Lập trình nhúng là gì? Tất cả những điều bạn nên biết về lập trình nhúng

Bạn học lập trình nhưng chưa thực sự hiểu về lập trình nhúng là gì? Đây là câu hỏi mà chúng tôi khá thường gặp ở những bạn lập trình viên mới. Có thể bạn chưa biết nhưng lập trình nhúng là một ngành nghề khá là hot và đang cần rất nhiều nguồn nhân lực. Chính vì vậy, trong bài viết này, chúng tôi sẽ đem đến cho bạn cái nhìn tổng quan về lập trình nhúng là gì và những kiến thức cần thiết có liên quan!

Mục lục

Lập trình nhúng là gì?

Lập trình nhúng là một loại lập trình hỗ trợ việc tạo ra các thiết bị, phục vụ nhu cầu của người tiêu dùng hoặc doanh nghiệp không hoạt động trên hệ điều hành truyền thống như cách mà máy tính xách tay và thiết bị di động quy mô lớn. Sự phát triển của lập trình nhúng là một phần của động lực thúc đẩy sự phát triển của các thiết bị kỹ thuật số trong thị trường CNTT ngày nay.

Hệ thống nhúng là sự kết hợp của phần cứng và phần mềm máy tính được thiết kế cho một chức năng cụ thể. Hệ thống nhúng cũng có thể hoạt động trong một hệ thống lớn hơn. Các hệ thống có thể được lập trình hoặc có một chức năng cố định. Máy công nghiệp, thiết bị điện tử tiêu dùng, thiết bị nông nghiệp và công nghiệp chế biến, ô tô, thiết bị y tế, máy ảnh, đồng hồ kỹ thuật số, thiết bị gia dụng, máy bay, máy bán hàng tự động và đồ chơi, cũng như những thiết bị di động khác, đều là những thiết bị cần đến hệ thống nhúng.

Ví dụ về hệ thống nhúng

Hệ thống nhúng được sử dụng trong một loạt các công nghệ trên một loạt các ngành công nghiệp. Một số ví dụ bao gồm:

Ngành công nghiệp ô tô: Những chiếc ô tô hiện đại thường bao gồm nhiều máy tính (đôi khi lên tới 100 chiếc), hoặc các hệ thống nhúng, được thiết kế để thực hiện các nhiệm vụ khác nhau bên trong xe. Một số hệ thống này thực hiện các chức năng tiện ích cơ bản và những hệ thống khác cung cấp các chức năng giải trí hoặc hướng tới người dùng. Một số hệ thống nhúng trong xe tiêu dùng bao gồm kiểm soát hành trình, cảm biến dự phòng, kiểm soát hệ thống treo, hệ thống định vị và hệ thống túi khí.

Điện thoại di động: Điện thoại di động bao gồm nhiều hệ thống nhúng, bao gồm phần mềm và phần cứng GUI, hệ điều hành (OSes), máy ảnh, micrô và mô-đun đầu vào/đầu ra, USB…

Lập trình nhúng là gì? Tìm hiểu một số ứng dụng của lập trình nhúng

Máy móc công nghiệp: Các loại máy móc cũng chứa các hệ thống nhúng, như cảm biến. Máy công nghiệp thường có hệ thống tự động hóa nhúng thực hiện các chức năng giám sát và điều khiển cụ thể.

Trang thiết bị y tế: Chúng có chứa các hệ thống nhúng như cảm biến và cơ chế điều khiển. Thiết bị y tế, chẳng hạn như máy công nghiệp, cũng phải rất thân thiện với người sử dụng để sức khỏe con người không bị đe dọa bởi những lỗi máy móc có thể phòng tránh được. Điều này có nghĩa là chúng thường sẽ bao gồm một HĐH và GUI phức tạp hơn được thiết kế cho một giao diện người dùng thích hợp.

>> Đồ chơi giúp trẻ làm quen với lập trình nhúng từ sớm: Kit học Arduino nâng cao

Lập trình nhúng hoạt động như thế nào?

Lập trình nhúng luôn hoạt động như một phần của một thiết bị hoàn chỉnh. Chúng là những máy tính nhỏ giá rẻ, tiêu thụ điện năng thấp, được nhúng vào các hệ thống cơ hoặc điện khác. Nói chung, chúng bao gồm một bộ xử lý, bộ cấp nguồn, bộ nhớ và các cổng giao tiếp. Hệ thống nhúng sử dụng các cổng giao tiếp để truyền dữ liệu giữa bộ xử lý và các thiết bị ngoại vi. Bộ xử lý diễn giải dữ liệu này với sự trợ giúp của phần mềm tối thiểu được lưu trữ trên bộ nhớ. Phần mềm này thường rất cụ thể cho chức năng mà hệ thống nhúng phục vụ.

Lập trình nhúng là gì? Hoạt động của lập trình nhúng

Bộ xử lý có thể là bộ vi xử lý hoặc vi điều khiển. Bộ vi điều khiển chỉ đơn giản là bộ vi xử lý với các giao diện ngoại vi và bộ nhớ tích hợp đi kèm. Bộ vi xử lý sử dụng các mạch tích hợp riêng biệt cho bộ nhớ và thiết bị ngoại vi thay vì đưa chúng vào chip. Cả hai đều có thể được sử dụng, nhưng bộ vi xử lý thường yêu cầu nhiều mạch hỗ trợ hơn bộ vi điều khiển vì ít được tích hợp vào bộ vi xử lý hơn. Thuật ngữ hệ thống trên chip (SoC) thường được sử dụng. SoC bao gồm nhiều bộ xử lý và giao diện trên một con chip. Chúng thường được sử dụng cho các hệ thống nhúng khối lượng lớn.

Đặc điểm của lập trình nhúng là gì?

Đặc điểm chính của các hệ thống nhúng là chúng đặc trưng cho từng tác vụ. Ngoài ra, hệ thống nhúng có thể bao gồm các đặc điểm sau:

Thông thường, bao gồm phần cứng, phần mềm và phần sụn
Được nhúng vào một hệ thống lớn hơn để thực hiện một chức năng cụ thể
Có thể dựa trên vi xử lý hoặc dựa trên vi điều khiển
Thường được sử dụng để cảm biến và tính toán thời gian thực trong các thiết bị kết nối internet vạn vật ( IoT), là những thiết bị được kết nối internet và không yêu cầu người dùng vận hành
Có thể khác nhau về độ phức tạp và chức năng, điều này ảnh hưởng đến loại phần mềm, phần sụn và phần cứng mà chúng sử dụng
Thường được yêu cầu thực hiện chức năng của chúng dưới một giới hạn thời gian để giữ cho hệ thống lớn hơn hoạt động bình thường.

Những đặc điểm cơ bản của lập trình nhúng là gì?

Cấu trúc của hệ thống nhúng

Các hệ thống nhúng khác nhau về độ phức tạp nhưng nhìn chung, bao gồm ba yếu tố chính:

Phần cứng

Phần cứng của các hệ thống nhúng dựa trên bộ vi xử lý và vi điều khiển. Bộ vi xử lý rất giống với bộ vi điều khiển và thường dùng để chỉ CPU (đơn vị xử lý trung tâm) được tích hợp với các thành phần tính toán cơ bản khác như chip nhớ và bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số ( DSP ). Vi điều khiển có các thành phần đó được tích hợp trong một chip.

>> Tìm hiểu thêm: Đâu là ngôn ngữ lập trình phổ biến nhất hiện nay?

Phần mềm và phần sụn

Phần mềm cho các hệ thống nhúng có thể khác nhau về độ phức tạp. Tuy nhiên, các bộ vi điều khiển cấp công nghiệp và các hệ thống IoT nhúng thường chạy phần mềm rất đơn giản, yêu cầu ít bộ nhớ.

Về phần cứng, một hệ thống nhúng cơ bản sẽ bao gồm các yếu tố sau:

Cảm biến chuyển đổi dữ liệu cảm giác vật lý thành tín hiệu điện
Bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số (AD) thay đổi tín hiệu điện tương tự thành tín hiệu kỹ thuật số
Bộ xử lý xử lý tín hiệu kỹ thuật số và lưu trữ chúng trong bộ nhớ
Bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang DA và thay đổi dữ liệu kỹ thuật số từ bộ xử lý thành dữ liệu tương tự
Bộ truyền động so sánh đầu ra thực tế với đầu ra được lưu trong bộ nhớ và chọn đúng
Cảm biến đọc đầu vào bên ngoài, bộ chuyển đổi làm cho đầu vào đó có thể đọc được đối với bộ xử lý và bộ xử lý biến thông tin đó thành đầu ra hữu ích cho hệ thống nhúng
Hệ điều hành thời gian thực: Những yếu tố này không phải lúc nào cũng có trong các hệ thống nhúng, đặc biệt là các hệ thống quy mô nhỏ hơn. Các RTOS xác định cách thức hoạt động của hệ thống bằng cách giám sát phần mềm và thiết lập các quy tắc trong quá trình thực thi chương trình

Các loại hệ thống nhúng

Có một số loại hệ thống nhúng cơ bản khác nhau về các yêu cầu chức năng của chúng. Nhìn chung có 3 loại hệ thống nhúng cơ bản sau đây:

Hệ thống nhúng di động là hệ thống có kích thước nhỏ được thiết kế để di động. Máy ảnh kỹ thuật số là một ví dụ về điều này.
Hệ thống nhúng nối mạng được kết nối với một mạng để cung cấp đầu ra cho các hệ thống khác. Bao gồm hệ thống an ninh gia đình và hệ thống điểm bán hàng (POS).
Hệ thống nhúng độc lập không phụ thuộc vào hệ thống máy chủ: Giống như bất kỳ hệ thống nhúng nào, chúng thực hiện một nhiệm vụ chuyên biệt. Tuy nhiên, chúng không nhất thiết phải thuộc về một hệ thống chủ, không giống như các hệ thống nhúng khác. Máy tính hoặc máy nghe nhạc MP3 là một ví dụ về điều này.
Hệ thống nhúng thời gian thực cung cấp đầu ra cần thiết trong một khoảng thời gian xác định: Chúng thường được sử dụng trong các lĩnh vực y tế, công nghiệp và quân sự vì chúng chịu trách nhiệm cho các nhiệm vụ quan trọng về thời gian. Hệ thống kiểm soát giao thông là một ví dụ về điều này.

Hệ thống nhúng cũng có thể được phân loại theo yêu cầu hiệu suất của chúng:

Các hệ thống nhúng quy mô nhỏ thường sử dụng không quá một bộ vi điều khiển 8-bit
Các hệ thống nhúng quy mô trung bình sử dụng một bộ vi điều khiển lớn hơn (16-32 bit) và thường liên kết các bộ vi điều khiển với nhau
Các hệ thống nhúng quy mô phức tạp thường sử dụng một số thuật toán dẫn đến sự phức tạp của phần mềm và phần cứng và có thể yêu cầu phần mềm phức tạp hơn, bộ xử lý có thể định cấu hình và mảng logic có thể lập trình được.

>> Bé lập trình dễ dàng với Nền tảng sáng tạo xBuild

Kỹ sư lập trình nhúng là gì?

Phần mềm nhúng là lớp mã đầu tiên chạy trên thiết bị. Nếu bạn cảm thấy khó hiểu quá, hãy nghĩ đến BIOS trên PC. Các kỹ sư nhúng viết mã, nhưng không giống như các kỹ sư phần mềm, họ cần hiểu biết sâu sắc về phần cứng mà thiết bị chạy trên đó. Một kỹ sư nhúng phải biết sơ đồ của phần cứng và cách các bảng dữ liệu chip liên quan đến mã được viết cho chúng. Phần mềm nhúng thường là phần mềm độc lập và chỉ chạy một chương trình duy nhất. Do đó, các kỹ sư phần mềm nhúng xác định số lượng trình điều khiển nhỏ nhất có thể mà thiết bị cần để chạy phần mềm.

Hầu hết mọi thứ, từ lò nướng bánh mì và đèn pin đến đồng hồ thông minh, TV kỹ thuật số và thiết bị điều khiển điện tử trong ô tô, đều có phần mềm nhúng trong đó. Nhìn chung, chúng ta không coi những thiết bị đó là máy tính, nhưng chúng có phần mềm cơ bản giúp chúng chạy. Là một kỹ sư phần mềm nhúng, đó là những gì bạn sẽ tạo ra. Nghề này là sự giao thoa của kỹ sư phần mềm và kỹ sư điện. Do đó, các kỹ sư phần mềm nhúng phải tập trung cao độ vào cách mã họ viết tương tác với thiết bị điện tử. Đó là tất cả câu trả lời cho câu hỏi kỹ sư lập trình nhúng là gì.

Tổng kết

Chắc hẳn qua bài viết trên, quý bạn đọc cũng hiểu được phần nào về lập trình nhúng là gì, những loại lập trình nhúng cơ bản và ứng dụng chúng trong cuộc sống như thế nào. Chúng tôi mong rằng những kiến thức mà mình mang lại sẽ là hành trang vững chắc cho các bạn trong con đường sự nghiệp sắp tới. OhStem Education rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ quý bạn đọc.

Để tìm hiểu thêm về các đồ chơi, giáo cụ STEAM cho bé, vui lòng liên hệ OhStem qua: