Thiết kế hệ thống mạng cảm biến

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG CƠ SỞ TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ II THIẾT KẾ HỆ THỐNG MẠNG CẢM BIẾN 1 1 GIỚI THIỆU Đặc điểm của các hệ thống nhúng hiện đại là khả năng gia[.]

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG CƠ SỞ TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ II THIẾT KẾ HỆ THỐNG MẠNG CẢM BIẾN 1.1 GIỚI THIỆU Đặc điểm hệ thống nhúng đại khả giao tiếp qua mạng để thích ứng với mơi trường hoạt động khác nhauđường ron Hệ thống nhúng tìm thấy thiết bị tiêu dùng hỗ trợ ứng dụng đa phương tiện, ví dụ, trợ lý kỹ thuật số cá nhân, mạng máy tính thiết bị liên lạc di động Chi phí thấp, người tiêu dùng-các mục tiêu theo định hướng thời gian tiếp cận thị trường nhanh chóng chiếm ưu hệ thống nhúng thiết kế Thiết kế mã phần cứng phần mềm sử dụng để đối phó với phát triển độ phức tạp thiết kế.Thiết kế phần cứng kỹ thuật số hệ thống nhúng ngày trở nên tương tự thiết kế phần mềm Việc sử dụng rộng rãi mô tả phần cứng ngôn ngữ công cụ tổng hợp làm cho thiết kế mạch trừu tượng Thị trường áp lực giảm thời gian nỗ lực phát triển khuyến khích đặc điểm trừu tượng- cation thúc đẩy việc tái sử dụng thành phần phần cứng phần mềm.Do đó, ngơn ngữ đặc tả phải cung cấp phương tiện thoải mái để tích hợp thư viện tái sử dụng.Java ngơn ngữ hướng đối tượng, linh hoạt, có độ phức tạp vừa phải sử dụng làm ngơn ngữ đặc tả quy trình thiết kế Java tích hợp sẵn nguyên thủy để xử lý nhiều luồng hỗ trợ đồng thời quản lý luồng kiểm sốt khác Các ứng dụng nhanh chóng phát triển Java Một phương pháp tổng hợp tảng tạo mẫu phát triển cụ thể ically cho thiết bị nhúng kết hợp phần cứng tích hợp chặt chẽ thành phần phần mềm Khám phá tổng hợp giải pháp thay thiết kế khác đồng xác minh triển khai cụ thể nhiệm vụ đòi hỏi khắt khe việc thiết kế hệ thống phần cứng phần mềm nhúng Hệ thống nhúng nối mạng đặt thách thức phương pháp luận thiết kế có yêu cầu khả thích ứng, thời gian chạy khả cấu hình lại phát sinh Một môi trường thiết kế mã dựa ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng Java hỗ trợ đặc tả,tổng hợp thực thi nguyên mẫu để cấu hình lại động kho hệ thống phần mềm.Hệ thống nhúng nối mạng trang bị capa-cơ sở vật chất kiểm sốt qua mạng JaCoP (Thiết kế mã điều khiển Java môi trường Prototyping) môi trường thiết kế mã dựa Java hỗ trợ đặc điểm kỹ thuật, tổng hợp tạo mẫu nhúng nối mạng hệ thống.Các hệ thống nhúng chạy nhiều ứng dụng web trình duyệt, ứng dụng giao tiếp âm video yêu cầu mạng kết nối Hệ thống nhúng nối mạng chia thành: ● hệ thống đa chức thực thi nhiều ứng dụng đồng thời ● hệ thống đa chế độ cung cấp cho người dùng số chế độ thay hoạt động Trong hệ thống đa chức năng, hệ thống nhúng thực thi nhiều ứng dụng đồng thời Các ứng dụng bao gồm thu thập liệu video,xử lý luồng âm duyệt WWW (World Wide Web) Hệ thống nhúng thường phải thích ứng với điều kiện hoạt động thay đổi Đối với ví dụ, ứng dụng đa phương tiện thích ứng với tốc độ mạng thay đổi cách sửa đổi tốc độ khung hình video để đáp ứng với tình trạng tắc nghẽn mạng Một trao đổi-giữa chất lượng dịch vụ (QoS) tỷ lệ mạng áp dụng Âm ứng dụng sử dụng kỹ thuật nén khác nhau, tùy thuộc vào mạng phản hồi tải chất lượng dịch vụ (QoS) từ ứng dụng khách.Trong hệ thống đa chế độ, hệ thống đa chế độ nhúng trải nghiệm số lượng phương thức hoạt động thay Ví dụ: điện thoại di động thực chức thay đổi cách hoạt động để phù hợp với giao thức truyền thông khác hỗ trợ chức tính khác nhau.Các thiết bị linh hoạt, đa chế độ bắt buộc ứng dụng điện tử ngân hàng thương mại điện tử Tùy thuộc vào loại kết nối mức độ bảo mật cần thiết, thiết bị áp dụng thuật tốn mã hóa khác truyền liệu.Một cách sử dụng khác hệ thống đa chế độ nhúng bị ảnh hưởng tốc độ phát triển ứng dụng dựa web Việc thay đổi ứng dụng gây yêu cầu thiết bị hộp giải mã tín hiệu thay đổi vịng vài tháng Đối với miền ứng dụng định, nhà thiết kế giảm bớt vấn đề thiếu thời gian tồn sản phẩm cách thiết kế thành phần hệ thống phần cứng phần mềm người dùng cấu hình nâng cấp sau sản xuất Tuy nhiên, nhiều thiết bị không hỗ trợ tác vụ này.Quản trị từ xa sản phẩm điện tử qua Internet trở thành tính quan trọng: có máy in máy photocopy với Web nhúng may chủ Bằng cách sử dụng thành phần phần cứng định cấu hình lại, nhà cung cấp thay đổi phần cứng triển khai chức sau cài đặt thiết bị nối mạng trang web khách hàng 1.2 THIẾT KẾ THEO ĐỊNH HƯỚNG ĐỐI TƯỢNG Hệ thống nhúng yêu cầu công cụ thiết kế mã phần cứng phần mềm Tuy nhiên, thiết kế hệ thống phần cứng phần mềm cấu hình tạo vấn đề Một mơi trường thiết kế hồn chỉnh cho hệ thống nhúng nên bao gồm thành phần phần cứng cấu hình lại động Các ngơn ngữ lập trình hướng đối tượng, Java sử dụng để đặc tả hồ sơ ban đầu để triển khai cuối phần mềm hệ thống thành phần Một số xu hướng ảnh hưởng đến phát triển hình thành hệ thống nhúng yêu cầu công cụ phát triển tối ưu Thiết kế hệ thống nhúng-phần cứng kỹ thuật số tem ngày trở nên giống với thiết kế phần mềm Việc sử dụng rộng rãi ngôn ngữ mô tả phần cứng công cụ tổng hợp làm cho thiết kế mạch trở nên trừu tượng Áp lực thị trường để giảm phát triển-đề cập đến thời gian nỗ lực khuyến khích đặc tả trừu tượng thúc đẩy việc tái sử dụng thành phần phần cứng phần mềm Do đó, cụ thể ngơn ngữ phải cung cấp phương tiện thoải mái để tích hợp tái sử dụng thư viện.Lập trình hướng đối tượng chứng minh mơ hình hiệu cho thiết kế hệ thống phần mềm phức tạp Mặc dù "hướng đối tượng" ngụ ý suy giảm hiệu suất, kèm với lợi ích đáng kể: không cung cấp phương tiện tốt để quản lý độ phức tạp sử dụng lại modules, làm giảm vấn đề chi phí liên quan đến việc bảo trì mã.Những lợi ích vượt xa suy giảm hiệu suất.Trong thiết kế hệ thống nhúng, xu hướng ngày triển khai chức phần mềm Điều cho phép thực nhanh hơn, linh hoạt ,tiện lợi hơn, khả nâng cấp dễ dàng tùy chỉnh với tính bổ sung Khơng giống phần cứng, phần mềm khơng phát sinh chi phí sản xuất, chi phí bảo trì phần mềm gây mối quan tâm ngày tăng.Việc thiết kế hệ thống nhúng nối mạng đòi hỏi hỗ trợ đa dạng tính bao gồm tính di động Internet, lập trình mạng, bảo mật, tái sử dụng mã, đa luồng đồng hóa Tuy nhiên, Java không thiết kế để định hệ thống có hạn chế thời gian thực Nhu cầu giao tiếp với hệ thống nhúng qua Internet thúc đẩy nhiều nhà thiết kế hướng tới Java, vốn chấp nhận ứng dụng hàng đầu tảng thiết kế để triển khai ứng dụng hộp set-top Hộp set-top tạo thị trường hệ thống nhúng phát triển nhanh chóng hứa hẹn tiếp cận hàng triệu ngơi nhà 1.3 TÍCH HỢP THIẾT KẾ Một phương pháp tổng hợp tảng tạo mẫu phát triển cụ thể ically cho thiết bị nhúng kết hợp phần cứng tích hợp chặt chẽ thành phần phần mềm Sự tổng hợp sử dụng để phân công nhiệm vụ hiệu phần mềm phần cứng phương pháp tổng hợp sử dụng Java ban đầu đặc điểm kỹ thuật chức mong muốn Cấu hình phần mềm Java virtual xác định nút thắt cổ chai tác vụ địi hỏi nhiều tính tốn Sử dụng cơng cụ trực quan hóa đồ họa hiển thị tương đối nhiệm vụ thời gian thực thi lute, nhà thiết kế nhanh chóng khám phá hầu hết ứng dụng nhiệm vụ địi hỏi tính tốn.Các nhiệm vụ ứng viên để triển khai phần cứng chọn sở kết cấu hình thư viện tái sử dụng thành phần phần cứng có sẵn Một cơng cụ tổng hợp cấp cao sử dụng để chuyển đổi phương thức Java thành ghi mức chuyển VHDL (Mô tả phần cứng mạch tích hợp tốc độ cao-ngơn ngữ) Cơng cụ tạo mơ tả giao diện thích hợp cho khối phần cứng.Kiến trúc mục tiêu để tổng hợp tạo mẫu khám phá tảng thể Hình 1.1 Trong kiến trúc này, phần mềm phần cứng thiết kế xử lý riêng biệt Đã triển khai môi trường thời gian chạy phần mềm PC (Máy tính Cá nhân) sử dụng để tạo nguyên mẫu phần mềm An toàn tiện ích mở rộng phần cứng định cấu hình bổ sung, cấu hình lại động board mảng cổng lập trình trường (DPGA), xử lý phần cứng Trong môi trường thời gian chạy, máy ảo Java tạo thành phần lõi ponent công cụ thực thi phần mềm Cơ sở liệu lưu trữ thông tin lớp phương thức sử dụng thiết kế Tổng hợp phần mềm có dạng mã byte tạo, mã hóa trình biên dịch, mã độc lập với tảng Hình 1.1 Thiết kế tảng thăm dị cho hệ thống nhúng nối mạng Máy ảo chứa chế giao diện cần thiết (phần cứng trình bao bọc trình điều khiển thiết bị) để giao tiếp với mô-đun phần cứng.Cách tiếp cận mang lại q trình di chuyển sn sẻ từ việc triển khai phần mềm vào hệ thống phần cứng phần mềm mà không cần sửa đổi mã nguồn Java.Các thành phần để xử lý đối tượng phần cứng cho máy ảo Java thêm vào giao tiếp với thành phần phần cứng bên Thiết kế tự động hóa việc quản lý thiết bị phần cứng định cấu hình.Bảng tạo mẫu kết nối với PC thông qua bus PCI (Giao diện PC) sử dụng để thiết kế tảng thăm dò Bo mạch bao gồm chip DPGA nhớ cục DPGA cung cấp thời gian cấu hình lại ngắn đầy đủ truy cập vào ghi bên mạch triển khai, cho phép ánh xạ nhiều đối tượng phần cứng chip Các phận chip cấu hình lại phận khác chip hoạt động, cho phép thực thi nhiều phương thức bảng DPGA chạy hệ thống nguyên mẫu Trong thực tế, mơi trường thời gian chạy Hình 1.1 đọc bảng với phân vùng chức mong muốn chuyển đến triển khai phần cứng phần mềm.Môi trường xử lý trực tiếp tác vụ thực thi dạng phần mềm Máy ảo Java Đối với mơ-đun phần cứng, cấu hình DPGA (với thông tin từ tệp bit DPGA) quản lý giao tiếp với DPGA.Trong q trình thực thi ứng dụng, thơng dịch viên phải kích hoạt mô-đun gọi phần cứng luồng điều khiển đến phương pháp phần cứng Tùy thuộc vào trạng thái bo mạch DPGA, lệnh gọi phần cứng kích hoạt nhiều hành động sau: ● Cấu hình lại hồn tồn phần DPGA; ● Chuyển liệu đầu vào cho hội đồng quản trị; ● Chuyển liệu trở lại luồng gọi; ● Truyền tín hiệu cho phép đến lượt bắt đầu mơ thiết kế phần cứng ● Chuyển liệu trở lại chuỗi gọi Các thủ tục thực trình bao bọc phần cứng hiển thị Hình 1.1 Cơ chế đồng hóa cho phép luồng thời điểm để truy cập bảng DPGA.Đặc tả phần mềm ban đầu cung cấp đủ chi tiết để tối ưu hóa ranh giới phần cứng-phần mềm khơng có đủ chi tiết thực cuối Trong trình tạo mẫu, điều thú vị giao thức chế giao diện 1.4 TỐI ƯU HÓA THIẾT KẾ Các nhà thiết kế hệ thống nhúng tìm cách tối đa hóa hiệu suất hạn chế tài nguyên phần cứng Trong trình tối ưu hóa, trọng tâm phần thiết kế triển khai cách khác phần mềm phần cứng giao diện tương ứng chúng Tạo mẫu môi trường thu thập thông tin đặc trưng phần cứng phần mềm lưu trữ thư viện mơ-đun tái sử dụng Điều quan trọng thông số đo bao gồm: • Thời gian thực thi mơ-đun cho triển khai phần cứng phần mềm • Khu vực cần thiết để triển khai phần cứng, • Chi phí giao diện cụ thể (về thời gian thực bổ sung cho liệu chuyển, vùng phần cứng mã phần mềm) Trong hệ thống phụ thuộc vào phần cứng phần mềm, giao diện hiệu thiết kế quan trọng để đạt hiệu suất tối đa Vì lý này, tùy chọn quy trình thu nhỏ nhấn mạnh thiết kế giao diện hiệu tìm kiếm để ánh xạ tối ưu môđun tới phần cứng phần mềm Hình 1.2 Mơ hình giao tiếp hệ thống Cấu trúc kiểu giao diện thể Hình 1.2 Giao diện mơ hình chứa kênh giao tiếp cho mô-đun phần mềm, giao diện để trao đổi liệu miền phần cứng phần mềm, hai kênh giao tiếp lớp cho thực thể phần cứng Lớp đại diện cho liên kết giao tiếp trực tiếp thực chip Lớp đại diện giao tiếp thông qua nhớ bảng cào SRAM.Trong q trình tối ưu hóa thiết kế, mơi trường tạo mẫu tính tốn chi phí giao diện cho ánh xạ mô-đun với phần cứng phân vùng phần mềm Nếu mô-đun kết hợp chặt chẽ ánh xạ tới phần cứng,giao tiếp thực cách sử dụng ghi chip thông qua nhớ chia sẻ, sử dụng RAM tĩnh (bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên).Mơi trường tạo mẫu tối ưu hóa thiết kế hệ thống mức tối ứng dụng hàng đầu tảng thiết kế để triển khai ứng dụng cho hộp giải mã tín hiệu Khn khổ cho đặc điểm kỹ thuật khám phá thiết kế phần cứng hỗn hợp triển khai phần mềm nhắm mục tiêu cho việc nhúng cấu hình lại hệ thống Trong Hình 1.4, đưa hai ví dụ việc áp dụng phần định cấu hình lại thời gian chạy Biểu đồ nhiệm vụ cho thấy hệ thống mã hóa chuyển đổi chế độ hoạt động khác nhau, tức nhịp điệu thuật tốn mã hóa khác Thông thường, ứng dụng thời điểm hoạt động cấu hình lại hệ thống không quan trọng mặt thời gian Biểu đồ nhiệm vụ thứ hai thể phần hệ thống liên lạc video Nhiệm vụ xử lý luồng video phân tách thành loạt nhiệm vụ con, thực miếng silicon Con chip định cấu hình lại theo định kỳ Có thể cấu hình lại nhanh chóng thành phần phần cứng cần thiết để đáp ứng thời hạn mềm Quy trình thiết kế sau: đặc tả Java ban đầu, liệu lưu trữ chuyên nghiệp thu thập thực thi chương trình với liệu đầu vào điển hình Dữ liệu cấu hình sau phân tích làm động để hướng dẫn nhà thiết kế trình phân vùng Phân vùng thực cấp độ chi tiết phương pháp sử dụng giao diện người dùng đồ họa Các chức thực kho cứng tổng hợp cách sử dụng công cụ tổng hợp logic cấp cao Trước thành phần phần cứng thiết kế tích hợp cách sử dụng sở liệu gồm thành phần VHDL thay đổi tham số Sau tổng hợp, mã byte Java cho tất phương thức đặc điểm kỹ thuật ban đầu lưu trữ nhóm phương pháp phần mềm Cho tất phương pháp ứng cử viên để triển khai phần cứng cấu hình lại, liệu cấu hình FPGA thơng tin giao diện lưu trữ nhóm phương pháp phần cứng Nền tảng phần cứng mục tiêu bao gồm FPGA (DPGA) cấu hình lại cách linh hoạt Các kiến trúc FPGA cấu hình lại phần thời gian chạy, tức phần chip lập lại tỷ lệ phần khác hoạt động mà không bị gián đoạn Mục tiêu tảng phần mềm để tạo mẫu hệ thống PC Linux Pentium 1.6.2 QUẢN LÝ THỜI GIAN MÔ PHỎNG Sự tương tác phần cứng phần mềm hệ thống, như trình cấu hình lại, quản lý mơi trường thời gian chạy (Hình 1.1) Trình quản lý thời gian chạy lên lịch cho phương thức thực thi phần mềm máy ảo Java xử lý chủ phần cứng phần cứng DPGA cấu hình lại Việc lập kế hoạch phụ thuộc vào động lực hành vi ứng dụng bảng phân vùng chọn nhà thiết kế Trái ngược với hệ thống tạo mẫu dựa FPGA truyền thống, thực thi tảng trình động cao Quy trình thực thi phần cứng hệ thống phần mềm bị chi phối phần mềm Các phương thức phần mềm thực thi máy ảo Java Bất luồng điều khiển đạt đến phương pháp phần cứng, hệ thống thời gian chạy xác định cho dù tệp cấu hình thích hợp tải xuống chưa Nếu khơng, sau người quản lý chọn DPGA có sẵn bắt đầu cấu hình Nếu có DPGA định cấu hình với chức mong muốn cấu hình lại phần cần thiết, địa tham số kênh giao tiếp tới DPGA mục tiêu tải Trong máy ảo, lớp Java phương thức gốc sử dụng để giao tiếp với phần cứng hệ thống Trọng tâm thực tất chức cần thiết cho phần cứng giao tiếp để cấu hình lại Java Do đó, API tảng cụ thể phần cứng cấu hình lại hội đồng quản trị giữ nhỏ Trong trường hợp này, bản, API hội đồng quản trị bao gồm hàm gốc để ghi giá trị vào đọc giá trị từ địa định bảng Các chức thực thông qua Giao diện gốc Java (JNI) Tất phương pháp để quản lý trình cấu hình lại thực thi triển khai Java tất giao tiếp với bo mạch phần cứng dựa triển khai gốc hàm đọc ghi Đối với giao tiếp với bo mạch bên ngồi thơng qua bus PCI, Linux chuyên dụng trình điều khiển thiết bị sử dụng ... tạo mẫu nhúng nối mạng hệ thống. Các hệ thống nhúng chạy nhiều ứng dụng web trình duyệt, ứng dụng giao tiếp âm video yêu cầu mạng kết nối Hệ thống nhúng nối mạng chia thành: ● hệ thống đa chức thực... chức sau cài đặt thiết bị nối mạng trang web khách hàng 1.2 THIẾT KẾ THEO ĐỊNH HƯỚNG ĐỐI TƯỢNG Hệ thống nhúng yêu cầu công cụ thiết kế mã phần cứng phần mềm Tuy nhiên, thiết kế hệ thống phần cứng... thiệu thay đổi mơ hình thiết kế hệ thống nhúng Theo truyền thống, hệ thống nhúng thiết kế để thực tập hợp cố định chức định trước môi trường hoạt động tiếng Các chức hệ thống nhúng không thay