thiết kế hệ thống nhúng

Phần mềm hệ thống nhúng• Các loại phần mềm nhúng • Đặc điểm của phần mềm nhúng • Hệ điều hành nhúng... Phần mềm hệ thống nhúng• Các loại phần mềm nhúng • Đặc điểm của phần mềm nhúng • Hệ

THIẾT KẾ

HỆ THỐNG NHÚNG

TS Phạm Ngọc Nam

About your lecturer

 Office: C9-401

 Email: pnnam-fet@mail.hut.edu.vn

 FPGA, embedded systems

 Trí tuệ nhân tạo

 Embedded system and Reconfigurable computing Lab: 618 thư

 Đề tài: Nhận dạng chữ viết tay

 Tiến sỹ kỹ thuật chuyên ngành điện tử-tin học, 9/ 2004, Đại học

K.U Leuven, Vương Quốc Bỉ

• Có khả năng thiết kế hệ nhúng trên FPGA sử dụng công cụ thiết

kế của Xilinx và Altera

• Tài liệu tham khảo:

 Điều kiện dự thi: hoàn thành bài tập lớn và lên lớp đầy đủ

 Kiểm tra giữa kỳ (30%)

 Bài tập lớn (30 %) (làm theo nhóm 4-5 sinh viên)

 Thi cuối kỳ (40 %)

• Trong bài trình bày này có sử dụng một số slides của giáo sư

Prabhat Mishra, Đại học Florida và của các đồng nghiệp khác

PHẦN 1:

GiỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG NHÚNG

Định nghĩa

Định nghĩa

• Vậy hệ thống nhúng là gì?

 Hệ thống bất kỳ sử dụng vi xử lý mà không phải là máy tính đa năng và

được nhúng vào một hệ thống lớn hơn

Hệ thống nhúng đầu tiên: Máy tính dẫn đường cho Apollo

(Traction Control)

*Safety Systems

*Cabin Air Quality

*Suspensio

n and Braking Control

*Steering Controls*Entertainmen

t

*Intelligent Transportation System

(ITS)

*Digital Car Radio

*Lighting

*Gear Box

Các lọai hệ thống nhúng

• Các hệ thống xử lý tín hiệu

 Real-time video, set-top boxes, DVD players, medical equipment,

residential gateways

• Các hệ thống điều khiển phân tán

 Network routers, switches, firewalls, mass transit systems,

elevators

• Các hệ thống “nhỏ”

 Mobile phones, pagers, home appliances, toys, smartcards, MP3

players, PDAs, digital cameras, sensors, smart badges

Các đặc điểm của hệ thống nhúng

• Chuyên dụng

 Ứng dụng được định nghĩa trước

 Tối ưu về giá thành, về tài nguyên phần cứng, về công suất tiêu

thụ và về hiệu năng hoạt động.

Yêu cầu thiết kế

 Size: the physical space required by the system

 Performance: the execution time or throughput of the system

 Power: the amount of power consumed by the system

 Flexibility: the ability to change the functionality of the system without incurring heavy NRE cost

Yêu cầu thiết kế

• Các thông số cơ bản (tiếp)

 Time-to-prototype: the time needed to build a working version of the

system

 Time-to-market: the time required to develop a system to the point that it can be released and sold to customers

 Maintainability: the ability to modify the system after its initial release

 Correctness, safety, many more

• Time required to develop a

product to the point it can be sold to customers

• Market window

 Period during which the

product would have highest sales

• Average time-to-market

constraint is about 8 months

• Delays can be costly

Reve nues ($)

Time (months)

Thiệt hại khi đưa ra thị trường chậm

• Simplified revenue model

 Product life = 2W, peak at W

 Time of market entry defines a

triangle, representing market penetration

 Triangle area equals revenue

• Loss

 The difference between the

on-time and delayed triangle areas (shaded region)

• Area = 1/2 * base * height

 Delays are costly!

Thiệt hại khi đưa ra thị trường chậm

• Unit cost

 the monetary cost of manufacturing each copy of the system, excluding

NRE cost

 The one-time monetary cost of designing the system

Quy trình phát triển hệ nhúng

Các phần tử phần cứng

Estimation Exploration

…)

(Com pilat ion,

…)

Exponential growth for 3 decades!

Xu hướng phát triển

+ Communications + DSP

Mainframe

0.01

Compute Power

1 / human

Xu hướng phát triển Các thiết bị thông minh

Môi trường thông minh

Tổng quan

Tổng quan

• Các linh kiện rời rạc (COTS)

 e.g wireless radios, sensors, I/O devices

 Cheap

• Các IC chuyên dụng (ASICs)

 ICs tailored to meet application needs

 Good performance for their intended tasks

• Xu hướng phần cứng mới:

S ystem-On-Chip (SOC)

Usual (or desired) specs:

 32-bit RISC CPU

 Built-in interfaces to RAM and ROM

 Built-in DMA, interrupt and timing controllers

 Built-in interfaces to disk or flash memory

 Built-in Ethernet/802.11 interfaces

 Built-in LCD/CRT interfaces

New SOCs appearing almost every week!

 Examples

Intel StrongARM SA-1110

Motorola PowerPC MPC823e

Tổng quan

Charge-Coupled Devices (CCD)

Image Sensors: Based on charge transfer to next pixel cell

Khối vào ra Biometrical Sensors

Example: Fingerprint sensor (© Siemens, VDE):

Artificial eyes

© Dobelle Institute (www.dobelle.com)

He looks hale, hearty, and healthy — except for the wires They run from the laptops into the signal processors, then out again and across the table and

up into the air, flanking his face like curtains before disappearing into holes drilled through his skull Since his hair is dark and the wires are black, it's hard to see the actual points of entry From a distance the wires look like long ponytails.

Khối vào ra Artificial eyes

Khối truyền thông

Sensor/actuator busses

Khối truyền thông Sensor/Actuator Bus

Field bus

• More powerful/expensive than sensor

interfaces; serial busses preferred

Khối truyền thông

Field busses

• Controller area network (CAN)

 Designed by Bosch and Intel in 1981;

 Used in cars and other equipment;

 Differential signaling with twisted pairs,

 Arbitration using CSMA/CA,

 Throughput between 10kbit/s and 1 Mbit/s,

 Low and high-priority signals,

 Max latency of 134 µs for high priority signals,

 Coding similar to that of serial (RS-232) lines of PCs, with

modifications for differential signaling.

 http://www.can.bosch.com

• IEEE 488

• IEEE 802.11 a/b/g

• UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)

 Bandwidth is becoming a scarce resource.

• DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications)

 Standard used for wireless phones in Europe

• Bluetooth

 Connect devices e.g., mobile phone and headset

Wireless Communication

Vi điều khiển

• Shipments- > 8 Billion in 2000, 8 bit > 1/2 market

MC68HC05, National COP800, SGS/Thomson ST62, Zilog Z86Cxx

PIC16C5x

• High-Performance RISC CPU:

 Only 33 single word instructions to learn

 All instructions are single cycle (200 ns) except for

program branches which are two-cycle

 Operating speed: DC - 20 MHz clock input

 DC - 200 ns instruction cycle

 12-bit wide instructions

 8-bit wide data path

 Seven or eight special function hardware registers

 Two-level deep hardware stack

 Direct, indirect and relative addressing modes for

data and instructions

• Peripheral Features:

 8-bit real time clock/counter (TMR0) with 8-bit

programmable prescaler

 Power-On Reset (POR)

 Device Reset Timer (DRT)

 Watchdog Timer (WDT) with its own on-chip

 RC oscillator for reliable operation

 Programmable code-protection

 Power saving SLEEP mode

• Applications:

 high-speed automotive and appliance motor control

 low-power remote ransmitters/receivers

Họ vi điều khiển 8051

• Hiện nay có hơn 40 công ty sản xuất các loại vi điều khiển

khác nhau của họ 8051.

• Một số công ty có trên 40 version 8051.

• Các CORE 8051 có thể được tổ hợp trong các FPGA hay

ASIC.

• Trên 100 triệu vi điều khiển 8051 được bán ra mỗi năm.

• Họ 8051 gặt hái được rất nhiều thành công và nó cũng trực tiếp ảnh hưởng đến cấu trúc của các họ vi điều khiển hiện nay.

• 8051 thuộc họ vi điều khiển MCS-51.

• MCS-51 được phát triển bởi Intel và các nhà sản xuất khác (như

Siemens, Philips) là các nhà cung cấp đứng thứ hai của họ này

• Tóm tắt một số đặc điểm chính của họ 8051:

 4K bytes ROM trong

 128 bytes RAM trong

 4 cổng I/O 8-bit

 2 bộ định thời 16 bit

 Giao diện nối tiếp

 Quản lý được 64K bộ nhớ code bên ngoài

 Quản lý được 64K bộ nhớ dữ liệu bên ngoài

Họ vi điều khiển 8051

Điều khiển

ngắt CPU

Bộ dao động

Nguồn Ngắt Trong

Ram trong

Thanh ghi chức năng

đặc biệt

128 byte RAM

Quản

lý Bus Port 0

Port 1

Port

2 Port 3

Cổng nối tiếp

PSEN ALE Địa chỉ

00 7F

FF 80

128 byte ram

Họ vi điều khiển AVR

Thanh ghi

điều khiển

Đơn vị ngắt

Đơn vị SPI UART nối tiếp

Timer/Counter

8 bít Timer/Counter

16 bit với PWM

Bộ định thời watchdog

Bộ nhớ flash 1k x 16 cho

ch ơng trình

Bộ đếm

ch ơng trình

Trạng thái và kiểm tra Bus dữ liệu 8 bít

Thanh ghi lệnh

Bộ giải mã lệnh

Thanh ghi đa năng

32 x 8

ALU

128 x 8 Data SRAM Các đ ờng điều khiển

• Do hãng Cypress sản xuất

• Một loại công nghệ IC mới phát triển trong vài năm gần đây

• Khả năng tích hợp động các loại linh kiện số và tương tự để tạo

ra các khối số hoặc tương tự với chức năng tuỳ thuộc người dùng.

• Kết hợp với một vi điều khiển trung tâm

Texas Instruments TMS320C20x Low end consumer Fixed Point

• Series continued; typical app.: Digital camera, feature-phones, disk

drives, Point-of-Sales Terminal

• 40 MHz, 3.3-5V, 3LM

• Available as core

Selection of peripherals:

serial comm., timers,

fixed MAC 16x16+32->32 PROM

Dual access data RAM

address

data 16

18

address

data 16

16 I/O Loop controller

Texas Instruments TMS320C24x Low end consumer Fixed Point

• Series continued; typical app.: electrical motor control

• 50 MHz, 5V

Selection of peripherals:

serial comm., timers,

fixed MAC 16x16+32->32 PROM

Dual access data RAM

address

data 16

16 Loop controller

8 output PWM

8 channel A/D

CAN bus controller watchdog

Bộ nhớ

Write ability and storage permanence of memories, showing relative degrees along each axis (not to scale).

External programmer

OR in-system, block-oriented writes, 1,000s

of cycles

Battery life (10 years)

Write ability

Ideal memory

OTP ROM

During fabrication only

External programmer, 1,000s

of cycles

External programmer, one time only

External programmer

OR in-system, 1,000s

of cycles

In-system, fast writes, unlimited cycles

Near zero

Tens of years Life of product

3 Phần mềm hệ thống nhúng

• Các loại phần mềm nhúng

• Đặc điểm của phần mềm nhúng

• Hệ điều hành nhúng

3 Phần mềm hệ thống nhúng

• Các loại phần mềm nhúng

• Đặc điểm của phần mềm nhúng

• Hệ điều hành nhúng

Các loại phần mềm nhúng

3 Phần mềm hệ thống nhúng

• Các loại phần mềm nhúng

• Đặc điểm của phần mềm nhúng

• Hệ điều hành nhúng

•Written in high level programming languages:

• Typically in C but increasingly in Java or C++.

•The engineers that write embedded software are rarely

computer scientists

•Very stringent dependability requirements:

• human safety, consumer expectations, liability and government

regulation

•BMW recalled 15,000 7-series sedans in 2002 at an estimated

cost of $50 million.

Đặc điểm của phần mềm nhúng

3 Phần mềm hệ thống nhúng

• Các loại phần mềm nhúng

• Đặc điểm của phần mềm nhúng

• Hệ điều hành nhúng

 Linux is already ubiquitous

Hundreds of different devices are using it

 Several variations-from ‘soft real time’ to ‘hard real time’

 Numerous commercial + open source products: LynxOS, RTAI, Android

The Embedded OS Market 2006

Hệ điều hành nhúng

Lập trình cho PC và lập trình nhúng

Lập trình cho PC và lập trình nhúng

Lập trình cho PC và lập trình nhúng

Lập trình cho PC và lập trình nhúng

4 Các vấn đề trong quy trình thiết kế hệ

nhúng

• Mô tả hệ thống (specification)

• Phân chia phần cứng, phần mềm (HW/SW partitioning)

• Lựa chọn phương án thiết kế (Design space exploration)

• Mô tả hệ thống (specification)

• Phân chia phần cứng, phần mềm (HW/SW partitioning)

• Lựa chọn phương án thiết kế (Design space exploration)

Mô tả hệ thống

Các phần tử phần cứng

Estimation Exploration

…)

(Com pilat ion,

…)

Mô tả hệ thống StateCharts: D Harel, 1987

superstate

FSM will be in exactly one of the substates of

S if S is active (either in A or in B or )

FSM will be in exactly one of the substates of

S if S is active (either in A or in B or )

Hierarchy

 Designed for specification of distributed systems.

recommendation in 1980

is called a process,

on data.

Mô tả hệ thống FSMs/Processes in SDL

output input state

SDL

Mô tả hệ thống

Petri Nets

synchronization assumed (message passing only).

 Conditions: Either met or not met.

 Events: May take place if certain conditions are met.

 Flow relations: Relates conditions and events.

Petri Nets

Preconditions

Mô tả hệ thống UML (Unified Modeling Language)

 IEEE 1364-1995 (Verilog version 1.0)

 IEEE 1364-2001 (Verilog version 2.0)

Mô tả hệ thống

VHDL

• HDL = hardware description language

 VHDL = VHSIC hardware description language

 VHSIC = very high speed integrated circuit

• 1987: IEEE standard 1076; 1992 revision;

• Recently: VHDL-AMS models analog

entity full_adder is port(a, b, carry_in: in Bit; input ports sum,carry_out: out Bit); output ports

end full_adder;

int sc_main ( int argc , char ** argv ) {

hello hello_inst (" world ");

sc_start ();

}

Mô tả hệ thống SystemVerilog

• Corresponds to Verilog versions 3.0 and 3.1.

• Includes:

 Additional language elements to model behavior

 C data types such as int

 Type definition facilities

 Definition of interfaces of hardware components as separate

entities

 Mechanism for calling C/C++-functions from Verilog

 Limited mechanism for calling Verilog functions from C.

• Mô tả hệ thống (specification)

• Phân chia phần cứng, phần mềm (HW/SW partitioning)

• Lựa chọn phương án thiết kế (Design space exploration)

HW/SW Partitioning

Hardware/Software Co-design

[Niemann, Hardware/Software Co-Design for Data Flow Dominated Embedded Systems, Kluwer Academic Publishers, 1998 (Comprehensive mathematical model)]

Processor P1 Processor P2 Hardware

Specification

Mapping

4 Các vấn đề trong quy trình thiết kế hệ

nhúng

• Mô tả hệ thống (specification)

• Phân chia phần cứng, phần mềm (HW/SW partitioning)

• Lựa chọn phương án thiết kế (Design space exploration)

Traditional HW/SW Co-Design Flow

Design Specification

HW/SW Partitioning

Off-Chip Memory

Processor Core

On-Chip Memory

Lựa chọn phương án thiết kế

ADL-Driven SOC Design Flow

Design Specification

IP Library

On-Chip Memory Processor Core

ADL: Architecture Description Language

ADL-driven Design Space Exploration

Lựa chọn phương án thiết kế

Exploration Methodology

• Four steps

 Architecture Specification

 Use of Architecture Description Language ( ADL )

 Software Toolkit Generation

 Compiler, simulator, assembler, debugger

 Generation of Hardware Models (Prototypes)

 Design space exploration

 Find the best possible architecture for the given set of application programs under area, power, performance constraints

nhúng ở VN

• Phát triển hệ thống nhúng trên thế giới

• Phát triển hệ thống nhúng ở Việt Nam

• Tình hình đào tạo hệ thống nhúng ở Việt Nam

5 Tình hình đào tạo và phát triển hệ thống

nhúng ở VN

• Phát triển hệ thống nhúng trên thế giới

• Phát triển hệ thống nhúng ở Việt Nam

• Tình hình đào tạo hệ thống nhúng ở Việt Nam

Phát triển hệ thống nhúng trên thế giới

Nhật Bản: 40% doanh thu phần mềm là từ phần mềm nhúng

Phát triển hệ thống nhúng trên thế giới

• Tỷ lệ doanh thu phần hệ nhúng trong toàn bộ sản phẩm cuối

nhúng ở VN

• Phát triển hệ nhúng trên thế giới

• Phát triển hệ thống nhúng ở Việt Nam

• Tình hình đào tạo hệ nhúng ở Việt Nam

Phát triển hệ thống nhúng ở Việt Nam

• Fsoft

 Outsource cho thị trường Nhật Bản và Mỹ: < 10% doanh thu từ

phần mềm

• Panasonic R&D Center in Vietnam

• Một số công ty khác: ETS, Applistar

nhúng ở VN

• Phát triển hệ thống nhúng trên thế giới

• Phát triển hệ thống nhúng ở Việt Nam

• Tình hình đào tạo hệ thống nhúng ở Việt Nam