ทำความเข้าใจโลก Embedded System ตอนที่ 1 : Embedded คืออะไร?

ในตอนนี้จะทำความรู้จัก Embedded System ระบบเล็ก ๆ ที่อยู่เบื้องหลังอุปกรณ์รอบตัวกัน

เมื่อพูดถึงคำว่า Embedded หรือ Embedded System หลายคนอาจนึกถึง Microcontroller, Firmware หรือวงจรอิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็ก แต่ในความเป็นจริงแล้ว Embedded System มีความหมายกว้างกว่านั้น และเป็นส่วนสำคัญที่อยู่เบื้องหลังอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จำนวนมากที่เราใช้งานอยู่ในชีวิตประจำวัน

ตั้งแต่เครื่องใช้ไฟฟ้าภายในบ้าน รถยนต์ เครื่องจักรในโรงงาน อุปกรณ์ทางการแพทย์ ไปจนถึงอุปกรณ์ IoT ต่างมีระบบ Embedded ทำหน้าที่ควบคุมหรือจัดการการทำงานอยู่ภายใน

แล้ว Embedded System คืออะไร?

---

Embedded System คืออะไร?

Embedded System คือระบบคอมพิวเตอร์ที่ถูกออกแบบและพัฒนาขึ้นเพื่อทำหน้าที่เฉพาะอย่าง (Specific Function) ภายในอุปกรณ์หรือผลิตภัณฑ์หนึ่ง ๆ โดยระบบจะประกอบด้วยทั้งส่วนของ Hardware และ Software ที่ทำงานร่วมกันเพื่อให้สามารถทำงานตามวัตถุประสงค์ที่กำหนดไว้

หากลองมองไปที่อุปกรณ์รอบตัว เราจะพบว่าอุปกรณ์จำนวนมากไม่ได้มีหน้าที่เพียงแค่จ่ายไฟหรือทำงานทางกลเท่านั้น แต่ยังมีการประมวลผลข้อมูลและตัดสินใจบางอย่างเกิดขึ้นภายใน

ตัวอย่างเช่น เครื่องซักผ้าอัตโนมัติสามารถตรวจสอบสถานะของเครื่อง เลือกขั้นตอนการซัก ควบคุมมอเตอร์ และจัดการระยะเวลาในการทำงาน สิ่งเหล่านี้เกิดขึ้นจากระบบควบคุมที่อยู่ภายในเครื่อง

เช่นเดียวกับรถยนต์สมัยใหม่ที่มีระบบอิเล็กทรอนิกส์จำนวนมากเข้ามาช่วยควบคุมการทำงาน ไม่ว่าจะเป็นระบบควบคุมเครื่องยนต์ ระบบเบรก ระบบปรับอากาศ หรือระบบความปลอดภัยต่าง ๆ ซึ่งแต่ละระบบสามารถมี Embedded System ทำหน้าที่เฉพาะของตัวเอง

ดังนั้น หากจะอธิบายอย่างง่ายที่สุด Embedded System ก็คือ

“ระบบคอมพิวเตอร์ที่ถูกสร้างขึ้นเพื่อทำงานเฉพาะอย่าง และถูกฝังหรือรวมอยู่ภายในอุปกรณ์หรือระบบอื่น”

คำว่า Embedded จึงมีความหมายในลักษณะของการ “ฝังอยู่ภายใน” เพราะระบบคอมพิวเตอร์ดังกล่าวไม่ได้ถูกสร้างขึ้นมาเพื่อให้ผู้ใช้มองเห็นหรือใช้งานในลักษณะเดียวกับคอมพิวเตอร์ทั่วไป แต่ทำหน้าที่อยู่เบื้องหลังผลิตภัณฑ์นั้น ๆ

---

Embedded System อยู่ที่ไหนบ้าง?

คำตอบคือ อยู่ใกล้ตัวกว่าที่คิด

ปัจจุบัน Embedded System ถูกนำไปใช้งานในอุปกรณ์หลากหลายประเภท ตั้งแต่ผลิตภัณฑ์ขนาดเล็กไปจนถึงระบบขนาดใหญ่

ตัวอย่างที่พบได้ในชีวิตประจำวัน ได้แก่

• เครื่องซักผ้า
• เครื่องปรับอากาศ
• ตู้เย็น
• โทรทัศน์
• เครื่องชงกาแฟ
• กล้องดิจิทัล
• เครื่องพิมพ์
• ระบบควบคุมประตู
• อุปกรณ์ IoT
• รถยนต์
• เครื่องจักรในโรงงาน
• อุปกรณ์ทางการแพทย์

ในแต่ละอุปกรณ์ Embedded System อาจมีหน้าที่แตกต่างกันออกไป บางระบบทำหน้าที่อ่านข้อมูลจาก Sensor บางระบบควบคุม Motor หรือ Actuator ขณะที่บางระบบอาจต้องประมวลผลข้อมูลจำนวนมากและสื่อสารกับระบบอื่นผ่านเครือข่าย

สิ่งสำคัญคือ ระบบเหล่านี้ถูกออกแบบให้เหมาะสมกับ หน้าที่ที่ต้องการ ไม่ได้มีจุดประสงค์เพื่อทำงานได้ทุกอย่างเหมือนคอมพิวเตอร์ทั่วไป

---

Embedded System แตกต่างจากคอมพิวเตอร์ทั่วไปอย่างไร?

นี่เป็นหนึ่งในคำถามพื้นฐานที่สำคัญในการทำความเข้าใจ Embedded System

คอมพิวเตอร์ทั่วไป เช่น Desktop หรือ Laptop ถูกออกแบบมาเพื่อรองรับการทำงานที่หลากหลาย ผู้ใช้สามารถติดตั้งและเรียกใช้โปรแกรมต่าง ๆ ได้ตามต้องการ ไม่ว่าจะเป็นการทำงานเอกสาร เล่นเกม ดูวิดีโอ หรือใช้งานซอฟต์แวร์เฉพาะด้าน

แต่ Embedded System มักถูกออกแบบมาเพื่อ ทำหน้าที่เฉพาะ

ตัวอย่างเช่น ระบบควบคุมเครื่องซักผ้าไม่ได้ถูกสร้างขึ้นมาเพื่อให้ผู้ใช้ติดตั้งโปรแกรมสำนักงานหรือใช้งานเว็บไซต์ แต่ถูกออกแบบมาเพื่อควบคุมกระบวนการทำงานของเครื่องซักผ้าโดยเฉพาะ

ลักษณะการออกแบบเช่นนี้ทำให้ Embedded System สามารถเลือกใช้ Hardware และ Software ให้เหมาะสมกับงานได้ ไม่ว่าจะเป็นเรื่องของขนาด การใช้พลังงาน ประสิทธิภาพ ต้นทุน และข้อกำหนดด้านการทำงาน

ดังนั้น ความแตกต่างที่สำคัญจึงไม่ได้อยู่ที่ว่า Embedded System มีขนาดเล็กกว่าคอมพิวเตอร์ทั่วไปเสมอไป แต่คือ วัตถุประสงค์และรูปแบบการออกแบบระบบ

---

Hardware และ Software ต้องทำงานร่วมกัน

Embedded System ไม่ได้ประกอบด้วย Hardware เพียงอย่างเดียว

ภายในระบบจะมีทั้ง Hardware และ Software ที่ทำงานร่วมกัน

ในส่วนของ Hardware อาจประกอบด้วยหน่วยประมวลผล เช่น Microcontroller (MCU) หรือ Microprocessor (MPU) รวมถึง Memory, Sensor, Communication Interface และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องกับการทำงานของระบบ

ขณะที่ Software จะเป็นส่วนที่กำหนดว่าระบบต้องทำงานอย่างไร เช่น อ่านค่าจาก Sensor ประมวลผลข้อมูล ตรวจสอบเงื่อนไข และส่งคำสั่งไปควบคุมอุปกรณ์ต่าง ๆ

การทำงานร่วมกันของ Hardware และ Software จึงเป็นหัวใจสำคัญของ Embedded System

หากมี Hardware ที่ดีแต่ไม่มี Software ที่เหมาะสม ระบบก็ไม่สามารถทำงานตามที่ต้องการได้ ในทางกลับกัน Software เองก็ต้องได้รับการออกแบบให้สอดคล้องกับข้อจำกัดและความสามารถของ Hardware ที่ใช้งาน

---

แล้ว Microcontroller เกี่ยวข้องกับ Embedded อย่างไร?

เมื่อพูดถึง Embedded System คำว่า Microcontroller หรือ MCU มักจะเป็นหนึ่งในคำที่พบอยู่เสมอ

Microcontroller เป็นอุปกรณ์ที่รวมส่วนสำคัญสำหรับการควบคุมและประมวลผลไว้ภายในชิปเดียว โดยทั่วไปสามารถประกอบด้วยหน่วยประมวลผล หน่วยความจำ และ Peripheral ต่าง ๆ ที่จำเป็นต่อการเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ภายนอก

ด้วยคุณสมบัติดังกล่าว MCU จึงเหมาะกับงานควบคุมที่ต้องการระบบขนาดกะทัดรัด ใช้พลังงานไม่มาก และสามารถทำงานตามหน้าที่ที่กำหนดได้อย่างมีประสิทธิภาพ

อย่างไรก็ตาม Embedded System ไม่ได้หมายถึง Microcontroller เท่านั้น

MCU เป็นเพียงหนึ่งในองค์ประกอบหรือแพลตฟอร์มที่สามารถนำมาใช้สร้าง Embedded System ได้ ระบบ Embedded บางประเภทอาจใช้ Microprocessor, SoC หรือแพลตฟอร์มประมวลผลรูปแบบอื่นตามลักษณะของงาน

เรื่องของ MCU, MPU และ SoC จะเป็นหัวข้อสำคัญที่เราจะทำความเข้าใจกันต่อไปใน Series นี้

---

Embedded ไม่ได้หมายถึง “ขนาดเล็ก”

อีกหนึ่งความเข้าใจที่อาจเกิดขึ้นได้คือ Embedded System จะต้องเป็นระบบขนาดเล็ก

แต่ในความเป็นจริง Embedded System สามารถมีขนาดและความซับซ้อนได้หลากหลาย

ตั้งแต่ระบบควบคุมขนาดเล็กที่ใช้ Microcontroller เพียงตัวเดียว ไปจนถึงระบบที่มีหน่วยประมวลผลประสิทธิภาพสูง มีระบบปฏิบัติการ มีการสื่อสารผ่านเครือข่าย และต้องจัดการข้อมูลจำนวนมาก

สิ่งที่ทำให้ระบบเหล่านี้ถูกเรียกว่า Embedded System จึงไม่ใช่เพียงเรื่องของขนาด แต่เป็นลักษณะของการนำระบบคอมพิวเตอร์ไปทำงานร่วมกับผลิตภัณฑ์หรือระบบใดระบบหนึ่ง เพื่อทำหน้าที่ตามวัตถุประสงค์ที่กำหนดไว้

---

ทำไม Embedded System จึงมีความสำคัญ?

ในอดีต อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จำนวนมากอาจทำงานด้วยวงจรที่มีหน้าที่เฉพาะและมีความซับซ้อนไม่มากนัก แต่เมื่อเทคโนโลยีพัฒนาไป ระบบอิเล็กทรอนิกส์มีความสามารถในการประมวลผลสูงขึ้น ทำให้อุปกรณ์สามารถทำงานได้ซับซ้อนมากขึ้น

การนำ Embedded System เข้ามาใช้ทำให้ผลิตภัณฑ์สามารถรับข้อมูลจากสภาพแวดล้อม ประมวลผลข้อมูล และตอบสนองต่อเงื่อนไขต่าง ๆ ได้อย่างเป็นระบบ

ตัวอย่างเช่น Sensor สามารถตรวจวัดข้อมูล จากนั้น Embedded System สามารถนำข้อมูลดังกล่าวมาประมวลผลและสั่งงานอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องตามเงื่อนไขที่กำหนด

แนวคิดนี้เป็นพื้นฐานสำคัญของระบบอัตโนมัติ อุปกรณ์อัจฉริยะ และเทคโนโลยี IoT ที่กำลังถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในปัจจุบัน

---

Embedded System คือส่วนหนึ่งของโลกอิเล็กทรอนิกส์

หากมองภาพรวมของระบบ Embedded จะเห็นได้ว่าเทคโนโลยีนี้เป็นจุดที่ Hardware, Software และ Electronics มาทำงานร่วมกัน

Hardware ทำหน้าที่เป็นส่วนประกอบทางกายภาพของระบบ

Software เป็นตัวกำหนดลำดับและเงื่อนไขการทำงาน

ขณะที่วงจรอิเล็กทรอนิกส์และอุปกรณ์ต่าง ๆ ทำหน้าที่รับข้อมูลและส่งผลลัพธ์ระหว่างระบบกับสภาพแวดล้อมภายนอก

การทำความเข้าใจ Embedded System จึงไม่ได้หมายถึงการเรียนรู้เพียง Microcontroller หรือการเขียนโปรแกรมเท่านั้น แต่ยังเกี่ยวข้องกับการทำความเข้าใจว่าทุกส่วนของระบบทำงานร่วมกันอย่างไร

---

จากคำว่า Embedded สู่ระบบที่ซับซ้อนขึ้น

Embedded System อาจเริ่มต้นจากระบบควบคุมง่าย ๆ ที่ทำหน้าที่เพียงอย่างเดียว แต่เมื่อความต้องการของผลิตภัณฑ์เพิ่มขึ้น ระบบก็มีความสามารถและความซับซ้อนมากขึ้นตามไปด้วย

จากระบบควบคุมพื้นฐาน สู่ระบบที่ต้องจัดการ Sensor หลายตัว เชื่อมต่อกับอุปกรณ์อื่น สื่อสารผ่านเครือข่าย ประมวลผลข้อมูล และทำงานร่วมกับ Software ในระดับที่สูงขึ้น

ด้วยเหตุนี้ การทำความเข้าใจ Embedded System จึงเป็นพื้นฐานสำคัญสำหรับผู้ที่ต้องการก้าวเข้าสู่โลกของ Embedded Electronics, Firmware, IoT, Automation และระบบควบคุม

และนี่คือจุดเริ่มต้นของการทำความรู้จักกับโลกของ Embedded

Written by Pawinphat
Electronics & Embedded Systems