एम्बेडेड सिस्टिम्स (अच्युत गोडबोले)

‘एम्बेडेड सिस्टिम’ म्हणजे एक प्रकारचा कॉम्प्युटरच असतो. या एम्बेडेड सिस्टिम्स या काही खास किंवा विशिष्ट कामांसाठीच निर्माण केलेल्या असतात. बहुतेक वेळेला त्या डिजिटल घड्याळं, कॅल्क्‍युलेटर्स, मायक्रोवेव्ह ओव्हन्स, डिजिटल कॅमेरा, प्रिंटर आदी उपकरणांबरोबर, यंत्रांबरोबर किंवा हार्डवेअरबरोबरच येतात. एम्बेडेड सिस्टिम्स या त्या उपकरणांचा एक अविभाज्य भागच असतात. म्हणूनच त्यांना ‘एम्बेडेड सिस्टिम्स’ असं म्हणतात. जगामध्ये या एम्बेडेड सिस्टिम्सची मागणी आणि बाजारपेठ खूप वेगानं वाढते आहे. या एम्बेडेड सिस्टिमचं अंतरंग...

‘एम्बेडेड सिस्टिम’ म्हणजे एक प्रकारचा कॉम्प्युटरच असतो. कॉम्प्युटरमध्ये जसा एक सीपीयू (प्रोसेसर) आणि मेमरी अशा गोष्टी लागतात तशाच एम्बेडेड सिस्टिममध्येही लागतात. मात्र, सर्वसाधारण कॉम्प्युटर्स हे पेरोल, पर्चेसिंग, इन्व्हेंटरी, बॅंकिंग, इन्शुअरन्स, मशीन डिझाईन (कॅड/कॅम) अशा गोष्टींसाठी वापरतात; पण एम्बेडेड सिस्टिम्स या काही खास किंवा विशिष्ट कामांसाठीच निर्माण केलेल्या असतात. बहुतेक वेळेला त्या डिजिटल घड्याळं, कॅल्क्‍युलेटर्स, मायक्रोवेव्ह ओव्हन्स, वॉशिंग मशीन्स, वेगवेगळे व्हिडिओ गेम्स, एअर कंडिशनर्स, टीव्हीचा किंवा एसीचा रिमोट कंट्रोल, एमपीथ्री प्लेयर्स, मोबाईल फोन्स, डिजिटल कॅमेराज, प्रिंटर्स, डिशवॉशर्स अशा अनेक उपकरणांबरोबर, यंत्रांबरोबर किंवा हार्डवेअरबरोबरच येतात. एम्बेडेड सिस्टिम्स या त्या उपकरणांचा एक अविभाज्य भागच असतात. म्हणूनच त्यांना ‘एम्बेडेड सिस्टिम्स’ असं म्हणतात. 

बहुतांशी वेळा यासाठी जे कॉम्प्युटर्स वापरतात त्यातले प्रोसेसर्स मायक्रोप्रोसेसर्सच असतात. जगात जेवढे मायक्रोप्रोसेसर्स बनवले जातात, त्यातले ९८ टक्के मायक्रोप्रोसेसर्स हे एम्बेडेड सिस्टिम्ससाठी बनवले जातात. या सिस्टिमसाठी खूप कमी ऊर्जा लागते, त्यांचा आकार कमी असतो, त्यांची दर नगामागं किंमत कमी असते आणि त्यांची प्रोसेसिंगची क्षमताही खूपच मर्यादित असते. 

एम्बेडेड सिस्टिमला इतर कॉम्प्युटर्ससारखे हार्ड डिस्क, सीडी ड्राईव्ह, पेन ड्राईव्ह्‌ज किंवा प्रिंटर यांच्यासारखी इन्पुट/आउटपुट डिव्हायसेस नसतात. या सिस्टिमला आपण मोजक्‍याच सूचना देऊ शकतो. उदाहरणार्थ, वॉशिंग मशीनमध्ये कपडे किती वेळ आणि कसे धुवायचे हे आपण जेव्हा त्या मशीनच्या पॅनेलवर ‘सेट’ करतो तेव्हा ती त्या वॉशिंग मशीनमधल्या एम्बेडेड कॉम्प्युटरला सूचनाच असते. आपली ही सूचना किंवा ‘आज्ञा’ एक इन्पुट म्हणून त्या एम्बेडेड कॉम्प्युटरच्या मेमरीत साठवली जाते. आपण जेव्हा वॉशिंग मशीन चालू करण्याचं बटन दाबतो, तेव्हा आपण आतला एम्बेडेड प्रोग्रॅमच सुरू करतो. त्या प्रोग्रॅममध्ये त्या वॉशिंग मशीनमधली सर्किट्‌स कशी नियंत्रित करायची याविषयीच्या सूचना असतात. त्याप्रमाणं ते मशीन मग काम करतं; आणि त्या एम्बेडेड प्रोग्रॅमप्रमाणं आपले कपडे धुवून देतं. या वॉशिंग मशीनच्या एम्बेडेड कॉम्प्युटरमध्ये एक टायमर असतो. तो वेळ मोजत असतो. यामुळंच आपण कपडे दहा मिनिटं फिरवा अशी सूचना बाहेरून देऊ शकतो. 

एम्बेडेड सिस्टिममध्ये प्रोसेसर, मेमरी, इन्पुट/आउटपुट यांच्याबाबत बऱ्याच मर्यादा असल्यामुळं त्यांच्यासाठी प्रोग्रॅम लिहिणं हीही एक तारेवरची कसरतच असते. असा प्रोग्रॅम एकदाच लिहून त्या सिस्टिममध्ये कायम बसवावा लागतो. हे एका प्रकारे कोरल्यासारखंच (एचिंग केल्यासारखंच) असतं. इतर कॉम्प्युटर्समध्ये सॉफ्टवेअर प्रोग्रॅम डिस्कवरून कॉम्प्युटरवरच्या मेमरीत लोड होतो, तो एक्‍झिक्‍युट होतो आणि तो वापरून झाला, की मेमरीतला जुना प्रोग्रॅम पुसून नवीन प्रोग्रॅम डिस्कवरून मेमरीत लोड होतो. म्हणजे पाटीवर लिहायचं, ते वाचून त्याचं काम झालं, की ते पुसून नवीन लिहायचं असंच हे काहीसं असतं. एम्बेडेड सिस्टिम्समध्ये मात्र ते एकदाच कोरून ठेवावं लागतं. म्हणूनच या प्रोग्रॅमला सॉफ्टवेअर म्हणत नाहीत. हा प्रकार हार्डवेअर आणि सॉफ्टवेअर यांच्यामध्ये कुठंतरी असतो. म्हणूनच याला ‘फर्मवेअर’ असं म्हणतात. हे फर्मवेअर ‘रीड ओनली मेमरी (रॉम)’ किंवा फ्लॅश मेमरी चिप्समध्ये साठवलं असल्यामुळे सहजासहजी बदलता येत नाही. हे फर्मवेअर लिहिणं सोपं नसतं. 

काही एम्बेडेड सिस्टम्समध्ये सीपीयू एका चिपवर असतो, तर मेमरी आणि इन्पुट/आउटपुट हे वेगळ्या चिप्सवर असतात आणि ते सीपीयूला जोडलेले असतात. कित्येक आधुनिक एम्बेडेड सिस्टिम्समध्ये सीपीयू, मेमरी आणि इन्पुट/आउटपुट पिन्स हे एकाच चिपवर बसवलेले असतात. त्यांना मायक्रोकंट्रोलर्स असं म्हणतात. सेल फोन्स, डिजिटल कॅमेरा, आन्सरिंग मशीन, वेगवेगळ्या सोयी असलेला रेफ्रिजरेटर, कॉलर आयडी आणि  नंबर साठवून ठेवण्याची क्षमता असणारा डिजिटल टेलिफोन, डीव्हीडी प्लेयर अशा सगळ्या आपल्याबरोबर संवाद (इंटरॅक्‍शन) साधू शकणाऱ्या उपकरणांमध्ये मायक्रोकंट्रोलर्स असतात. मायक्रोकंट्रोलर्स हे एका ठराविक कामाकरताच डिझाईन केलेले असतात. वॉशिंग मशीनसाठी वेगळा, मोबाईलकरता वेगळा, ट्रॅफिक सिग्नल्ससाठी वेगळा आणि रिमोट कंट्रोलसाठी किंवा मोटारगाडीसाठी वेगळा. 

सर्वसाधारण लो एन्ड मायक्रोकंट्रोलमध्ये फर्मवेअरसाठी १००० बाइट्‌सचा रॉम, आपले इन्पुट साठवण्यासाठी २० बाइट्‌सचा रॅम आणि ८ इन्पुट/आउटपुट पिन्स असतात. यांची किंमत प्रत्येकी फक्त काही सेंट्‌स असते. यावर आपण काही मायक्रोसॉफ्ट वर्ड अर्थातच चालवणार नसतो. कारण त्यासाठी ३० मेगाबाइट्‌स एवढी मेमरी लागते. मायक्रोकंट्रोलर्स खूप लहान आणि स्वस्त असतात. त्यांना ऊर्जाही खूपच कमी लागते.

एम्बेडेड सिस्टिम्सचा उपयोग कन्झ्युमर इलेक्‍ट्रॉनिक्‍स सोडूनही अनेक क्षेत्रात केला जातो. 

वाहतुकीच्या क्षेत्रात विमानांमधलं एव्हिऑनिक्‍स, इनर्शियल गायडन्स सिस्टिम्स, ट्रॅफिक लाईटस्‌, जीपीएस रिसीव्हर्स, ब्रशलेस डीसी मोटर्स, इंडक्‍शन मोटर्स, डीसी मोटर्स अशा अशा सगळ्या मोटर्स, अँटी लॉक ब्रेकिंग सिस्टिम (एबीएस), इलेक्‍ट्रॉनिक स्टॅबिलिटी कंट्रोल (ESC/ESP), ट्रॅक्‍शन कंट्रोल (टीसीएस); तसंच सगळ्या इलेक्‍ट्रिक आणि हायब्रिड मोटारगाड्या या सगळ्यांमध्ये एम्बेडेड सिस्टिम्स वापरलेल्या असतात. 

वैद्यकीय क्षेत्रात पेट (PET), सीटी (CT) आणि एमआरआय (MRI) यांसारख्या अनेक गोष्टींत एम्बेडेड सिस्टिम्स वापरलेल्या असतात. आयसीयूमध्ये प्रत्येक पेशंटशेजारी त्याच्या हृदयाच्या लहरी स्क्रीनवर दाखवल्या जातात. तेही त्या उपकरणातल्या एम्बेडेड सिस्टिममुळेच शक्‍य होतं. टेलिकम्युनिकेशनच्या क्षेत्रात टेलिफोन स्विचेस, राउटर्स, नेटवर्क ब्रिजेस अशा अनेक गोष्टींमध्ये जो ‘इंटेलिजन्स’ असतो, तो एम्बेडेड सिस्टिम्समधूनच आलेला असतो. कुठल्याही सुरक्षेच्या व्यवस्थेमध्ये एम्बेडेड सिस्टिम्स वापरल्या जातात. सीसीटीव्ही कॅमेरा, डिजिटल तिजोऱ्या, आगसुरक्षेची यंत्रणा अशाही अनेक यंत्रणा एम्बेडेड सिस्टिमवरच अवलंबून राहतात. संगीतक्षेत्रातली कीबोर्डसारखी कित्येक उपकरणं एम्बेडेड सिस्टिमचा उपयोग करतात. गिब्सन रोबो गिटारमध्ये, तर तारा जुळवण्यासाठी किंवा ट्यून करण्यासाठी एम्बेडेड सिस्टिमच वापरतात. 

आजकाल अनेक वेगवेगळ्या उपकरणांमध्ये मायक्रोकंट्रोलर्स असतात. आपल्या मायक्रोव्हेव्ह ओव्हनच्या किंवा इतर कुठल्याही उपकरणाच्या एलईडी किंवा एलसीडी आणि काही गोष्टी इन्पुट करण्यासाठी एक कीपॅड असेल, तर त्यात एक मायक्रोकंट्रोलर आहे असं समजावं. 

प्रत्येक आधुनिक मोटारगाडीमध्ये एक तरी मायक्रोकंट्रोलर असतो. कित्येकांमध्ये तर सहा किंवा सात मायक्रोकंट्रोलर्स असतात. अशा मोटारगाड्यांचं इंजिन मायक्रोकंट्रोलरनंच नियंत्रित केलं जातं. त्याचप्रमाणं अँटी लॉक ब्रेक्‍ससाठीही एक मायक्रोकंट्रोलर असतो. काही मोटारगाड्यांमध्ये ‘क्रूझ कंट्रोल’ची सोय असते. मोकळ्या रस्त्यावरती त्याच ठराविक वेगानं गाडी ॲक्‍सिलरेटरवर पाय न देता म्हणजे दोन्ही पाय मोकळे सोडून धावू शकणं हे क्रूझ कंट्रोलमुळं शक्‍य होतं. यासाठी मायक्रोकंट्रोलर वापरले जातात. 

ज्या ज्या उपकरणांसाठी रिमोट कंट्रोल असतो, त्यांच्यासाठी मायक्रोकंट्रोलर लागतोच. टीव्हीज, व्हीसीआर्स आणि महागड्या स्टीरिओ सिस्टिम्स या गटात मोडतात. या रिमोट कंट्रोलमध्ये सर्वसाधारणपणे तीन तऱ्हेनं सिग्नल्स देता येतात. एक म्हणजे आपला टीव्ही, एसी वगैरेंसाठी असणारे इन्फ्रारेड फ्रिक्वेन्सीजवर ३० फुटांच्या आत (लाईन ऑफ साईटवर) चालणारे रिमोट. दुसरी पद्धत म्हणजे मोटारगाड्या, गॅरेजेस यांच्यासाठी असणारे रेडिओ फ्रिक्वेन्सीजवर चालणारे १००  फुटांच्या आत चालणारे रिमोट आणि तिसरे म्हणजे १० मीटर्स (३२.८ फूट) एवढ्या अंतरापर्यंत ब्लूटूथवर चालणारे रिमोट. रिमोट कंट्रोल पहिल्यांदा पहिल्या महायुद्धात (१९१४-१८) जर्मन बोटी नष्ट करण्यासाठी वापरले गेले. त्यात रेडिओ फ्रिक्वेन्सीजचा वापर केला होता. दुसऱ्या महायुद्धात (१९३९-४०) दुरून बॉम्ब फोडण्यासाठी रिमोट कंट्रोलचा वापर करण्यात आला होता. मात्र, युद्ध संपल्यानंतर रिमोटचं तंत्रज्ञान कुठं वापरायचं हेच अनेकांना बरीच वर्षं कळत नव्हतं. कालांतरानं त्यांचा वापर व्हायला लागला. 

आपल्या टीव्हीच्या रिमोट कंट्रोलवर ऑन/ऑफ, व्हॉल्यूम (कमी/जास्त), चॅनेल (वर/खाली) वगैरे बटनं असतात. अशा रिमोटमध्ये एक इंटिग्रेटेड सर्किट (आयसी) असतं; आणि तसाच एक लाईट एमिटिंग डायोड (एलईडी) असतो. यातल्या प्रत्येक बटनासाठी वेगवेगळे कोड्‌स किंवा संकेत असतात, आणि ते कंपनीप्रमाणं बदलतात. उदाहरणार्थ, सोनी टीव्हीसाठीच्या कंट्रोल-एस प्रोटोकॉलप्रमाणं पॉवर ऑन म्हणजे ००१०१०१ किंवा व्हॉल्यूम अप म्हणजे ००१००१० वगैरे. एलजी किंवा सॅमसंग यांची यासाठीचे हे कोड्‌स वेगळे असतात. आपण जेव्हा रिमोटमधलं एखादं (उदाहरणार्थ, व्हॉल्यूम अप) बटन दाबतो, तेव्हा त्या रिमोटमधल्या ‘व्हॉल्यूम अप’चं सर्किट पूर्ण होतं. रिमोटवरच्या आयसीला ते समजतं. मग आयसी ‘व्हॉल्यूम अप’ करण्याची सूचना बायनरी कोडमधून (सोनीसाठी ००१००१०) देतं.

रिमोटमधलं एलईडी मग या कोडप्रमाणं पल्सेस निर्माण करून टीव्हीकडं पाठवतं. टीव्हीतल्या इन्फ्रारेड रिसिव्हरकडे हे सिग्नल्स येतात. यानंतर टीव्हीमधली सर्किट्‌स या सिग्नलचा अर्थ लावतात आणि आपल्या आत असणाऱ्या मायक्रोप्रोसेसरला व्हॉल्यूम मोठा करण्यासाठी सूचना देतात. असंच इतरही बटनांचं होतं. रेडिओ फ्रीक्वेन्सीजवर चालणाऱ्या रिमोटचंही थोडंफार असंच तत्त्व असतं. या सगळ्यासाठी जे प्रोसेसिंग करावं लागतं त्यासाठी मायक्रोकंट्रोलर्सच लागतात.   

ट्रॅफिक सिग्नल्सचं आणखी एक उदाहरण देता येईल. आजकाल ट्रॅफिक सिग्नल्समध्ये ‘इंटेलिजन्स’ येत चाललाय. उदाहरणार्थ, चारही बाजूंनी जाणाऱ्या वाहनांना सारखाच वेळ देण्याऐवजी ज्या बाजूनं आणि दिवसातल्या ज्या वेळी जास्त वाहतूक असेल, त्यावेळी त्या रस्त्यावर, त्या दिशेनं दिवे जास्त वेळ हिरवे ठेवायचे ही पद्धत जास्त कार्यक्षम ठरते. मात्र, यासाठी प्रत्येक रस्त्यावर दिवसातून अनेक वेळा सगळ्या दिशांनी किती गाड्या जाताहेत, कुठल्या वेळी/कुठं, किती ट्रॅफिक जॅम होतोय हे सगळं मोजत बसावं लागेल आणि मग त्यानुसार या सिग्नल्सच्या दिव्यांच्या वेळा बदलाव्या लागतील. यासाठी सिग्नल्सपाशी कुठल्या दिशेनं किती वाहनं गेली हे मोजण्याची यंत्रणा तर लागेलच; पण ती माहिती साठवणं, त्यावर आकडेमोड करून त्यावरून निष्कर्ष काढणं आणि त्याप्रमाणं सिग्नल्सच्या वेळा बदलणं यासाठी ‘इंटेलिजन्स’ लागेलच. म्हणूनच यात एम्बेडेड सिस्टिम आणि सॉफ्टवेअर वापरतात. 

जगामध्ये एम्बेडेड सिस्टिम्सची मागणी आणि बाजारपेठ खूप वेगानं वाढते आहे. सन २०१३ मध्ये ती १४ हजार कोटी डॉलर्सची होती. सन २०२० पर्यंत ती २१,४३९ कोटी डॉलर्स एवढी मोठी होईल, अशी अपेक्षा आहे.

'सप्तरंग'मधील लेख वाचण्यासाठी क्लिक करा