Thiết kế hệ thống điều khiển nhúng

2/26/2013 Thiết kế hệ thống điều khiển nhúng Chu Đức Việt Department of Automatic Control viet.chuduc@hust.edu.vn Nội dung Giới thiệu chung − Mục tiêu khóa học − Các đặc trưng hệ thống − Các yêu cầu thiết kế − Bộ vi xử lý − Quy trình thiết kế Thiết kế phần cứng nhúng Thiết kế phần mềm nhúng Chu Đức Việt Dept of Automatic Control at HUT 2/26/2013 Tài liệu tham khảo Ken Arnold, “Embedded Controller Hardware Design” Arnold S Berger, “Embedded Systems Design: An Introduction to Processes, Tools, and Techniques” Peter Marwedel, “Embedded System Design” Peter Marwedel, “Embedded System Design: Embedded Systems Foundations of CyberPhysical Systems” Chu Đức Việt Dept Of Automatic Control Mục tiêu khóa học “The future is embedded, embedded is the future” Chu Đức Việt Dept of Automatic Control at HUT 2/26/2013 Hệ thống nhúng ? “Hệ thống nhúng hệ thống sử lý thông tin, nhúng thiết bị/hệ thống khác” • Được thiết kế hướng tới nhiệm vụ / ứng dụng chuyên biệt • Giao diện với người sử dụng thiết kế chuyên biệt (thướng khơng có bàn phím, hình v.v.) Chu Đức Việt Dept of Automatic Control at HUT Tổng quan hệ thống nhúng Các hệ thống tính tốn có mặt khắp nơi Khái niệm thiết bị / hệ thống tính tốn thường hiểu loại máy tính: • PC’s • Máy tính xách tay • Máy chủ Chu Đức Việt Dept of Automatic Control at HUT 2/26/2013 Tổng quan hệ thống nhúng Các dạng khác “máy tính” : − Có mặt hầu hết thiết bị sử dụng điện − Máy tính sử dụng với vai trò điều khiển hoạt động thiết bị − − Có nhiều dạng khác từ đơn giản đến phức tạp, khó để định nghĩa Máy tính nhúng thường tất thiết bị có khả tính tốn, xử lý thơng tin, khơng kể loại máy tính thơng thường Hàng năm có hàng triệu máy tính (để bàn, xách tay, máy chủ) sản xuất, có đến hàng tỷ máy tính nhúng sử dụng cách thiết bị Chu Đức Việt Dept of Automatic Control at HUT Ví dụ: Hệ thống điện xe tơ Các thiết bị điều khiển hệ thống nhúng: Hệ thống chống bó cứng phanh ABS: Anti-lock braking systems Ổn định thân xe ESP: Electronic stability control Túi khí Các thiết bị nhúng xe kết nối với qua mạng: Hệ thống điện (cửa, gương, đèn), máy (ecu), hệ thống liên lạc xe, thiết bị giải trí, thiết bị an tồn (dây an tồn chủ động, túi khí) … Hộp số tự động Hệ thống chống trộm Cảnh báo điểm mù etc Chu Đức Việt Dept of Automatic Control at HUT 2/26/2013 Ví dụ: Ngành hàng không Điều khiển bay (tất máy bay điều khiển điện tử - fly by wire) Chống va chạm không, Hệ thống thông tin phi công Hệ thống nguồn Điều khiển hệ thống thủy lực, Hệ thống giải trí Tính tin cậy thiết bị yêu cầu quan trọng Chu Đức Việt Dept of Automatic Control at HUT Mơ ước: Quán bia công nghệ cao :-) Chu Đức Việt Dept of Automatic Control at HUT 10 2/26/2013 Ví dụ: Cơng nghiệp Appear in any Industrial Digital Controller Chu Đức Việt Dept of Automatic Control at HUT 11 Ví dụ: Hệ thống tự động hóa tòa nhà • Tích hợp điều khiển hệ thống làm mát, chiếu sáng, thông tin liên lạc, an ninh, báo cháy, chữa cháy, hiểm v.v • Mục tiêu: Tòa nhà “xanh” Chu Đức Việt Dept of Automatic Control at HUT 12 2/26/2013 Các đặc tính kỹ thuật chung: Tính tin cậy Hệ thống nhúng phải có tính tin cậy cao: Độ tin cậy Khả bảo trì nâng cấp Sự phổ cập tiện sử dụng Độ an tồn Tính bảo mật Tính tin cậy hệ thống phải đặt từ bắt tay vào thiết kế Chu Đức Việt Dept of Automatic Control at HUT 13 Tính hiệu Hiệu • Năng lượng tiêu thụ • Kích thước phần cứng phần mềm • Hiệu thời gian thực • Kích thước khối lượng • Giá thành Chu Đức Việt Dept of Automatic Control at HUT 14 2/26/2013 Phần cứng hệ thống nhúng Các hệ nhúng thường sử dụng “vòng kín” (“close loop”): Chu Đức Việt Dept of Automatic Control at HUT 15 Phần cứng hệ thống nhúng Hệ thống nhúng thường hệ thống tương tác: “Hệ thống tương tác hệ thống liên tục giao tiếp với môi trường xung quanh hoạt động định mơi trường đó” [Bergé, 1995] Các hành vi hệ thống phụ thuộc vào tín hiệu vào trạng thái thời hệ thống Các hệ thống nhúng thường hệ lai (Hybrid system) chứa đồng thời thành phần analog digital Chu Đức Việt Dept of Automatic Control at HUT 16 2/26/2013 Tính thời gian thực Nhiều hệ thống nhúng phải thỏa mãn yêu cầu thời gian thực: Một hệ thống thời gian thực phải đưa phản ứng kịp thời tác động môi trường Đối với hệ thống thời gian thực, phản ứng đưa chậm lại trở thành phản ứng sai Hệ thống phải đảm bảo thoả mãn tính tiền định hoạt động Tính tiền định nói lên hành vi hệ thống thực khung thời gian cho trước hoàn toàn xác định Khung thời gian định đặc điểm yêu cầu hệ thống, vài giây vài nano giây nhỏ Chu Đức Việt Dept of Automatic Control at HUT 17 Tính thời gian thực Yêu cầu thời gian thực cứng (hard-realtime) Yêu cầu thời gian thực cứng hệ thống hoạt động với yêu cầu thoả mãn ràng buộc khung thời gian cứng tức vi phạm dẫn đến hoạt động toàn hệ thống bị sai bị phá huỷ Yêu cầu thời gian thực mềm (soft-realtime) Yêu cầu thời gian thực mềm hệ thống hoạt động với yêu cầu thoả mãn ràng buộc khung thời gian mềm, vi phạm sai lệch nằm khoảng cho phép hệ thống hoạt động chấp nhận Chu Đức Việt Dept of Automatic Control at HUT 18 2/26/2013 Hệ thống thời gian thực Hệ thống nhúng có đồng nghĩa với hệ thống thời gian thực ? Hầu hết hệ thống nhúng hệ thống thời gian thực Hầu hết hệ thời gian thực hệ nhúng Chu Đức Việt Dept of Automatic Control at HUT 19 Các yêu cầu thiết kế Mục tiêu thiết kế: Xây dựng hệ thống xử lý với chức mong muốn Thách thức: Tìm giải pháp tối ưu cho yêu cầu thiết kế cách đồng thời Chu Đức Việt Dept of Automatic Control at HUT 20 10 2/26/2013 Các yêu cầu thiết kế Các yêu cầu bản: Giá thành sản phẩm: giá thành sản xuất đơn vị sản phẩm, khơng tính chi phí nghiên cứu phát triển Chi phí nghiên cứu phát triển (NRE: Non-Recurring Engineering cost) Kích thước Sức mạnh tính tốn vi xử lý Điện tiêu thụ Tính linh hoạt: Khả thay đổi tính thiết bị mà khơng phí nhiều cho việc thiết kế lại sản phẩm khác Chu Đức Việt Dept of Automatic Control at HUT 21 Các yêu cầu thiết kế Các yêu cầu (tiếp) Thời gian nghiên cứu phát triển: Thời gian cần thiết để có nguyên mẫu thử nghiệm Thời gian hoàn thành sản phẩm: Thời gian cần thiết để đưa sản phẩm hoàn thiện thị trường Khả thay đổi, nâng cấp sản phẩm sau bán thị trường … Chu Đức Việt Dept of Automatic Control at HUT 22 11 2/26/2013 Quy trình thiết kế giai đoạn trình thiết kế: Chu Đức Việt Dept Of Automatic Control 23 Quy trình thiết kế giai đoạn trình thiết kế: • Lập mơ tả tính u cầu sản phẩm • Phân chia thiết kế thành mảng thiết kế phần cứng phần mềm • Bước đầu thiết kế phần cứng phần mềm, thực phân chia lại nhiệm vụ phần cứng phần mềm cần thiết • Thiết kế phần cứng phần mềm tiến hành song song • Cài đặt phần mềm lên phần cứng tiến hành thử nghiệm • Thử nghiệm hồn chỉnh tính sản phẩm theo yêu cầu đưa sản phẩm thị trường • Tiếp tục phát triển nâng cấp sản phẩm sau đưa thị trường Chu Đức Việt Dept Of Automatic Control 24 12 2/26/2013 Ví dụ: Thiết kế điều khiển máy in laser Bộ vi xử lý nhận liệu cần in gửi từ máy tính thơng qua cổng truyền thơng song song, RS232, USB Ethernet lưu nhớ đệm Chuyển đổi liệu cần in thành chuỗi tín hiệu điều khiển phận phần cứng để thực việc in ấn: nguồn phát laser, gương quay, trống mực v.v Chu Đức Việt Dept Of Automatic Control 25 13