ทำความเข้าใจโลก Embedded System ตอนที่ 2 : Embedded System ประกอบด้วยอะไรบ้าง?
รู้จัก Embedded : ระบบอัจฉริยะที่อยู่รอบตัวเรา
จากตอนที่ 1 เราได้ทำความรู้จักกับ Embedded System หรือระบบคอมพิวเตอร์ที่ถูกออกแบบมาเพื่อทำงานเฉพาะด้านกันไปแล้ว
แต่เมื่อพูดถึง Embedded System จริง ๆ สิ่งที่อยู่ภายในไม่ได้มีเพียง Processor หรือไมโครคอนโทรลเลอร์เพียงตัวเดียว
เบื้องหลังการทำงานของระบบหนึ่งระบบ มักประกอบด้วยฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์หลายส่วนที่ทำงานร่วมกัน ตั้งแต่ส่วนประมวลผล หน่วยความจำ อุปกรณ์รับข้อมูล อุปกรณ์ส่งข้อมูล ไปจนถึง Firmware ที่ควบคุมการทำงานของระบบ
การทำความเข้าใจองค์ประกอบเหล่านี้จึงเป็นพื้นฐานสำคัญ ก่อนที่จะไปทำความรู้จักกับ Processor, Memory, Sensor หรือ Firmware ในรายละเอียด
มอง Embedded System เป็นภาพรวม
หากมอง Embedded System แบบง่ายที่สุด สามารถแบ่งองค์ประกอบหลักออกเป็น 2 ส่วนใหญ่ ๆ คือ
- Hardware — ส่วนประกอบทางกายภาพของระบบ
- ส่วนประมวลผล (Processor)
- หน่วยความจำ (Memory)
- ส่วนตรวจจับข้อมูลจากสภาพแวดล้อม (Sensor)
- การเชื่อมต่อระหว่างระบบกับภายนอก ( Input / Output บางครั้งเรียกว่า I/O (อ่านว่า ไอโอ))
- การสื่อสารกับอุปกรณ์อื่น ( Communication Interface )
- แหล่งจ่ายไฟ (Power Supply )
- Software — โปรแกรมที่ใช้ควบคุมและกำหนดการทำงานของระบบ(firmware)
ทั้งสองส่วนต้องทำงานร่วมกันจึงจะทำให้ Embedded System สามารถทำหน้าที่ตามที่ออกแบบไว้ได้
ตัวอย่างเช่น ระบบควบคุมอุณหภูมิอาจมี Sensor สำหรับวัดอุณหภูมิ Processor สำหรับประมวลผลข้อมูล Memory สำหรับเก็บข้อมูล และ Output สำหรับสั่งงานอุปกรณ์บางอย่าง ขณะที่ Firmware จะเป็นตัวกำหนดว่าระบบควรอ่านค่า ประมวลผล และตอบสนองต่อข้อมูลเหล่านั้นอย่างไร
ดังนั้น Embedded System จึงไม่ใช่เพียง “ชิปหนึ่งตัว” แต่เป็นระบบที่มีองค์ประกอบหลายส่วนทำงานร่วมกัน
1. ส่วนประมวลผล (Processor)
Processor เป็นหนึ่งในองค์ประกอบสำคัญของ Embedded System เพราะทำหน้าที่ประมวลผลคำสั่งและควบคุมการทำงานของระบบ
Processor จะรับคำสั่งจาก Software แล้วดำเนินการตามคำสั่งเหล่านั้น เช่น คำนวณข้อมูล ตรวจสอบเงื่อนไข อ่านค่าจากอุปกรณ์ต่าง ๆ หรือสั่งงาน Output
ในโลกของ Embedded System เราจะพบ Processor ในรูปแบบต่าง ๆ เช่น
- MCU (Microcontroller Unit)
- MPU (Microprocessor Unit)
- SoC (System on Chip)
แต่ละรูปแบบมีโครงสร้างและลักษณะการใช้งานแตกต่างกัน
รายละเอียดของ MCU, MPU และ SoC จะกล่าวถึงโดยเฉพาะใน ตอนที่ 3 — Processor คืออะไร? MCU / MPU / SoC ต่างกันอย่างไร?
2. หน่วยความจำ (Memory)
เมื่อ Processor ทำงาน ระบบจำเป็นต้องมีพื้นที่สำหรับเก็บข้อมูลและคำสั่งที่ใช้ในการทำงาน
ส่วนนี้คือหน้าที่ของ Memory
Memory ใน Embedded System มีหลายประเภท โดยแต่ละประเภทมีคุณสมบัติและหน้าที่แตกต่างกัน เช่น
1. เก็บโปรแกรม
– ใช้เก็บ Firmware หรือชุดคำสั่ง ที่กำหนดการทำงานของระบบ เช่น Flash Memory หรือ Storage
2. เก็บข้อมูลระหว่างการทำงาน
– ใช้เก็บข้อมูลที่ Processor กำลังใช้งานหรือประมวลผล เช่น RAM
3. เก็บข้อมูลถาวร
– ใช้เก็บข้อมูลที่ยังคงอยู่แม้ระบบจะปิดหรือไม่มีไฟเลี้ยง เช่น Non-volatile Memory
ตัวอย่างเช่น Firmware ของอุปกรณ์อาจถูกเก็บไว้ในหน่วยความจำประเภทหนึ่ง ขณะที่ตัวแปรและข้อมูลที่ใช้ระหว่างการทำงานอาจถูกเก็บไว้ในอีกประเภทหนึ่ง
ดังนั้น Memory จึงไม่ได้มีหน้าที่เพียง “เก็บข้อมูล” แต่ประเภทของ Memory และลักษณะการใช้งานมีผลต่อการทำงานของ Embedded System ด้วย
เรื่องนี้จะลงรายละเอียดใน ตอนที่ 4 — Memory ใน Embedded System มีอะไรบ้าง?
3. ส่วนตรวจจับข้อมูลจากสภาพแวดล้อม(Sensor)
Embedded System จำนวนมากไม่ได้ทำงานอยู่เพียงลำพัง แต่ต้องรับข้อมูลจากสภาพแวดล้อมรอบตัว
Sensor คืออุปกรณ์ที่ใช้ตรวจวัดหรือรับข้อมูลจากสิ่งต่าง ๆ เช่น อุณหภูมิ แสง ความดัน การเคลื่อนไหว หรือค่าทางกายภาพอื่น ๆ
ตัวอย่างเช่น หากเป็นระบบควบคุมอุณหภูมิ Sensor อาจทำหน้าที่วัดอุณหภูมิแล้วส่งข้อมูลเข้าสู่ระบบ จากนั้น Processor จึงนำข้อมูลที่ได้รับไปประมวลผลตามคำสั่งของ Firmware
Sensor จึงเป็นเหมือนช่องทางที่ทำให้ Embedded System สามารถ “รับรู้” ข้อมูลจากภายนอกได้
4. การเชื่อมต่อระหว่างระบบกับภายนอก ( Input / Output )
นอกจาก Sensor แล้ว Embedded System ยังต้องมีช่องทางสำหรับ Input และ Output
Input คือข้อมูลหรือสัญญาณที่เข้าสู่ระบบ
ตัวอย่างเช่น
- การกดปุ่ม
- สัญญาณจาก Sensor
- ข้อมูลจากอุปกรณ์ภายนอก
- สัญญาณจากระบบอื่น
ส่วน Output คือข้อมูลหรือสัญญาณที่ระบบส่งออกไป
ตัวอย่างเช่น
- การควบคุม LED
- การสั่งงาน Motor
- การแสดงผลบน Display
- การส่งข้อมูลไปยังอุปกรณ์อื่น
Input และ Output จึงเป็นส่วนสำคัญที่ทำให้ Embedded System สามารถรับข้อมูลและตอบสนองต่อสิ่งที่เกิดขึ้นได้
5. การสื่อสารกับอุปกรณ์อื่น ( Communication Interface )
Embedded System บางระบบไม่ได้ทำงานแบบแยกตัว แต่ต้องสื่อสารกับอุปกรณ์หรือระบบอื่น
จึงต้องมี Communication Interface สำหรับรับส่งข้อมูลระหว่างกัน
ตัวอย่าง Interface ที่พบได้ใน Embedded System ได้แก่
- UART
- SPI
- I²C
- CAN
- USB
- Ethernet
แต่ละ Interface มีรูปแบบการสื่อสารและลักษณะการใช้งานแตกต่างกัน การเลือกใช้จึงขึ้นอยู่กับลักษณะของระบบและอุปกรณ์ที่ต้องการเชื่อมต่อ
ส่วนนี้ทำให้ Embedded System สามารถแลกเปลี่ยนข้อมูลกับ Sensor, Memory, Display, Controller หรือระบบอื่น ๆ ได้
6. แหล่งจ่ายไฟ (Power Supply)
องค์ประกอบอีกส่วนหนึ่งที่ขาดไม่ได้คือ Power Supply
ไม่ว่า Embedded System จะมี Processor, Memory หรือ Sensor ที่มีความสามารถมากเพียงใด ทุกส่วนล้วนต้องใช้พลังงานในการทำงาน
Power Supply ทำหน้าที่จ่ายพลังงานให้กับวงจรและอุปกรณ์ต่าง ๆ ภายในระบบตามระดับแรงดันและกระแสที่เหมาะสม
ในระบบจริง อาจมีวงจรที่เกี่ยวข้องกับการจัดการพลังงานร่วมด้วย โดยเฉพาะอุปกรณ์ที่ใช้แบตเตอรี่ ซึ่งจำเป็นต้องคำนึงถึงการใช้พลังงานและระยะเวลาการทำงาน
ดังนั้น การออกแบบ Embedded System จึงไม่ได้พิจารณาเฉพาะการประมวลผล แต่ต้องพิจารณาเรื่องพลังงานควบคู่กันไปด้วย
7. โปรแกรมที่ใช้ควบคุมและกำหนดการทำงานของระบบ (firmware)
Hardware เพียงอย่างเดียวไม่สามารถทำให้ Embedded System ทำงานตามที่ต้องการได้
สิ่งที่ทำให้ Hardware รู้ว่าต้องทำอะไรคือ Firmware
Firmware คือ Software ที่ถูกออกแบบมาเพื่อควบคุมและทำงานร่วมกับ Hardware ของระบบ
ตัวอย่างเช่น Firmware อาจกำหนดให้ระบบ
- อ่านค่าจาก Sensor
- ประมวลผลข้อมูล
- ตรวจสอบเงื่อนไข
- สั่งงาน Output
- สื่อสารข้อมูลกับอุปกรณ์อื่น
การทำงานเหล่านี้เกิดขึ้นตามคำสั่งที่ถูกกำหนดไว้ใน Firmware
จึงอาจมองง่าย ๆ ได้ว่า Hardware เป็นส่วนที่ทำงานทางกายภาพ ส่วน Firmware เป็นส่วนที่กำหนดว่าระบบจะทำงานอย่างไร
รายละเอียดเกี่ยวกับ Firmware และ Embedded Software จะกล่าวถึงใน ตอนที่ 6 — Firmware และ Embedded Software คืออะไร?
แล้วทุกส่วนทำงานร่วมกันอย่างไร?
เมื่อมององค์ประกอบทั้งหมดรวมกัน จะเห็นว่า Embedded System ไม่ได้ทำงานเป็นขั้นตอนเส้นตรง แต่แต่ละส่วนจะทำงานสัมพันธ์กันตามหน้าที่ของตัวเอง
Sensor / Input รับสัญญาณหรือข้อมูลจากภายนอกเข้าสู่ระบบ จากนั้น Processor จะประมวลผลข้อมูลตามคำสั่งที่กำหนดไว้ใน Firmware โดยมี Memory ทำหน้าที่เก็บ Firmware และข้อมูลที่จำเป็นต่อการทำงาน
เมื่อประมวลผลแล้ว Processor สามารถส่งผลลัพธ์ไปยัง Output เพื่อสั่งงานอุปกรณ์ภายนอก หรือใช้ Communication Interface เพื่อรับส่งข้อมูลกับอุปกรณ์หรือระบบอื่น ขณะที่ Power Supply ทำหน้าที่จ่ายพลังงานให้กับองค์ประกอบต่าง ๆ ของระบบ
ในการทำงานจริง Processor สามารถรับข้อมูลจาก Input / Sensor อ่านและเขียนข้อมูลกับ Memory รวมถึงส่งคำสั่งไปยัง Output หรือ Communication Interface ได้ตามที่ Firmware กำหนด
ดังนั้น Embedded System จึงเป็นการทำงานร่วมกันของ Hardware และ Firmware โดยแต่ละองค์ประกอบมีหน้าที่แตกต่างกัน แต่เชื่อมโยงกันเป็นระบบเดียว เพื่อให้อุปกรณ์สามารถรับข้อมูล ประมวลผล และตอบสนองได้ตามวัตถุประสงค์ที่ออกแบบไว้
จากชิ้นส่วนเล็ก ๆ สู่ระบบที่ทำงานได้จริง
Embedded System อาจดูเหมือนประกอบด้วยชิ้นส่วนมากมาย ทั้ง Processor, Memory, Sensor, Input/Output, Communication Interface, Power Supply และ Firmware แต่สิ่งสำคัญไม่ได้อยู่ที่แต่ละส่วนเพียงอย่างเดียว
หัวใจของ Embedded System คือ การที่ทุกส่วนทำงานร่วมกันได้อย่างถูกต้องและเป็นระบบ
เมื่อ Sensor รับข้อมูลเข้ามา Processor จะนำข้อมูลนั้นไปประมวลผลตามคำสั่งของ Firmware ใช้ Memory ในส่วนที่จำเป็น และส่งผลลัพธ์ออกไปยังอุปกรณ์หรือระบบอื่น ขณะที่ Power Supply ทำให้ทุกส่วนสามารถทำงานต่อเนื่องได้
นี่คือภาพพื้นฐานของ Embedded System ที่อยู่เบื้องหลังอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มากมายรอบตัวเรา
และเมื่อเข้าใจแล้วว่าแต่ละส่วนทำงานร่วมกันอย่างไร คำถามต่อไปก็คือ…
แล้วส่วนไหนคือหัวใจของการประมวลผล?
คำตอบจะพาเราไปรู้จักกับ Processor และความแตกต่างระหว่าง MCU, MPU และ SoC
ติดต่อกับตอนหน้านะครับ
Written by Pawinphat
Electronics & Embedded Systems
