Gömülü Sistemler belirli bir görevi veya bir dizi görevi gerçekleştirmek için tasarlanmış özel bir bilgisayar sistemleridir. Çok çeşitli uygulamaları işlemek üzere tasarlanmış masaüstü veya dizüstü bilgisayarlar gibi genel amaçlı bilgisayarların aksine, gömülü sistemler tek veya dar bir işlev yelpazesi için optimize edilmiştir. Bu sistemler tipik olarak otomotiv, tıbbi cihazlar, endüstriyel kontrol, telekomünikasyon, tüketici elektroniği ve daha fazlası gibi alanlarda belirli performans, güvenilirlik ve verimlilik gereksinimlerini karşılamak üzere oluşturulur.
Gömülü sistemlerin tanımlayıcı özelliği, belirli bir uygulama için özel, güvenilir ve verimli bir sistem oluşturmak için hem donanımı hem de yazılımı entegre etmeleridir. Tipik olarak minimum insan müdahalesiyle çalışan, zeka, kontrol ve otomasyon sağlayan cihazlarda bulunurlar. Gömülü sistemler, sınırlı işlevselliğe sahip çok basit cihazlardan, gelişmiş işleme yeteneklerine sahip karmaşık sistemlere kadar değişebilir.
Gömülü Sistemlerin Temel Bileşenleri
Mikrodenetleyici / Mikroişlemci: Gömülü bir sistemin kalbinde, sistemin beyni görevi gören mikrodenetleyici (MCU) veya mikroişlemci (MPU) bulunur. Mikrodenetleyici, CPU, bellek (RAM, ROM, Flash) ve giriş / çıkış arayüzleri içeren tek çipli bir cihazdır. Mikrodenetleyiciler, düşük maliyetleri ve düşük güç tüketimleri nedeniyle tipik olarak daha basit gömülü sistemlerde kullanılır. Öte yandan, bir mikroişlemci daha güçlüdür ve genellikle RAM ve ROM gibi harici bileşenler gerektiren daha karmaşık gömülü sistemlerde kullanılır.
Bellek: Gömülü sistemler genellikle hem program kodunu hem de verileri depolamak için çeşitli bellek türleri içerir. En yaygın bellek türleri şunlardır:
ROM (Salt Okunur Bellek): Bellenimi veya değişmeyen kalıcı yazılımları depolamak için kullanılır.
RAM (Rasgele Erişim Belleği): Sistem çalışırken geçici verileri depolamak için kullanılır.
Flash Bellek: İşletim sistemini, uygulama programlarını ve hatta bazen kullanıcı verilerini depolamak için kullanılan geçici olmayan bir bellek.
Giriş / Çıkış (G / Ç) Arayüzü: Gömülü sistemlerin sensörler, kullanıcı girişleri, ekranlar veya diğer cihazlarla iletişim yoluyla genellikle dış dünyayla etkileşime girmesi gerekir. G / Ç arabirimleri dijital veya analog giriş / çıkışları, seri iletişim protokollerini (UART, SPI, I2C gibi) ve kablosuz protokolleri (Wi-Fi, Bluetooth) içerebilir.
Sensörler ve Aktüatörler: Gömülü sisteme giriş sağlayan veya sistemin çıkışlarını yürüten fiziksel cihazlardır. Örneğin, bir sıcaklık sensörü bir termostata giriş sağlarken, bir aktüatör bir motorun hareketini kontrol edebilir. Sensörler sıcaklık, basınç, ışık, nem ve hareket gibi çeşitli fiziksel olayları ölçebilirken, aktüatörler elektrik sinyallerini fiziksel eyleme dönüştürür.
Güç Kaynağı: Güç kaynağı, gerekli voltaj ve akımı sağlayarak gömülü sistemin düzgün çalışmasını sağlar. Güç tüketimini en aza indirmek doğrudan daha uzun çalışma ömrüne dönüştüğü için, pille çalışan gömülü sistemler için güç verimliliği özellikle önemlidir.
Yazılım: Gömülü sistemlerdeki yazılım genellikle uygulamaya özgüdür. Basit kontrol programlarından karmaşık gerçek zamanlı işletim sistemlerine (rto’lar) kadar değişebilir. Yazılım doğrudan donanım üzerinde çalışır ve sistemin çevre birimleri, sensörleri ve aktüatörleriyle etkileşime girer. Genellikle C veya assembly gibi düşük seviyeli dillerde yazılır, ancak bazen daha yüksek seviyeli diller kullanılabilir.
Gerçek Zamanlı işletim Sistemi (RTOS): Bazı gömülü sistemler, sıkı zamanlama kısıtlamaları olan görevleri yönetmek için gerçek zamanlı bir işletim sistemi gerektirir. Bir RTOS, kritik görevlerin önceden tanımlanmış bir zaman dilimi içinde tamamlanmasını sağlar. Rto’lar, güvenlik veya işlevsellik için zamanında yanıtların çok önemli olduğu otomotiv güvenlik sistemleri, tıbbi cihazlar ve endüstriyel kontrol sistemleri gibi uygulamalarda esastır.
Gömülü Sistem Türleri
Bağımsız Gömülü Sistemler: Bunlar, bağımsız olarak çalışan ve diğer sistemlere bağlanmaya gerek kalmadan belirli bir işlevi yerine getiren eksiksiz cihazlardır. Örnekler arasında çamaşır makineleri, mikrodalga fırınlar ve hesap makineleri bulunur.
Gerçek Zamanlı Gömülü Sistemler: Bu sistemler, genellikle harici girdilere anında yanıt vererek katı zamanlama kısıtlamaları içinde çalışmalıdır. Bir örnek, araç güvenliğini sağlamak için sistemin sensör verilerini işlemesi ve frenleri gerçek zamanlı olarak kontrol etmesi gereken bir araçtaki kilitlenme önleyici fren sistemi (ABS) olabilir.
Ağa Bağlı Gömülü Sistemler: Bu sistemler, genellikle bir ağ üzerinden diğer cihazlarla iletişim kurmak üzere tasarlanmıştır ve veri alışverişinde bulunabilir veya uzak komutlara yanıt verebilir. Örnekler arasında ev otomasyon sistemleri ve akıllı termostatlar bulunur.
Mobil Gömülü Sistemler: Pille çalışan cihazlarda çalışan portatif gömülü sistemlerdir. Örnekler arasında cep telefonları, akıllı saatler ve taşınabilir tıbbi ekipman bulunur.
Karmaşık Gömülü Sistemler: Bunlar, otomotiv bilgi-eğlence sistemleri veya uçak aviyoniği gibi çok işlevli ve daha fazla hesaplama gücüne sahip gelişmiş gömülü sistemlerdir.
Gömülü Sistemlerin Uygulamaları
Otomotiv Endüstrisi: Gömülü sistemler modern otomobillerde çok önemli bir rol oynamaktadır. Motor yönetimi, fren sistemleri (ABS), hava yastığı dağıtımı ve bilgi-eğlence sistemleri gibi çeşitli işlevleri kontrol ederler. Şerit tutma yardımı ve uyarlanabilir hız sabitleyici gibi Gelişmiş Sürücü Destek Sistemleri (ada’lar), gerçek zamanlı veri işleme ve karar verme için gömülü sistemlere de güvenir.
Tüketici Elektroniği: Gömülü sistemler, akıllı telefonlardan buzdolaplarına, televizyonlara ve oyun konsollarına kadar çok çeşitli tüketici elektroniğine yerleştirilmiştir. Akıllı telefonlarda gömülü sistemler dokunmatik ekranları, kameraları, sensörleri ve kablosuz iletişimi yönetirken, akıllı TV’ler video içeriğini işlemek ve yayınlamak için gömülü sistemleri entegre eder.
Sağlık hizmetleri: Kalp pili, infüzyon pompası ve teşhis ekipmanı gibi tıbbi cihazlar, doğru ve güvenilir performans sağlamak için genellikle gömülü sistemlere güvenir. Bu sistemler, hasta güvenliğini sağlamak ve gerçek zamanlı izleme ve kontrol sağlamak için hassasiyetle tasarlanmıştır.
Endüstriyel Otomasyon: İmalat ve endüstriyel ortamlarda gömülü sistemler makine, robot ve üretim hatlarını kontrol etmek için kullanılır. Endüstriyel kontrol sistemleri, motorları kontrol etmek, sensör girişlerini yönetmek ve güvenlik protokollerini yürütmek gibi görevler için gömülü sistemlere güvenir.
Telekomünikasyon: Telekomünikasyon ağlarında gömülü sistemler, yönlendiriciler, anahtarlar ve mobil ağ ekipmanı gibi cihazlarda kullanılır. Ağların güvenilirliğini ve verimliliğini sağlayarak veri iletimini, sinyal işlemeyi ve cihazlar arasındaki iletişimi yönetmeye yardımcı olurlar.
Akıllı Evler ve IoT: Gömülü sistemler, Nesnelerin İnterneti‘nin (IoT) merkezinde yer alır ve akıllı evlere, giyilebilir cihazlara ve bağlı cihazlara olanak tanır. Akıllı termostatlardan ve güvenlik sistemlerinden fitness izleyicilerine ve sağlık monitörlerine kadar gömülü sistemler verileri işler ve internet üzerinden diğer cihazlarla iletişime izin verir.
Askeri ve Havacılık: Gömülü sistemler, gözetleme sistemleri, dronlar ve iletişim cihazları dahil olmak üzere çeşitli askeri uygulamalarda kullanılır. Havacılıkta gömülü sistemler, kritik ortamlarda hassas çalışmayı sağlayarak aviyonik, navigasyon ve uçuş kontrol sistemlerini kontrol eder.
Gömülü Sistem Tasarımında Karşılaşılan Zorluklar
Sınırlı Kaynaklar: Genel amaçlı bilgisayarların aksine, gömülü sistemler genellikle sınırlı işlem gücüne, belleğe ve depolamaya sahiptir. Bu, mevcut kaynakları aşmadan performans ve işlevsellik gereksinimlerini karşılamak için hem donanımın hem de yazılımın dikkatli bir şekilde tasarlanmasını ve optimizasyonunu gerektirir.
Güç Tüketimi: Özellikle taşınabilir veya uzak uygulamalarda kullanılanlar olmak üzere birçok gömülü sistem pille çalışır. Bu nedenle, güç tüketimini en aza indirmek, pil ömrünü uzatmak için kritik öneme sahiptir. Güç tüketimini yönetmek için düşük güçlü bileşenler, uyku modları ve verimli yazılım algoritmaları gibi teknikler kullanılır.
Gerçek Zamanlı Kısıtlamalar: Gerçek zamanlı gömülü sistemler için katı zamanlama kısıtlamalarını karşılamak esastır. İşleme veya yanıt süresindeki herhangi bir gecikme arızaya veya arızaya neden olabilir. Deterministik davranışa sahip sistemler tasarlamak ve görevlerin gereken zaman dilimi içinde tamamlanmasını sağlamak önemli bir zorluktur.
Güvenlik: Gömülü sistemler birbirine daha fazla bağlı hale geldikçe, güvenliklerinin sağlanması giderek daha önemli hale geliyor. Gömülü sistemlerdeki güvenlik açıkları, sağlık hizmetleri veya otomotiv sistemleri gibi kritik uygulamalarda veri ihlallerine, cihaz arızalarına ve hatta fiziksel zarara neden olabilir.
Test ve Hata Ayıklama: Gömülü sistemlerin karmaşıklığı ve özel doğası nedeniyle, test ve hata ayıklama genel amaçlı bilgisayarlardan daha zor olabilir. Döngüde donanım (HIL) testi gibi özel araçlar ve teknikler, gömülü sistemlerin özelliklerini karşıladığından emin olmak için sıklıkla kullanılır.
Gömülü Sistemlerde Gelecekteki Eğilimler
Yapay Zeka ve Makine Öğrenimi Entegrasyonu: Gömülü sistemler, yapay zeka (AI) ve makine öğrenimi (ML) yetenekleriyle giderek daha fazla tasarlanmaktadır. Bu entegrasyon, cihazların harici bilgi işlem kaynaklarına güvenmeden verileri yerel olarak işlemesine, akıllı kararlar almasına ve zaman içinde iyileştirmesine olanak tanır.
5G Bağlantısı: 5G ağlarının yükselişiyle gömülü sistemler daha hızlı iletişim hızlarından, daha düşük gecikmeden ve gelişmiş güvenilirlikten yararlanacak. Bu, akıllı şehirler, otonom araçlar ve IoT cihazları gibi alanlarda daha gelişmiş uygulamalara olanak sağlayacaktır.
Uç Bilgi İşlem: Uç bilgi işlem, verileri buluta göndermek yerine üretildiği yere daha yakın işlemeyi ifade eder. Gömülü sistemler, gerçek zamanlı veri işlemeyi etkinleştirerek ve endüstriyel otomasyon, sağlık hizmetleri ve otonom sistemler gibi uygulamalarda gecikmeyi azaltarak uç bilişimde çok önemli bir rol oynayacaktır.
