Đề cương hệ thống nhúng

Faculty of Electronics & Electrical Engineering Embedded Systems TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ******** ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG HỆ THỐNG NHÚNG EMBEDDED SYSTEMS Hưng Yên, tháng 01 năm 2010 This Document is Prepared by Dr Bui Trung Thanh Faculty of Electronics & Electrical Engineering Embedded Systems CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG Kỷ nguyên công nghệ tiếp tục phát triển khơng ngừng nhằm thơng minh hóa đại hóa hệ thống Có thể nói đời phát triển hệ nhúng trước tiên phải kể đến đời vi xử lý, vi điều khiển Nó đánh dấu đời Chip vi xử lý 4004 vào năm 1971 cho mục đích tính tốn thương mại cơng ty Busicom sau chắp cánh phát triển vượt bậc INTEL để trở thành siêu xử lý Chip ứng dụng cho PC ngày Thập kỷ 80 coi thời điểm bắt đầu kỷ nguyên bùng nổ thông tin phát triển hệ nhúng Từ khởi nguồn cho sóng đời hàng loạt chủng loại vi xử lý gắn liền hệ nhúng để thâm nhập rộng khắp ứng dụng hàng ngày sống ví dụ thiết bị điện tử sử dụng cho sinh hoạt hàng ngày như: lò vi sóng, TV, tủ lạnh, máy giặt, điều hịa… văn phòng làm việc như: máy fax, máy in, máy điện thoại… vi xử lý phần mềm ngày sử dụng rộng rãi nhiều ứng dụng đa dạng Trong số cịn ứng dụng cho chip bit, 16 bit chủ yếu 32 bit (chiếm khoảng 75%) Gắn với phát triển phần cứng, phần mềm phát triển với tốc độ nhanh không thua chí tăng nhanh nhiều theo phát triển hệ nhúng 1.1 Các khái niệm hệ nhúng Hệ nhúng Hình 1: vài hình ảnh hệ nhúng This Document is Prepared by Dr Bui Trung Thanh Faculty of Electronics & Electrical Engineering Embedded Systems Trong giới hệ thống điện/điện tử hay thiết bị điện có khả xử lý thơng tin điều khiển tiềm ẩn thiết bị hay hệ nhúng, ví dụ thiết bị truyền thơng, thiết bị đo lường điều khiển, kể hàng loạt thiết bị hệ thống nhúng tồn quanh ta, chúng hệ nhúng Vậy thực chất hệ nhúng phần hệ thống xử lý thông tin hệ thống lớn, phức hợp độc lập ví dụ ô tô, thiết bị đo lường, điều khiển, truyền thơng thiết bị thơng minh nói chung Chúng tổ hợp phần cứng phần mềm để thực một nhóm chức chuyên biệt cụ thể (trái ngược với máy tính PC mà thường thấy sử dụng cho chức mà nhiều chức chức năng) PC thực chất hệ thống lớn tổ hợp nhiều hệ thống nhúng ví dụ card hình, âm thanh, ổ cứng, bàn phím… Chính điều làm dễ lúng túng hỏi nên hiểu PC, có phải hệ nhúng hay không Hệ thời gian thực Trong toán điều khiển ứng dụng hay gặp thuật ngữ ”thời gian thực” Real time có phải thời gian phản ánh độ trung thực thời gian hay khơng? Thời gian thực có phải hiển thị xác đồng theo nhịp đồng hồ thời gian hay không? Không hoàn toàn vậy! Thực chất theo cách hiểu nói hệ thống kỹ thuật đặc biệt hệ thống yêu cầu khắt khe ràng buộc thời gian, thời gian thực hiểu yêu cầu hệ thống phải đảm bảo thỏa mãn yêu cầu tính tiền định hoạt động hệ thống Tính tiền định nói lên hành vi hệ thống thực theo khung thời gian cho trước hồn tồn xác định vài giây đến vài nano giây nhỏ Ở phân biệt yếu tố thời gian gắn liền với khái niệm thời gian thực Không phải hệ thống thực nhanh đảm bảo thực tính thời gian thực Hơn nhanh khơng chưa đủ mà phải đảm bảo trì ổn định chế hoạt động tin cậy Chính ví mà hệ thống khơng kiểm sốt hoạt động (bất định) khơng phải hệ thống đảm bảo tính thời gian thực hệ thống đáp ứng nhanh, chí nhanh nhiều so với yêu cầu đặt Một ví dụ tiêu biểu đường truyền thơng liệu qua đường truyền Hình 1-2:Phân bố quan hệ hệ nhúng & thời gian thực This Document is Prepared by Dr Bui Trung Thanh Faculty of Electronics & Electrical Engineering Embedded Systems Chuẩn Ethernet truyền thống, biết tốc độ truyền nhanh khơng phải hệ hoạt động thời gian thực khơng thỏa mãn tính tiền định chế truyền liệu (có thể nhanh chậm có cạnh tranh giao thông đường truyền bị nghẽn) 1.2 Đặc điểm công nghệ xu phát triển hệ nhúng 1.2.1 Đặc điểm công nghệ Các hệ thống có chung số đặc điểm yêu cầu khả thời gian thực, độ tin cậy, tính độc lập hiệu Một câu hỏi đặt hệ thống nhúng lại phát triển phổ biến cách nhanh chóng Câu trả lời nằm các yêu cầu tăng cường không ngừng ứng dụng công nghiệp Một yêu cầu là: Khả độc lập thơng minh hóa: điều ghi rõ thơng qua thuộc tính u cầu cụ thể: - Độ tin cậy - Khả bảo trì nâng cấp - Sự phổ cập tiện sử dụng - Độ an toàn Hiệu quả: Yêu cầu thể thông qua số đặc điểm hệ thống sau: - Năng lượng tiêu thụ - Kích thước phần cứng phần mềm - Hiệu thời gian thực - Kích thước khối lượng - Giá thành Phân hoạch tác vụ chức hóa: Các vi xử lý thực phần điều khiển cho chức thu thập, xử lý hiển thị ô tô hay hệ thống điều khiển trình Khả làm tăng thêm chuyên biệt hóa chức hệ thống lớn dễ dàng cho trình xây dựng, vận hành bảo trì Khả thời gian thực: Các hệ thống gắn liền với việc đảm nhiệm chức phải thực theo khung thời gian qui định Thông thường chức hệ thống phải thực theo khung thời gian qui định Thông thường chức hệ thống phải thực hoàn thành theo yêu cầu thời gian dịnh trước để đảm bảo thông tin cập nhật kịp thời cho phẫn xử lý chức khác ảnh hưởng đến hoạt động xác tồn hệ thống Tùy thuộc vào toán yêu cầu hệ thống mà yêu cầu khả thời gian thực củng khác làm tăng lên tính chun mơn hóa hệ thống thiết bị nhúng mà thiết bị đa cạnh tranh This Document is Prepared by Dr Bui Trung Thanh Faculty of Electronics & Electrical Engineering Embedded Systems 1.2.2 Xu phát triển tăng trưởng hệ nhúng Vì phát triển hệ nhúng kết hợp nhuần nhuyễn phần cứng phần mềm công nghệ gắng liền với cơng nghệ kết hợp với giải pháp cho phần cứng mềm Vì tính chuyên biệt thiết bị /hệ nhúng giới thiệu nên phần cứng chế tạo để ưu tiên đáp ứng cho chức hay nhiệm vụ cụ thể yêu cầu thiết kế đưa Lớp hệ nhúng ưu tiên phát triển theo tiêu chí kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ lượng ít, giá thành thấp Các chip xử lý nhúng cho lớp hệ thống ứng dụng thường yêu cầu khả tính tốn vừa phải nên hầu hết xây dựng sở đồng xử lý bit- 16 bit 32 bit không hỗ trợ dấu phảy động hạn chế dung lượng khả tính tốn Lớp hệ nhúng ưu tiên thực thi khả xử lý tính tốn với tốc độ cực nhanh Các chip xử lý nhúng cho hệ thống hỗ trợ This Document is Prepared by Dr Bui Trung Thanh Faculty of Electronics & Electrical Engineering Embedded Systems CHƯƠNG CẤU TRÚC PHẦN CỨNG HỆ NHÚNG 2.1 Các thành phần kiến trúc 2.1.1 Đơn vị xử lý trung tâm CPU (central processing unit) đóng vai trò não chịu trách nhiệm thực thi chức đơn vị tính thực lệnh Phần CPU đảm nhiệm chức đơn vị logic toán học (ALU arthimeic logic unit) Ngoài để hỗ trợ cho hoạt động ALU cịn có thêm số thành phần khác giải mã decoder, sequencer ghi  Thanh ghi trỏ ngăn xếp - Stack pointer Thanh ghi lưu trữ địa ngăn xếp Theo nguyên lý giá trị địa chứa gh trỏ ngăn xếp giảm liệu lưu thêm vào ngăn xếp tăng liệu lấy khỏi ngăn xếp  Thanh ghi số - Index register Thanh ghi số sử dụng để lưu địa mode địa sử dụng Nó cịn biết tới với tên gọi ghi trỏ hay ghi lựa chọn tệp Microchip  Thanh ghi địa lệnh / đếm chương trình - Program Counter Một ghi quan trọng CPU ghi đếm chương trình Thanh ghi đếm chương trình tăng lên Chương trình kết thúc ghi PC có giá trị địa cuối chương trình nằm nhớ chương trình  Thanh ghi tích lũy - Accumulator Thanh ghi tích lũy ghi giao tiếp trực tiếp với ALU sử dụng để lưu giữ toán tử kết phép tốn q trình hoạt động ALU 2.1.2 Xung nhịp trạng thái tín hiệu Trong VXL nói chung hoạt động hệ thống thực đồng dị theo xung nhịp chuẩn Các nhịp lấy trực tiếp gián tiếp từ nguồn xung chuẩn thường mạch tạo xung dao động thạch anh Để mô tả hoạt động hệ thống, tín hiệu liệu điều khiển thường mô tả trạng thái theo giản đồ thời gian mức tín hiệu Mục đích việc mơ tả trạng thái tín hiệu theo giản đồ thời gian mức tín hiệu để phân tích xác định chuỗi kiện hoạt động chi tiết rong chu kỳ bus Nhờ việc mô tả xem xét đến khả đáp ứng thời gian This Document is Prepared by Dr Bui Trung Thanh Faculty of Electronics & Electrical Engineering Embedded Systems kiện thực thi hệ thống thời gian cần thiết để thực thi hoạt động khả tương thích sự phối hợp cá thiết bị ghép nối hay mở rộng hệ thống Thông thường thông tin nhịp thời gian hoạt động nhưu đặc tính kỹ thuật chi tiết cung cấp qui đinh nhà chế tao Một số đặc trưng thời gian trạng thái hoạt động tín hiệu hệ thống gồm có sau: + Thời gian tăng giảm + Thời gian trễ lan truyền tín hiệu + Thời gian thiết lập + Thời gian giữ + Trễ cấm hoạt động trạng thái treo Tri-state + Độ rộng xung + Tần số nhịp hoạt động  Thời gian tăng giảm Thời gian tăng định nghĩa khoảng thời gian để tín hiệu tăng từ 20% đến 80% mức tín hiệu cần thiết Thời gian giảm khoảng thời gian để tín hiệu giảm từ 80% đến 20% mức tín hiệu cần thiết  Thời gian trễ lan truyền Là khoản thời gian tính từ thay đổi tín hiệu vào có thay đổi tín hiệu đầu Đặc tính thường cấu tạo khả truyền dẫn tín hiệu vật lý hệ thống tín hiệu  Thời gian thiết lập lưu giữ Khoảng thời gian cần thiết để tín hiệu trích mẫu đạt tới trạng thái ổn định trước xung nhịp chuẩn đồng hồ thay gọi thời gian xác lập Thời gian lưu giữ khoảng thời gian cần thiết để trì tín hiệu trích mẫu ổn định sau xung nhịp chuẩn đồng hồ thay đổi Thực chất khoảng thời gian thiết lập thời gian lưu giữ cần thiết để đảm bảo tín hiệu ghi nhận xác ổn định trình hoạt động chuyển mức trạng thái Trong trường hợp hoạt động chuyển trạng thái tín hiệu không đồng không đảm bảo thời gian thiết lập lưu giữ dẫn đến ổn định hay không xác định mức tín hiệu hệ thống Hiện tượng biết tới với tên gọi metastability 2.1.3 Bus địa liệu điều khiển Bus địa đường dẫn tín hiệu logic chiều để truyền địa tham chiếu tới khu vực nhớ liệu lưu giữ đâu khơng gian nhớ Trong q trình hoạt động CPU điều khiển bus địa để truyền liệu khu vực nhớ CPU Các địa thông thường tham chiếu tới khu vực nhớ khu vực vào/ra ngoại vi Dữ liệu lưu khu vực This Document is Prepared by Dr Bui Trung Thanh Faculty of Electronics & Electrical Engineering Embedded Systems thường bit, 16 bit, hay 32 bit tùy thuộc vào cấu trúc loại vi xử lý/vi điều khiển Hầu hết vi điều khiển thường đánh địa liệu có độ rộng 16,20,24 32 bit Nếu đánh địa theo byte vi xử lý 16 bit đánh địa chỉ địa tăng dần đến 2N-1 Hiện vi xử lý vi điều khiển nói chung chủ yếu sử dụng phổ biến bus liệu có độ rộng Nếu đánh địa theo byte vi xử lý 16 bit địa 216 khu vực nhớ tức 65536 = 64 Kbyte Tuy nhiên số khu vực nhớ mà CPU truy nhập trực tiếp tới tức phải phải sử dụng nhiều nhịp bus để truy cập, thông thường phải kết hợp với điều khiển phần mềm Kỹ thuật chủ yếu sử dụng để mở rộng nhớ thường biết tới khái niệm đánh địa trang nhớ nhu cầu đánh địa khu vực nhớ vượt phạm vi đánh địa truy nhập trực tiếp Ví dụ: CPU có 24 bit địa cho phép đánh địa trực tiếp cho 224 byte(16 Mbyte) nhớ CPU80386 loại vi xử lý mạnh có khơng gian địa 32 bit đánh tới 32 GB địa trực tiếp Bus liệu Bus liệu kênh truyền tải thông tin theo chiều CPU Tốc độ đường truyền hay trao đổi liệu thương dự tính theo đơn vị byte/s Số lượng đường truyền bit liệu cho phép xác định số lượng bit lưu trữ khu vực tham chiếu trực tiếp Nếu bus liệu có khả thực lần truyền ms, bus liệu bit có băng thơng 1Mb/s, bus 16 bit có băng thơng mb/s bus 32 bit có băng thơng Mb/s Trong trường hợp bus liệu bit với chu kỳ bus T = ms tức truyền 1b/1 chu kỳ truyền Mb 1s hay Mb 2s Bus điều khiển Bus điều khiển phục vụ truyền tải thông tin liệu để điều khiển hoạt động hệ thống Thông thường liệu điều khiển bao gồm cá tín hiệu chu kỳ để đồng nhịp chuyển động hoạt động hệ thống Thông thường liệu điều khiển bao gồm tín hiệu chu kỳ để đơng nhịp chuyển động hoạt động hệ thống Bus điều khiển thường điều khiển CPU để đồng hóa nhịp hoạt động liệu trao đổi bus Trong trường hợp vi xử lý sử dụng dồn kênh bus liệu bus địa tức phần toàn bus liệu sử dụng chung chia xẻ với bus địa cần tín hiệu điều khiển để phân nhịp truy nhập cho phép chốt lưu trữ thông tin địa bắt đầu chu kỳ truyền Một ví dụ chu kỳ bus đồng chúng hoạt động hệ thống bus địa liệu dồn kênh Đây hoạt động điển hình họ vi điều khiển 8051 nhiều loại tương tự This Document is Prepared by Dr Bui Trung Thanh Faculty of Electronics & Electrical Engineering Embedded Systems 2.1.4 Bộ nhớ kiến trúc nhớ Kiến trúc nhớ chia làm loại áp dụng rộng rãi hầu hết chip vi xử lý nhúng theo Von Newman Havard Trong kiến trúc Von Newmann không phân biệt vùng chứa liệu mã chương trình Cả phương trình liệu truy nhập theo đường Điều cho phép đưa liệu vào vùng mã chương trình ROM, lưu mã chương trình vào vùng liệu RAM thực từ Kiến trúc Havard tách /phân biệt vùng lưu mã chương trình liệu Mã chương trình lưu thực vùng chứa ROM liệu lưu trao đổi vùng RAM Hầu hết vi xử lý nhúng ngày sử dụng kiến trúc nhớ Havard kiến trúc Havard mở rộng tức nhớ chương trình liệu tách biệt cho phép khả hạn chế để lấy liệu từ vùng mã chương trình Trong kiến trúc nhớ Havard mở rộng tức nhớ chương trình liệu tách biệt cho phép khả hạn chế để lấy liệu từ vùng mã chương trình Trong kiến trúc nhớ Havard mở rộng thường sử dụng số lượng nhỏ trỏ để lấy liệu từ vùng mã chương trình theo cách nhúng vào lệnh tức thời Một số chip vi điều khiển nhúng tiêu biểu sử dụng cấu trúc Havard 8031, PIC, Atmel AVR90S Nếu sử dụng chip 8031 nhận thấy điều thông qua việc truy nhập lấy liệu từ vùng liệu RAM từ mã vùng chương trình Chúng ta có vài trỏ sử dụng để lấy liệu từ nhớ liệu từ nhớ liệu RAM, có trỏ DPTR sử dụng để lấy liệu từ vùng mã chương trình Ưu điểm bật cấu trúc nhớ Havard so với kiến trúc Von newman có kênh tách biệt để truy nhập vịa vùng nhớ mã chương trình liệu nhờ mà mã chương trình liệu truy nhập đồng thời lam tăng tốc độ luồng trao đổi với vxl Bộ nhớ chương trình PROM programme read only memory Vùng để lưu trữ mã chương trình Có ba loại nhớ PROM thơng thường sử dụng cho hệ nhúng giới thiệu sau EPROM Bao gồm mảng trnsistor khả trình Mã chương trình ghi trực tiếp vxl đọc để thực EPROM xóa tia cực tím lập trình lại Bộ nhớ FLASH Cũng giống EPROM cấu tạo mảng transistor khả trình xóa điện nạp lại chương trình mà không cần tách khỏi phần cứng vxl Ưu điểm nhớ flash lập trình trực tiếp mạch cứng mà thực thi This Document is Prepared by Dr Bui Trung Thanh Faculty of Electronics & Electrical Engineering Embedded Systems Bộ nhớ liệu RAM Vùng để lưu trao đổi liệu trung gian trình thực chương trình Có loại RAM SRAM DRAM Hình 2-1: Mơ tả trạng thái tín hiệu lơ gic tăng giảm Hình 2-2: Cấu trúc phần tử nhớ DRAM Hình 2-3: Nguyên lý ghép nối (mở rộng) RAM với VXL This Document is Prepared by Dr Bui Trung Thanh Faculty of Electronics & Electrical Engineering Embedded Systems  bổ sung vào đệm Bộ sử dụng (tiêu thụ) - Consumer:  Lấy hạng mục khỏi đệm  Sử dụng hạng mục Hình 6-6: hoạt động hệ thống gồm tạo sử dụng Trong trường hợp có nhiều sử dụng hệ thống biểu diễn sau: Hình 6-7: hoạt động hệ thống goomg tạo sử dụng Hệ thống có đệm This Document is Prepared by Dr Bui Trung Thanh Faculty of Electronics & Electrical Engineering Embedded Systems Hệ thống vừa xét mơ hình hóa điều kiện kiện Các điều kiện mơ tả vịng trịn điều kiện thỏa mãn vịng trịn biểu diễn với chấm tròn nằm tương ứng với thẻ (token) Sự kiện ký hiệu hộp hình chữ nhật Với kiện tồn  tập điều kiện trước nhận biết mũi tên vào kiện từ điều kiện  tập điều kiện sau nhận biết mũi tên khỏi kiện vào điều kiện Một kiện xảy (được thực thi)  tất điều kiện trước tương ứng thỏa mãn (nhận thẻ bài)  tất điều kiện sau tương ứng chưa thỏa mãn Nếu kiện xảy  tất điều kiện trước tương ứng bị xóa bỏ (reset)  tất điều kiện sau tương ứng thiết lập (set) Với loại mạng biểu diễn người ta gọi mạng Petri (Elementary Net) ký hiệu tắt EN Để thuận tiện đơn giản hóa việc biểu diễn người ta sử dụng mũi tên có thêm trọng số ngun để mơ tả hệ thống có chung nhiều điều kiện trước sau tương ứng với kiện điều kiện Đặc biệt số hạng This Document is Prepared by Dr Bui Trung Thanh Faculty of Electronics & Electrical Engineering Embedded Systems mục trao đổi tạo sử dụng lớn Với loại mạng người ta phân loại gọi mạng Petri Chuyển đổi/Vị trí (Transitions/Places) ký hiệu tắt P/T-net  Cũng tương tự EN, P/T-net bao gồm:  Các vị trí ký hiệu mơ tả vịng trịn: Các vị trí chứa số ngun dương thẻ  Các chuyển đổi mô tả hình chữ nhật: Các chuyển đổi lấy thêm vào số thẻ từ tới vị trí  Các mũi tên kết nối trực tiếp vị trí chuyển đổi: Các mũi tên có kèm theo trọng số tương ứng với số lượng thẻ mà lấy thêm vào vị trí Qui ước: Một tập vị trí kết nối với chuyển đổi thơng qua mũi tên trực chiều từ vị trí tới chuyển đổi gọi tập tiền chuyển đổi Ngược lại, tập vị trí kết nối với chuyển đổi thông qua mũi tên trực chiều ngược từ vị trí tới chuyển đổi gọi tập hậu chuyển đổi Một chuyển đổi xảy (thực hiện) tất vị trí tập tiền vị trí chứa số lượng tối thiểu thẻ định nghĩa trọng số mũi tên tương ứng Khi chuyển đổi thực thi  loại bỏ bớt số thẻ từ tập tiền vị trí số lượng định nghĩa cho trọng số mũi tên tương ứng  cộng thêm vào số lượng thẻ vào tập hậu vị trí với trọng số mũi tên tương ứng Ví dụ biểu diễn mô tả hoạt động hệ thống với hạng mục cần đồng tạo sử dụng This Document is Prepared by Dr Bui Trung Thanh Faculty of Electronics & Electrical Engineering Embedded Systems Hình 6-8 : hoạt động đồng với hạng mục Để biểu diễn hệ thống cách khoa học logic cần có định nghĩa đầy đủ mô tả mạng Petri Mạng điều kiện/ kiện Định nghĩa: N = (C, E, F ) gọi mạng thoả mãn thuộc tính sau: C E tập độc lập C ∩ E ≠  F  (E x C )  (C x E) quan hệ nhị phân gọi quan hệ luồng C gọi điều kiện E gọi kiện Định nghĩa: Cho mạng N x  (C  E) x := { y | yFx}được gọi tập điều kiện trước x x := { y | xFy} gọi điều kiện sau x Hay nói cách khác điều kiện cần phải thoả mãn để kiện xảy gọi điều kiện trước điều kiện thoả mãn sau kiện xảy gọi điều kiện sau kiện Định nghĩa: Cho tập (c, e)  C x E (c, e) gọi vòng lặp cFe  eFc This Document is Prepared by Dr Bui Trung Thanh Faculty of Electronics & Electrical Engineering Embedded Systems Mạng N gọi F không chứa vòng lặp Định nghĩa : Một mạng gọi đơn giản khơng có hai chuyển đổi t1, t2 có tập điều kiện trước điều kiện sau Các mạng mà không chứa phần tử tách biệt khơng có thêm hạn chế gọi mạng điều kiện /sự kiện  Mạng chuyển đổi/vị trí Trong mạng điều kiện/sự kiện chứa nhiều token cho điều kiện Để hạn chế điều tức điều kiện chứa nhiều token người ta gọi mạng chuyển đổi/vị trí Các vị trí tương ứng với điều kiện chuyển đổi tương ứng với kiện mạng điều kiện/sự kiện Số lượng token cho điều kiện gọi Marking Về mặt tốn học, Marking ánh xạ toán học cho phép chuyển tập vị trí vào tập số tự nhiên mở rộng biểu tượng đặc biệt ∞ Ví dụ : Mơ tả chương trình điều khiển luồng tàu điện mạng Petrinet điều kiện/sự kiện để tránh trường hợp xung đột đường ray theo hai hướng tàu chạy Các kiện :  Tàu muốn vào đường ray theo chiều sang phải  Tàu chuyển động đường ray theo chiều phải This Document is Prepared by Dr Bui Trung Thanh Faculty of Electronics & Electrical Engineering Embedded Systems  Tàu thoát khỏi đường ray theo chiều phải  Tàu muốn vào đường ray theo chiều sang trái  Tàu chuyển động đường ray theo chiều trái  Tàu thoát khỏi đường ray theo chiều trái Các điều kiện :  Tàu vào đường ray từ chiều bên trái  Tàu rời khỏi đường ray theo chiều phải  Tàu rời đường ray  Tàu vào đường ray từ chiều bên phải  Tàu rời khỏi đường ray theo chiều trái Token : Đường ray sẵn sàng cho tàu vào theo hai chiều 6.2.4 Ngôn ngữ mô tả phần cứng (VHDL) VHDL (Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Lanuage) ngôn ngữ chung để mô tả thiết kế phần cứng mức phần tử logic cấu thành nên hệ thống phát triển tổ chức quốc phòng Mỹ Mục đích để thuận tiện cho việc trao đổi liệu thiết kế phần cứng theo định dạng chuẩn mà người hiểu thơng dịch, tạo điều kiện thuận lợi việc phối hợp hay hợp tác dự án thiết kế Đặc biệt thuận tiện việc chuyển đổi hay tổng hợp biên dịch thành dạng ngôn ngữ thực thi This Document is Prepared by Dr Bui Trung Thanh Faculty of Electronics & Electrical Engineering Embedded Systems phần cứng thực Điều khó thực ngơn ngữ bậc cao C với VHDL điều ưu điểm bật mạnh việc mơ hình hố hệ thống, mơ tả cách chi tiết phần tử cứng cấu thành tham gia hệ thống VHDL chuẩn IEEE (Std-1076) hỗ trợ nhiều nhà cung cấp phát triển phần cứng Ứng dụng cách chuyên nghiệp ngôn ngữ phục vụ cho việc mô tả mạch ASICs phức hợp, chế tạo thực thi mạch FPGA Ngơn ngữ VHDL đọc hiểu dễ dàng với cấu trúc cú pháp rõ ràng gần giống ngôn ngữ Visual Basic Pascal Nó phát huy mạnh cú pháp để định nghĩa xây dựng kiểu liệu hỗ trợ cho việc lập trình theo nhóm Với xu nhóm phát triển thực thi với điều kiện cách xa khoảng cách địa lý, việc phối hợp thiết kế theo nhóm cần thiết mainstream applications (“More Flash, Less Cash,” Circuit Cellar, 178, May 2005) I agree with Tom, but I’ll go further and predict that VHDL will become the premier technology used to define FPGA content either as output from design tools or with direct programming In combination with VHDL, FPGAs provide a lowcost approach to defining complex hardware designs that were inconceivable only a few decades ago Perhaps most importantly, using VHDL to define hardware is fun…” This Document is Prepared by Dr Bui Trung Thanh Faculty of Electronics & Electrical Engineering Embedded Systems 6.3 Thiết kế phần mềm điều khiển 6.3.1 Mơ hình thực thi điều khiển nhúng Hình 6-9: hệ thống điều khiển số Để thực thi điều khiển số thiết bị vật lý thực phải đòi hỏi xét xem điều khiển với mơ hình hàm truyền cho thực hóa khơng Điều kiện phải xét thực để đảm bảo khơng có đầu hệ thống lại xuất trước có tín hiệu vào Hay nói cách khác hệ thống xây dựng phải tuân thủ tính nhân Nếu khai triển hàm truyền điều khiển số mô tả dạng tổng quát thành chuỗi lũy thừa theo z phải khơng phép chứa phần tử chứa lũy thừa dương z Hay nói cách khác điều khiển mơ tả (1.5) phải có bậc ≤ tức bậc tử số phải nhỏ bậc mẫu số ( n ≥ m ) Sau thiết kế điều khiển số việc cịn lại lập trình nạp vào điều khiển vật lý khả trình Thực chất trình thực thi hàm truyền điều khiển số lập trình số điều khiển vật lý có Ở chủ yếu quan tâm đến việc triển khai để chuẩn bị cho bước lập trình hàm truyền điều khiển số Xuất phát từ mô tả hàm truyền dạng tổng quát điều khiển số This Document is Prepared by Dr Bui Trung Thanh Faculty of Electronics & Electrical Engineering Embedded Systems đó, a0 ≠ b0 ≠ ; m n số nguyên dương Có thể triển khai để thực thi hàm truyền điều khiển số theo cách sau:  Triển khai lập trình số trực tiếp Để triển khai lập theo phương pháp lập trình trực tiếp hàm truyền điều khiển cho biểu diễn miền z phải chuyển đổi dạng hàm truyền rời rạc Từ đẳng thức (1.7) dễ dàng tính giá trị đầu u * (t ) điều khiển số cho theo giá trị khứ đầu vào e* (t ) giá trị q khứ Để thực điều khiển yêu cầu phải lưu trữ giá trị khứ đầu vào đầu điều khiển Với điều khiển cho yêu cầu phải có n m giá trị cần phải lưu trữ hay nói cách khác cần phải có n - m phần tử lưu trữ Một phương pháp khác để triển khai lập trình trực tiếp sử dụng chế tách trực tiếp đầu vào đầu điều khiển theo biến trung gian X(z) Khơng tính tổng qt nhân tử mẫu hàm truyền điều khiển số cho với biến X(z) Từ rút hàm truyền đầu vào E(z) theo X(z) hàm truyền đầu U(z) theo X(z) Phương pháp thực sau: This Document is Prepared by Dr Bui Trung Thanh Faculty of Electronics & Electrical Engineering Embedded Systems Theo phương pháp yêu cầu số phần tử lưu trữ giá trị n, bậc đa thức mẫu số hàm truyền điều khiển số cho Từ đẳng thức (1.9) (1.10) ta dễ dàng xây dựng giản đồ trạng thái mô tả hàm truyền điều khiển số (giả thiết m = n = ) Hình 6-10: giản đồ trạng thái hệ thống số Triển khải lập trình số ghép tầng Cách triển khai yêu cầu chuyển đổi điều khiển dạng tích hàm truyền đơn giản để dễ dàng thực chương trình đơn giản Hay nói cách khác điều khiển số cho kết ghép tầng nhiều điều khiển nhỏ Triển khai lập trình số song song Bộ điều khiển cho tách thành tổng điều khiển đơn giản thực lập trình song song cho điều khiển 6.3.2 Ví dụ triển khai điều khiển PID số Xấp xỉ hố thành phần vi tích phân Có phương pháp xấp xỉ gián đoạn phổ biến áp dụng cho thành phần tích phân: vượt trước (forward), vượt sau (backward), trapezoidal This Document is Prepared by Dr Bui Trung Thanh Faculty of Electronics & Electrical Engineering Embedded Systems Xấp xỉ sai phân vượt trước Áp dụng chuyển đổi z cho (1.11) ta thu Dó xấp xỉ hố tích phân là: Hình 6-11: xấp xỉ sai phân vượt trước Xấp xỉ sai phân vượt sau Tương tự sai phân vượt trước ta có xấp xỉ tích phân sau: Hình 6-12: xấp xỉ sai phân vượt sau This Document is Prepared by Dr Bui Trung Thanh Faculty of Electronics & Electrical Engineering Embedded Systems Xấp xỉ Trapezoidal Phép xấp xỉ tích phân thu là: Hình 6-13: xấp xỉ trapezoidan Đẳng thức lý tưởng mô tả điều khiển PID đó, K hệ số khuếch đại, TI số thời gian tích phân, TD số thời gian vi phân Trong trường hợp chu kỳ trích mẫu nhỏ, đẳng thức (1.16) chuyển sang dạng đẳng thức sai phân phương pháp rời rạc hố Trong đó, thành phần vi phân xấp xỉ phép tính sai phân bậc thành phần tích phân xấp xỉ dạng vượt trước Bằng phép rời rạc ta thu đẳng thức mô tả điều khiển PID số sau: Từ đẳng thức (1.17) ta dễ dàng nhận thấy để thực thi điều khiển PID This Document is Prepared by Dr Bui Trung Thanh Faculty of Electronics & Electrical Engineering Embedded Systems cần thông tin tất sai lệch e khứ Để thuận tiện cho việc thực lập trình, dạng đệ qui phù hợp rút từ (1.17) sau: Từ (1.17) (1.18) ta rút algorithm điều khiển PID số: Mơ hình điều khiển dạng hàm truyền ta có: đó, thành phần tích phân xấp xỉ theo ba cách mô tả phần 6.1, thành phần vi phân xấp xỉ sau: từ (1.21) xấp xỉ hàm truyền thành phần vi phân Như hàm truyền điều khiển PID số xấp xỉ theo dạng sau: This Document is Prepared by Dr Bui Trung Thanh Faculty of Electronics & Electrical Engineering This Document is Prepared by Dr Bui Trung Thanh Embedded Systems Faculty of Electronics & Electrical Engineering Embedded Systems TÀI LIỆU THAM KHẢO This Document is Prepared by Dr Bui Trung Thanh ... đo lường điều khiển, kể hàng loạt thiết bị hệ thống nhúng tồn quanh ta, chúng hệ nhúng Vậy thực chất hệ nhúng phần hệ thống xử lý thông tin hệ thống lớn, phức hợp độc lập ví dụ tơ, thiết bị đo... tốc độ nhanh không thua chí tăng nhanh nhiều theo phát triển hệ nhúng 1.1 Các khái niệm hệ nhúng Hệ nhúng Hình 1: vài hình ảnh hệ nhúng This Document is Prepared by Dr Bui Trung Thanh Faculty... năng) PC thực chất hệ thống lớn tổ hợp nhiều hệ thống nhúng ví dụ card hình, âm thanh, ổ cứng, bàn phím… Chính điều làm dễ lúng túng hỏi nên hiểu PC, có phải hệ nhúng hay khơng Hệ thời gian thực