Hệ thống nhúng module phần cứng và phần mềm

Hệ thống nhúng Nội d dung Giới thiệu hệ thống nhúng „ Kiến trúc HW/SW „ Đặc trưng g thiết kế hệ thống g nhúng g „ Khái niệm thời gian thực „ Đặc Đặ trưng t ràng buộc b ộ thời gian i thực th „ Những g mô hình tính toán thông g dụng ụ g ES „ Vũ Quang Dũng Phần mềm hệ thống nhúng truyền thống = CPU + RTOS Vũ Quang Dũng Hệ thố thống nhúng hú hiệ ttạii DSP Code „ Application Specific Gates Analog I/O Processor Cores Memory Hệ thống nhúng bao gồm … Hệ thống phần cứng (boards, ASICs, FPGAs etc.) „ … Th thi, Thực thi tiết kiệm kiệ ă lượng l Chương trình phần mềm Bộ vi xử lý: xử lý tín hiệu số DSP, μcontrollers etc „ Tính linh động, tính phức hợp Bộ chuyển đổi Tích hợp hệ thống SoC … Đặc trưng chip : 50 sq mm., 50M transistors, 1010GHz, 100-1000 MOP/sq mm, 10-100 MIPS/mW … „ Vũ Quang Dũng Tí h phức Tính hợp h khô không đồng đồ hất controller processes control panel ASIC DSP Assembly Code Real-time OS μcontroller Programmable DSP Programmable DSP Dual-ported RAM „ UI processes DSP Assembly Code CODEC Tính không đồng phần cứng phần mềm … S/W: điều khiển định hướng, xử lý tín hiệu số … H/W: ASICs Vũ Quang Dũng Xử lý nắm bắt tính không đồng Vũ Quang Dũng M d l phần Module hầ cứng ứ phần hầ mềm ề „ „ „ Hardware = thực thi chức thông qua cấu trúc, trúc thiết kế Software = thực thi chức phần mềm vi xử lý lập trình Từ khóa phân biệt: … Tính Tí h tích tí h hợp h (Multiplexing) (M lti l i ) „ „ Module phần mềm tích hợp với thành phần khác ý ((ví dụ hệ điều hành)) vi xử lý Module phần cứng kết hợp riêng rẽ thành phần phần cứng riêng … Tính song hành (Concurrency) „ Trong vi xử lý có xử lý luồng “thread of control” „ Thành phần phần cứng riêng thường có xử lý song song Vũ Quang Dũng Tính tích hợp thành phần phần mềm A B A Resume B B A B Resume A Call B Resume B Resume A Return Thủ tục Có thứ tự Tính liên tiếp Các thành phần tương đương Tính cân đối Tính liên tiếp Các tiến trình Tính cân đối Tính song song Module tích hợp Vũ Quang Dũng Cá cách Các h thứ thức tái lậ lập trình t ì h vii xử lý „ Phương thức cũ ‹ Bộ vi xử lý ‹ Vi điều khiển ‹ DSP ‹ Đồ h họa ‹ Bộ xử lý Vũ Quang Dũng „ Hiện ‹ Xử lý mạng ‹ Xử lý cảm biến ‹ Xử lý mã hóa ‹ Xử lý ttrò ò chơi h i ‹ Xử lý chuyên dụng ‹ Xử lý di động Tái cấu ấ hì hình hS SoC C Vũ Quang Dũng 10 Tí h Tính đú lú lúc „ Tính lúc sở tronghoatj động hệ thống Tăng khả hoạt động có tính chặt chẽ hệ thống „ Tính lúc chặt chẽ (cứng), tính lúc mềm, tác động qua lại Hai loại tính lúc … Ràng buộc thực thi: giới hạn thời gian trả lời hệ thống … Ràng buộc hành vi: đòi hỏi khả yêu cầu người sử dụng tới hệ thống Một số loại khác ràng buộc … Maximum: không lớn khoảng thời gian t kiện … Minimum: không nhỏ khoảng thời gian t kiện … Durational: kiện phải xảy khoảng thời gian t „ „ „ Vũ Quang Dũng 26 M i Maximum ttrong ràng b buộc ộ thời gian i A Liên kết S-S (Stimuli - Stimuli): thời gian cực đại cho phép hai tác nhân kích thích „ Ví dụ yêu cầu số thứ phải xảy không muôn 20 giây sau số thứ B Liên kết S-R (Stimuli - Response): thời gian cực đại cho phép tác nhân kích thích đầu vào trả lời hệ thống „ Ví dụ người gọi điện nhận tín hiệu gọi không muộn giây sau nhấc hấ ố ống nghe h C Liên kết R-S (Response - Stimuli): thời gian cực đại cho phép khoảng tra lời hệ thống tác nhân kích thích từ môi trường „ Vi dụ sau nhận tín hiệu gọi gọi, người gọi phải ấn số vào 30 giây D Liên kết R-R (Response - Response): thời gian cực đại cho phép lần trả lời hệ thống „ Vũ Quang Dũng Ví dụ sau kết nối được, người gọi nhận chuông reo không trễ 0.5 giây sau nhân tin hiệu chuông 27 Mi i Minimum ttrong ràng b buộc ộ thời gian i A Liên kết S-S: thời gian nhỏ cần thiết hai tác nhân kích thích „ Ví dụ 0.5s thời gian nhỏ xảy lần gọi thứ đến lần gọi B Liên kết S-R: thời gian nhỏ cần thiết tác nhân kích thích vào hệ thống trả lời hệ thống „ Vi dụ sau người gọi nhấn 0, hệ thống đợi khoảng 15 giây sau có tín hiệu C Liên kết R-S: thời gian nhỏ cần thiết trả lời hệ thống tác nhân kích thích từ môi trường „ Vi dụ hệ thống bận với trình xử lý yêu cầu từ số cổng, cổng xử lý thêm thông tin vào cổng thời điểm D Liên kết R-R: thời gian nhỏ phải có lần trả lời hệ thống „ Vũ Quang Dũng Ví dụ ụ người g sử dụng ụ g cần biết khoảng g thời gian g sau lần trả lời đầu 28 Phâ biệt Phân iữ model d l „ „ „ „ „ „ „ Trạng thái: có giới hạn vô hạn Thời gian: không giới hạn hạn, thời gian liên tiếp tiếp, thứ tự cục bộ, thứ tự toàn Tính song song: liên tiếp tiếp, song song Tính xác định: xác định không xác định Giá trị: liên tiếp, mẫu, kiện Sự ự liên kết g chế hoạt động ộ g Những phân biệt khác: tổ chức, công cụ … Vũ Quang Dũng 29 Những mô hình tính toán thông dụng ES „ „ „ „ „ „ Máy trạng thái(State Machines) … FSM, CFSM Quá trình liên kết Mô hình luồng liệu Mô hình ngôn ngữ … VHDL, Verilog, SystemC, SpecC, Java Đồng hóa / Ngôn ngữ tác động ngược … Esterel, Esterel Lustre, Lustre Signal Unified Modeling Language (UML) Vũ Quang Dũng 30 Má ttrạng thái hữ Máy hữu h hạn(FSM) (FSM) „ FSM mô hình toán học hệ thống gồm có: „ „ „ „ „ „ „ „ „ „ „ „ Hệ thống giới hạn điều kiện gọi trạng thái Hành vi hệ thống bên trang thái đồng tồn Hệ thố thống ttrong ttrạng thái dà dành h cho h từ kh khoảng ả thời gian i hất đị định h Hệ thống thay đổi trạng thái giới hạn định nghĩa trước, gọi sụ chuyển đổi Sự chuyển đổi trả lời hệ thống tới kiện bên hệ thống Chức trình gọi hành động, ể xảy có chuyển ể đổi, ổ trạng thái gọi thoát khỏi trạng thái Sự chuyển đổi hành động không chiếm khoảng thời gian ví dụ trình đồng hóa” Sự kiện không phép trạng thái loại bỏ có kết ế sai FSM = (Đầu vào, đầu ra, trạng thái, khởi tạo trạng thái, trạng thái tiếp theo) Tương thích điều kiển cổng điều khiển Ít tương thích cho nhớ liệu Dễ dàng sử dụng với thuật toán dành cho mô hình kiểm chứng Vũ Quang Dũng 31 FSM cổ ổ điển điể Vũ Quang Dũng 32 Thiết kê đồng máy trạng thái hữu hạn (CFSMs) „ Kết hợp mặt số mô hình … FSM kết hợp với nắm bắt liệu kết nối không đồng „ „ „ Các thành phần FSM: I/O, trạng thái, chuyển đổi quan hệ đầu Thành phần liệu tính toán: bên ngoài, lập Kết hợp Đồng hóa: zero trễ vô hạn … Không đồng bộ:non-zero, bộ:non zero, hữu hạn biên độ trễ … „ Hệ thống nhúng sử dụng đồng hóa lẫn không đồng g Vũ Quang Dũng 33 Ví dụ d CFSM *Key = On → *Start Off *Key = Off or *Belt = On → *End=10 or *Belt = On or *Key Key = Off → *Alarm = Off „ Wait *End=5 → *Alarm = On Alarm Trạng thái CFSM bao gồm kiện mà thời điểm đầu vào đầu cho no … non-zero tương tác thời gian ngược lưu trữ Vũ Quang Dũng 34 Quá trình liên kết „ „ „ „ Chương trình liên tục, vòng lặp vô hạn … Kích hoạt song song với nhiều trình Các chế … Khởi tạo kết thúc … Ngắt khôi phục lại … Liên kết Quá trình liên kết … Chia xẻ nhớ … Quan hệ loại trừ … Trao đổi thông tin Thuộc tính … Liên tục … Đơn điệu Vũ Quang Dũng 35 Mô hình luồng liệu „ „ „ „ „ „ Chi phối hình thức liệu hệ thống Mô hình hóa thứ tự thành phần Xác định hoạt động riêng biệt thành phần hệ thống Sử dụng cho mô phỏng, ỏ lập lịch, phân vùng nhớ, xử lý tín hiệu số Cú pháp ngữ nghĩa: hành động, biểu hiện, khởi tạo Phương g án: luồng g liệu ệ tĩnh,, luồng liệu boolean, luồng liệu động Vũ Quang Dũng 36 Đồ thị mô ô hì hình h lluồng Control/Data Flow Graph 1 x D Vũ Quang Dũng + Reg Reg Multiplier Reg Implementation Reg Adder 37 Mô hì hình h phần hầ cứng ứ Mức hệ thống Mức thuật toán Mức tập lệnh Mức trao đổi liệu ghi Mô hình mức cổng (Gate-level) (Gate level) Mô hình mức chuyển đổi (Switch-level) Mô hình mức mạch Mô hình mức thiết bị Mô hình xếp 10 Quy trình mô hình thiết ế bị Vũ Quang Dũng 38 L Lựa chọn h mô ô hì hình h „ Lựa chọn mô hình phụ thuộc vào: … Chương trình „ „ „ … Nổi bật ủ mô ô hì hình h „ „ „ DSP Điều khiển trạng thái FSM Theo dõi kiện Trong trình mô Trong trình thực code Lựa chọn ngôn ngữ: Ngôn ngữ thực thi mô hình … Các công cụ hỗ trợ … Theo yêu cầu … Vũ Quang Dũng 39 L Lựa chọn h mô ô hì hình h (tiế (tiếp)) „ Tích hợp mô hình ngôn ngữ Quản lý theo mô hình trừu tượng … Lựa chọn đắn … Lựa chọn mô hình phụ thuộc vào … „ „ „ Các lớp ứng dụng Các thao tác cần thiết (tổng hợp hợp, lập lịch lịch, )) Thiết kế … … … … … Chi tiết kỹ thuật th ật Kiến trúc liên kết mô Tổng hợp, ngôn ngữ lập lịch Thiết ế kế ế chi tiết ế thực thi Mô toàn hệ thống Vũ Quang Dũng 40 [...]... hợp với thiết kế công cụ phần cứng „ Vũ Quang Dũng Mô phỏng và công cụ tổng hợp 12 Thiết kế hệ thống thố nhúng hú ASIC Processor DSP Code Vũ Quang Dũng „ Quan hệ các tác vụ con … Đặc tả/mô hình hóa … Phân chia H/W & S/W … Lập lịch và phương thức định vị … Thực thi H/W & S/W … Kiểm chứng và debugging „ Tính cốt ố yếu ế là sự thiết ế kế ế tích hợp và kết nối giữa phần cứng và phần mềm Analog I/O Memory... và kiểm tra … Công cụ mang tính hệ thống hóa … Vũ Quang Dũng 18 Mô hì hình, h ngôn ô ngữ ữ và à công ô cụ Vũ Quang Dũng 19 Đặc điểm chung của hệ thống nhúng Control System Sensory System Actuation System ENVIRONMENT Vũ Quang Dũng 20 Đặc trưng hệ thống nhúng Đồng hồ thời gian thực Thuật toán trong điều khiển Giao diện Hệ thống ố kỹ thuật Ghi dữ liệu Quá trình truy cập hệ thống ố từ xa Nhân dữ liệu và. .. giữa tác nhân kích thích vào hệ thống và sự trả lời của hệ thống „ Vi dụ sau khi người gọi nhấn 0, hệ thống sẽ đợi khoảng 15 giây sau khi có tín hiệu C Liên kết R-S: thời gian nhỏ nhất cần thiết giữa sự trả lời của hệ thống và tác nhân kích thích tiếp theo từ môi trường „ Vi dụ khi hệ thống bận với quá trình xử lý yêu cầu từ một số cổng, cổng và không thể xử lý thêm các thông tin vào các cổng đó tại cùng... vii xử ử lý như h cache, h DMA Cân nhắc tới các đặc trưng của nhân hệ thống như chế độ lập lịch, đồng bộ, quản lý bộ nhớ, nắm bắt các lệnh ngắt Lỗi có thể chấp nhận được … Hệ thống đơn của phần cứng và phần mềm có lỗi chấp nhận được khi không là nguyên nhân của sự phá hủy hệ thống Thực thi và nâng cấp … Sự S thay th đổi của ủ hệ thố thống phải hải dễ dà dàng thực th hiệ hiện Vũ Quang Dũng 25 Tí h đúng... nhớ và thiết bị ngoại vi … Tùy biến phát triển phần mềm giữa C và assembly … 64 KB-1MB mã, đa tác vụ Dung lượng thấp, giá cao, tính tích hợp cao: hệ thống điều khiển không khí … Tính bảo mật và tin cậy là thước đo chủ yếu của chất lượng … Phát triển và duy trì giá cả … Tính hiệu quả cao Tính hiệu ệu quả cực cao: cao modem ode không ô g dây … Thiết kê phần cứng, phần mềm phải tương thích với phần cứng. .. h phần hầ phân hâ biệt chính hí h liê liên quan tới mục đính cơ bản của hệ thống tính toán … Thời gian: hệ thống đúng đắn phụ thuộc không chỉ vào kết quả logic của sự tính toán mà con phụ thuộc vào thời gian diễn ra tiến trình tính toán đó … Hiện thực: là phản ứng của hệ thống với các sự kiện bên ngoài mà phải xảy ra trong suôt quá trình phát triển và hoạt động của hệ thống „ Thời gian thực trong hệ. .. thích với lập trình vi xử lý Lập ập lịch ị ‹ Đưa ra số lần các chức năng được gọi trong hệ thống Nó quan trọng khi một số module trong thành phần chia thành các phần tử phần cứng nhỏ ỏ hơn Liên kết (Thực thi) ‹ Chức năng mô phỏng (1) phần mềm chạy trên vii xử ử lý hoặc h ặ (2) các á thành thà h phần hầ của ủ phần hầ cứng 14 Cấ ttrúc Cấu ú Specification Function & Performance Design Tools and Languages... Kỹ thuật thiết kế đặc biệt và sự tiếp cận của hệ thống nhúng „ „ „ Hướng tiếp cận chung … Phần lớn mã viết trên assembly … Lập trình đo thời gian, các driver liên kết ế tầng ầ thấp, ấ tác vụ và hàm ngắt Hoàn thiện khả năng, và bất lợi … Chương trình buồn tẻ … Khó hiểu và duy trì … Khó kiểm tra theo thời gian và giới hạn bộ nhớ Hệ quả chính là không thể dự đoán được … Hệ thống có thể làm việc iệc tốt... thực „ Hard real-time — hệ thống hoàn toàn cưỡng chế sự trả lời trong khoảng thời gian deadline cho phép Ví dụ như hệ thống ố điều ề khiển ể bay „ Soft real-time — deadline là quan trọng đối với hệ thống, thống nhưng cũng tồn tại chức năng để sửa lỗi hệ thống khi deadline không g được đáp p ứng g kịp p thời Ví dụ như hệ thống nhận dữ liệu „ Firm real-time real time — là hệ thống soft real-time real... đảm bảo hệ ệ thống ố g Sử dụng các phương pháp thiết kế (Design methodologies) … Phân tính tĩnh hệ thống phần cứng và mềm … Thiết kế nổi ổi bật thể hiện hiệ những hữ điều điề không khô dự d đoán đ á trước t ớ trong t kịch bản như các điều kiện, môi trường liên quan … Vũ Quang Dũng 17 Công cụ và mô hình cho thiết kế có hệ thống „ „ Cách tiếp cận đặc biệt trong thiết kế không thuộc về các thành phần thiết ... Quang Dũng Phần mềm hệ thống nhúng truyền thống = CPU + RTOS Vũ Quang Dũng Hệ thố thống nhúng hú hiệ ttạii DSP Code „ Application Specific Gates Analog I/O Processor Cores Memory Hệ thống nhúng bao... bắt lệnh ngắt Lỗi chấp nhận … Hệ thống đơn phần cứng phần mềm có lỗi chấp nhận không nguyên nhân phá hủy hệ thống Thực thi nâng cấp … Sự S thay th đổi ủ hệ thố thống phải hải dễ dà dàng thực... hợp kết nối phần cứng phần mềm Analog I/O Memory 13 Luồng thiết kê hệ thống nhúng Environ -ment „ „ „ ASIC Processor Analog I/O Memory „ „ DSP Code C d Vũ Quang Dũng Mô hình hóa ‹ Hệ thống thố