قابلية البرمجة الميدانية

يُقال إن الجهاز الإلكتروني أو النظام المدمج قابل للبرمجة الميدانية أو قابل للبرمجة في مكانه إذا كان من الممكن تعديل برمجياته الثابتة (المخزنة في ذاكرة غير متطايرة ، مثل ذاكرة القراءة فقط ) "في الميدان"، دون تفكيك الجهاز أو إعادته إلى الشركة المصنعة. ^{[ 1 ]}

تُعدّ هذه ميزة مرغوبة للغاية في كثير من الأحيان، إذ تُقلّل من تكلفة استبدال البرامج الثابتة المعيبة أو القديمة، وتُسرّع من وقت الإصلاح. على سبيل المثال، يُمكن لمُصنّع كاميرات رقمية توزيع برامج ثابتة تدعم تنسيق ملفات صور جديد، وذلك بتوجيه المُستهلكين لتنزيل صورة البرنامج الثابت الجديد إلى الكاميرا عبر كابل USB .

عندما تُخزَّن البرامج الثابتة للجهاز في ذاكرة قراءة فقط (ROM) مُقنّعة أو ذاكرة قراءة فقط قابلة للبرمجة لمرة واحدة (PROM)، لا يمكن تعديلها إلا باستبدال الدائرة المتكاملة فعليًا ، لذا لا يمكن برمجة هذا الجهاز ميدانيًا بالمعنى الحديث. أما البرامج الثابتة القائمة على ذاكرة PROM القابلة للمسح، فيمكن مسحها وإعادة برمجتها، ولكن فقط بعد تعريضها لفترة طويلة لمصدر ضوء فوق بنفسجي عالي الكثافة.

لذا، لم تكن الأجهزة القابلة للبرمجة ميدانيًا عملية حتى اختراع ذاكرة EEPROM وذاكرة الفلاش في ثمانينيات القرن الماضي. كانت ذاكرات EEPROM المبكرة لا يمكن إعادة برمجتها إلا باستخدام أجهزة برمجة مخصصة باهظة الثمن ، نظرًا لحاجتها إلى جهد كهربائي عالٍ (10-20 فولت ، مقارنةً بمستويات المنطق النموذجية 3-5 فولت )، وعدم وجود بروتوكول برمجة قياسي ؛ ونتيجةً لذلك، كان فنيو الصيانة ومهندسو الخدمة هم من يقومون بالبرمجة الميدانية في الغالب. مع ذلك، ومنذ أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، صُممت العديد من الأجهزة خصيصًا ليتم برمجتها ميدانيًا من قِبل المستهلكين العاديين. وقد ساهمت عدة تطورات في تحقيق ذلك.  

• تحتوي أجهزة EEPROM وذاكرة الفلاش الحديثة على مضخات شحن داخلية تلغي الحاجة إلى الفولتية العالية.
• معظم المستهلكين لديهم إمكانية الوصول إلى أجهزة الكمبيوتر الشخصية ، والتي يمكنها تنفيذ بروتوكولات برمجة عشوائية.
• يوفر الوصول إلى الإنترنت في كل مكان وسيلة ملائمة لتوزيع صور البرامج الثابتة بسرعة.

ظهرت بروتوكولات قياسية لبرمجة أجهزة الذاكرة غير المتطايرة. على سبيل المثال، يمكن استخدام JTAG لقراءة وبرمجة رقائق EEPROM وFlash في العديد من الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية . تتضمن العديد من هذه الأجهزة رؤوس JTAG داخلية للبرمجة في المصنع ومراقبة الجودة ، حتى وإن لم يكن هناك موصل خارجي ظاهر في المنتج النهائي.

شهدت ثمانينيات القرن العشرين ظهور أجهزة المنطق القابلة للبرمجة (PLDs) مثل PALs و PLAs و CPLDs . وهي عبارة عن دوائر متكاملة يمكنها تنفيذ وظائف منطقية رقمية شبه عشوائية بناءً على معلومات شبيهة بالبرامج الثابتة مخزنة في ذاكرة غير متطايرة.

وبالتالي، يمكن اعتبار الأجهزة التي تحتوي على PLDs بمثابة أجهزة قابلة للبرمجة ميدانيًا ، بينما تعمل ذاكرة EEPROM وذاكرة الفلاش كوحدات تخزين للبرامج القابلة للبرمجة ميدانيًا .

تم اختراع مصفوفات البوابات المنطقية القابلة للبرمجة الميدانية (FPGAs) عام 1984، وهي تُعدّ أكثر أنواع المنطق القابل للبرمجة تطورًا المتاحة اليوم. تتميز هذه الأجهزة ذات السعة العالية بقدرتها على تنفيذ منطق بالغ التعقيد، مثل المعالجات الدقيقة أو معالجات الإشارات الرقمية . وتُشكّل اليوم عونًا كبيرًا في تطوير ونشر الأجهزة الإلكترونية الرقمية بسرعة. غالبًا ما تُستخدم مصفوفات البوابات المنطقية القابلة للبرمجة الميدانية في تصميم نماذج أولية للأجهزة وتسريعها .

تحتوي العديد من الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية (بما في ذلك مشغلات MP3 ، وأجهزة توجيه النطاق العريض ، والهواتف المحمولة ، والكاميرات الرقمية) على أنظمة مدمجة تعتمد على معالجات دقيقة ووحدات تحكم دقيقة للأغراض العامة . وتحتوي معظم هذه الأجهزة على مكونات قابلة للبرمجة ميدانيًا، يمكن تحديد موقعها والوصول إليها من قبل خبراء في مجال الإلكترونيات . وتتيح البرمجة الميدانية للهواة استبدال البرامج الثابتة للجهاز ببرمجيات جديدة قادرة على تعديل أو توسيع قدراته.

ظهرت العديد من المجتمعات الإلكترونية حول الأجهزة التي وُجد أنها ملائمة بشكل خاص لهذا النوع من التعديل. على سبيل المثال، مكّن مشروعا iPodLinux و OpenWrt المستخدمين من تشغيل توزيعات لينكس كاملة الميزات على مشغلات MP3 وأجهزة التوجيه اللاسلكية، على التوالي.

في حين أن برمجة الهواة الميدانية ممكنة نظريًا في أي نظام مضمن تقريبًا اليوم، إلا أن الجهود المبذولة لتعديل الأجهزة الاستهلاكية غالبًا ما تتعثر بسبب نقص الوثائق الخاصة بالأجهزة .

• البرامج الثابتة
• JTAG
• مصفوفة البوابات القابلة للبرمجة الميدانية (FPGA)
• مصفوفة تناظرية قابلة للبرمجة ميدانيًا (FPAA) - مثل FPGA ولكن بإشارات تناظرية
  • أجهزة الترددات اللاسلكية القابلة للبرمجة الميدانية

• دليل UsbAudioHowTo : دليل لتحويل جهاز توجيه لاسلكي إلى مشغل راديو إنترنت ، من مشروع OpenWrt