Phần mềm nhúng đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo chức năng, tự động hóa và kết nối liền mạch các thiết bị. Tuy nhiên, quá trình phát triển của phần mềm nhúng khá phức tạp, đòi hỏi sự tìm tòi và khai thác sâu. Trong bài viết này, ITviec sẽ giúp bạn tìm hiểu cơ bản về tầm quan trọng, thành phần, quy trình xây dựng và ứng dụng của phần mềm nhúng trong đời sống hằng ngày.
Đọc bài viết này để hiểu rõ hơn:
- Phần mềm nhúng là gì?
- Các loại công cụ phát triển phần mềm nhúng
- 8 bước xây dựng phần mềm nhúng hiệu quả
- Những thử thách và xu hướng phát triển phần mềm nhúng
Phần mềm nhúng là gì?
Phần mềm nhúng là các chương trình hoặc hệ thống ứng dụng được thiết kế để chạy trên phần cứng cụ thể, như các hệ thống trên chip (System on a chip – SoC), hoặc mạch tích hợp (IC), và thường được tối ưu hóa cho nhiệm vụ cụ thể. Hầu hết mọi sản phẩm điện tử đều có thể chứa một hoặc nhiều bộ xử lý nhúng, phổ biến như trong ô tô, hệ thống tự động hóa sàn, hệ thống điện tử hàng không, thiết bị y tế…
Không giống như phần mềm máy tính đa năng có thể dễ dàng sửa đổi hoặc di chuyển từ máy này sang máy khác, phần mềm nhúng được tích hợp chặt chẽ với phần cứng mà nó điều khiển.
Ví dụ: Zoom cho phép bạn thực hiện cuộc gọi điện video từ bất kỳ loại thiết bị nào – máy tính xách tay, điện thoại hoặc máy tính bảng và bạn có thể dễ dàng cài đặt phần mềm nhúng trên tất cả các thiết bị đó.
Một ví dụ đơn giản khác là điều khiển từ xa của TV hoặc máy ảnh kỹ thuật số. Hệ thống nhúng cung cấp năng lượng cho tất cả.
Các tính năng của phần mềm nhúng
Hiệu quả không gian
Hệ thống phần mềm nhúng được thiết kế trong một hệ thống dạng nhỏ gọn, khiến chúng trở nên lý tưởng cho các ứng dụng có không gian vật lý hạn chế. Bản chất nhỏ gọn của các phần mềm nhúng cho phép chúng tích hợp liền mạch vào nhiều thiết bị khác nhau, từ thiết bị điện tử tiêu dùng nhỏ đến máy móc công nghiệp.
Bằng cách tối ưu hóa phần mềm để chiếm không gian tối thiểu, các nhà phát triển có thể đảm bảo sử dụng hiệu quả tài nguyên phần cứng, từ đó tối đa hóa chức năng của hệ thống.
Tiêu thụ năng lượng thấp
Pin cung cấp năng lượng chính cho các hệ thống được triển khai trong môi trường từ xa hoặc di động. Do đó, việc tối ưu hóa phần mềm để giảm thiểu việc sử dụng năng lượng trở nên cấp thiết.
Các nhà phát triển sử dụng nhiều kỹ thuật khác nhau như thuật toán quản lý năng lượng và chế độ ngủ để giảm mức tiêu thụ điện năng mà không ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống. Khả năng vận hành hiệu quả và tiết kiệm năng lượng cho phép kéo dài tuổi thọ pin, giảm thiểu chi phí vận hành và nâng cao tính bền vững tổng thể.
Hiệu suất cao
Mặc dù có kích thước nhỏ gọn và hạn chế về năng lượng, các hệ thống này được thiết kế để mang lại hiệu suất vượt trội cho các nhiệm vụ cụ thể. Để đạt được hiệu suất cao, các nhà phát triển sử dụng các kỹ thuật tối ưu hóa, chẳng hạn như tối ưu hóa mã, xử lý song song và các thuật toán hiệu quả.
Bằng cách sử dụng hiệu quả các tài nguyên phần cứng sẵn có và tận dụng các yêu cầu cụ thể của ứng dụng mục tiêu, hệ thống phần mềm nhúng có thể mang lại khả năng phản hồi theo thời gian thực và thực thi hiệu quả, ngay cả trong môi trường hạn chế về tài nguyên.
Yêu cầu khả năng thời gian thực
Hầu hết phần mềm nhúng yêu cầu khả năng thời gian thực, đảm bảo phản hồi và xác định kịp thời đối với các sự kiện hoặc đầu vào. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng có yêu cầu cao về mặt an toàn, chẳng hạn như thiết bị y tế, hệ thống ô tô và thiết bị hàng không vũ trụ, nơi phần mềm phải đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt về thời gian.
Các nhà phát triển sử dụng các kỹ thuật như lập lịch tác vụ, xử lý ngắt và cơ chế giao tiếp dữ liệu hiệu quả để đạt được mục tiêu theo thời gian thực.
Đọc thêm: 5 lý do bạn nên chọn Embedded Software
Các thành phần trong phần mềm nhúng
Firmware
Firmware là phần mềm cấp thấp giao tiếp trực tiếp với các thành phần phần cứng. Firmware thường được lưu trữ trong bộ nhớ chỉ đọc hoặc bộ lưu trữ flash và được kết hợp chặt chẽ với phần cứng, đóng vai trò là nền tảng cho hệ điều hành và các lớp phần mềm khác.
Firmware cung cấp hướng dẫn giúp phần cứng khởi động, giao tiếp với các thiết bị khác và thực hiện các tác vụ đầu vào/đầu ra cơ bản. Sau khi trình tự khởi động hoàn tất, Firmware sẽ chuyển quyền điều khiển cho hệ điều hành.
Hệ điều hành (Embedded OS hoặc Hệ điều hành thời gian thực – RTOS)
Hệ điều hành nhúng hoặc RTOS được thiết kế để cung cấp các dịch vụ tối thiểu cần thiết để chạy các ứng dụng nhúng. Hệ điều hành thực hiện các chức năng như lập lịch tác vụ, xử lý ngắt và giao tiếp giữa các quá trình. Đồng thời, hệ điều hành cũng cung cấp giao diện để phần mềm ứng dụng tương tác với các thành phần phần cứng mà không cần phải điều khiển chúng trực tiếp.
Hệ điều hành thời gian thực (RTOS) thường được sử dụng để quản lý tài nguyên phần cứng đồng thời cung cấp khả năng đa nhiệm. RTOS được thiết kế đặc biệt để đáp ứng các yêu cầu thời gian thực và cung cấp các dịch vụ như lập lịch tác vụ, liên lạc giữa các quá trình và quản lý bộ nhớ. Các ví dụ RTOS phổ biến bao gồm FreeRTOS, VxWorks và RTEMS.
Hệ điều hành được xếp lớp trên phần Firmware, sử dụng các khởi tạo phần cứng và điều khiển cấp thấp. Middleware và các ứng dụng thường chạy trên hệ điều hành.
Middleware
Middleware là một lớp phần mềm cung cấp các dịch vụ bổ sung cần thiết cho phần mềm ứng dụng, ngoài những gì hệ điều hành cung cấp. Điều này có thể bao gồm những thứ như giao thức liên lạc, trình điều khiển thiết bị… Middleware đơn giản hóa các hành động phức tạp và giúp phần mềm ứng dụng thực hiện các chức năng dễ dàng hơn. Phần mềm trung gian hoạt động giống như một thư viện chứa các chức năng và dịch vụ mà ứng dụng có thể gọi, tạo điều kiện cho sự tương tác giữa phần mềm ứng dụng và hệ điều hành.
Phần mềm trung gian thường cung cấp giao diện lập trình cấp cao hơn cho các nhà phát triển, loại bỏ sự phức tạp liên quan đến tương tác giữa hệ điều hành và phần cứng.
Ứng dụng (Application)
Đây là phần mềm được thiết kế để thực hiện các nhiệm vụ cụ thể mà phần mềm nhúng hướng tới. Phần mềm ứng dụng có thể là bất cứ điều gì từ việc điều khiển màn hình LED đến thực hiện các phép tính phức tạp cho thiết bị y tế. Phần mềm ứng dụng là thứ thúc đẩy chức năng chính của hệ thống nhúng, cũng là những gì người dùng cuối tương tác trực tiếp hoặc hưởng lợi từ đó.
Phần mềm ứng dụng thường nằm ở cấp cao nhất trong hệ thống phân cấp phần mềm nhúng. Phần mềm ứng dụng tương tác với hệ điều hành và phần cứng thông qua các lệnh gọi hệ thống và API do OS và phần mềm trung gian cung cấp.
Phần mềm nhúng hoạt động như thế nào?
Phần mềm nhúng thường được phát triển bằng ngôn ngữ lập trình C hoặc C++. Các thiết bị cấp cao hơn cũng có thể hỗ trợ Python, JavaScript và các ngôn ngữ khác.
Phần mềm nhúng có thể bao gồm môi trường hoạt động và phần mềm ứng dụng. Các thiết bị phức tạp hơn sẽ hoạt động bằng cách sử dụng các hệ điều hành thương mại có sẵn như FreeRTOS, uC/OS, ThreadX, VxWorks và nhiều biến thể khác.
Phần mềm nhúng được phát triển bằng cách sử dụng các công cụ cụ thể dưới đây, mỗi công cụ thực hiện một vai trò khác nhau để giúp xây dựng và phát triển phần mềm:
Trình soạn thảo (Editor)
Trình soạn thảo là một phần của môi trường phát triển, trong đó lập trình viên viết phần mềm bằng ngôn ngữ lập trình được chọn, ngôn ngữ này sẽ trở thành mã nguồn cho thiết bị.
Compiler
Compiler, hay trình biên dịch là một chương trình máy tính (hoặc một tập hợp các chương trình) biến đổi mã nguồn được viết bằng ngôn ngữ lập trình (ngôn ngữ nguồn) sang ngôn ngữ máy tính khác (thường là định dạng nhị phân).
Assembler
Assembler cũng là một trình biên dịch mã với nhiệm vụ chuyển đổi các hướng dẫn được viết bằng ngôn ngữ hợp ngữ (Assembly language) thành mã máy có thể đọc được trên máy tính.
Trình gỡ lỗi (Debugger)
Trình gỡ lỗi là một công cụ cho phép nhà phát triển kiểm tra, phát hiện và đôi khi gợi ý cách khác phục khi gặp lỗi. Nếu có vấn đề được tìm thấy, trình gỡ lỗi sẽ đánh dấu chúng để khắc phục.
Trình liên kết (Linker)
Trình liên kết là một công cụ khác dùng để tập hợp và định dạng mã thực thi cấp thấp theo cách sao cho mã thực thi chính xác trên thiết bị mục tiêu.
Môi trường phát triển tích hợp (IDE)
Môi trường phát triển tích hợp (IDE) là một ứng dụng phần mềm giúp lập trình viên phát triển mã phần mềm một cách hiệu quả. Nó giúp gia tăng năng suất làm việc của lập trình viên, bằng cách kết hợp các tiện ích như chỉnh sửa, xây dựng, thử nghiệm và đóng gói phần mềm trong một ứng dụng dễ sử dụng.
Trình mô phỏng (Simulators and Emulators)
Trình mô phỏng tạo ra một môi trường bắt chước các hành vi, biến và cấu hình trong môi trường sản xuất của ứng dụng iOS. Trình mô phỏng bắt chước tất cả các tính năng phần cứng và phần mềm cho môi trường sản xuất ứng dụng Android của thiết bị thực.
Hệ thống kiểm soát phiên bản (Version Control Systems)
Hệ thống kiểm soát phiên bản là các công cụ phần mềm giúp nhóm phần mềm quản lý các thay đổi đối với mã nguồn theo thời gian.
Công cụ phân tích tĩnh (Static Analysis Tools)
Phân tích mã để tìm các lỗi, lỗ hổng bảo mật hoặc sai lệch tiềm ẩn so với các tiêu chuẩn kỹ thuật mà không cần thực thi.
Công cụ tự động hóa xây dựng (Build Automation Tools)
Tự động hóa xây dựng là quá trình tự động hóa việc truy xuất mã nguồn, biên dịch mã thành mã nhị phân, thực hiện kiểm tra tự động và xuất bản mã đó vào kho lưu trữ tập trung, dùng chung.
Profilers
Profiler là công cụ giúp phân tích hành vi trong thời gian chạy của chương trình để tìm ra các điểm nghẽn hoặc sự kém hiệu quả.
Công cụ lập trình Flash
Bộ lập trình flash là một thiết bị hoặc công cụ phần mềm được sử dụng để lập trình hoặc lập trình lại chip bộ nhớ flash, là một loại bộ nhớ cố định thường được sử dụng trong bộ vi điều khiển, hệ thống nhúng và các thiết bị điện tử khác.
Máy phân tích logic và máy hiện sóng (Logic Analyzers and Oscilloscopes)
Các công cụ phần cứng được sử dụng để gỡ lỗi và phân tích ở mức độ thấp các tín hiệu số và tín hiệu tương tự.
Những công cụ này có thể được điều chỉnh cho phù hợp với phần cứng, ngôn ngữ lập trình hoặc yêu cầu dự án cụ thể và thường được sử dụng kết hợp.
8 bước xây dựng phần mềm nhúng hiệu quả
Phát triển phần mềm nhúng là một quá trình phức tạp, đòi hỏi sự chú ý tỉ mỉ đến từng chi tiết và hiểu biết sâu sắc về tích hợp phần cứng và phần mềm. Dưới đây là quy trình từng bước phát triển phần mềm nhúng tùy chỉnh.
- Bước 1: Xác định phạm vi dự án
Bắt đầu bằng cách phân tích các chức năng của phần mềm nhúng, xác định ứng dụng cần hướng tới, cũng như hiểu rõ các yêu cầu và giới hạn phải tuân thủ.
- Bước 2: Chọn nền tảng phần cứng chính xác
Thảo luận với công ty phát triển phần mềm nhúng để xác định nền tảng phần cứng lý tưởng cho giải pháp của bạn. Xem xét các yếu tố như tốc độ xử lý, bộ nhớ, giao diện liên lạc và mức sử dụng pin. Điều quan trọng là chọn phần cứng có thể truy cập dễ dàng và được hỗ trợ bởi hệ sinh thái phát triển mạnh mẽ.
- Bước 3: Thiết kế kiến trúc phần mềm
Thiết kế kiến trúc phần mềm nhúng là “xương sống” của dự án, đảm bảo rằng tất cả các thành phần hoạt động liền mạch với nhau. Cho dù đó là kiến trúc phân lớp, kiến trúc hướng sự kiện hay kiến trúc máy trạng thái, lập trình viên cần đánh giá để lựa chọn ra phương án thiết kế tối ưu và phù hợp nhất cho dự án.
- Bước 4: Tạo Firmware
Cốt lõi của việc phát triển phần mềm nhúng là viết Firmware. Nhóm phát triển sử dụng các ngôn ngữ lập trình như C, C++ hoặc Python tương thích với phần cứng.
Bằng cách chọn ngôn ngữ lập trình phù hợp, nhà phát triển có thể tận dụng khả năng của phần cứng và triển khai các thuật toán và logic dành riêng cho ứng dụng phần mềm. Đảm bảo rằng mã hiệu quả, ngắn gọn và được ghi chép đầy đủ là rất quan trọng để tạo điều kiện thuận lợi cho việc sửa đổi và gỡ lỗi trong tương lai.
- Bước 5: Triển khai giao diện giao tiếp
Sau khi tạo chương trình cơ sở, các nhà phát triển phần mềm nhúng sẽ tích hợp giao diện giao tiếp phù hợp để trao đổi dữ liệu và điều khiển từ xa. Giao diện giao tiếp bao gồm các tùy chọn có dây như SPI, UART hoặc I2C và các tùy chọn không dây như Wi-Fi, Bluetooth hoặc LoRa. Việc lựa chọn giao diện phụ thuộc vào yêu cầu của dự án và phương thức giao tiếp mong muốn.
- Bước 6: Đảm bảo độ tin cậy và bảo mật
Bảo mật là điều quan trọng nhất trong các hệ thống nhúng, đặc biệt khi xử lý dữ liệu nhạy cảm hoặc quản lý các hoạt động quan trọng. Để bảo vệ hệ thống khỏi những mối đe dọa, nhóm phát triển cần triển khai các tính năng bảo mật mạnh mẽ như mã hóa, xác thực và giao thức khởi động an toàn.
- Bước 7: Thực hiện kiểm tra và gỡ lỗi
Để đảm bảo phần mềm hoạt động trơn tru trong nhiều trường hợp, nhóm phát triển cần thực hiện quy trình kiểm thử mở rộng. Quy trình này bao gồm việc tìm kiếm và sửa lỗi sớm, kết hợp kiểm thử đơn vị (unit testing), kiểm thử tích hợp (integration testing) và kiểm thử hệ thống (system testing). Các chuyên gia sử dụng các công cụ và phương pháp gỡ lỗi để xác định và khắc phục sự cố một cách nhanh chóng.
- Bước 8: Cải thiện hiệu suất và sử dụng bộ nhớ
Các chuyên gia phần mềm nhúng cần liên tục nâng cấp và giám sát hiệu suất của hệ thống phần mềm nhúng để đảm bảo hệ thống hoạt động trơn tru và cải thiện mức sử dụng bộ nhớ, đảm bảo giảm chi phí chung không cần thiết.
Các ứng dụng của phần mềm nhúng
Phần mềm nhúng trong Công nghệ y tế
Trong đại dịch COVID-19, Cơ quan Dịch vụ Y tế Quốc gia Anh đã triển khai sử dụng các thiết bị từ xa để theo dõi bệnh nhân nhiễm bệnh và những người mắc bệnh mãn tính. Các thiết bị theo dõi từ xa được trang bị phần mềm nhúng sẽ ghi lại chỉ số sinh tồn của bệnh nhân và cảnh báo cho bệnh nhân, cũng như cơ quan liên quan nếu chỉ số sinh tồn vượt quá hoặc dưới giới hạn chấp nhận được. Những thiết bị như vậy đã có trước đại dịch nhưng ít người sử dụng.
Các thiết bị MedTech tiêu chuẩn khác được trang bị phần mềm nhúng là CT, MRI hoặc X-quang, được chuẩn bị để xử lý tín hiệu và hình ảnh nhằm cung cấp hình ảnh rõ ràng hơn cho bác sĩ chẩn đoán.
Ngoài ra còn có các ứng dụng khác như các ca phẫu thuật bằng robot, sử dụng các thiết bị thính giác như ống nghe điện tử,…
Phần mềm nhúng trong sản xuất
Các hệ thống và phần mềm nhúng có hai ứng dụng chính cho sản xuất: điều khiển máy và giám sát máy. Đây là một phần thiết yếu của ngành công nghiệp tự động hóa và IoT.
Nhờ đó, việc theo dõi thời gian thực về nhiệt độ, độ rung, tốc độ dòng chảy, phân tích và các biến khác có thể được ghi lại, hiển thị và sử dụng làm thông số đầu vào cho bộ điều khiển máy để điều chỉnh các thông số theo yêu cầu.
Phần mềm nhúng trong ngành Logistics
Công nghệ nhúng đang tạo nên sự thay đổi đột phá trong lĩnh vực Logistics, giúp các đơn vị tăng tính cạnh tranh trước nhu cầu giao hàng nhanh hơn và rẻ hơn của người tiêu dùng. Phần mềm nhúng đã được sử dụng trong robot tự động và phương tiện được dẫn đường tự động, cho phép chúng nhận và thực hiện hướng dẫn để di chuyển các mặt hàng cụ thể từ nơi này sang nơi khác trong kho.
Các công ty công nghệ lớn như Amazon cũng đã triển khai máy bay không người lái giao hàng tự động với phần mềm nhúng tiên tiến, trí tuệ nhân tạo và máy học (Machine Learning).
Ngoài ra, phần mềm nhúng còn giải quyết các thách thức khác, chẳng hạn như quản lý đội xe hiệu quả, chẩn đoán và quản lý phương tiện, tuân thủ an toàn của người lái xe…
Phần mềm nhúng trong phương tiện giao thông
Trong các phương tiện đi lại sử dụng nhiên liệu thông thường, phần mềm nhúng đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống an toàn như kiểm soát lực kéo, hệ thống chống bó cứng phanh và kiểm soát ổn định điện tử. Ngoài ra, hệ thống cảnh báo giao thông và tránh va chạm được gắn trên máy bay, ô tô cũng sử dụng phần mềm nhúng.
Dubai Metro là một ví dụ tuyệt vời về hoạt động hiệu quả và đáng tin cậy của phần mềm nhúng trong hệ thống tự động hóa, phục vụ hàng nghìn hành khách đi lại thuận tiện giữa các thành phố lớn.
Phần mềm nhúng trong ngành Công nghiệp ô tô
Phần mềm nhúng đã trở thành một phần không thể thiếu của ô tô hiện đại, biến chúng từ phương tiện vận tải đơn thuần thành những cỗ máy thông minh, tiên tiến.
Hầu hết, mọi ô tô hiện đại đều có ECU (Bộ điều khiển động cơ) sử dụng phần mềm nhúng để tối ưu hóa hiệu suất động cơ, tiết kiệm nhiên liệu và khí thải bằng cách điều chỉnh hoạt động của động cơ dựa trên đầu vào từ nhiều cảm biến khác nhau, như cảm biến oxy hoặc nhiệt độ.
Hơn nữa, phần mềm nhúng hỗ trợ hệ thống đa phương tiện và định vị trên ô tô, cung cấp cho người lái xe và hành khách các phương thức giải trí, kết nối với điện thoại thông minh, hỗ trợ điều hướng và dịch vụ internet.
Phần mềm nhúng trong Internet of Things (IoT)
Bối cảnh IoT phụ thuộc rất nhiều vào phần mềm nhúng để kết nối và điều khiển các thiết bị và cảm biến thông minh.
Phần mềm nhúng đảm bảo tích hợp liền mạch, xử lý dữ liệu và liên lạc giữa các thiết bị được kết nối với nhau, cho phép tạo ra ngôi nhà thông minh, thành phố thông minh và hệ thống công nghiệp thông minh.
Phần mềm nhúng trong Điện tử dân dụng
Phần mềm nhúng cho phép các thiết bị điện tử dân dụng thực hiện các tác vụ được chỉ định, đồng thời mang lại trải nghiệm liền mạch cho người dùng. Một số ví dụ bao gồm điện thoại thông minh và máy tính bảng, thiết bị gia dụng và máy bay không người lái được sử dụng để quay video.
Trong điện thoại thông minh, phần mềm nhúng hỗ trợ mọi thứ, từ ứng dụng và chương trình cơ sở quản lý kết nối, sạc pin và chức năng camera cho đến hệ điều hành (ví dụ: Android, iOS).
Phần mềm nhúng trong thiết bị gia dụng quản lý các chức năng như điều chỉnh nhiệt độ, chu trình giặt, hẹn giờ và chế độ tiết kiệm năng lượng. Những tủ lạnh tiên tiến thậm chí có thể có màn hình cảm ứng và tính năng kết nối được quản lý bởi phần mềm nhúng.
Trong máy bay không người lái, phần mềm nhúng chịu trách nhiệm điều hướng, ổn định, điều khiển camera và vận hành từ xa.
Phần mềm nhúng trong ngành Công nghiệp
Phần mềm nhúng trong các ứng dụng công nghiệp thúc đẩy tự động hóa, nâng cao hiệu quả và hỗ trợ các chức năng phức tạp trong thiết bị và hệ thống.
Ví dụ, phần mềm nhúng điều khiển máy móc trong nhà máy, trao quyền cho dây chuyền lắp ráp tự động, cơ chế kiểm soát chất lượng và giám sát thiết bị theo thời gian thực. Điều này không chỉ nâng cao hiệu quả mà còn đảm bảo rằng sản phẩm đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng mong muốn.
Trong các ngành có liên quan đến các quy trình nguy hiểm, phần mềm nhúng quản lý các thiết bị an toàn như tắt khẩn cấp, chữa cháy và phát hiện rò rỉ khí, đảm bảo phản ứng nhanh chóng với mọi mối đe dọa.
Phần mềm nhúng trong Hàng không vũ trụ và quốc phòng
Trong ngành hàng không vũ trụ, phần mềm nhúng đảm bảo máy bay và tàu vũ trụ hoạt động bình thường, an toàn và hiệu quả. Bất kỳ sai sót nào trong các ứng dụng hàng không vũ trụ cũng có thể dẫn đến hậu quả thảm khốc – do đó các phần mềm nhúng được sử dụng phải đáp ứng các tiêu chuẩn đặc biệt cao về độ tin cậy, độ bền và hiệu suất.
Ví dụ, hệ thống điều khiển bay là “bộ não” đằng sau khả năng cơ động của máy bay. Phần mềm nhúng diễn giải đầu vào từ phi công và cảm biến, gửi lệnh đến các bề mặt điều khiển như cánh hoa thị, thang máy và bánh lái, đảm bảo chuyến bay ổn định và có kiểm soát.
Phần mềm nhúng cũng cung cấp năng lượng cho các hệ thống định vị và liên lạc, radar, sonar và các thành phần điện tử hàng không thiết yếu khác.
Những thách thức phát triển phần mềm nhúng
Ràng buộc về tài nguyên
Tài nguyên phần cứng hạn chế có thể là về sức mạnh xử lý, bộ nhớ hoặc khả năng lưu trữ. Việc thiết kế phần mềm hiệu quả nhằm tối đa hóa khả năng của phần cứng đó mà không vượt quá giới hạn đòi hỏi phải lập kế hoạch và tối ưu hóa tỉ mỉ. Sự cân bằng trong việc cung cấp các tính năng phong phú mà không làm hệ thống bị quá tải là rất quan trọng.
Yêu cầu thời gian thực
Nhiều phần mềm nhúng có yêu cầu nghiêm ngặt về thời gian thực. Cho dù đó là máy tạo nhịp tim cần cung cấp xung điện kịp thời cho tim, hay hệ thống chống bó cứng phanh trên ô tô phải phản ứng ngay lập tức với những thay đổi về tốc độ bánh xe, thì độ trễ là không thể chấp nhận được.
Mối quan tâm về bảo mật
Do phần mềm nhúng được gắn chặt với các thiết bị cụ thể, có thể được kiểm soát thông qua các ứng dụng di động hoặc được kết nối với nhau trong bối cảnh IoT, nên bảo mật trở thành điều tối quan trọng.
Các lỗ hổng bảo mật có thể dẫn đến truy cập dữ liệu trái phép hoặc tệ hơn là kiểm soát hoạt động của thiết bị. Giải quyết vấn đề bảo mật không chỉ ở cấp độ phần mềm mà còn ở khía cạnh kết nối và tương tác của thiết bị.
Mối quan tâm về an toàn
Đối với các thiết bị có khả năng ảnh hưởng trực tiếp đến cuộc sống của con người, như thiết bị y tế hoặc bộ điều khiển ô tô, việc đảm bảo độ tin cậy tuyệt đối của phần mềm và kết hợp các cơ chế an toàn dự phòng là điều quan trọng nhất.
Bảo trì và cập nhật
Không giống như các ứng dụng phần mềm thông thường có thể được cập nhật thường xuyên một cách dễ dàng, việc cập nhật phần mềm nhúng có thể phức tạp hơn. Các thiết bị có thể được đặt ở những vị trí xa xôi hoặc khó tiếp cận, hoặc có thể là những hệ thống quan trọng không thể tạm dừng hoạt động. Điều này đòi hỏi thiết kế phần cứng phải cho phép cập nhật liền mạch mà không làm gián đoạn chức năng cốt lõi.
Các xu hướng phát triển phần mềm nhúng
5G được thiết lập để cách mạng hóa phần mềm nhúng
Khi đề cập đến những cải tiến và xu hướng mới nhất trong ngành phần mềm nhúng, chúng ta nên đề cập đến tốc độ nhanh và kết nối không dây, khi 5G thiết lập sẽ biến đổi các phần mềm nhúng ở các khu vực khác nhau.
Sự thống trị của Python
Trong một vài năm trở lại đây, Python trở thành ngôn ngữ lập trình “thống trị” trong phát triển phần mềm nhúng so với nhiều ngôn ngữ lập trình khác. Số lượng dự án trong không gian nhúng được mã hóa bằng Python đã tăng gấp đôi trong vài năm qua, đây là một dấu hiệu rõ ràng cho thấy xu hướng này chắc chắn sẽ tiếp tục.
Tầm quan trọng của an ninh mạng
Hầu hết các phát triển phần cứng mới nhất đều có chip bảo mật nhúng để củng cố các biện pháp thực hành và tuân thủ tốt nhất về an ninh mạng.
Sự hỗ trợ của AI
Trí tuệ nhân tạo đang phát triển và AI chắc chắn sẽ giúp cải thiện tính bảo mật của các thiết bị nhúng khi kết nối với đám mây và giảm mức tiêu thụ điện năng chung của các hệ thống được kết nối.
Các câu hỏi thường gặp về phần mềm nhúng
Phát triển phần mềm nhúng là gì?
Phát triển phần mềm nhúng là xây dựng phần mềm chuyên dụng cho các thiết bị phần cứng, cho phép chúng hoạt động hiệu quả, độc lập và có thể thực hiện các nhiệm vụ cụ thể.
Loại phần mềm này rất cần thiết cho các thiết bị khác nhau, bao gồm cả hệ thống điện tử tiêu dùng và công nghiệp giúp nâng cao khả năng của các thiết bị này và đảm bảo hiệu suất tối ưu của chúng.
Phần mềm nhúng (Embedded software) và hệ thống nhúng (Embedded system) khác nhau thế nào?
Thuật ngữ “hệ thống nhúng” dùng để chỉ tập hợp các thành phần phần cứng trong một thiết bị hoạt động bằng phần mềm nhúng. Phần cứng này có thể bao gồm các thành phần như bộ xử lý trung tâm, mô-đun bộ nhớ flash, nguồn điện, bộ hẹn giờ và cổng để liên lạc nối tiếp.
Ở giai đoạn đầu của thiết kế thiết bị, các quyết định được đưa ra về phần cứng nào sẽ cấu thành hệ thống nhúng và cách cấu hình trong thiết bị. Theo đó, phần mềm nhúng tùy chỉnh được phát triển để chỉ hoạt động với thiết lập phần cứng cụ thể này. Do đó, chuyên môn về cả khả năng phần cứng và phát triển phần mềm là điều cần thiết trong lĩnh vực thiết kế phần mềm nhúng chuyên biệt.
Tổng kết
Từ ô tô đến chăm sóc sức khỏe, điện tử tiêu dùng đến hàng không vũ trụ, phần mềm nhúng tiếp tục thúc đẩy sự đổi mới và nâng cao cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Khi công nghệ tiến bộ, tương lai còn có nhiều khả năng phát triển phần mềm nhúng hơn, định hình một thế giới nơi trí tuệ kỹ thuật số được đưa vào mọi khía cạnh của cuộc sống trong tương lai.