tính thời gian thực.3 Phân bố và quan hệ giữa hệ nhúng và thời gian thực 2.2 Lĩnh vực ứng dụng của hệ nhúng Chúng ta có thể kể ra được rất nhiều các ứng dụng của hệ thống nhúng đang được sử dụng hiện nay, và xu thể sẽ còn tiếp tục tăng nhanh. Một số các lĩnh vực và sản phẩm thị trường rộng lớn của các hệ nhúng có thể được nhóm như sau: • Các thiết bị điều khiển • Ôtô, tàu điện • Truyền thông • Thiết bị y tế -7- • Hệ thống đo lường thẩm định • Toà nhà thông minh • Thiết bị trong các dây truyền sản xuất • Rôbốt •.3 Đặc điểm công nghệ và xu thế phát triển của hệ nhúng 2.1 Đặc điểm công nghệ Các hệ thống như vậy đều có chung một số đặc điểm như yêu cầu về khả năng thời gian thực, độ tin cậy, tính độc lập và hiệu quả. Một câu hỏi đặt ra là tại sao hệ thống nhúng lại phát triển và được phổ cập một cách nhanh chóng như hiện nay.
Câu trả lời thực ra nằm ở các yêu cầu tăng lên không ngừng trong các ứng dụng công nghệ hiện nay. Một trong những yêu cầu cơ bản đó là: Khả năng độc lập và thông minh hoá: Điều này được chỉ rõ hơn thông qua một số các thuộc tính yêu cầu, cụ thể như: - Độ tin cậy - Khả năng bảo trì và nâng cấp - Sự phổ cập và tiện sử dụng - Độ an toàn - Tính bảo mật Hiệu quả: Yêu cầu này được thể hiện thông qua một số các đặc điểm của hệ thống như sau: - Năng lượng tiêu thụ - Kích thước về phần cứng và phần mềm - Hiệu quả về thời gian thực hiện - Kích thước và khối lượng - Giá thành -8- Phân hoạch tác vụ và chức năng hoá: Các bộ vi xử lý trong các hệ nhúng thường được sử dụng để đảm nhiệm và thực hiện một hoặc một nhóm chức năng rất độc lập và cũng đặc thù cho từng phần chức năng của hệ thống lớn mà nó được nhúng vào. Ví dụ như một vi xử lý thực hiện một phần điều khiển cho một chức năng thu thập, xử lý và hiển thị của ôtô hay hệ thống điều khiển quá trính. Khả năng này làm tăng thêm sự chuyên biệt hoá về chức năng của một hệ thống lớn và dễ dàng hơn cho quá trính xây dựng, vận hành và bảo trì.
Khả năng thời gian thực: Các hệ thống đều gắn liền với việc đảm nhiệm một chức năng chính và phải được thực hiện đúng theo một khung thời gian qui định. Thông thường một chức năng của hệ thống phải được thực hiện và hoàn thành theo một yêu cầu thời gian định trước để đảm bảo thông tin cập nhật kịp thời cho phần xử lý của các chức năng khác và có thể ảnh hưởng trực tiếp tới sự hoạt động đúng và chính xác của toàn hệ thống. Tuỳ thuộc vào từng bài toán và yêu cầu của hệ thống mà yêu cầu về khả năng thời gian thực cũng rất khác nhau. Tuy nhiên, trong thực tế không phải hệ nhúng nào cũng đều có thể thoả mãn tất cả những yêu cầu nêu trên, vì chúng là kết quả của sự thoả hiệp của nhiều yêu cầu và điều kiện nhằm ưu tiên cho chức năng cụ thể mà chúng được thiết kế.
Chính điều này lại càng làm tăng thêm tính chuyên biệt hoá của các hệ/thiết bị nhúng mà các thiết bị đa năng không thể cạnh tranh được.2 Xu thế phát triển và sự tăng trưởng của hệ nhúng Vì sự phát triển hệ nhúng là sự kết hợp nhuần nhuyễn giữa phần cứng và phần mềm nên công nghệ gắn liền với nó cũng chính là công nghệ kết hợp giữa các giải pháp cho phần cứng và mềm. Vì tính chuyên biệt của các thiết bị / hệ nhúng như đã giới thiệu nên các nền phần cứng cũng được chế tạo để ưu tiên đáp ứng cho chức năng hay nhiệm vụ cụ thể của yêu cầu thiết kế đặt ra. Lớp hệ nhúng ưu tiên phát triển theo tiêu chí về kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ năng lượng ít, giá thành thấp. Các chíp xử lý nhúng cho lớp hệ thống ứng dụng đó thường yêu cầu về khả năng tính toán ít hoặc vừa phải nên hầu hết được xây dựng trên -9- cở sở bộ đồng xử lý 8 bít 16 bit hoặc cùng lắm là 32 bit và không hỗ trợ dấu phảy động do sự hạn chế về dung lượng và khả năng tính toán.
Lớp hệ nhúng ưu tiên thực thi khả năng xử lý tính toán với tốc độ thực hiện nhanh. Các chíp xử lý nhúng cho các hệ thống đó cũng sẽ là các Chip áp dụng các công nghệ cao cấp với kiến trúc xử lý song song để đáp ứng được cường độ tính toán lớn và tốc độ mà các Chip xử lý đa chức năng thông thường không đạt tới được. Lớp hệ thống ưu tiên cả hai tiêu chí phát triển của hai lớp trên, tức là kích thước nhỏ gọn, mức tiêu thụ năng lượng thấp, tốc độ tính toán nhanh. Tuỳ theo sự thoả hiệp giữa các yêu cầu và xu thế phát triển chính vì vậy cũng không có gì ngạc nhiên khi chúng ta thấy sự tồn tại song song của rất nhiều các Chip vi xử lý nhúng, vi điều khiển nhúng 8 bit, 16 bit hay 32 bit cùng với các Chíp siêu xử lý khác vẫn đang được ứng dụng rộng rãi cho hệ nhúng.
Đó cũng là sự kết hợp đa dạng và sự ra đời của các hệ nhúng nói chung nhằm thoả mãn các ứng dụng phát triển không ngừng.