تطوير Embedded: ما هو وما هي اللغات التي يستخدمها المهندسون

ماذا يعني تطوير embedded؟

نظام embedded هو جهاز كمبيوتر مدمج في جهاز أكبر لأداء مهمة محددة. قد يقرأ جهاز استشعار درجة الحرارة، أو يحافظ على نظام فرملة السيارة ضمن الحدود الآمنة، أو يشغل غسالة، أو يربط ساعة ذكية بالهاتف. قد يكون الكمبيوتر عبارة عن جهاز microcontroller صغير الحجم مزود بذاكرة صغيرة فقط، أو معالج أكثر قوة يعمل بنظام Linux.

غالبًا ما يُطلق على البرنامج الذي يتم تشغيله على هذا الجهاز اسم firmware. على عكس موقع الويب النموذجي أو تطبيق سطح المكتب، يتعين على firmware العمل مع الحدود المادية والسلوك لجهاز معين: المعالج والذاكرة وأجهزة الاستشعار والمحركات وأجهزة الراديو والبطارية ومتطلبات التوقيت.

ماذا يفعل كود embedded فعليًا؟

يقوم مطورو Embedded بكتابة التعليمات البرمجية التي تقرأ المدخلات وتتحكم في المخرجات. يقوم منظم الحرارة بأخذ عينات من مستشعر درجة الحرارة ويقوم بتشغيل التدفئة أو إيقاف تشغيلها. يقرأ جهاز تعقب اللياقة البدنية أجهزة استشعار الحركة ومعدل ضربات القلب، ويعالج القياسات، ويرسل النتائج عبر Bluetooth. تتلقى وحدة التحكم في المحرك الأوامر وتضبط الإشارات الكهربائية للتحكم في السرعة.

يتضمن العمل غالبًا برامج تشغيل الأجهزة وبروتوكولات الاتصال ورمز بدء التشغيل وإدارة الطاقة والاسترداد الآمن بعد الأخطاء. يقوم المطورون أيضًا باختبار كيفية تصرف النظام عند قطع اتصال المستشعر أو انقطاع الطاقة أو وصول الرسالة متأخرًا. في الجهاز الفعلي، قد يعني خطأ بسيط في البرنامج تجميد الشاشة، أو استنزاف البطارية، أو عمل الأجهزة بشكل غير متوقع.

C: اللغة المشتركة لـ microcontrollers

يظل C خيارًا شائعًا لـ firmware لأنه يمنح المطورين تحكمًا مباشرًا في الذاكرة والأجهزة أثناء إنتاج برامج مضغوطة. عادةً ما يوفر بائعو الرقائق مكتبات C وأمثلة وحزم SDK للأجهزة، بحيث يمكن للفرق استخدام نفس اللغة لتكوين المعالج أو قراءة السجل أو التواصل مع المستشعر.

هذه السيطرة تأتي مع المسؤولية. يجب على المبرمج التعامل مع الذاكرة بعناية، وفهم وثائق الشريحة، وتجنب الأخطاء مثل الكتابة خارج المصفوفة أو مشاركة البيانات بشكل غير آمن بين المهام. يعد C مناسبًا عمليًا عندما يتم إنشاء برامج تشغيل النظام الأساسي وأدوات البائعين حوله، وعندما يكون الحجم والتوقيت المتوقعان مهمًا.

C++: هيكل لمشاريع firmware الأكبر

يعتمد C++ على C بميزات مثل الفئات والقوالب وتجريدات الكتابة الأقوى. تساعد هذه في تنظيم firmware في مكونات قابلة لإعادة الاستخدام: يمكن أن يكون لكل من برنامج تشغيل المستشعر أو طبقة الاتصال أو جهاز الحالة واجهة واضحة. يمكن للفرق استخدام C++ دون التخلي عن الوصول على مستوى منخفض إلى الأجهزة.

يعتبر C++ مفيدًا عندما يستفيد المشروع من هذه التجريدات، لكن لا يزال المطورون بحاجة إلى معرفة تكلفة التعليمات البرمجية الخاصة بهم. يمكن لبعض ميزات اللغة والمكتبة زيادة الحجم الثنائي أو استخدام الذاكرة الديناميكية. تختار فرق Embedded الميزات التي تناسب المعالج وميزانية الذاكرة وقواعد الترميز ومتطلبات الوقت الفعلي.

Rust: أمان الذاكرة مع التحكم منخفض المستوى

يتم استخدام Rust لبرنامج embedded حيث تريد الفرق إجراء اختبارات وقت الترجمة مقابل العديد من أخطاء الذاكرة والتزامن الشائعة. يمكن تشغيله بدون المكتبة القياسية الكاملة في بيئة no_std، وهو أمر مهم على الأجهزة المعدنية التي لا تحتوي على نظام تشغيل. لا يزال Rust يسمح بالوصول المباشر إلى الأجهزة، لكن الشريحة المستهدفة والمكتبات وسلسلة الأدوات تحتاج إلى دعم المشروع.

Rust ليس بديلاً تلقائيًا لـ C أو C++. يختلف دعم النظام البيئي والبائعين حسب اللوحة، وتحتاج بعض المشاريع إلى التكامل مع مكتبات C الحالية. يجدر النظر في الحالات التي تكون فيها السلامة أولوية وتكون الأجهزة المختارة تتمتع بدعم Rust الناضج.

Python وMicroPython: تجارب سريعة على اللوحات المدعومة

يقدم MicroPython تطبيق Python مدمجًا إلى microcontrollers المدعوم. يمكن أن يجعل النماذج الأولية ومشاريع الفصول الدراسية ومهام الأتمتة الصغيرة أسهل في الكتابة والتغيير. يمكن للمطورين في كثير من الأحيان تجربة فكرة ما بسرعة دون إعادة بناء firmware بالكامل لكل تعديل صغير.

والمقايضة هي استخدام الموارد والتوقيت. يحتاج المترجم الفوري إلى مساحة في flash وRAM، ويمكن أن يكون التنفيذ أقل قابلية للتنبؤ من C أو Rust المترجمة. تعتمد الحدود الدقيقة على اللوحة وبناء firmware. يعد Python خيارًا جيدًا عندما تدعمه اللوحة وتكون سرعة التطوير أكثر أهمية من أصغر مساحة أو توقيت صارم.

لغات التجميع ووصف الأجهزة

يصف التجميع تعليمات المعالج بشكل مباشر جدًا. تتم كتابة معظم تطبيقات firmware بلغات عالية المستوى، ولكن التجميع يمكن أن يظهر في إجراءات بدء التشغيل، أو تبديل السياق، أو الأقسام الصغيرة التي تحتاج إلى تحكم دقيق في تعليمات المعالج. وهو مرتبط بشكل وثيق ببنية المعالج ومن الصعب صيانته، لذلك يتم استخدامه عادة بشكل انتقائي.

Verilog و VHDL مختلفان: فهما يصفان دوائر الأجهزة الرقمية، غالبًا في منطق قابل للبرمجة مثل FPGA. وهي ليست لغات ذات أغراض عامة لكتابة firmware الذي يتم تشغيله على microcontroller، على الرغم من أن المنتج الواحد قد يحتوي على كل من الأجهزة الموضحة في HDL والبرامج المكتوبة باللغة C أو C++ أو لغة أخرى.

كيفية اختيار لغة لمشروع embedded

ابدأ بالجهاز الفعلي ونظامه البيئي البرمجي. تحقق من المعالج المستخدم، وما يدعمه البائع SDK، ومدى توفر RAM وflash، وما إذا كان هناك نظام تشغيل موجود، ومدى صرامة متطلبات التوقيت. إن اللغة التي تبدو جذابة بمعزل عن غيرها قد تكون غير مناسبة إذا لم يكن لدى اللوحة سلسلة أدوات موثوقة أو دعم لبرنامج التشغيل لها.

• اختر C عندما يكون دعم microcontroller واسع النطاق وfirmware المدمج والوصول المباشر إلى الأجهزة أمرًا أساسيًا.
• اختر C++ عندما تستفيد قواعد التعليمات البرمجية الأكبر من المكونات القابلة لإعادة الاستخدام والتجريدات الأقوى.
• خذ بعين الاعتبار Rust عندما تكون سلامة الذاكرة أولوية ويكون النظام الأساسي المستهدف يتمتع بدعم جيد.
• استخدم MicroPython للوحات المدعومة عندما يكون التكرار السريع مهمًا وحدود الموارد تسمح بذلك.

اللغة ليست سوى جزء من هندسة embedded

يعمل مطورو Embedded أيضًا مع مخططات الدوائر وأوراق البيانات ولوحات التطوير والمترجمين ومصححات الأخطاء ومعدات الاختبار. إنهم بحاجة إلى فهم كيفية تفاعل البرنامج مع الإشارات والمكونات الحقيقية. يختار مهندس embedded القوي اللغة التي تناسب الأجهزة، ثم يثبت أن الجهاز بأكمله يعمل بأمان وموثوقية في ظل الظروف الحقيقية.

لذلك عندما يسأل شخص ما، "ما هي اللغة التي يستخدمها مطورو embedded؟"، فإن الإجابة الصادقة هي: ذلك يعتمد على الجهاز. C وC++ شائعان، وينمو Rust حيثما يوجد دعم، ويمكن لـ MicroPython تبسيط المشاريع المحددة. المهارة الأعمق هي فهم الأجهزة والقيود التي يجب أن يفي بها البرنامج.