Đang tải... (xem toàn văn)
Ngày nay, cùng với sự phát triển chung của công nghệ, lĩnh vực hệ điều hành đã có những bước tiến dài trong quá trình hình thành và phát triển của mình. Từ sự khởi đầu đơn giản có bản quyền trên máy tính cá nhân như Hệ điều hành DOS, tiến lên các phiên bản Windows như win3.1 rồi win95, win 98 ... mới đây nhất là hệ điều hành đa nhiệm thời gian thực Win7, bên cạnh đó phải kể đến các hệ điều hành mã nguồn mở như Max OS, Linux, Ubuntu... hiện nay đã xuất hiện những hệ điều hành dành cho điện thoại đi động như Windown Mobile, và đặc biệt trong lĩnh vực điện tử có những hệ điều hành chuyên biệt cho các chip xử lý như VxWork, uCLinux,FreeRTOS, OpenRTOS và SAFERTOS...Trong đó cần phải nói đến FreeRTOS, với tính thời gian thực và các ưu điểm đã giải quyết nhiều yêu cầu trong công nghệ vi xử lý. Để làm rõ điều này, đề tài của em trình bày 3 phần:
Đồ án tốt nghiệp Đặt vấn đề Ngày nay, với phát triển chung công nghệ, lĩnh vực hệ điều hành có bước tiến dài trình hình thành phát triển Từ khởi đầu đơn giản có quyền máy tính cá nhân Hệ điều hành DOS, tiến lên phiên Windows win3.1 win95, win 98 hệ điều hành đa nhiệm thời gian thực Win7, bên cạnh phải kể đến hệ điều hành mã nguồn mở Max OS, Linux, Ubuntu xuất hệ điều hành dành cho điện thoại động Windown Mobile, đặc biệt lĩnh vực điện tử có hệ điều hành chuyên biệt cho chip xử lý VxWork, uCLinux,FreeRTOS, OpenRTOS SAFERTOS Trong cần phải nói đến FreeRTOS, với tính thời gian thực ưu điểm giải nhiều yêu cầu công nghệ vi xử lý Để làm rõ điều này, đề tài em trình bày phần: PHẦN I : MỞ ĐẦU PHẦN NÀY TRÌNH BÀY VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ ĐỀ TÀI NÀY TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC, MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI PHẦN II: GIỚI THIỆU HĐH NHÚNG THỜI GIAN THỰC FREERTOS VÀ VI ĐIỀU KHIỂN ATMEGA 128 Đồ án tốt nghiệp PHẦN NÀY TRÌNH BÀY NGUN LÝ HỆ ĐIỀU HÀNH NĨI CHUNG VÀ GIẢI THÍCH CÁC KHÁI NIỆM, TRÌNH BÀY VỀ FREERTOS VÀ VĐK ATMEGA 128 PHẦN III: CÁC BƯỚC THIẾT KẾ ỨNG DỤNG MINH HỌA PHẦN NÀY TRÌNH BÀY CÁC BƯỚC THIẾT KẾ ỨNG DỤNG TRÊN HĐH FREERTOS PHẦN IV: CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ ĐÁNH GIÁ PHẦN NÀY NÊU RA NHỮNG KẾT QUẢ ĐA ĐẠT ĐƯỢC VÀ ĐÁNH GIÁ CHUNG Đồ án tốt nghiệp SUMMARY OF RESULTS OF RESEARCH THEMES Today, with the development of technology, field operating system has made strides in the process of formation and development of his From the beginning simple copyright on personal computer operating system like DOS, progress on the Windows version as win3.1 then Win95, Win 98 latest operating system multitasking real-time Win7, in addition to mentioning that the open source operating systems like Mac OS, Linux, Ubuntu now appeared that the operating system for mobile phones as Windown Mobile, and especially in the field of electronics is the operating system dedicated to processing chip as VxWork, uCLinux, FreeRTOS, and OpenRTOS SAFERTOS In which need FreeRTOS mention, with real-time and solved many advantages required in microprocessor technology To illustrate this, she presented the topic of three parts: PART I: TO TOP PRESENTATION OF THIS SITUATION RESEARCH ON THIS TOPIC AT HOME AND ABROAD, OBJECTIVES OF THEMES Đồ án tốt nghiệp PART II: ABOUT TIME AVAILABILITY OF OS FREERTOS VI AND CONTROL ATMEGA 128 THIS PRESENTATION AS MANAGER DEVICES AND EXPLANATION Ò GERENAL CONCEPTS, FREERTOS AND PRESENTATION OF VDK ATMEGA 128 PART III: THE STEP DESIGN APPLICATIONS Minh Hoa THIS STEP PRESENTATION OF DESIGN APPLICATIONS ON OS FREERTOS PART IV: THE RESULTS OF ASSESSMENT AND DAT THIS YET ACHIEVED RESULTS AND GENERAL ASSESSMENT Đồ án tốt nghiệp PHẦN I : MỞ ĐẦU I.1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NGỒI NƯỚC Ngoài nước : đề tài nghiên cứu mạnh mẽ nói hệ thống nhúng sử dụng nhiều lĩnh vực, nhiều mặt hàng từ thiết bị cao cấp vệ tinh, tên lửa, tàu thoi đến thiết bị tiêu dùng lò vi ba, máy sấy, máy hút bụi… Thị trường hệ thống nhúng có tiềm phát triển vô lớn Theo nhà thông kê giới số chip xử lý máy PC server, mạng LAN, WAN, Internet chiếm khơng đầy 1% tổng số chip vi xử lý có giới Hơn 99% số vi xử lý lại nằm hệ thống nhúng Tại Châu Á, Nhật Bản dẫn đầu thị trường nhúng thị trường phần mềm nhúng hàng đầu giới Đây coi thị trường đầy hứa hẹn với đối tác chuyên sản xuất phần mềm nhúng Trung Quốc, Indonesia, Nga, Ireland, Israel, Việt Nam I.2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC Trong nước: Hệ thống nhúng quan tâm thời gian gần Các doanh nghiệp làm phần mềm nhúng chưa nhiều, có Đồ án tốt nghiệp số trung tâm thuộc trường Đại học Quốc gia, Đại học Bách khoa, đơn vị Học viện Kỹ thuật quân sự, Viện nghiên cứu Điện tử - Tin học Tự động hóa, Tổng công ty Điện tử - Tin học, Công ty thiết bị Điện tử y tế, Công ty VTC – Truyền hình số mặt đất số cơng ty phần mềm khác… Đây đề tài nghiên cứu mẻ , đa số sử dụng phương thức lập trình đơn nhiệm/ đơn tiến trình điều khiển Cũng có vài hệ thống điều khiển mà lõi hệ thống hệ nhúng cài đặt hệ điều hành nhúng nhằm phục vụ ứng dụng điều khiển đa nhiệm I.3 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI Tìm hiểu giải pháp cung cấp dịch vụ cho ứng dụng điều khiển Giảiquyết nhu cầu xử lý đa nhiệm hệ thống điều khiển hệ thống thông tin công nghiệp dân dụng Đồ án tốt nghiệp PHẦN II: GIỚI THIỆU HĐH NHÚNG THỜI GIAN THỰC FREERTOS VÀ VI ĐIỀU KHIỂN ATMEGA 128 II.1 TỔNG QUAN HỆ ĐIỀU HÀNH II.1.1KHÁI NIỆM VỀ HỆ ĐIỀU HÀNH Hệ điều hành chương trình hay hệ chương trình hoạt động người sử dụng (user) phần cứng máy tính Mục tiêu hệ điều hành cung cấp mơi trường để người sử dụng thi hành chương trình Nó làm cho máy tính dể sử dụng hơn, thuận lợi hiệu Hệ điều hành phần quan trọng hầu hết hệ thống máy tính Một hệ thống máy tính thường chia làm bốn phần : phần cứng, hệ điều hành, chương trình ứng dụng người sử dụng Phần cứng bao gồm CPU, nhớ, thiết bị nhập xuất, tài ngun máy tính Chương trình ứng dụng chương trình dịch, hệ thống sở liệu, trị chơi, chương trình thương mại Các chương trình sử dụng tài ngun máy tính để giải yêu cầu người sử dụng Hệ điều hành điều khiển phối hợp việc sử dụng phần cứng cho ứng dụng khác nhiều người sử Đồ án tốt nghiệp dụng khác Hệ điều hành cung cấp môi trường mà chương trình làm việc hữu hiệu Hình 1.1 Mơ hình trừu tượng hệ thống máy tính Hệ điều hành coi phân phối tài nguyên máy tính Nhiều tài nguyên máy tính thời gian sử dụng CPU, vùng nhớ, vùng lưu trữ tập tin, thiết bị nhập xuất v.v… chương trình yêu cầu để giải vấn đề Hệ điều hành hoạt động quản lý tài nguyên phân phối chúng cho chương trình người sử dụng cần thiết Do có nhiều yêu cầu, hệ điều hành phải giải vấn đề tranh chấp phải định cấp phát tài nguyên cho yêu cầu theo thứ tự để hoạt động máy tính hiệu Một hệ điều hành coi chương trình kiểm sốt việc sử dụng máy tính, đặc biệt thiết bị nhập xuất Đồ án tốt nghiệp Tuy nhiên, nhìn chung chưa có định nghĩa hồn hảo hệ điều hành Hệ điều hành tồn để giải vấn đề sử dụng hệ thống máy tính Mục tiêu giúp cho việc thi hành chương trình dễ dàng Mục tiêu thứ hai hỗ trợ cho thao tác hệ thống máy tính hiệu Mục tiêu đặc biệt quan trọng hệ thống nhiều người dùng hệ thống lớn(phần cứng + quy mô sử dụng) Tuy nhiên hai mục tiêu có phần tương phản lý thuyết hệ điều hành tập trung vào việc tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên máy tính II.1.2 PHÂN LOẠI HỆ ĐIỀU HÀNH II.1.2.1 Hệ thống xử lý theo lô Bộ giám sát thường trực : Khi công việc chấm dứt, hệ thống thực công việc mà không cần can thiệp người lập trình, thời gian thực mau Một chương trình, cịn gọi giám sát thường trực thiết kế để giám sát việc thực dãy công việc cách tự động, chương trình ln ln thường trú nhớ Hệ điều hành theo lô thực công việc theo thị định trước CPU thao tác nhập xuất : Đồ án tốt nghiệp CPU thường hay nhàn rỗi tốc độ làm việc thiết bị nhập xuất (thường thiết bị cơ) chậm nhiều lần so với thiết bị điện tử Cho dù CPU chậm nhất, nhanh nhiều lần so với thiết bị nhập xuất Do phải có phương pháp để đồng hóa việc hoạt động CPU thao tác nhập xuất Xử lý off_line : Xử lý off_line thay CPU phải đọc trực tiếp từ thiết bị nhập xuất thiết bị xuất, hệ thống dùng lưu trữ trung gian CPU thao thác với phận Việc đọc hay xuất đến từ lưu trữ trung gian Spooling : Spool (simultaneous peripheral operation on-line) đồng hóa thao tác bên on-line Cơ chế cho phép xử lý CPU on-line, sử dụng đĩa để lưu liệu nhập xuất II.1.2.2 Hệ thống xử lý theo lơ đa chương Khi có nhiều công việc truy xuất lên thiết bị, vấn đề lập lịch cho công việc cần thiết Khía cạnh quan trọng việc lập lịch khả đa chương Đa chương (multiprogram) gia tăng khai thác CPU cách tổ chức công việc cho CPU ln ln phải tình trạng làm việc Ý tưởng sau : hệ điều hành lưu giữ phần công việc nơi lưu trữ nhớ CPU thực phần công việc 10 Đồ án tốt nghiệp / / Semaphore khơng sử dụng trước gọi đến xSemaphoreCreateCounting () / / Các giá trị tối đa mà semaphore đếm 10, / / Gán giá trị ban đầu vào truy cập xSemaphore = xSemaphoreCreateCounting (xSemaphore! = (10, 0); null) ( / / Các semaphore tạo thành công / / Các semaphore sử dụng ) ) Trong FreeRTOS có file semphr.h chứa hàm viết sẵn dành cho semaphore Vd nhận thông tin từ semaphore dùng hàm xSemaphoreTake(), gửi vào semaphore dùng xSemaphoreGiveFromISR() Mutexe Có chế hoạt động giống semaphore binary thích hợp xử lý loại trừ 68 Đồ án tốt nghiệp Phương thức hoạt động sau: -khi task A muốn tương tác với tài nguyên bảo vệ, yêu cấu thơng tin từ semaphore -semaphore có thơng tin chuyển cho task A để trao đổi với tài nguyên -trong A trao đổi task B yêu cầu semaphore gửi thông tin Nhưng A dùng thông tin nên B chuyển sang trạng thái blocked để chờ -khi trao đổi xong, A trả thông tin cho semaphore -B thoát khỏi trạng thái block yêu cấu thông tin, lúc semaphore chuyển thông tin cho B để B trao đổi với tài nguyên -sau trao đổi xong, B trả lại thông tin cho semaphore 69 Đồ án tốt nghiệp 70 Đồ án tốt nghiệp Hình 2.6: Hoạt động Mutex 71 Đồ án tốt nghiệp Ví dụ sử dụng: xSemaphoreHandle void vATask xSemaphore; (void * pvParameters) ( / / Mutex semaphores khơng sử dụng trước gọi đến / / XSemaphoreCreateMutex () Việc tạo mutex trả lại xSemaphore = xSemaphoreCreateMutex (xSemaphore! = (); null) ( / / Các semaphore tạo thành công / / Các semaphore sử dụng ) ) Trace Hook Macros Là phương tiện thu thập thông tin để cung cấp cho ứng dụng người sử dụng Các bước thực Trace hook macros: – Thiết lập thông tin cho task1 hoạt động 72 Đồ án tốt nghiệp – Trong task2 ta gọi Trace Hook Macros để thơng báo cho thiết bị la task1 hoạt động để khởi động trace dùng hàm vTaskStartTrace(), muốn kết thúc dùng hàm ulTaskEndTrace() PHẦN III CÁC BƯỚC THIẾT KẾ ỨNG DỤNG MINH HỌA III.1 THIẾT KẾ MẠCH MƠ PHỎNG BẰNG Proteus Hình 3.1: Thiết kế mô ứng dụng -Mạch mô gồm: VĐK Atmega 128 73 Đồ án tốt nghiệp Transitor NPN Điện trở LED đơn Bộ tạo dao động gồm thạch anh tụ -Nguyên lý hoạt động: Khi tác động xung từ chân VĐK, cực B Transitor mở mức điện áp tương ứng 1, đóng điện áp Khi transitor mở, dòng điện từ nguồn qua transitor, xuống qua trở, gây sụt áp LED làm led sáng Khi transitor đóng, điện áp LED 0, LED khơng sáng III.2 LỰA CHỌN CẤU HÌNH CHO HĐH QUA FreeRTConfig.h Hình 3.2: Cấu hình HĐH FreeRTOS.h 74 Đồ án tốt nghiệp File FreeRTConfig.h file cấu hình cho HĐH, sau chức dòng lệnh FreeRTConfig.h 1,configUSE_PREEMPTION Đặt sử dụng hạt nhân ưu tiên, dùng hạt nhân hợp tác 2,configUSE_IDLE_HOOK đặt sử dụng IDLE_HOOK, không sử dụng 3,configUSE_TICK_HOOK đặt sử dụng TICK_HOOK, không sử dụng 4,configCPU_CLOCK_HZ đặt tần số đồng hồ cho lõi xử lý , giá trị dùng để cấu hình thiết bị ngoại vi 5,configTICK_RATE_HZ đặt tần số đánh dấu ngắt RTOS đánh dấu ngắt để đo thời gian, tất ứng dụng RTOS sử dụng tần số 1000Hz 6,configMAX_PRIORITIES 75 Đồ án tốt nghiệp đặt số ưu tiên lớn cho task 7,configMINIMAL_STACK_SIZE đặt kích cỡ stack sử dụng idle task, không nên đặt thấp khuyến cáo ứng dụng bạn tải cho cổng bạn sử dụng 8,configTOTAL_HEAP_SIZE tổng số lượng Ram có sẵn cho hạt nhân sử dụng 9,configMAX_TASK_NAME_LEN chiều dài tối đa cho tên task , task tạo ra, bao gồm ký tự null 10,configUSE_TRACE_FACILITY đặt muốn sử dụng trace thông dụng, đặt sử dụng trace theo dõi, trace theo dõi cần sung cấp đệm 11,configUSE_16_BIT_TICKS đánh dấu gián đoạn hạt nhân kể từ bắt đầu 12,configIDLE_SHOULD_YIELD 76 Đồ án tốt nghiệp tham số kiểm soát task độ ưu tiên cho idle, ngăn cản idle task từ kết thúc thời gian xử lý process trước đến process sau 13,configUSE_MUTEXES đặt sử dụng mutex ,hoặc không sử dụng 14,configUSE_RECURSIVE_MUTEXES đặt sử dụng mutex đệ quy ,hoặc không sử dụng 15,configUSE_COUNTING_SEMAPHORES đặt sử dụng đếm semaphore, khơng đặt 16,configUSE_ALTERNATIVE_API đặt dùng hàng đợi thay thế, không dùng 17,configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW sử dụng để phát tràn stack 18,configQUEUE_REGISTRY_SIZE Việc xếp hàng đăng ký có hai mục đích khác nhau, hai điều liên kết với hạt nhân nhận thức gỡ lỗi: 77 Đồ án tốt nghiệp Nó cho phép textual tên để liên kết với hàng đợi cho hàng dễ dàng xác định vịng gỡ lỗi GUI Nó chứa thông tin theo yêu cầu debugger để xác định vị trí xếp hàng đăng ký semaphore Việc xếp hàng đăng ký khơng có mục đích, trừ bạn sử dụng hạt nhân nhận thức debugger 19, configUSE_CO_ROUTINES đặt muốn dùng co-routine, đặt khơng muốn dụng, dùng cần phải có tệp coutine.c chương trình 20, configMAX_CO_ROUTINE_PRIORITIES đặt độ ưu tiên tối đa cho co-routine 21, configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 78 Đồ án tốt nghiệp III.3 VIẾT PHẦN ỨNG DỤNG BẰNG AVR Studio Hình 3.3: Viết ứng dụng AVR Studio Để viết phần mềm ứng dụng HĐH, bạn phải cài AVR Studio WinAVR, sau bạn khởi động AVR Studio, lập trình ứng dụng III.4 DỊCH PHẦN ỨNG DỤNG THÀNH FILE hex Để dịch phần ứng dụng, từ cửa sổ AVR Studio bạn chọn Build => Build 79 Đồ án tốt nghiệp Hình 3.4: Cửa sổ AVR Studio Hình 3.5: Dịch phần ứng dụng thành file hex thành công 80 Đồ án tốt nghiệp III.5 DÙNG MẠCH NẠP VÀO VI ĐIỀU KHIỂN Gắn VĐK lên mạch nạp, sau kết nối mạch nạp với máy tính, khởi động phần mềm hỗ trợ nạp, tiến hành chọn file Hex, ấn nút nạp để bắt đầu nạp cho VĐK 81 Đồ án tốt nghiệp TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]Dientuvietnam.net [2]Lý thuyết hệ điều hành-Trần Hạnh Nhi [3] www.atmel.com/ [4]www.freertos.org [5] www.vagam.dieukhien.net 82 ... LÝ HỆ ĐIỀU HÀNH NĨI CHUNG VÀ GIẢI THÍCH CÁC KHÁI NIỆM, TRÌNH BÀY VỀ FREERTOS VÀ VĐK ATMEGA 128 PHẦN III: CÁC BƯỚC THIẾT KẾ ỨNG DỤNG MINH HỌA PHẦN NÀY TRÌNH BÀY CÁC BƯỚC THIẾT KẾ ỨNG DỤNG TRÊN... KHIỂN ATMEGA 128 II.1 TỔNG QUAN HỆ ĐIỀU HÀNH II.1.1KHÁI NIỆM VỀ HỆ ĐIỀU HÀNH Hệ điều hành chương trình hay hệ chương trình hoạt động người sử dụng (user) phần cứng máy tính Mục tiêu hệ điều hành. .. đa số sử dụng phương thức lập trình đơn nhiệm/ đơn tiến trình điều khiển Cũng có vài hệ thống điều khiển mà lõi hệ thống hệ nhúng cài đặt hệ điều hành nhúng nhằm phục vụ ứng dụng điều khiển đa