Đang tải... (xem toàn văn)
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 5Các khái niệm về hệ nhúng 5Đặc điểm công nghệ và xu thế phát triển của hệ nhúng 7Đặc điểm công nghệ 7Xu thế phát triển và sự tăng trưởng của hệ nhúng 8CHƯƠNG 2 CẤU TRÚC PHẦN CỨNG HỆ NHÚNG 9Các thành phần kiến trúc cơ bản 9Đơn vị xử lý trung tâm 9Xung nhịp và trạng thái tín hiệu 9us địa chỉ và dữ liệu điều khiển 10Bộ nhớ và kiến trúc bộ nhớ 11Không gian và phân vùng địa chỉ 13Ngoại vi 132.1.7. Giao diện 26Một số nền phần cứng nhúng thông dụng 30Chip vi xử lý/ vi điều khiển nhúng 30Chip DSP 322.2.3 PAL 34CHƯƠNG 3 LẬP TRÌNH HỆ NHÚNG 42Đặc điểm phần mềm nhúng 42Biểu diễn số và dữ liệu 42hệ thống cơ số 42Số nguyên 43Số dấu phảy tĩnh 45Số dấu phảy động 45Một số phép tính cơ bản 47Tập lệnh 51Cấu trúc tập lệnh CISC và RISC 51Định dạng lệnh 533.3.3. Các kiểu truyền đại chỉ toán tử lệnh 543.3.5 Harzard 58Ngôn ngữ và môi trường phát triển 61Biên dịch 63Simulator 70Emulator 70Thiết kế hệ thống bằng máy tính 71CHƯƠNG 4 HỆ ĐIỀU HÀNH NHÚNG 744.1. Hệ điều hành 74Bộ nạp khởi tạo (Boot-loader) 75Hệ điều hành thời gian thực 78CHƯƠNG 5 KĨ THUẬT LẬP TRÌNH NHÚNG 83Tác vụ và quá trình (process) 83Lập lịch (Scheduling) 83Các khái niệm 83phương pháp lập lịch phổ biến 85Kỹ thuật lập lịch 88Truyền thông và đồng bộ 90Semaphore 90Monitor 94Xử lý ngắt 95CHƯƠNG 6 THIẾT KẾ HỆ NHÚNG: TỔ HỢP PHẦN CỨNG VÀ MỀM 99Qui trình phát triển 99Mô hình hoá sự kiện và tác vụ 99Phương pháp mô hình Petrinet 99Qui ước biểu diễn mô hình Petrinet 100Tả các tình huống hoạt động cơ bản với Petrinet 102Ngôn ngữ mô tả phần cứng (VHDL) 111Thiết kế phần mềm điều khiển 112hình thực thi bộ điều khiển nhúng 112Ví dụ triển khai bộ điều khiển PID số 115
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ******** ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG HỆ THỐNG NHÚNG EMBEDDED SYSTEMS Hưng Yên, tháng 01 năm 2010 CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG Các khái niệm hệ nhúng Đặc điểm công nghệ xu phát triển hệ nhúng Đặc điểm công nghệ Xu phát triển tăng trưởng hệ nhúng CHƯƠNG CẤU TRÚC PHẦN CỨNG HỆ NHÚNG Các thành phần kiến trúc Đơn vị xử lý trung tâm Xung nhịp trạng thái tín hiệu us địa liệu điều khiển 10 Bộ nhớ kiến trúc nhớ 11 Không gian phân vùng địa 13 Ngoại vi 13 2.1.7 Giao diện 26 Một số phần cứng nhúng thông dụng 30 Chip vi xử lý/ vi điều khiển nhúng 30 Chip DSP 32 2.2.3 PAL 34 CHƯƠNG LẬP TRÌNH HỆ NHÚNG 42 Đặc điểm phần mềm nhúng 42 Biểu diễn số liệu 42 hệ thống số 42 Số nguyên 43 Số dấu phảy tĩnh 45 Số dấu phảy động 45 Một số phép tính 47 Tập lệnh 51 Cấu trúc tập lệnh CISC RISC 51 Định dạng lệnh 53 3.3.3 Các kiểu truyền đại toán tử lệnh 54 3.3.5 Harzard 58 Ngôn ngữ môi trường phát triển 61 Biên dịch 63 Simulator 70 Emulator 70 Thiết kế hệ thống máy tính 71 CHƯƠNG HỆ ĐIỀU HÀNH NHÚNG 74 4.1 Hệ điều hành 74 Bộ nạp khởi tạo (Boot-loader) 75 Hệ điều hành thời gian thực 78 CHƯƠNG KĨ THUẬT LẬP TRÌNH NHÚNG 83 Tác vụ trình (process) 83 Lập lịch (Scheduling) 83 Các khái niệm 83 phương pháp lập lịch phổ biến 85 Kỹ thuật lập lịch 88 Truyền thông đồng 90 Semaphore 90 Monitor 94 Xử lý ngắt 95 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ NHÚNG: TỔ HỢP PHẦN CỨNG VÀ MỀM 99 Qui trình phát triển 99 Mơ hình hố kiện tác vụ 99 Phương pháp mơ hình Petrinet 99 Qui ước biểu diễn mô hình Petrinet 100 Tả tình hoạt động với Petrinet 102 Ngôn ngữ mô tả phần cứng (VHDL) 111 Thiết kế phần mềm điều khiển 112 hình thực thi điều khiển nhúng 112 Ví dụ triển khai điều khiển PID số 115 CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG Kỷ nguyên công nghệ tiếp tục phát triển không ngừng nhằm thơng minh hóa đại hóa hệ thống Có thể nói đời phát triển hệ nhúng trước tiên phải kể đến đời vi xử lý, vi điều khiển Nó đánh dấu đời Chip vi xử lý 4004 vào năm 1971 cho mục đích tính tốn thương mại cơng ty Busicom sau chắp cánh phát triển vượt bậc INTEL để trở thành siêu xử lý Chip ứng dụng cho PC ngày Thập kỷ 80 coi thời điểm bắt đầu kỷ nguyên bùng nổ thông tin phát triển hệ nhúng Từ khởi nguồn cho sóng đời hàng loạt chủng loại vi xử lý gắn liền hệ nhúng để thâm nhập rộng khắp ứng dụng hàng ngày sống ví dụ thiết bị điện tử sử dụng cho sinh hoạt hàng ngày như: lị vi sóng, TV, tủ lạnh, máy giặt, điều hòa… văn phòng làm việc như: máy fax, máy in, máy điện thoại… vi xử lý phần mềm ngày sử dụng rộng rãi nhiều ứng dụng đa dạng Trong số cịn ứng dụng cho chip bit, 16 bit chủ yếu 32 bit (chiếm khoảng 75%) Gắn với phát triển phần cứng, phần mềm phát triển với tốc độ nhanh khơng thua chí tăng nhanh nhiều theo phát triển hệ nhúng Các khái niệm hệ nhúng Hệ nhúng Hình 1: vài hình ảnh hệ nhúng Trong giới hệ thống điện/điện tử hay thiết bị điện có khả xử lý thơng tin điều khiển tiềm ẩn thiết bị hay hệ nhúng, ví dụ thiết bị truyền thông, thiết bị đo lường điều khiển, kể hàng loạt thiết bị hệ thống nhúng tồn quanh ta, chúng hệ nhúng Vậy thực chất hệ nhúng phần hệ thống xử lý thông tin hệ thống lớn, phức hợp độc lập ví dụ ô tô, thiết bị đo lường, điều khiển, truyền thơng thiết bị thơng minh nói chung Chúng tổ hợp phần cứng phần mềm để thực một nhóm chức chuyên biệt cụ thể (trái ngược với máy tính PC mà thường thấy sử dụng cho chức mà nhiều chức chức năng) PC thực chất hệ thống lớn tổ hợp nhiều hệ thống nhúng ví dụ card hình, âm thanh, ổ cứng, bàn phím… Chính điều làm dễ lúng túng hỏi nên hiểu PC, có phải hệ nhúng hay khơng Hệ thời gian thực Trong tốn điều khiển ứng dụng hay gặp thuật ngữ ”thời gian thực” Real time có phải thời gian phản ánh độ trung thực thời gian hay khơng? Thời gian thực có phải hiển thị xác đồng theo nhịp đồng hồ thời gian hay khơng? Khơng hồn tồn vậy! Thực chất theo cách hiểu nói hệ thống kỹ thuật đặc biệt hệ thống yêu cầu khắt khe ràng buộc thời gian, thời gian thực hiểu yêu cầu hệ thống phải đảm bảo thỏa mãn yêu cầu tính tiền định hoạt động hệ thống Tính tiền định nói lên hành vi hệ thống thực theo khung thời gian cho trước hoàn toàn xác định vài giây đến vài nano giây nhỏ Ở phân biệt yếu tố thời gian gắn liền với khái niệm thời gian thực Không phải hệ thống thực nhanh đảm bảo thực tính thời gian thực Hơn nhanh khơng chưa đủ mà phải đảm bảo trì ổn định chế hoạt động tin cậy Chính ví mà hệ thống khơng kiểm sốt hoạt động (bất định) khơng phải hệ thống đảm bảo tính thời gian thực hệ thống đáp ứng nhanh, chí nhanh nhiều so với yêu cầu đặt Một ví dụ tiêu biểu đường truyền thông liệu qua đường truyền Hình 1-2: Phân bố quan hệ hệ nhúng & thời gian thực Chuẩn Ethernet truyền thống, biết tốc độ truyền nhanh hệ hoạt động thời gian thực khơng thỏa mãn tính tiền định chế truyền liệu (có thể nhanh chậm có cạnh tranh giao thông đường truyền bị nghẽn) Đặc điểm công nghệ xu phát triển hệ nhúng Đặc điểm cơng nghệ Các hệ thống có chung số đặc điểm yêu cầu khả thời gian thực, độ tin cậy, tính độc lập hiệu Một câu hỏi đặt hệ thống nhúng lại phát triển phổ biến cách nhanh chóng Câu trả lời nằm các yêu cầu tăng cường không ngừng ứng dụng công nghiệp Một yêu cầu là: Khả độc lập thơng minh hóa: điều ghi rõ thơng qua thuộc tính u cầu cụ thể: - Độ tin cậy - Khả bảo trì nâng cấp - Sự phổ cập tiện sử dụng - Độ an toàn Hiệu quả: Yêu cầu thể thông qua số đặc điểm hệ thống sau: - Năng lượng tiêu thụ - Kích thước phần cứng phần mềm - Hiệu thời gian thực - Kích thước khối lượng - Giá thành Phân hoạch tác vụ chức hóa: Các vi xử lý thực phần điều khiển cho chức thu thập, xử lý hiển thị ô tô hay hệ thống điều khiển trình Khả làm tăng thêm chuyên biệt hóa chức hệ thống lớn dễ dàng cho trình xây dựng, vận hành bảo trì Khả thời gian thực: Các hệ thống gắn liền với việc đảm nhiệm chức phải thực theo khung thời gian qui định Thông thường chức hệ thống phải thực theo khung thời gian qui định Thông thường chức hệ thống phải thực hoàn thành theo yêu cầu thời gian dịnh trước để đảm bảo thông tin cập nhật kịp thời cho phẫn xử lý chức khác ảnh hưởng đến hoạt động xác tồn hệ thống Tùy thuộc vào toán yêu cầu hệ thống mà yêu cầu khả thời gian thực củng khác làm tăng lên tính chun mơn hóa hệ thống thiết bị nhúng mà thiết bị đa cạnh tranh Xu phát triển tăng trưởng hệ nhúng Vì phát triển hệ nhúng kết hợp nhuần nhuyễn phần cứng phần mềm công nghệ gắng liền với cơng nghệ kết hợp với giải pháp cho phần cứng mềm Vì tính chuyên biệt thiết bị /hệ nhúng giới thiệu nên phần cứng chế tạo để ưu tiên đáp ứng cho chức hay nhiệm vụ cụ thể yêu cầu thiết kế đưa Lớp hệ nhúng ưu tiên phát triển theo tiêu chí kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ lượng ít, giá thành thấp Các chip xử lý nhúng cho lớp hệ thống ứng dụng thường yêu cầu khả tính tốn vừa phải nên hầu hết xây dựng sở đồng xử lý bit- 16 bit 32 bit không hỗ trợ dấu phảy động hạn chế dung lượng khả tính toán Lớp hệ nhúng ưu tiên thực thi khả xử lý tính tốn với tốc độ cực nhanh Các chip xử lý nhúng cho hệ thống hỗ trợ CHƯƠNG CẤU TRÚC PHẦN CỨNG HỆ NHÚNG Các thành phần kiến trúc Đơn vị xử lý trung tâm CPU (central processing unit) đóng vai trị não chịu trách nhiệm thực thi chức đơn vị tính thực lệnh Phần CPU đảm nhiệm chức đơn vị logic toán học (ALU arthimeic logic unit) Ngoài để hỗ trợ cho hoạt động ALU cịn có thêm số thành phần khác giải mã decoder, sequencer ghi · Thanh ghi trỏ ngăn xếp - Stack pointer Thanh ghi lưu trữ địa ngăn xếp Theo nguyên lý giá trị địa chứa gh trỏ ngăn xếp giảm liệu lưu thêm vào ngăn xếp tăng liệu lấy khỏi ngăn xếp · Thanh ghi số - Index register Thanh ghi số sử dụng để lưu địa mode địa sử dụng Nó cịn biết tới với tên gọi ghi trỏ hay ghi lựa chọn tệp Microchip · Thanh ghi địa lệnh / đếm chương trình - Program Counter Một ghi quan trọng CPU ghi đếm chương trình Thanh ghi đếm chương trình tăng lên Chương trình kết thúc ghi PC có giá trị địa cuối chương trình nằm nhớ chương trình · Thanh ghi tích lũy - Accumulator Thanh ghi tích lũy ghi giao tiếp trực tiếp với ALU sử dụng để lưu giữ toán tử kết phép tốn q trình hoạt động ALU Xung nhịp trạng thái tín hiệu Trong VXL nói chung hoạt động hệ thống thực đồng dị theo xung nhịp chuẩn Các nhịp lấy trực tiếp gián tiếp từ nguồn xung chuẩn thường mạch tạo xung dao động thạch anh Để mô tả hoạt động hệ thống, tín hiệu liệu điều khiển thường mô tả trạng thái theo giản đồ thời gian mức tín hiệu Mục đích việc mơ tả trạng thái tín hiệu theo giản đồ thời gian mức tín hiệu để phân tích xác định chuỗi kiện hoạt động chi tiết rong chu kỳ bus Nhờ việc mô tả xem xét đến khả đáp ứng thời gian kiện thực thi hệ thống thời gian cần thiết để thực thi hoạt động khả tương thích sự phối hợp cá thiết bị ghép nối hay mở rộng hệ thống Thông thường thông tin nhịp thời gian hoạt động nhưu đặc tính kỹ thuật chi tiết cung cấp qui đinh nhà chế tao Một số đặc trưng thời gian trạng thái hoạt động tín hiệu hệ thống gồm có sau: + Thời gian tăng giảm + Thời gian trễ lan truyền tín hiệu + Thời gian thiết lập + Thời gian giữ + Trễ cấm hoạt động trạng thái treo Tri-state + Độ rộng xung + Tần số nhịp hoạt động · Thời gian tăng giảm Thời gian tăng định nghĩa khoảng thời gian để tín hiệu tăng từ 20% đến 80% mức tín hiệu cần thiết Thời gian giảm khoảng thời gian để tín hiệu giảm từ 80% đến 20% mức tín hiệu cần thiết · Thời gian trễ lan truyền Là khoản thời gian tính từ thay đổi tín hiệu vào có thay đổi tín hiệu đầu Đặc tính thường cấu tạo khả truyền dẫn tín hiệu vật lý hệ thống tín hiệu · Thời gian thiết lập lưu giữ Khoảng thời gian cần thiết để tín hiệu trích mẫu đạt tới trạng thái ổn định trước xung nhịp chuẩn đồng hồ thay gọi thời gian xác lập Thời gian lưu giữ khoảng thời gian cần thiết để trì tín hiệu trích mẫu ổn định sau xung nhịp chuẩn đồng hồ thay đổi Thực chất khoảng thời gian thiết lập thời gian lưu giữ cần thiết để đảm bảo tín hiệu ghi nhận xác ổn định q trình hoạt động chuyển mức trạng thái Trong trường hợp hoạt động chuyển trạng thái tín hiệu khơng đồng khơng đảm bảo thời gian thiết lập lưu giữ dẫn đến ổn định hay khơng xác định mức tín hiệu hệ thống Hiện tượng biết tới với tên gọi metastability Bus địa liệu điều khiển Bus địa đường dẫn tín hiệu logic chiều để truyền địa tham chiếu tới khu vực nhớ liệu lưu giữ đâu không gian 10 ... triển hệ nhúng Các khái niệm hệ nhúng Hệ nhúng Hình 1: vài hình ảnh hệ nhúng Trong giới hệ thống điện/điện tử hay thiết bị điện có khả xử lý thơng tin điều khiển tiềm ẩn thiết bị hay hệ nhúng, ... bị đo lường điều khiển, kể hàng loạt thiết bị hệ thống nhúng tồn quanh ta, chúng hệ nhúng Vậy thực chất hệ nhúng phần hệ thống xử lý thông tin hệ thống lớn, phức hợp độc lập ví dụ tô, thiết bị... Các khái niệm hệ nhúng Đặc điểm công nghệ xu phát triển hệ nhúng Đặc điểm công nghệ Xu phát triển tăng trưởng hệ nhúng CHƯƠNG CẤU TRÚC PHẦN CỨNG HỆ NHÚNG Các