Học lập trình nhúng toàn diện A-Z với lộ trình 7 bước

Bạn đang tìm kiếm một lộ trình rõ ràng để bắt đầu học hệ thống nhúng? Bạn là người mới bắt đầu và cần hướng dẫn rõ ràng, dễ hiểu về việc nghiên cứu và thử nghiệm các hệ thống nhúng? Trong bài viết này, hãy cùng ITviec tìm hiểu chi tiết các bước và kỹ năng cần có khi học lập trình nhúng.

Bài viết này giúp bạn tìm hiểu:

Học lập trình nhúng là gì
Tìm hiểu các thành phần của hệ thống nhúng
Bật mí những kỹ năng quan trọng khi học lập trình nhúng
7 bước học lập trình nhúng từ A – Z

Học lập trình nhúng là gì? Có bao nhiêu hệ thống nhúng cần học?

Học lập trình nhúng là lĩnh vực chuyên môn hóa trong việc thiết kế và phát triển các hệ thống máy tính nhỏ, chuyên dụng được nhúng trong các hệ thống hoặc thiết bị lớn hơn.

Bạn sẽ cần học về nhiều chủ đề khác nhau, bao gồm kiến trúc vi điều khiển, thiết kế phần cứng và phần mềm, ngôn ngữ lập trình và hệ thống thời gian thực… Nhiều trường đại học cung cấp các khóa học về hệ thống nhúng như một phần của chương trình khoa học máy tính hoặc kỹ thuật điện của họ. Trong đó, có bốn loại hệ thống nhúng bạn sẽ được tìm hiểu và thực hành:

Hệ thống nhúng độc lập (Stand-alone embedded system)

Bạn có thể thiết kế các hệ thống nhúng độc lập để hoạt động, tương tác trực tiếp với người dùng ở dạng kỹ thuật số (hoặc tương tự) mà không cần sử dụng đầu vào (input) từ các hệ thống khác.. Ví dụ về các hệ thống độc lập bao gồm chuông cửa, đồng hồ tốc độ và màn hình máy tính LCD.

Hệ thống nhúng thời gian thực (Real-time embedded system)

Các hệ thống nhúng thời gian thực thực hiện nhiệm vụ được chỉ định trong một khoảng thời gian cụ thể. Có hai loại hệ thống nhúng thời gian thực:

Các hệ thống nhúng thời gian thực mềm (Soft real-time embedded systems)

Trong các hệ thống này, thời gian đầu vào cho thiết bị có thể là một mốc thời gian cụ thể hoặc một khoảng thời gian. Ví dụ: bạn có thể nhập một khoảng thời gian cụ thể để nấu hoặc hâm nóng thức ăn trong lò vi sóng, nhưng thông thường, bạn làm tròn đến 30 giây gần nhất để đảm bảo bạn nấu hoặc hâm nóng thức ăn hoàn toàn.

Các hệ thống nhúng thời gian thực cứng (Hard real-time embedded systems)

Trong các hệ thống này, thời gian đầu vào là thời hạn mà hệ thống ưu tiên để đảm bảo hoàn thành nhiệm vụ một cách chính xác. Ví dụ: ở một số phương tiện cơ giới, có một hệ thống cảnh báo bạn khi xe chuyển khỏi làn đường, để đảm bảo bạn và những người lái xe khác luôn ý thức được, đề cao sự an toàn.

Hệ thống nhúng kết nối mạng (Networked embedded system)

Các hệ thống nhúng nối mạng là một phần của một loạt các hệ thống lớn và khá phức tạp. Nhiều người sử dụng các hệ thống này trong cuộc sống hàng ngày, với nhiều hệ thống nhúng được nối mạng thực hiện đồng thời hàng trăm hoặc hàng nghìn chức năng giống nhau.

Ví dụ: máy tính tiền tại một cửa hàng tạp hóa kết nối với một số hệ thống khác, bao gồm hệ thống đếm doanh số bán hàng tại cửa hàng, hệ thống đếm tiền khi cửa hàng đóng cửa và nhiều mạng lưới ngân hàng khác nhau để đảm bảo thanh toán đúng hạn.

Hệ thống nhúng di động (Mobile embedded system)

Hệ thống nhúng di động có nhiều chức năng, đồng thời có thể dễ dàng vận chuyển. Một ví dụ về hệ thống nhúng di động là điện thoại thông minh. Nhiều điện thoại thông minh có thể đồng thời là điện thoại di động, máy ảnh kỹ thuật số không dây, thiết bị ghi chú và trợ lý cá nhân cùng nhiều chức năng khác…

Đặc biệt dù tích hợp nhiều chức năng, thế nhưng thiết kế của một chiếc điện thoại thông minh vẫn khá nhỏ gọn và tiện lợi để bỏ trong túi quần áo, trong ví hoặc ba lô.

Những kỹ năng quan trọng khi học lập trình nhúng?

Các kỹ năng cụ thể có thể giúp bạn tìm hiểu các hệ thống nhúng bao gồm:

Ngôn ngữ lập trình: Thành thạo ngôn ngữ lập trình có thể giúp bạn thiết kế các chương trình từ đơn giản đến phức tạp để máy thực thi và giúp bạn hiểu cách thức dịch mã thành hành động cho máy vật lý. SQL, C++, Java và Python đều là những chương trình có thể hữu ích cho việc học các hệ thống nhúng.
Kiến thức về phần cứng: Người học cần trang bị hiểu biết sâu sắc về các mạch kỹ thuật số và analog, bộ vi điều khiển, bộ vi xử lý và mảng cổng lập trình trường (FPGA). Kiến thức này cần thiết cho việc thiết kế và phát triển các thành phần phần cứng.
Hệ điều hành thời gian thực (RTOS): Các hệ thống nhúng thường yêu cầu RTOS để quản lý việc lập lịch tác vụ và phân bổ tài nguyên. Bạn cần phải làm quen với các RTOS phổ biến như FreeRTOS, RTX hoặc μC/OS-II để thiết kế hệ thống hiệu quả.
Giao thức truyền thông: Hệ thống nhúng thường dựa vào các giao thức truyền thông khác nhau như SPI, I2C, UART, CAN và Ethernet. Hiểu các giao thức này và cách triển khai chúng là rất quan trọng để thiết lập giao tiếp liền mạch giữa các thành phần khác nhau của hệ thống.
Kỹ năng toán học: Rất nhiều lập trình viên cần các kỹ năng toán học cơ bản để giúp họ thiết kế các chương trình mạnh mẽ có thể thực hiện nhiều chức năng. Đối với việc học các hệ thống nhúng, việc học các kỹ năng toán học liên quan đến lập trình và kỹ thuật cơ khí có thể giúp bạn hiểu được các khả năng và hạn chế của máy móc.
Kỹ thuật điện: Nền tảng về kỹ thuật điện có thể giúp bạn hiểu các thành phần vật lý cần thiết cho hệ thống nhúng. Ví dụ, biết cách lập trình các thành phần nhỏ nhất của máy móc có thể giúp bạn thiết kế các chương trình và máy móc hiệu quả để hoàn thành các nhiệm vụ cụ thể.
Hiểu biết về điện tử cơ bản: Nếu bạn không có kiến thức về điện tử cơ bản thì gần như không thể thiết kế được chương trình hệ thống nhúng. Để học điện tử cơ bản, bạn có thể bắt đầu với các dự án nhỏ, thay vì nghiên cứu chi tiết về tất cả các loại thiết bị có sẵn.

Ngoài ra, bạn cũng nên có kiến thức cơ bản về các thuật ngữ như điện áp, công suất, dòng điện, điện trở… Bạn có thể đọc hướng dẫn về các khái niệm và bạn cũng có thể thử bắt đầu với các mạch điện nhỏ.

Kỹ năng sử dụng công cụ kiểm tra và gỡ lỗi: Các công cụ gỡ lỗi, bao gồm JTAG, Bộ phân tích logic và máy hiện sóng rất cần thiết để xác định và giải quyết các sự cố phần cứng và phần mềm. Các kỹ sư nhúng phải có kỹ năng sử dụng các công cụ này để đảm bảo độ tin cậy và hiệu suất của hệ thống nhúng.

Song song với các kỹ năng về kỹ thuật, người học lập trình nhúng cũng cần chuẩn bị thêm các kỹ năng phi kỹ thuật như làm việc nhóm, giao tiếp, quản lý thời gian, thích ứng nhanh, cẩn thận, chi tiết và tỉ mẩn… Và để cải thiện trình độ, kỹ năng, vị trí và mức lương như mong muốn, người học lập trình nhúng cần có các kỹ năng nâng cao như:

Có kiến thức về trí tuệ nhân tạo (Artificial Intelligence – AI) và học máy (Machine Learning – ML)
Có chuyên môn thiết kế hệ thống bảo mật, triển khai thuật toán mã hóa và ngăn chặn các mối đe dọa từ hacker
Kiến thức và kỹ năng về Internet of Things (IoT); truyền thông không dây (Wireless Communications)…

Lộ trình 7 bước để học lập trình nhúng từ A – Z

Trước khi đi sâu vào sự phức tạp của các hệ thống nhúng, bạn phải trang bị cho mình những kiến thức và kỹ năng từ cơ bản đến cao cấp.

Bước 1: Tìm hiểu các thành phần của hệ thống nhúng

Hệ thống nhúng là sự kết hợp giữa phần cứng và phần mềm, cụ thể bên trong các thiết bị. Chúng hoạt động như các hệ thống máy tính dành riêng cho ứng dụng. Một số ví dụ bao gồm máy ảnh kỹ thuật số, máy nghe nhạc MP3 và thiết bị nhà bếp.

Đôi khi, một chương trình hệ thống nhúng tự hoạt động với một tập hợp các chức năng và khả năng kiểm soát hạn chế của người dùng. Điều này có thể thấy ở một số thiết bị, ô tô hoặc các thiết bị y tế mà người dùng chỉ cần bật thiết bị. Các hệ thống nhúng khác được thiết kế với giao diện người dùng (UI) hoặc giao diện người dùng đồ họa (GUI), chẳng hạn như trên điện thoại, đồng hồ kỹ thuật số hoặc máy bay. Giao diện người dùng hoặc GUI cho phép người dùng điều khiển hoặc lập trình thiết bị khi cần. Giao diện người dùng có thể bao gồm các nút vật lý đơn giản hoặc điốt phát sáng (đèn LED).

Có bốn thành phần chính của một hệ thống nhúng:

Bộ xử lý máy tính

Bộ xử lý máy tính là một phần trung tâm của phần cứng mạch điện tử, giúp hoàn thành các hướng dẫn tạo thành chương trình máy tính. Bộ xử lý máy tính có thể thực hiện một loạt các chức năng đơn giản, bao gồm các phép tính số học, logic, đầu vào và đầu ra cũng như các điều khiển một chương trình máy tính cụ thể.

Ví dụ: một máy tính có thể thực hiện các phép tính đơn giản thông qua chức năng được lập trình sẵn bằng cách sử dụng đầu vào từ người dùng và đưa ra một giá trị dựa trên đầu vào đó.

Bộ nhớ máy tính

Bộ nhớ máy tính là một thiết bị hoặc chương trình cụ thể lưu trữ thông tin để chương trình hoặc hệ thống máy tính sử dụng ngay.

Đối với các hệ thống nhúng, có hai loại bộ nhớ quan trọng:

RAM hoặc bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên là không gian lưu trữ tạm thời mà máy tính sử dụng trong thời gian thực hoặc trong vài phút tiếp theo sau khi người dùng hoặc chương trình cung cấp đầu vào.
ROM hoặc bộ nhớ chỉ đọc trong quá trình sản xuất máy tính, nghĩa là nó không thay đổi sau khi nhà sản xuất chế tạo máy tính.

Cả hai loại bộ nhớ đều không thể thiếu đối với các hoạt động cơ bản của máy tính vì chúng cho phép thực thi các chức năng.

Thiết bị ngoại vi đầu vào

Thiết bị ngoại vi đầu vào là phần cứng gửi dữ liệu đến máy tính. Ví dụ về các thiết bị này bao gồm bàn phím, cảm biến, micrô và chuột máy tính. Các thiết bị này hoạt động bằng cách nhận thông tin đầu vào từ người dùng, chẳng hạn như nhấn một phím trên bàn phím và gửi thông tin đó đến máy tính. Sau đó, máy tính cung cấp đầu ra mà nó có thể hiển thị để sử dụng với các thiết bị ngoại vi đầu ra.

Thiết bị ngoại vi đầu ra

Thiết bị ngoại vi đầu ra là phần cứng nhận dữ liệu từ máy tính. Ví dụ về các thiết bị này bao gồm màn hình, loa và máy in. Các thiết bị này hoạt động bằng cách nhận đầu vào từ chương trình máy tính, chẳng hạn như một hành động hoặc phần tử hình ảnh cụ thể và hiển thị thông tin đó cho người dùng dưới dạng màn hình thị giác hoặc thính giác. Thiết bị ngoại vi đầu ra của hệ thống nhúng có dạng như các ví dụ bên dưới với trình điều khiển tương ứng:

Bật/tắt đèn LED (Không có trình điều khiển)
Bật/tắt thiết bị (bóng bán dẫn + trình điều khiển rơle)
Động cơ quay với tốc độ khác nhau (bộ điều khiển động cơ)
Bật tắt còi và tạo âm thanh (không có trình điều khiển)
Bật/tắt quạt (transistor/rơle/trình điều khiển thyristor)
Gửi SMS (Mô-đun GSM)
Gửi dữ liệu qua internet để giám sát từ xa (giao diện wifi)
Hiển thị dữ liệu trên màn hình (Giao diện màn hình LCD / LED)

Bước 2: Chọn ngôn ngữ lập trình

Ngôn ngữ lập trình C

Hãy bắt đầu với C. Đây là ngôn ngữ có mục đích chung được tạo ra vào năm 1972 bởi Dennis Ritchie và Ken Thompson. Bạn sẽ tìm thấy nó trong lập trình hệ điều hành và phát triển hệ thống nhúng.

C là bước đầu tiên hợp lý trong học lập trình nhúng vì nó cung cấp nền tảng vững chắc trong quản lý tài nguyên phần cứng và hiểu biết sâu sắc về cách thức hoạt động của máy tính. C có thể khó học vì bạn cần tự mình quản lý tài nguyên phần cứng. Tuy nhiên, điều này sẽ làm cho chương trình của bạn chạy nhanh hơn.

Ví dụ viết mã phần mềm nhúng với ngôn ngữ C:

#include <stdio.h>

int main()
{
   printf("Hello World!\n");
   return 0;
}

Ngôn ngữ lập trình C++

Bên cạnh ngôn ngữ C, bạn nên trau dồi thêm kiến thức về C++ là một ngôn ngữ lập trình nhúng được yêu thích khác. Ngôn ngữ này được tạo ra vào năm 1985 bởi Bjarne Stroustrup, bằng ngôn ngữ lập trình đa năng hướng đối tượng. ISO đã phát hành tiêu chuẩn ổn định C++ cuối cùng vào năm 2017.

Với C++, bạn có thể tạo ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Dưới đây là danh sách sử dụng cho ngôn ngữ này:

Hệ điều hành
Trò chơi điện tử và công cụ trò chơi điện tử
Ứng dụng máy tính để bàn
Trình duyệt
Máy chủ
Ứng dụng di động

C++ có thể khó học và cũng như ngôn ngữ C, bạn phải tự quản lý bộ nhớ được sử dụng. Tuy nhiên, nó có sẵn rất nhiều thư viện, bạn có thể tìm thấy ở hầu hết các thư viện cho mọi trường hợp sử dụng.

#include <iostream>

using namespace std;

int main()
{
   cout << "Hello World!" << endl;
   return 0;
}

Tham khảo tài liệu tự học ngôn ngữ C và C++ ở đây:

Lập trình C cơ bản với các cú pháp C cần biết

Lập trình C++ cơ bản với các câu lệnh C++ cơ bản và nâng cao

C và C++: Phân biệt hai ngôn ngữ qua 5 điểm khác biệt quan trọng

Ngôn ngữ QML (Qt Modeling Language)

Ngoài hai ngôn ngữ phổ biến ở trên, người học lập trình nhúng còn có thể tham khảo thêm ngôn ngữ QML.

QML là ngôn ngữ khai báo cho phép bạn mã hóa ứng dụng của mình bằng các thành phần có thể mở rộng và linh hoạt, QML còn là một phần của thư viện C++ Qt. Cách tiếp cận ngôn ngữ khai báo giúp tiết kiệm rất nhiều thời gian khi phát triển các ứng dụng và giao diện người dùng hiện đại. Khi cần kiểm soát luồng chương trình của mình, bạn có thể sử dụng C++ hoặc Javascript.

QML rất dễ sử dụng và bạn có thể tạo các ứng dụng đơn giản một cách nhanh chóng. Vì mọi thứ đều dựa trên C++ ở phía sau, bạn có thể tạo các ứng dụng QML hiệu suất cao và kết hợp mã C++ bất cứ khi nào bạn muốn.

import QtQuick 2.12
import QtQuick.Window 2.12

Window {
   visible: true
   width: 640
   height: 480
   title: qsTr("Hello World")

   Text {
       text: qsTr("Hello World")
       anchors.centerIn: parent
   }
}

Bước 3: Tìm hiểu về bộ vi xử lý

Tìm hiểu về bộ vi xử lý có thể giúp bạn thiết kế các thành phần phần cứng của hệ thống nhúng. Bộ vi xử lý là bộ điều khiển bên trong phần cứng, chẳng hạn như mạch điện tử và các thiết bị khác cho phép bạn lập trình chức năng cơ bản vào máy. Các thiết bị này nắm giữ các chức năng quan trọng của hệ thống nhúng bao gồm RAM, ROM và các thành phần ngoại vi như bộ đếm, bộ hẹn giờ và máy tính số học.

Khi bạn đã sẵn sàng chọn một bộ vi xử lý, hãy xem xét phần cứng và phần mềm nào bạn đang kết nối với nó và chọn bộ xử lý có thể xử lý từng thành phần bạn muốn. Ngoài ra, bạn cũng nên tìm hiểu thêm các bộ vi điều khiển được sử dụng phổ biến nhất là Arduino, vi điều khiển PIC hoặc vi điều khiển 8051…

Bước 4: Trang bị thiết bị, dụng cụ

Trong khi học lập trình hệ thống nhúng, bạn có thể cần nhiều công cụ khác nhau ngoài bộ vi xử lý, bao gồm:

Dây nhảy (jumper wires) để cung cấp điện ngay lập tức cho mạch
Bảng mạch (circuit boards) để chứa bộ xử lý
Pin để cung cấp dòng điện ổn định cho phần cứng
Điện trở để điều khiển dòng điện
Đèn LED để kiểm tra dòng điện chạy qua hệ thống và tạo ra màn hình
Mỏ hàn để kết nối dây, mạch điện và các phần cứng khác
Thiết bị kiểm tra dòng điện ở nhiều nơi trong hệ thống nhúng

Bước 5: Chọn thành phần

Việc lựa chọn các thành phần cũng là một phần quan trọng trong việc học lập trình hệ thống nhúng. Đối với mỗi thành phần bạn có nhiều loại để lựa chọn. Điều quan trọng là đưa ra lựa chọn phù hợp nhất cho ứng dụng của bạn. Mỗi tùy chọn đi kèm với một biểu dữ liệu mà bạn có thể đọc, điều này có thể giúp bạn xác định xem thành phần đó có thực hiện chức năng bạn muốn hay không. Tất cả thông tin liên quan đến một thành phần có thể được tìm thấy từ biểu dữ liệu của nó.

Bạn có thể tìm thấy cách sử dụng của một thành phần, thông số kỹ thuật và yêu cầu về nguồn điện từ biểu dữ liệu. Điều này có thể giúp bạn hiểu về các thành phần cụ thể, đồng thời nâng cao kiến thức của bản thân về các hệ thống nhúng, các thành phần và cách chúng tương tác.

Bước 6: Thực hành với các dự án nhỏ

Phương pháp tốt nhất để học là thực hành. Trước khi bắt đầu thực hiện một số dự án lớn thực tế, hãy thử thực hiện các dự án nhỏ. Làm việc trên một số dự án nhỏ sẽ giúp bạn làm quen với bộ vi điều khiển và các thành phần khác.

Ngoài ra, bạn có thể bắt đầu với bộ vi điều khiển, nó cũng hữu ích cho người mới bắt đầu. Sau khi thực hiện các dự án như vậy, bạn có thể chuyển sang dự án thực tế của mình.

Bước 7: Sử dụng công cụ mô phỏng

Một trong những cách thực hành tốt nhất bạn có thể làm khi thiết kế hệ thống nhúng là tìm và sử dụng công cụ hoặc chương trình mô phỏng. Điều này giúp cung cấp một cách thức khác với chi phí thấp hơn để tạo, thay đổi và kiểm tra thiết kế.

Các câu hỏi liên quan về học lập trình nhúng

Học ngôn ngữ lập trình nào để lập trình nhúng?

Các hệ thống nhúng mang đến vai trò giúp cuộc sống trở nên dễ dàng và thuận tiện hơn. Bởi vì các hệ thống nhúng này phải có một bộ tính năng cụ thể, thế nên các nhà phát triển sẽ lập trình chúng bằng các ngôn ngữ lập trình nhất định.

Trong đó có top 10 các ngôn ngữ lập trình được nhiều nhà lập trình nhúng ưu ái sử dụng. Bạn có thể tham khảo và tìm hiểu chúng sâu hơn, chẳng hạn như: C Programming, Embedded C, C++, Python, Java, Ada, Assembly, Rust, Lua, Verilog.

3 lý do tại sao bạn nên học lập trình nhúng?

Nếu bạn đang tìm kiếm một lĩnh vực kết hợp tính sáng tạo, giải quyết vấn đề và khả năng định hình tương lai, học hệ thống nhúng có thể là một lựa chọn tuyệt vời cho bạn bởi 3 lý do:

– Khả năng vô tận (Endless possibilities): Hệ thống nhúng có ở khắp mọi nơi xung quanh chúng ta, từ điện thoại thông minh đến ô tô, thiết bị gia dụng, thiết bị y tế và thậm chí cả hệ thống thám hiểm không gian. Bằng cách học các hệ thống nhúng, bạn sẽ có nhiều cơ hội để tạo ra các thiết bị sáng tạo và tương tác có thể cải thiện cuộc sống của mọi người và định hình tương lai.

– Tính linh hoạt (Versatility): Hệ thống nhúng kết hợp các ngành khác nhau như điện tử, khoa học máy tính và lập trình. Bằng cách thành thạo những kỹ năng này, bạn sẽ trở thành một chuyên gia đa năng có khả năng thiết kế, phát triển và khắc phục sự cố các hệ thống phức tạp. Cho dù bạn quan tâm đến thiết kế phần cứng, phát triển phần mềm hay kết hợp cả hai, hệ thống nhúng đều mang đến một lĩnh vực đa dạng và thú vị để khám phá.

– Nhu cầu tuyển dụng cao: Với sự tiến bộ nhanh chóng của công nghệ, khi ngày càng có nhiều ngành công nghiệp áp dụng tự động hóa, IoT, robot và thiết bị thông minh, nhu cầu tuyển dụng các chuyên gia có thể tạo ra các hệ thống nhúng hiệu quả và đáng tin cậy không ngừng tăng trưởngn. Học các hệ thống nhúng có thể mang lại những cơ hội nghề nghiệp hấp dẫn trong nhiều lĩnh vực khác nhau, thậm chí mở rộng con đường sự nghiệp của bạn ra thế giới.

Đọc thêm: Lương kỹ sư lập trình nhúng có cao không?

Tổng kết

Bắt tay vào hành trình tự học các hệ thống nhúng là một nỗ lực đòi hỏi sự kiên trì, nhẫn nại, tinh thần ham học hỏi, khám phá và chủ động thực hành. Bằng cách làm theo các bước được nêu trong bài viết này, bạn có thể xây dựng nền tảng vững chắc, giải quyết các dự án ngày càng phức tạp và cuối cùng là nắm vững sự phức tạp của các hệ thống nhúng.

Hãy nhớ rằng hành trình cũng quan trọng như đích đến, vì vậy hãy tận hưởng quá trình khám phá và sáng tạo khi bạn khai thác tiềm năng của các hệ thống nhúng.