Bài giảng thiết kế hệ thống nhúng

Trang 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN KHOA KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ ---  --- BÀI GIẢNG Trang 2 1THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÚNG EMBEDDED SYSTEMS DESIGN 2Nội Dung Mơn Học• Chương 1: Tổng quan về h

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN KHOA KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ -  - BÀI GIẢNG Thiết kế hệ thống nhúng Biên soạn: GVC ThS Nguyễn Đình Luyện Bộ môn: Điện tử - Viễn thông Tài liệu lưu hành nội THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÚNG ( EMBEDDED SYSTEMS DESIGN ) Nội Dung Mơn Học • Chương 1: Tổng quan hệ thống nhúng • Chương 2: Cấu trúc phần cứng hệ thống nhúng - Bộ xử lý chức đơn chuyên dụng - Bộ xử lý chức đơn tiêu chuẩn – ngoại vi - Bộ nhớ - Giao diện - Cơng nghệ IC • Chương 3: Lập trình hệ thống nhúng • Chương 4: Kỹ thuật lập trình nhúng • Chương 5: Hệ điều hành thời gian thực • Chương 6: Tổng hợp phần cứng phần mềm - Ví dụ hệ thống nhúng - Các hệ thống điều khiển - Công nghệ thiết kế Tài Liệu Tham Khảo – Slide “Embedded Systems Design”;Truong Quang Vinh, Ph.D ĐHBK TP.HCM – Embedded Systems Design: A unifined hardware/software introduction – Vahid/Givargis, 1999 – Designing Embedded Hardware – Jonh Catsoulis, 2005 – Programming Embedded Systems in C and C++ - Michael Barr, 1999 – Verilog HDL: A guide to digital design and synthesis – Sarmir Palnitkar, 2003 CHƯƠNG – BÀI GIỚI THIỆU CHUNG Tổng Quan • Tổng quan hệ thống nhúng – Hệ thống nhúng gì? • Yêu cầu thiết kế – tối ưu thông số thiết kế • Các cơng nghệ – Cơng nghệ xử lý – Công nghệ IC – Công nghệ thiết kế Tổng quan hệ thống nhúng • Các hệ thống tính tốn “computing” có mặt nơi • Đa số nghĩ đến hệ thống tính tốn máy tính – PC’s – Laptops – Mainframes – Servers • Nhưng có nhiều hệ thống tính tốn khác Tổng quan hệ thống nhúng • Hệ thống tính tốn nhúng Computers are in here and here – Hệ thống tính tốn nhúng thiết bị điện tử and even here – Rất khó để định nghĩa Có thể coi Lots more of these, chúng hệ thống tính tốn ngồi though they cost a lot PC less each – Có hàng tỷ thiết bị sản xuất năm, so với số lượng hàng triệu PC – Có lẽ chiếm đến 50% thiết bị gia dụng ô-tô Một “danh sách” hệ thống nhúng Hệ thống chống bó (Anti-lock brakes) Modems Tự động điều chỉnh tiêu cự (Auto-focus Bộ giải mã MPEG cameras) Card mạng Tự động trả lời (Automatic teller machines) Định tuyến/chuyển mạch Thanh toán tự động (Automatic toll systems) Thiết bị định vị Truyền dẫn tự động (Automatic transmission) Máy photocopy Avionic systems Máy in Xạc bin (Battery chargers) Điện thoại vệ tinh Máy quay KTS (Camcorders) Máy quét Điện thoại di đông (Cell phones) Máy giặt Trạm di động (Cell-phone base stations) Thiết bị nhận dạng giọng nói Điện thoại không dây (Cordless phones) Hệ thống thị giác Điều khiển lái (Cruise control) Hội nghị từ xa Camera số (Digital cameras) Truyền hình Ổ đĩa cứng Bộ điều khiển nhiệt độ Thiết bị đọc thẻ điện tử Hệ thống chống trộm Dụng cụ điện tử Đầu VCR’s, DVDs Đồ chơi điện tử Điện thoại có hình Điều khiển nhà máy Máy rửa bát Máy Fax vv… Thiết bị nhận dạng vân tay Hệ thống an ninh tòa nhà Hệ thống kiểm tra y tế Và nhiều thiết bị khác Một số đặc tính chung hệ thống nhúng • Có chức đơn lẻ – Thực chương trình đơn lẻ, lặp lại • Có nhiều ràng buộc – Giá thành thấp, công suất tiêu thụ thấp, nhỏ, nhanh, vv • Tương tác thời gian thực – Tương tác liên tục với thay đổi môi trường xung quanh – Phải tính tốn kết khoảng thời gian thực (real- time) khơng có trễ Một ví dụ hệ thống nhúng – Camera số CCD Bộ tiền xử lý CCD Xử lý Pixel DAC lens ADC Giải mã/mã hóa JPEG Vi điều khiển Bộ nhân/thanh ghi Bộ điều khiển DMA Điều khiển hiển thị Bộ điều khiển nhớ Giao tiếp bus ISA UART Điều khiển LCD • Chức đơn lẻ ln camera số • Các ràng buộc – giá thấp, cơng suất thấp, nhỏ nhanh • Tương tác thời gian thực – thời gian thực ngắn 10 Yêu cầu thiết kế hệ nhúng – tối ưu thông số thiết kế • Mục tiêu thiết kế tổng quát: – Xây dựng hệ thống thực chức yêu cầu • Các yêu cầu thiết kế: – Tối ưu thông số thiết kế đồng thời • Các thơng số thiết kế – Đặc tính xác định việc thực hệ thống – Tối ưu thông số thiết kế thách thức chủ yếu thiết kế hệ thống nhúng 11 Yêu cầu thiết kế hệ nhúng – tối ưu thông số thiết kế • Các thơng số chung – Giá thiết bị: giá thành sản xuất sản phẩm, bao gồm giá kỹ thuật – Giá (Giá kỹ thuật không sử dụng lại): Giá thiết kế hệ thống lần – Kích thước: khơng gian vật lý u cầu hệ thống – Chất lượng: thời gian làm việc tuổi thọ hệ thống, vv – Công suất: lượng công suất tiêu thụ hệ thống – Độ linh hoạt: khả thay đổi chức hệ thống không làm thay đổi giá kỹ thuật 12 Yêu cầu thiết kế hệ nhúng – tối ưu thông số thiết kế • Các thơng số chung (tiếp) – Thời gian thử nghiệm: thời gian cần thiết để chế tạo phiên làm việc – Thời gian đưa thị trường: thời gian cần thiết để phát triển hệ thống bán tới khách hàng – Khả bảo trì: khả thay sửa chữa có cố – Độ tin cậy, độ an toàn, vv 13 Xem xét thông số thiết kế - cải thiện thông số làm ảnh hưởng thơng số khác • Yêu cầu kinh nghiệm phần cứng phần mềm để Cơng suất tối ưu q trình thiết kế Chất lượng – Không đơn Giá NRE Kích chuyên gia phần cứng, thước phần mềm – Một người thiết kế phải hiểu nhiều công nghệ khác để lựa chọn công nghệ tốt cho ứng dụng cụ thể 14 Thời gian đưa thị trường: thông số thiết kế quan trọng Lợi nhuận ($) • Thời gian cần thiết để cung cấp sản phẩm tới khách hàng Thời gian • “Cửa sổ” thị trường – Giai đoạn mà sản phẩm có khả bán số lượng lớn • Trung bình thời gian đưa thị trường cho sản phẩm nhúng tháng • Kéo dài tăng giá sản phẩm làm hội cạnh tranh 15 Các mát đưa thị trường trễ Lợi nhuận ($) Market rise Lợi nhuận đỉnh • Mơ hình lợi nhuận đơn giản Kịp thời Lợi nhuận đỉnh trễ – Chu kỳ sống = 2W, đỉnh W Trễ – Thời gian đưa thị trường D W 2W định nghĩa hình tam Thời gian giác, diễn tả thâm nhập thị Bắt đầu Bắt đầu trường Đúng lúc trễ – Vùng diện tích tam giác biểu thị lợi nhuận • Chi phí hội – Là khác vùng đưa kịp thời đưa trễ 16 Các mát đưa thị trường trễ (tiếp) Lợi nhuận ($) Market rise Kịp thời • Diện tích = 1/2 * đáy * chiều cao Trễ Lợi nhuận đỉnh – Đúng hạn = 1/2 * 2W * W D W – Trễ = 1/2 * (W-D+W)*(W-D) Lợi nhuận đỉnh trễ • Bắt đầu Bắt đầu • Phần trăm lợi nhuận bị = Đúng lúc trễ (D(3W-D)/2W2)*100% 2W Thời gian Ví dụ – Chu kỳ sống 2W=52 tuần, trễ D=4 tuần – (4*(3*26 –4)/2*26^2) = 22% – Chu kỳ sống 2W=52 tuần, trễ D=10 tuần – (10*(3*26 –10)/2*26^2) = 50% – Trễ làm giảm lợi nhuận! 17 Các thông số giá NRE giá đơn • Giá thành: – Giá thành đơn chiếc: lượng chi phí để sản xuất thiết bị, bao gồm giá NRE – Giá NRE (Non-Recurring Engineering cost): Giá thiết kế hệ thống lần – Giá trị tổng = giá NRE + giá đơn * số lượng – Giá thành sx đơn = Giá trị tổng/số lượng • Ví dụ – Giá NRE=$2000, giá đơn vị =$100 – Đối với 10 sản phẩm – Tổng giá trị = $2000 + 10*$100 = $3000 – Giá thành sản phẩm = $2000/10 + $100 = $300 18