Giáo trình hệ thống nhúng

Giáo trình hệ thống nhúng Biên tập bởi: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên Giáo trình hệ thống nhúng Biên tập bởi: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên Phiên trực tuyến: http://voer.edu.vn/c/21d27e3a MỤC LỤC Mở đầu hệ thống nhúng Tổng quan hệ thống nhúng Các thành phần kiến trúc phần cứng Hệ thống nhúng Một số phần cứng Cơ sở kỹ thuật phần mềm nhúng Hệ điều hành cho hệ thống nhúng (HĐH thời gian thực) Cơ lập trình nhúng Tác vụ truyền thông tác vụ Kĩ thuật lập lịch xử lý ngắt thời gian thực Thiết kế Hệ thống nhúng 10 Thiết kế phần mềm điều khiển Tham gia đóng góp 1/99 Mở đầu hệ thống nhúng Tên Module: Hệ thống nhúng (Embedded System) Mã Module: ES334 Giáo viên: Hoàng Quốc Việt - Phạm Ngọc Hưng Ngành học: Công nghệ Thông tin Số học: 96 - 02 tín Loại hình đào tạo: Chính qui Thời gian thực hiện: Học kỳ II – Năm III Năm học: 2009/2010 Loại Module: LT Phiên bản: 20081007 Mục tiêu Sau hoàn thành module này, người học có khả năng: • Giải thích số khái niệm liên quan đến hệ thống nhúng, hệ điều hành nhúng phần mềm nhúng • Phân tích đặc điểm cấu trúc phần cứng, hệ điều hành phần mềm cho hệ thống nhúng • Ứng dụng thiết kế phát triển phần mềm cho hệ thống nhúng đơn giản • Rèn luyện khả tự nghiên cứu, khả làm việc theo nhóm Module giúp người học phát triển hoàn thiện lực: Phân tích (M3), Tư vấn (M3) Thực hiện(M3), thiết kế (M3) Điều kiện tiên Người học học môn Kỹ thuật điện tử; Kỹ thuật số; Vi xử lý; Kiến trúc máy tính; Lập trình hướng đối tượng; Học song song sau môn Hệ điều hành Mô tả module Module cung cấp cho người học kiến thức hệ thống nhúng, nội dung bao gồm: Giới thiệu chung hệ thống nhúng; Kiến trúc phần cứng hệ thống nhúng; Hệ điều hành nhúng, phần mềm nhúng 2/99 Nội dung MODULE Tổng quan Hệ thống nhúng Giới thiệu mơn học Hệ thống nhúng gì? Lịch sử phát triển hệ thống nhúng Xu hướng phát triển hệ thống nhúng Những thách thức vấn đề tồn với hệ thống nhúng Các đặc điểm hệ thống nhúng Một số ví dụ hệ thống nhúng Các thành phần kiến trúc phần cứng Hệ thống nhúng Đơn vị xử lý trung tâm CPU Xung nhịp trạng thái tín hiệu Bus địa chỉ, liệu điều khiển Bộ nhớ Ngoại vi Giao diện Một số phần cứng nhúng thông dụng Chip Vi xử lý/Vi điều khiển nhúng Chip DSP Cơ sở kỹ thuật phần mềm nhúng Phần mềm nhúng gì? Đặc điểm phần mềm nhúng 3/99 Quy trình phát triển phần mềm nhúng Hệ điều hành cho Hệ thống nhúng Đặc điểm chung Hệ điều hành Hệ điều hành cho hệ thống nhúng - hệ điều hành thời gian thực Thời gian thực (Real - Time) gì? Các dạng thời gian thực Hệ điều hành thời gian thực Cơ Lập trình nhúng Biểu diễn số liệu Ngơn ngữ lập trình Các kiến trúc phần mềm nhúng thông dụng Tập lệnh Tác vụ truyền thông tác vụ Các tác vụ (Task) Truyền thông đồng tác vụ Semaphore Monitor Kĩ thuật lập lịch xử lý ngắt thời gian thực Các khái niệm Các phương pháp lập lịch phổ biến Kỹ thuật lập lịch Xử lý ngắt 4/99 Thiết kế Hệ thống nhúng Quy trình phát triển Mơ hình hóa kiện tác vụ Thiết kế phần mềm điều khiển Thiết kế phần mềm điều khiển Một số phương pháp phát triển phần mềm nhúng Project: Phân tích sơ đồ, cấu trúc phần cứng, phềm mềm hệ điều hành nhúng cho thiết bị cụ thể thực tế Tài liệu tham khảo: Sách giáo trình, Slide giáo viên biên soạn Sách tham khảo: [1] Giáo trình Hệ thống nhúng [2] TS Lưu Hồng Việt, “Hệ thống điều khiển nhúng” [3] Ken Arnold, “Embedded Controller Hardware Design” [4] Michael Barr, “Programming Embedded Systems” Học liệu: Giáo trình lưu hành nội bộ, sách tham khảo, máy tính, tài nguyên Internet, Projector Đánh giá: • Đánh giá q trình (tiểu luận): 40% • Kiểm tra cuối kỳ: 60% Kế hoạch học tập Bố trí giảng dạy module Hệ thống nhúng (2 tín chỉ) sau: 5/99 30 tiết lí thuyết (thực 10 buổi, buổi tiết) tiết thảo luận 60 chuẩn bị cá nhân: 45 (tài liệu 90 trang) 15 (bài tập lớn) Kế hoạch học tập Bài Mục tiêu • Trình bày mục tiêu Module • Trình bày định nghĩa, lịch sử phát triển hệ thống nhúng • Chỉ xu hướng phát triển thách thức với hệ thống nhúng • Trình bày đặc trưng của hệ thống nhúng • Trình bày đặc điểm cụ thể Hệ thống nhúng: Giao diện, kiến trúc CPU, thiết Hoạt động giáo viên • Giới thiệu môn học, phương pháp học, mục tiêu mơn học • Nêu số ứng dụng có sử dụng hẹ thống nhúng thực tế (máy giặt ) từ trình bày định nghĩa hệ thống nhúng • Trình bày xu hướng phát triển hệ thống nhúng nay, thách thức vấn đề tồn với hệ hệ thống nhúng Hoạt động sinh viên SGSV Đọc tài liệu [1]Ghi nhận lại vấn đề bản,Tham gia 8h thảo luận vấn đề mà giáo viên nêu ra.Đọc tài liệu giao Điều kện thực Phòng LTTài liệu tham khảo [1] 6/99 bị ngoại vi, công cụ phát triển độ tin cậy • Nêu số ví dụ hệ thống nhúng thực tế • Lấy ví dụ máy PC để thấy rõ đặc điểm thành phần : hình, CPU, hệ điều hành, thiết bị ngoại vi • Thảo luận đặc điểm PC về: Giao diện, CPU, hệ điều hành, phần mềm, thiết bi ngoại vi • Từ ví dụ trình bày đặc điểm Hệ thống nhúng Giao diện, kiến trúc CPU • Nêu vài ví dụ Hệ thống nhúng thực 7/99 tế sống • Tổng kết học • Hướng dẫn sinh viên đọc tài liệu tham khảo, nhấn mạnh công việc sinh viên • Trình bày thành phần kiến trúc phần cứng hệ thống nhúng • Trình bày đặc điểm, chức thành phần phần cứng hệ thống nhúng: CPU, Bus, Bộ nhớ • Thảo luận thành phần phần cứng hệ thống PC thông thường chức thành phần • Thảo luận vai trò thành phần phần cứng PC • Liên hệ so sánh thành phần phần cứng • Đọc tài liệu [1] • Tham gia thảo luận vấn đề nêu • Nắm vứng 8h kiến thức mơn học kiến trúc máy tính • Ghi - Phòng LTTài liệu tham khảo [1],[2] 8/99 PC với thành phần phần cứng hệ thống nhúng • Mơ tả đặc điểm trình bày chức thành phần phần cứng hệ thống nhúng • Hướng dẫn sinh viên đọc tài liệu tham khảo, nhấn mạnh công việc sinh viên • Trình bày tổng quan Chip Vi xử lý nhúng • Trình bày số phần cứng nhúng thông dụng • Trình bày tổng quan Chip Vi xử lý nhúng Vai trò Chip hệ thống vấn đề • Đọc tài liệu [1] • Nắm vứng kiến 8h thức môn học kiến - Phòng LTTài liệu tham khảo [1], [2] 9/99 về: đặc điểm, chức năng, ưu điểm • Trình bày khái niệm phần mềm hệ thống nhúng, xu phát triển phần mềm nhúng giới tầm quan trọng • Trình bày đặc điểm phần mềm nhúng • Mơ tả quy trình phát triển • Trình bày số phần cứng nhúng • Giải thích đặc điểm, chức năng, ưu điểm với loại • Hướng dẫn sinh viên đọc tài liệu tham khảo trúc máy tính • Ghi vấn đề • Thảo luận học trước (bài cũ) • Thảo luận phần mềm hệ thống máy tính PC → trình bày khái niệm phần mềm nhúng • Thảo luận đặc điểm phần mềm PC → trình bày đặc điểm • Đọc trước chủ đề liên quan tài liệu • Tham gia thảo luận 8h học trước, thảo luận phần mềm hệ thống máy tính • Phịng Lý thuyết • Tài liệu tham khảo [1] 10/99 phần mềm nhúng phần mềm nhúng • Trình bày bước quy trình phát triển phần mềm nhúng (quá trình biên dịch phát triển phần mềm nhúng) • Tham gia thảo luận đặc điểm phần mềm PC • Ghi vấn đề • Trình bày đặc điểm chung Hệ điều hành nói chung • Trình bày khái niệm thời gian thực dạng của thời gian thực • Trình bày khái niệm, vai trị đặc điểm Hệ điều hành thời gian thực • Thảo luận đặc điểm vai trị, cấu trúc hệ điều hành (môn học: Hệ điều hành) • Lấy ví dụ hệ thống nhúng yêu cầu thời gian thực thực tế phân tích ví dụ • Từ ví dụ đưa trình bày khái niệm thời gian thực • Thảo luận vấn đề mà giáo viên đưa • Trao đổi kết thảo luận với 8h sinh viên khác • Ghi nhận vấn đề thời gian thực hệ điều hành thời - Phòng LTTài liệu tham khảo [1],[2] 11/99 • • • • • Nắm vững cách biểu diễn số, liệu thao tác thành thạo hệ thống số kĩ thuật lập trình nhúng • Trình bày ngơn ngữ lập trình dùng q trình phát triển phần mềm nhúng đưa đặc điểm Nêu nên dạng thức thời gian thực Trình bày khái niệm hệ điều hành thời gian thực đặc điểm Tổng kết học Giao nội dung học sau • Thảo luận học trước (bài cũ) • Trình bày cách biểu diễn số liệu • Yêu cầu sinh viên thực số phép tính hệ số khác • Trình bày ngơn ngữ lập trình dùng cho phát gian thực • Đọc tài liệu giao • Tham gia thảo luận học trước • Tham gia thảo luận hệ 8h thống số biểu diễn liệu lập trình nhúng - Phịng LTTài liệu tham khảo [1], [2] 12/99 • Chỉ kiến trúc phần mềm Hệ thống nhúng • Trình bày đặc điểm kiến trúc phần mềm hệ thống nhúng • Giải thích đặc điểm chung tập lệnh phần mềm nhúng mô tả tập lệnh số VXL/VĐK nhúng • • • • • • Mô tả cấu trúc, chức năng, triển phần mềm cho PC → trình bày ngơn ngữ lập trình dùng phát triển phần mềm nhúng Lấy ví dụ điển hình cho loại kiến trúc phần mềm hệ thống nhúng Từ ví dụ trình bày đặc điểm loại kiến trúc phần mềm hệ thống nhúng Nêu cấu trúc tập lệnh kiểu truyền địa toán tử lệnh Tổng kết học Giao nội dung học sau • Tiếp cận vấn đề “hệ thống điều làm ví dụ mà giáo viên đưa • Ghi nhận lại kiến trúc phần mềm nhúng thơng dụng • Ghi vấn đề • Trao đổi kết 8h - Phòng LTTài liệu tham khảo [1],[2] 13/99 đặc điểm tác vụ hệ điều hành thời gian thực • Trình bày hai chế đồng truyền thông sử dụng hệ điều hành thời gian thực (Semaphore Monitor) khiển kiện” → đa nhiệm, từ nêu khái niệm tác vụ (task) • Trình bày khái niệm “hệ thống điều khiển kiện” → trình bày đa nhiệm từ nêu khái niệm tác vụ • Đưa hình vẽ mơ tả cấu trúc tác vụ nêu cấu trúc tác vụ • Giới thiệu vấn đề truyền thông đồng Đưa vài chế đồng truyền thông sử dụng hệ điều hành thời gian thực thảo luận với bạn sinh viên khác • Làm việc độc lập phân tích hình vẽ mơ tả cấu trúc tác vụ • Ghi nhận vấn đề quan trọng tác vụ truyền thông tác vụ hệ điều hành thời gian thực 14/99 • Trình bày đặc điêm hai chế cụ thể • Trình bày vai trị lập lịch hệ điều hành thời gian thực • Chỉ kiểu lập lịch khác (lập lịch có chu kì, lập lịch khơng chu kì ) • Trình bày kĩ thuật lập lịch khác • Trình bày kĩ thuật xử lý ngắt (Polling Interrupt) • Đưa mơ hình trạng thái tác vụ • Giải thích thành phần mơ hình trạng thái tác vụ • Thảo luận vấn đề lập lịch hệ điều hành thơng thường • Giới thiệu kiểu lập lịch khác hệ điều hành thời gian thực (đặc điểm ) • Tiếp cận trình bày khái niệm “hệ thống điều khiển kiện” • Trình bày phương pháp tiếp • Tham gia thảo luận vấn đề mà giáo viên đưa • Trao đổi kết thảo luận với bạn sinh viên khác 8h • Làm việc độc lập phân tích hình vẽ mơ tả mơ hình trạng thái tác vụ • Ghi nhận lại vấn đề quan trọng - Phòng LTProjector- Tài liệu tham khảo [1], [2] 15/99 cận là: Polling Interrupt • Trình bày đặc điểm Polling • Mô tả đặc điểm ngắt (Interrupt), loại ngắt dùng hệ vi xử lý • Tổng kết học • Chỉ chu trình phát triển hệ thống nhúng (các bước để phats triển hệ thống nhúng) • Trình bày mơ hình hóa kiện tác vụ • Thảo luận chu trình phát triển hệ thống phần mềm thơng thường • Nêu chu trình phát triển hệ thống nhúng • Nêu nên mơ hình hóa kiện Petrinet • Giới thiệu việc quy ước biểu diễn mơ • Tham gia thảo luận tích cực vấn đề giao • Ghi chéo 8h vấn đề liên quan đến mơ hình hóa kiện tác vụ hệ thống nhúng - Phòng LTTài liệu tham khảo [1] 16/99 hình hóa Petrinet • Mơ tả tình hoạt động với Petrinet 10 • Trình bày vấn đề thiết kế phần mềm điều khiển hệ thống nhúng • Chỉ số phương pháp phát triển phần mềm nhúng máy tính • Giới thiệu lý thuyết liên quan đến thiết kế phần mềm điều khiển • Trình bày số phương pháp phát triển phần mềm nhúng máy tính • Tham gia thảo luận chủ đề • Trao 8h đổi kết với sinh viên khác - Phòng LTTài liệu tham khảo [1],[2] 17/99 Tổng quan hệ thống nhúng Giới thiệu môn học Module cung cấp cho người học kiến thức hệ thống nhúng, Nội dung bao gồm: Giới thiệu chung hệ thống nhúng; Kiến trúc phần cứng hệ thống nhúng; Hệ điều hành nhúng, phần mềm nhúng Sau hoàn thành module này, người học có khả năng: • Giải thích số khái niệm liên quan đến hệ thống nhúng, hệ điều hành nhúng phần mềm nhúng • Phân tích đặc điểm cấu trúc phần cứng, hệ điều hành phần mềm cho hệ thống nhúng • Ứng dụng thiết kế phát triển phần mềm cho hệ thống nhúng đơn giản • Rèn luyện khả tự nghiên cứu, khả làm việc theo nhóm Để học tốt mơn học người học phải tự xây dựng cho phương pháp học thích hợp Nhưng phương pháp chung để học môn học người học phải hiểu thật kỹ phần lý thuyết từ tìm hiểu phần kiến thức mở rộng Hệ thống nhúng gì? Hệ thống nhúng (Embedded system) thuật ngữ để hệ thống có khả tự trị nhúng vào môi trường hay hệ thống mẹ Đó hệ thống tích hợp phần cứng phần phềm để thực một nhóm chức chuyên biệt cụ thể Hệ thống nhúng (HTN) thường thiết kế để thực chức chuyên biệt Khác với máy tính đa chức năng, chẳng hạn máy tính cá nhân, hệ thống nhúng thực một vài chức định, thường kèm với yêu cầu cụ thể bao gồm số thiết bị máy móc phần cứng chuyên dụng mà ta khơng tìm thấy máy tính đa nói chung Vì hệ thống xây dựng cho số nhiệm vụ định nên nhà thiết kế tối ưu hóa nhằm giảm thiểu kích thước chi phí sản xuất Các hệ thống nhúng thường sản xuất hàng loạt với số lượng lớn HTN đa dạng, phong phú chủng loại Đó thiết bị cầm tay nhỏ gọn đồng hồ kĩ thuật số máy chơi nhạc MP3, sản phẩm lớn đèn giao thơng, kiểm sốt nhà máy hệ thống kiểm soát máy lượng hạt nhân Xét độ phức tạp, hệ thống nhúng đơn giản với vi điều khiển phức tạp với nhiều đơn vị, thiết bị ngoại vi mạng lưới nằm gọn lớp vỏ máy lớn 18/99