Embedded Linux به استفاده از کرنل لینوکس، همراه با مجموعه‌ای جامع از کتابخانه‌ها و ابزارها، در سیستم‌ها یا دستگاه‌های Embedded اشاره دارد. این سیستم‌ها که برای کارکردهای خاصی طراحی شده‌اند، اغلب با محدودیت‌هایی در منابع مانند توان پردازشی، حافظه و مصرف انرژی مواجه هستند. لینوکس، به دلیل ماهیت منبع باز، انعطاف‌پذیری و قدرت آن، به انتخاب محبوبی برای این سیستم‌ها تبدیل شده است.
از گوشی‌های هوشمند و تلویزیون‌های هوشمند گرفته تا روترها، خودروها و حتی فضاپیماها، Embedded Linux طیف گسترده‌ای از دستگاهها را قدرت می‌بخشد و استفاده از آن در بخش‌های مختلفی مانند مخابرات، خودرو، هوافضا، لوازم خانگی و بیشتر، گسترده است. پذیرش گسترده لینوکس در embedded systems عمدتاً به دلیل توانایی آن در سفارشی‌سازی برای یک کاربرد خاص، پشتیبانی قوی جامعه و مقرون‌به‌صرفه بودن آن است.
اهمیت Embedded Linux در صنعت فناوری بسیار زیاد است. با رشد اینترنت اشیاء (IoT)، نقش Embedded Linux حتی بیشتر اهمیت پیدا می‌کند و این مورد تنها به ارائه یک پلتفرم برای عملکرد این دستگاهها نیست، بلکه به قابلیت همکاری ، امنیت و استفاده کارآمد از منابع مربوط می‌شود.
تاریخچه Embedded Linux
داستان شروع Embedded Linux با تاریخچه کرنل لینوکس که اولین بار توسط لینوس توروالدز در سال ۱۹۹۱ ایجاد شد، به هم گره خورده است. این کرنل که در ابتدا برای رایانه‌های شخصی طراحی شده بود، به دلیل ماهیت منبع باز، به زودی محبوبیت پیدا کرد و به توسعه‌دهندگان در سراسر جهان اجازه داد تا در بهبود آن مشارکت کنند.
استفاده از لینوکس در Embedded systems در اواخر دهه ۱۹۹۰، با پروژه‌هایی مانند uClinux که هدف آن آوردن کرنل لینوکس به میکروکنترلرها بود، شروع به رشد کرد. در حالی که لینوکس تا آن زمان عمدتاً در رایانه‌های چندمنظوره استفاده می‌شد، ظهور uClinux پتانسیل تطبیق کرنل لینوکس با Embedded systems با منابع محدود را نمایان ساخت.
در اوایل دهه ۲۰۰۰، Embedded Linux با ظهور چندین شرکت بزرگ شاهد دستاوردهای قابل توجهی بود. شرکت MontaVista Software که در سال ۱۹۹۹ تأسیس شد، از اولین شرکت‌هایی بود که از لینوکس برای Embedded systems حمایت و تبلیغ کرد و به رشد Embedded Linux کمک زیادی کرد.
یکی دیگر از نقاط عطف کلیدی، آغاز پروژه OpenWrt در سال ۲۰۰۴ بود. این پروژه که در ابتدا برای روترهای خانگی طراحی شده بود، قدرت لینوکس در این دستگاهها متمرکز بر شبکه را نشان داد. طراحی انعطاف‌پذیر و مدولار OpenWrt به آن اجازه داد تا از انواع سخت‌افزارها پشتیبانی کند و به این ترتیب استفاده از لینوکس را بیشتر ترویج داد.
در طول دهه بعد، این نوع لینوکس به طور فزاینده‌ای در لوازم الکترونیکی مصرفی، مخابرات و صنایع دیگر رایج شد. این روند توسط ظهور گوشی‌های هوشمند که بسیاری از آن‌ها مانند اندروید، توسط لینوکس پشتیبانی می‌شوند، بیشتر تقویت شد.
پروژه Yocto که در سال ۲۰۱۰ راه‌اندازی شد، نقش مهمی در استانداردسازی فرآیند ایجاد توزیع‌های سفارشی لینوکس برای Embedded systems ایفا کرد. این پروژه ابزارها، الگوها و روش‌هایی را برای توسعه‌دهندگان فراهم کرد تا سیستم‌های مبتنی بر لینوکس خود را ایجاد کنند و به این ترتیب استفاده از لینوکس در آن ها را آسان‌تر کند.
امروزه Embedded Linux در قلب بسیاری از دستگاهها قرار دارد و به تکامل خود ادامه می‌دهد و با روندهای جدید مانند اینترنت اشیاء (IoT)، محاسبات لبه‌ای و سیستم‌های real-time همگام می شود.
مفاهیم بنیادی برای درک Embedded Linux
Embedded Linux شامل چندین مفهوم کلیدی است که اساس عملکرد و کارایی آن را تشکیل می‌دهند. این مفاهیم برای هر کسی که می‌خواهد با آن کار کند ضروری است.
. کرنل لینوکس
کرنل لینوکس هسته هر سیستم عامل مبتنی بر لینوکس است، از جمله سیستم‌های Embedded Linux. این قسمت به عنوان رابط بین سخت‌افزار و نرم‌افزار عمل می‌کند و وظایفی مانند مدیریت حافظه، مدیریت فرآیند، درایورهای دستگاه و فراخوانی‌های سیستم را مدیریت می‌کند.
. توزیع لینوکس برای Embedded Systems
توزیع لینوکس، یا Distro، یک سیستم عامل است که از کرنل لینوکس به همراه یک سیستم مدیریت بسته و کتابخانه‌ها و ابزارهای مختلف تشکیل شده است. در زمینه Embedded Linux، یک توزیع اغلب به منظور نیازهای خاصی که قرار است بر روی آن اجرا شود، اصلاح و سفارشی می‌شود. چندین توزیع لینوکس به طور خاص برای Embedded Systems طراحی شده‌اند
مانند OpenWrt، Yocto و Buildroot.
Real-Time Systems
سیستم‌های Embedded Linux اغلب در محیط‌های Real-Time کار می‌کنند، جایی که از آن‌ها انتظار می‌رود به رویدادها یا ورودی‌ها در یک بازه زمانی معین پاسخ دهند. سیستم‌های عامل Real-Time (RTOS) برای اطمینان از برآورده شدن این محدودیت‌های زمانی طراحی شده‌اند و آن‌ها را به بخشی حیاتی از بسیاری از سیستم‌های Embedded Linux تبدیل می‌کند.
Bootloaders
بوت‌لودر یک برنامه است که سیستم عامل را هنگام روشن شدن دستگاه راه‌اندازی می‌کند. در زمینه Embedded Linux، بوت‌لودر همچنین سخت‌افزار را راه‌اندازی می‌کند، حافظه را تنظیم می‌کند و سپس کرنل لینوکس را بارگذاری می‌کند. مثال‌هایی از بوت‌لودرهای استفاده‌شده در سیستم‌های Embedded Linux شامل U-Boot و Barebox است.
Cross Compilation
Cross Compilation شامل کامپایل کد برای یک ماشین بر روی یک ماشین دیگر است. این موضوع به ویژه در توسعه Embedded Linux اهمیت دارد، زیرا سخت‌افزار این دستگاهها ممکن است به اندازه کافی قدرتمند نباشد که بتواند کد را خودش کامپایل کند.
Device Drivers
درایورهای دستگاه نوعی نرم‌افزار هستند که به سیستم عامل اجازه می‌دهند با دستگاه‌های جانبی سخت‌افزاری ارتباط برقرار کند. در سیستم‌های Embedded Linux، توسعه‌دهندگان اغلب باید درایورهای دستگاه را به شکل سفارشی بنویسند تا کرنل لینوکس بتواند با سخت‌افزار خاص دستگاه را شناسایی و با آن ارتباط برقرار کند.
معماری Embedded Linux
Embedded Linux، مانند هر سیستم عامل دیگری، یک معماری لایه‌ای را دنبال می‌کند. این یک رویکرد طراحی است که سیستم را به لایه‌های مختلفی سازماندهی می‌کند، که هر یک خدماتی را به لایه بالاتر ارائه می‌دهند و خدماتی را از لایه پایین‌تر دریافت می‌کنند. این بخش معماری Embedded Linux را بررسی می‌کند و جنبه‌های سخت‌افزار و نرم‌افزار آن را برجسته می‌کند.
ملاحظات سخت‌افزاری
Embedded Systems اغلب دارای سخت‌افزارهای سفارشی هستند که به طور خاص برای کاربرد مورد نظر طراحی شده‌اند. این می‌تواند از رایانه‌های تک برد، مانند Raspberry Pi یا BeagleBone، تا چیپ‌های سفارشی طراحی‌شده برای دستگاه‌های خاص متغیر باشد.
Processor : پردازنده یا CPU قلب هر سیستم جاسازی‌شده است که می‌تواند یک پردازنده ARM، MIPS، x86 یا نوع دیگری باشد که بسته به نیازهای کاربردی انتخاب می‌شود.
Memory: این سیستم‌ها معمولاً ترکیبی از انواع مختلف حافظه دارند، از جمله RAM برای ذخیره‌سازی موقت و حافظه فلش برای ذخیره‌سازی دائمی.
Peripherals: سایر اجزای سخت‌افزاری هستند که با CPU تعامل دارند، مانند حسگرها، فعال‌کننده‌ها، واحدهای نمایش، رابط‌های شبکه و غیره.
جنبه‌های نرم‌افزاری
نرم‌افزار در یک سیستم Embedded Linux جایی است که کرنل لینوکس به همراه چندین جزء کلیدی دیگر وارد می‌شود:
Bootloader: اولین قطعه نرم‌افزاری است که هنگام روشن شدن سیستم اجرا می‌شود. این بخش سخت‌افزار را راه‌اندازی می‌کند و کرنل لینوکس را در حافظه بارگذاری می‌کند. U-Boot و Barebox مثال‌هایی از بوت‌لودرهایی هستند که اغلب در سیستم‌های Embedded Linux استفاده می‌شوند.
Linux Kernel: کرنل لینوکس هسته سیستم عامل است. این یک طیف گسترده‌ای از خدمات، مانند زمان‌بندی فرآیند، مدیریت حافظه و هماهنگی ارتباط سخت‌افزار را فراهم می‌کند. همچنین شامل درایورهای دستگاه است که به کرنل اجازه می‌دهد با دستگاه‌های جانبی مختلف تعامل کند.
Root File System (Rootfs): سیستم فایل ریشه شامل تمام فایل‌ها و دایرکتوری‌هایی است که سیستم عامل استفاده می‌کند. این قسمت شامل کتابخانه‌های سیستمی، برنامه‌های کاربر و فایل‌های پیکربندی است.
User Space Applications: برنامه‌هایی هستند که بر روی دستگاه اجرا می‌شوند و عملکردی که دستگاه برای آن طراحی شده است را ارائه می‌دهند.
The Linux Kernel and Device Drivers
قسمت کلیدی از معماری Embedded Linux، تعامل بین کرنل لینوکس و درایورهای دستگاه‌های مختلف است. این درایورهای دستگاه به کرنل اجازه می‌دهند با سخت‌افزار سیستم تعامل کند، جزئیات سخت‌افزار را دریافت کرده و یک رابط ثابت برای استفاده بقیه سیستم فراهم می‌کنند.
پروژه های پیشنهادی برای شما
- نرم‌افزار پشتیبان گیری از تجهیزات سیسکو
- کنترل اتاق با استفاده از نمایشگر لمسی
- رمزنگاری با پایتون
- برنامه تبدیل متن به گفتار پایتون
- آب و هوای شهرهای ایران با پایتون
- ساعت آنالوگ و دیجیتال با پایتون
- بازی تشخیص رنگ متن با پایتون
- کنترل رله از طریق شبکه و برد رزبری پای
- نرم افزار سهام نگر بورس ایران
از سال ۸۸ وارد دنیای الکترونیک و فناوری اطلاعات شدم و در زمینه مشاوره، طراحی و ساخت پروژه‌های سخت‌افزاری فعالیت می‌کنم.
تجربه برنامه نویسی به زبان های پایتون و سی و همچنین کار با انواع میکروکنترلرها و بردهای سخت افزاری را دارم.
- مقدمه ای بر Embedded Linux (بخش اول) - آذر ۲۰, ۱۴۰۳
- تفاوت بین روتر و فایروال - مهر ۱۰, ۱۴۰۳
- مسیریابی استاتیک در ویندوز - مهر ۸, ۱۴۰۳