מערכת משובצת מחשב

מערכת משובצת מחשב (Embedded system) היא מכשיר שבו משולב מעבד שמבצע פונקציות מסויימות בלבד. לעיתים נדרשת מהן תגובה בזמן-אמת, כלומר תגובה מהירה ובתזמון קפדני.

שימושים ותפוצה
מערכות משובצות נמצאות בתוך הרבה מכשירים מודרניים. דוגמאות בולטות: מערכות הצתה ברכב, טלפונים סלולריים, נגני מוזיקה, מצלמות דיגיטליות וציוד נווט במטוסים. במטוסים מודרניים משולבים מאות מעבדים שאחראים על פונקציות שונות.

סיבות להתפשטות
המעבדים קטנים יותר, צורכים פחות אנרגיה, זולים ויש להם יכולת חישובית גבוהה. לכן אפשר לשלבם במכשירים קטנים ולהחליף רכיבים מכניים או מעגלים אנלוגיים בתוכנה.

המשימות משתנות: תקשורת (מרכזיות, טלפונים), רכיבי רשת (נתבים), אלקטרוניקה ביתית (נגן DVD, טלוויזיה), שליטה ובקרה ביתית, תחבורה (מערכות במטוסים וברכבים) ומכשור רפואי (מכשירי CT ו‑MRI).

אחת המערכות הראשונות הייתה מחשב הניווט של אפולו, שפותח ב‑MIT ע"י צ'ארלס סטארק דרפר. דוגמה נוספת היא מחשב הניווט "אותנטיקס D‑17" של טיל המינוטמן מתחילת שנות ה‑60. מאז שנות ה‑60 כוח החישוב עלה והמחיר ירד. באמצע שנות ה‑80 מרבית הרכיבים שולבו במעבדים ובמיקרו‑בקרים.

1. מיועדות למשימה מסוימת ולא למחשב כללי. חלקן דורשות זמן‑אמת חזק בגלל בטיחות או איכות.
2. לעיתים הן תת‑מערכת בתוך התקן גדול יותר ולא המכשיר השלם.
3. הקוד נקרא קושחה (firmware), והוא מאוחסן בזיכרון שאינו נמחק או בזיכרון פלאש.

חלק מהמערכות לא כוללות ממשק משתמש. אחרות מציעות כפתורים ותצוגות פשוטות, מסך מגע או ממשק דרך רשת שיכול להחליף תצוגה מקומית.

במערכות פשוטות נמצא בקר יחיד; במערכות מורכבות יש מעבדים חזקים יותר. נהוג להשתמש במעבדים עם צריכה נמוכה כגון PowerPC, ARM ו‑MIPS.

רבים מהמערכות הם מערכות זמן‑אמת, כלומר הן חייבות להגיב במהירות לאירועים. דוגמאות: שליטה על מטוס או על מנוע רכב. לעומת זאת, נגן בידור ברכב לא תמיד דורש זמן‑אמת.

מערכות משובצות צפויות לעבוד שנים ללא שגיאות ולעיתים להתאושש כששגיאה מתרחשת. לכן בדיקות התוכנה קפדניות. נוטים למנוע שימוש בחלקים נעים כמו כונני דיסק.

יש כמה גישות:

לולאה מרכזית שקוראת שיטות שכל אחת מנהלת חלק מהמערכת.

מטלות מופעלות על ידי אירועים הנוצרים על‑ידי טיימר או פורט סיריאלי. מטפלי פסיקה קצרים מטפלים בתגובה המהירה ומעבירים מטלות ארוכות לטיפול מאוחר יותר.

ממש דומה לחוג בקרה אך הלולאה חבויה ב‑API. מתכנת יכול להוסיף מטלות חדשות בקלות.

הקרנל מחליף בין מטלות אוטומטית בעזרת טיימר ופסיקות. יש צורך בסנכרון גישה לנתונים משותפים באמצעות סמפור או תור הודעות. בארגונים נפוץ שימוש במערכות הפעלה בזמן‑אמת (RTOS) כדי לפשט פיתוח, אך במערכות זעירות ייתכנו מגבלות זיכרון וסוללה.

מערכת משובצת מחשב היא מכשיר עם מחשב קטן שבו. המחשב הקטן עושה רק עבודה אחת או כמה עבודות ספציפיות.

דוגמאות פשוטות
יש מחשבים כאלה בטלפונים ניידים, במכוניות, בטלוויזיות ובמצלמות. במטוסים יש מאות מחשבים קטנים שעוזרים לטוס בבטחה.

למה משתמשים בהם?
הם קטנים, צורכים קצת חשמל ועמידים. בגלל זה אפשר להכניס אותם למכשירים קטנים ולחסוך חלקים מכניים.

הם נמצאים בתקשורת (טלפונים), ברשתות (נתבים), בבית (נגן מוזיקה, טלוויזיה), בתחבורה ובמכשירים רפואיים גדולים.

מחשבי הניווט של אפולו היו מהראשונים. גם מחשב שנעשה לטיל במאה הקודמת היה דוגמה מוקדמת. אחרי זה הטכנולוגיה השתפרה ומחיר המעבדים ירד.

- המערכת מתוכננת למשימה מסוימת.
- לפעמים היא חלק ממכשיר גדול יותר.
- התוכנה נשמרת בזיכרון שלא נמחק בקלות. קוראים לזה קושחה (תוכנה שמגיעה יחד עם המכשיר).

במכשירים פשוטים יש כפתורים ותצוגה קטנה. במכשירים מתקדמים יש מסך מגע או אפשרות לשלוט דרך הרשת.

חלק מהמערכות חייבות להגיב מהר מאוד. זה נקרא זמן‑אמת, כלומר תגובה בזמן קבוע. למשל במטוס או במנוע רכב.

מכוונים שמערכות אלו ירוצו שנים בלי תקלות. לכן בודקים אותן הרבה ומעדיפים שלא להשתמש בחלקים נעים.

- חוג בקרה: לולאה עיקרית שמריצה חלקי קוד.
- פסיקות: אירועים שקוראים קטעי קוד קצרים כשמשהו קורה.
- ריבוי משימות: המחשב מנהל מספר מטלות ואפשר להשתמש במערכת הפעלה מיוחדת (RTOS) לשלב את הכל.