İçinde bulunduğumuz yüzyılda, televizyonda haber izlerken yahut internette dolaşırken sıklıkla karşımıza çıkan robot haberleri ilgimizi çekmekle birlikte çevre ile nasıl etkileşime geçtiği ve hareket edebildiği konusu da bizi meraklandırmaktadır. Bütün bunlar elbette Gömülü Sistem ve Gömülü Yazılım sayesindedir.

Gömülü Sistem (Embedded Systems)

Gömülü Sistem tanımını anlayabilmemiz için öncelikle '' Sistem '' kelimesi hakkında bilgi edinmemiz gerekiyor.

 

Sistem; sabit bir kurala göre ve sadece belirli bir görev ya da bir kaç görevi bir arada yapabilen ve birbirine bağlı çalışan bir kaç birim ve ya parçalardır. Örneğin; Saat' in çalışma kanunu birbirine bağlı sistemden oluşur. Parçaları, belirli bir kurala göre ve belirli bir görev e amaçlıdır. Saatin işleyişinde, parçalarından biri görevini yerine getirmez ise ve ya bir an aksaklık oluşursa çalışma durur. Dolayısıyla sistem  parçaların bir bütün halinde hep birlikte çalışmasını gerektirir.

Embedded Systems ya da Gömülü Sistem, bir şey başka bir şeye bağlı anlamına gelir, gömülü sistem belirli bir görev veya birkaç görev gerçekleştirmek için özel olarak tasarlanmış bir sistemdir, yani spesifik bir amaç için tasarlanır. Bir ya da birden fazla belirli görevi gerçekleştirmek için tasarlanmış sistemi kontrol eden bir işlemci veya mikro denetleyicidir. Ayrıca Gömülü Sistem, donanım (Hardware) ile programlamayı (Software) birleştiren sistem olarak tanımlayabiliriz, bağımsız bir sistem veya büyük bir sisteminin parçası da olabilir, yani büyük ürüne dahil edilir ve kullanıcı tarafından görünmez.Alarm sistemleri, kameralar, tarımsal ve sanayi alanında kullanılan makinalar, tıbbı cihazlar yanı sıra cep telefonları, WİFİ modemleri bunlara örnek olarak gösterilebilir. Gömülü sistemlerin bazılarında kullanıcı arayüzü ( UI ) içerebilirken bazılarında bulunmaz. Bir görev için tasarlanmış sistemler çoğu zaman kullanıcı arar Gömülü Sistemlerin bazılarında kullanıcı ara yüzü (UI) içerebilirken bazılarında yoktur, bir görev için tasarlanmış sistemler çoğu zamanda kullanıcı ara yüzü yok, ayrıca çok karmaşık ve çoklu görev için cep telefonları gibi grafik kullanıcı ara yüzü (GUI) ile tasarlanır. (UI) kullanıcı ara yüzü kişi, makine ile etkileşime girdiği bir dizi araç olarak tanımlanır. (GUI) grafik kullanıcı ara yüzü ise grafik görüntü kullanarak kişi bilgisayarla etkileşimi sağlar.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

• Gömülü Sistem üç bileşenden oluşur;

 

1. Fiziksel parça (ekipman)- Hardware
2. Yazılım uygulamaları- Software
3. RTOS.

 

RTOS (REAL TİME OPERATİNG SYSTEMS) kısaltılmasıdır, bilgisayarın donanım kaynaklarını yönetmekten ve cihazda çalışan uygulamaları barındırmaktan sorumlu ve uygulamaları doğru zamanda ve en güvenilir çalışma disiplini ile çalıştırmak için özel olarak tasarlanmıştır.  Ölçüm ve otomasyon sistemlerinde en önemli unsur çalışma sırasında durmaması ve bir anlık program gecikmesinin güvenlik tehlikesinin yanısıra çok maliyetli hasarlara sebep olabilmesinin önüne geçilmesidir.Kalp atışını takip eden tıbbi cihazlar gibi, herhangi bir tehlike anında sürücüyü korumak için açılan hava yastığında milisaniyeler oldukça önemlidir. Bu anlamda gecikmeler söz konusu bile olamaz.

Gömülü Sisteminde Olması Gereken Özellikler:

 

• Tek Görevlidir- Single- functioned: Sadece özel bir görev için sürekli çalışmalıdır. Aynı görevi sürekli tekrarlamaktadır.
• Kısıtlı- Tightly constrained: Tüm bilgi işlem sistemlerinin tasarım standartları üzerinde sınırlamaları vardır, ancak gömülü sistemlerde özellikle güç, boyut ve performansta sınırlamaları olmalıdır. Örneğin, pil ömrünü uzatmak için minimum güç tüketimiyle verileri RT’de (belirli zamanda) işleyecek kadar hızlı bir sistem olmalıdır.     
• Etkileşimli ve gerçek zamanlı (RT)- Reactive and real time: Birçok gömülü sistemin sürekli olarak sisteminin ortamındaki değişikliklerle etkileşime girmesi ve sonuçları herhangi bir gecikme olmaksızın zamanında (RT) hesaplamalıdır.Örneğin; araçlardaki ışık, hız ve fren sensörlerini izlemekten sorumlu olan gömülü sistem bir mili saniye bile gecikmiş olarak ayarlansa birçok arızaya neden olabilir ve araç kontrol edilemez hale gelebilir.
• Sistem Mikroişlemci veya Mikrodenetleyici tabanlı olmalıdır.
• Bellek-Memory: Sistem için belleği sağlamak anlamına gelir ve genellikle (ROM) salt okunur bellek olmalıdır.
• Bağlanmak- Connected: Giriş ve çıkış çevre birimlerine bağlanmalıdır.
• Donanım- Yazılım Sistemleri- HW-SW Systems: Sistem, içinde her biri belirli görevlere sahip bir donanım ve yazılım sisteminin varlığı ile karakterize edilir. Yazılım daha fazla özellik ve esneklik için kullanılır, donanım ise güvenlik ve performans için kullanılır.

 

Gömülü Sistemlerinin Avantajları:

 

1. Özelleştirme kolaylığı (sistem belirli görevleri gerçekleştirmek için özelleştirebilir).
2. Düşük enerji tüketimi.
3. Düşük maliyetli.
4. İyi performans.

 

Gömülü sistemlerin dezavantajlarından biri geliştirme ve üretimi için yüksek çabalara ihtiyacı vardır.

Gömülü Sistemlerin Alt Yapısı:   

     

 

 

 

 

 

 

 

• Sensör: Fiziksel miktarı algılar, verilerini elektrik sinyaline dönüştürür.
• A-D Dönüştürücü – Analog to Digital Conventer: sensör tarafından gönderilen analog sinyali (bir elektrik sinyaline) dijitale dönüştürür.
• İşlemci & ASICs: Dijital sinyalleri işler (çıktıyı ölçmek) ve bellekte saklar. ASICs: İşlemci gibi özel bir uygulama için tasarlanmış bir çiptir. (ASICs- Application Specific İntegrated Circuit) 
• D-A Dönüştürücü- Digital to Analog Conventer: İşlemciden gelen dijital verileri analog verilere dönüştürür.
• Motor- Actuators: D-A dönüştürücü tarafından verilen çıktıyı, içinde depolanan gerçek (beklenen) çıktıyla karşılaştırır ve onaylanan çıktıyı depolar.

 

Gömülü Yazılım Nedir?

 

Gömülü sistem; telefon programlama veya masaüstü  uygulamaları programlamakla sınırlı olmayıp,  robotlar ve üretim hatlarındaki otomasyon sistemlerinin hepsini kapsamaktadır. Günlük hayatta kullandığımız cihazların düğmelerine basıldığında tepki veren hemen her sistem içinde farklı programlama ( C++, Java, C#, Python ) gibi sistemleri barındırır.

Gömülü sisteminde kullanılan Gömülü yazılım, bilgisayar sayılmayan cihazlar ve denetim makineleri için yazılmış yazılımlardır. Genellikle donanıma göre özelleştirilir. Gömülü yazılım bilgisayar arayüzü aracılığıyla gerçekleşir ve denetlenir.

Gömülü Sistem Türleri:

İşlevsel bakımından farklılık gösteren birkaç temel gömülü sistem türü vardır. Bunlar:

 

• Mobil gömülü sistemler- taşınabilir olması için tasarlanmış küçük boyutlu sistemlerdir. Dijital kameralar buna bir örnektir.
• Ağa bağlı gömülü sistemler, diğer sistemlere çıktı sağlamak için bir ağa bağlanır. Örnek ev güvenlik sistemleri ve satış noktalarında (POS) sistemleri.
• Standalone gömülü sistemler- bir ana bilgisayar sistemine bağlı değildir. Sadece özel ve bir görev için tasarlanır ve diğer gömülü sistemlerden farklı olarak bir ana sisteme ait olmaları gerekmez. Hesap makinesi veya MP3 cihazı buna bir örnektir.
• Gerçek zamanlı gömülü sistemler, gerekli çıktıyı belirli bir zaman aralığında verir. Zaman açısında hassasiyeti ve kritik görevlerden sorumlu oldukları için genellikle tıbbi, endüstriyel ve askeri sektörlerde kullanılır. Trafik kontrol sistemi buna bir örnektir.

 

Gömülü sistemler, performans gereksinimlerine göre de kategorize edilebilir:

 

• Küçük ölçekli gömülü sistemler- genellikle 8 bitlik bir mikrodenetleyiciden fazlasını kullanmaz.
• Orta ölçekli gömülü sistemler-daha büyük bir mikrodenetleyici (16-32 bit) kullanır.
• Gelişmiş ölçekli gömülü sistemler-genellikle yazılım ve donanım karmaşıklıklarından birkaç algoritma kullanır ve daha karmaşık bir yazılım için yapılandırabilir bir işlemci ve/veya programlanabilir bir mantık dizisi gerektirebilir.

 

Gömülü Sistemin Tarihi:

Gömülü sistemler 1960’lı yıllarda ortaya çıkmıştır. CHARLES STARK DRAPER, Apollo Komuta Modülü ve Ay Modülü üzerine kurulu dijital sistem olan Apolo Rehberlik Bilgisayarının boyutunu ve ağırlığını azaltmak için 1961’de entegre bir devre geliştirdi. IC’leri kullanan ilk bilgisayar, astronotların gerçek zamanlı uçuş verilerini toplanmasına yardımcı oldu.

1965 yılında, şimdi Boeing’in bir parçası olan Autonetics, Minuteman I füze yönlendirme sisteminde kullanılan bilgisayar olan D-17B’yi geliştirdi. Yaygın olarak seri üretilen ilk gömülü sistem olarak kabul edilmektedir. Minuteman II 1966’da üretime girdiğinde, D-17B, entegre devrelerin yüksek hacimli kullanımıyla bilinen NS-17 füze rehberlik sistemi ile değiştirildi. 1968’de, bir araç için ilk gömülü sistem piyasaya sürüldü; Volkswagen 1600, elektronik yakıt enjeksiyon sistemini kontrol etmek için bir mikroişlemci kullandı.

1960’ların sonlarında ve 1970’lerin başlarında, entegre devrelerin fiyatı düştü ve kullanımı arttı. İlk mikrodenetleyici 1971’de Texas Intruments tarafından geliştirildi. 1974’te ticari olarak satışa sunulan TMS1000 serisi, 4 bitlik bir işlemci, salt okunur bellek (ROM) ve rastgele erişimli bellek (RAM) içeriyordu ve maliyeti yaklaşık 2 dolardı.

Ayrıca, 1971’de Intel, yaygın olarak piyasada bulunan ilk işlemci olan 4004’ü piyasaya sürdü. 4-bit mikroişlemci, sonsuz bellek ve destek çipleri gerektirmesine rağmen hesap makinelerinde ve küçük elektronik cihazlarda kullanılmak üzere tasarlandı. 1972’de piyasaya sürülen 8-bit Intel 8008, 16 KB belleğe sahipti; Intel 8080 bunu 1974’te 64 KB belleğe sahipti. 8080’in halefi olan x86 serisi, 1978’de piyasaya sürüldü ve bugün hala büyük ölçüde kullanılıyor.

1987’de ilk gömülü işletim sistem olan gerçek zamanlı VxWorksi Wind River tarafından piyasaya sürüldü ve bunu 1996’da Microsoft’un Windows Embedded CE izledi. 1990’ların sonlarında, ilk gömülü Linux ürünleri ortaya çıkmaya başladı. Günümüze Linux neredeyse tüm gömülü cihazlarında kullanılmaktadır.

Gömülü Sistem üzerine;

Günümüzde kullanılan gömülü sistem yazılımları hayatımızı giderek kolaylaştırırken, ortaya çıkan cihazlar karar verme mekanizmasında insan zihninin yerini almış durumda. Örneklere baktığımız zaman; savunma sanayiinde kullanılan insansız hava araçlarında yeni tür işletim sistemleri büyük ölçüde yer almaktadır. Buna ek olarak, giyilebilir cihazlar, dronlar, akıllı evler, 3D yazıcılar ve akıllı ulaşım araçları gibi hızla yenilenen teknolojilerde IOT uygulamaları kullanılmaktadır.