Xem mẫu
- BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
ĐỒ AN TÔT NGHIÊP
́ ́ ̣
Đề Tài:
THIÊT KẾ KITS NHUNG VÀ
́ ́
VÀ LÂP TRINH NHUNG
̣ ̀ ́
Chuyên nganh Công Nghệ Kỹ Thuât May Tinh
̀ ̣ ́ ́
Hệ Đai Hoc Chinh Quy
̣ ̣ ́
Tp. Hồ Chí Minh - Tháng 6/2010
Trang 1
- TRƯƠNG ĐAI HOC SƯ PHAM KỸ THUÂT
̣ ̣ ̣ ̣ CÔNG HOA XÃ HÔI CHỦ NGHIA VIÊT
̣ ̀ ̣ ̃ ̣
NAM
TP.HỒ CHÍ MINH
Đôc lâp- Tư do – Hanh phuc
̣ ̣ ̣ ́
KHOA ĐIÊN – ĐIÊN TƯ
̣ ̣
̀ ́
Tp.HCM, ngay ….thang….năm 2010
NHIÊM VỤ ĐỒ AN TÔT nghiêp
̣ ́ ́ ̣
Họ tên sinh viên : 1. Đao Thanh Mai
̀ MSSV :06119058
2. MSSV :
Chuyên Nganh : Công Nghệ Kỹ Thuât May Tinh
̀ ̣ ́ ́ Mã Nganh :
̀
Hệ đao tao : Đai hoc chinh quy
̀ ̣ ̣ ̣ ́ Mã hệ :
́
Khoa : 2006 Lơp :061190B
I. TÊN ĐỀ TAI
̀
THIÊT KẾ KITS NHUNG VÀ LÂP TRINH NHUNG
́ ́ ̣ ̀ ́
II. NHIÊM VỤ VÀ NÔI DUNG
̣ ̣
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
III.NGAY GIAO NHIÊM VỤ .....................................................................................
̀ ̣
IV NGAY HOAN THANH NHIÊM VỤ .....................................................................
̀ ̀ ̀ ̣
V. GIAO VIÊN HƯƠNG DÂN : Thây
́ ̃ ̀ TRƯƠNG NGOC SƠN
̣
Trang 2
- GIAO VIÊN HƯỜNG DÂN
́ ̃
LỜI MỞ ĐẦU
_________________________________________________________________________
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
Trang 3
- .............................................................................................................................................
LỜI CẢM ƠN
_________________________________________________________________________
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
Trang 4
- .............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
NHẬN XÉT GIAO VIÊN PHAN BIÊN
́ ̉ ̣
_________________________________________________________________________
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
Trang 5
- .............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
NHẬN XÉT GIAO VIÊN HƯỚNG DÂN
́ ̃
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
Trang 6
- .............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
̣ ̣
MUC LUC
Nhiêm vụ đồ an
̣ ́
̣ ́ ̉ ́ ̉ ̣
Nhân xet cua giao viên phan biên
Nhân xet cua giao viên hương dân
̣ ́ ̉ ́ ̃
Lơi noi đâu
́ ̀
Lơi cam ơn
̉
̣ ̣
Muc luc.
Liêt kê cac tư viêt tăt
̣ ́ ́ ́
PHÂN MỞ ĐÂU
̀ ̀
1. Tom tăt đề tai
́ ́ ̀
2. Lý do chon đề tai
̣ ̀
3. Muc đich nghiên cưu
̣ ́
4. Đôi tương và pham vi nghiên cưu
́ ̣
5. Ý nghia khoa hoc và thưc tiên đề tai
̃ ̣ ̃ ̀
PHÂN I : THIÊT KẾ KITS ARM
̀ ́
̀ ̣ ̀ ́
PHÂN II : LÂP TRINH NHUNG
PHÂN III : VIÊT ƯNG DUNG
̀ ́ ̣
Trang 7
- Trang 8
- PHÂN MỞ ĐÂU
̀ ̀
I. Lời Noi Đâu
́ ̀
Thế kỷ 21 là thế kỷ của những công nghệ mới, trong đó có công nghệ số hiện đại. Ngày
nay chúng ta có thể bắt gặp các sản phẩm áp dụng kỹ thuật số hầu như khắp mọi ngõ
ngách của cuộc sống từ nhũng thiết bị đơn giản đến phức tạp. Sư phổ dụng như vậy là
do các tính năng do kỹ thuật số đem lại. Trái tim hay trung tâm của các sản phẩm kỹ
thuật số này là các bộ xử lý (processors).
t
Trước kia các hệ thống số 4, 8 hay 16 bit đã được sử dụng rất rộng rãi. Tuy nhiên hiện
nay đang chứng kiến sư dịch chuyển mạnh mẽ sang các thiết kế 32 bit do những ưu điểm
của thiết kế 32 bit đáp ứng được các yêu cầu ngày càng cao của thị trường (các sản phẩm
cao cấp với nhiều tính năng phức tạp, giao diện bắt mắt và thân thiện, giá thành phải
chăng, công suất tiêu thụ thấp).
Trong các thiết kế 32 bit hiện hành, thiết kế 32 bit dưa trên kiến trúc ARM đang và sẽ
phát triển rất mạnh mẽ, chiếm ưu thế do các ưu điểm vượt trội mà nó mang lại so với
các đối thủ cạnh tranh khác như:
Cung cấp giải pháp trọn gói cho thiết kế SoC (System On Chip) bao gồm các bộ xử
lý 32 bit dựa trên tập lệnh RISC cao cấp, các hệ thống bus tốc độ cao tiên tiến, tổ chức
bộ nhớ thông minh, các IPs (Interlectual Property) và các công cụ phát triển tốt nhất. Nhờ
đó mà các giải pháp thiết kế 32 bit do ARM cung cấp đem lại khả năng tích hợp hệ thống
cao nhất (hight speed and small die size).
Đem đến chất lượng cao mà giá cả phải chăng thông qua một loạt các giải pháp
như: tối ưu chất lượng/dung lượng mã, công nghệ Thumb-2, ….. Hiện nay các thiết kế vi
xử lý dựa trên kiến trúc ARM đem lại công suất tiêu thụ thấp nhất, một đặc điểm rất
quan trọng đối vói các sản phẩm số hiện đại.
ARM cung cấp các công cụ hỗ trợ phát triển cả cứng (Prime Cells) lẫn mềm (ví dụ
OS và Middle ware) tốt và rộng nhất cho các kiến trúc ARM 32 bit.
Kiến trúc ARM đem lại cho người dùng sự lựa chọn rộng rãi nhất về hỗ trợ phát triển
ứng dụng dựa trên hệ điều hành (OS) như: hỗ trợ Windows Mobile, Windows Embedded
CE, Symbian OS, Embedded Linux, FreeRTOS, ….
Trang 9
- Với hơn 5 tỷ bộ xử lý đã được bán ra và được sử dụng thành công trong rất nhiều
sản phẩm cao cấp (Advanced high end products), các giải pháp về OS của ARM đã chiếm
đươc sự tin cậy của các nhà phát triển sản phẩm.
Không bằng lòng với những gì đã và đang đạt đươc, ARM cam kết cộng tác chặt
chẽ với các công ty phát triển hệ điều hành nhằm đáp ứng yêu cầu càng cao của thị
trường.
Rút ngắn đáng kể thời gian từ lúc phát triển đến lúc sản phẩm được đưa ra thi
trường nhờ sự hỗ trợ rộng rãi và mạnh mẽ của các công cụ hỗ trợ tốt và tin cậy do ARM
và cộng đồng ARM đem lại. Chẳng hạn như việc cung cấp các IPs có khả năng sử dụng
lại, các platform mẫu, ….. cũng như công cụ phát triển phần mềm RV MDK (RealView
Microcontroller Development Kit), RVDS (RealView Development Suit), RealView ICE, ...
Trong đó nổi bật là hai công cụ phát triển chuyên nghiệp RVDS Pro (tích hợp tính năng
Profilers và RTSM -Real Time System Model) và RealView ICE do ARM cung cấp nhằm
P
đem lại tính ưu việt của các sản phẩm so với các đối thủ cạnh tranh như: độ tin cậy và
bền vững, tỷ giá chất lượng/giá thành cao, tương thích với phát triển tương lai, … Chính
nhờ các công nghệ và công cụ phát triển tin cậy, chất lượng cao như vậy mà ARM đã rất
thành công trong việc giúp việc biến các ý tưởng thành các sản phẩm được người tiêu
dùng và thị trường đánh giá rất cao. Sự tin cậy và chất lượng cao thể hiện rõ nhất ở
lượng hàng tỷ chip xử lý được bán ra và con số này không ngừng tăng lên.
Các giải pháp thiết kế dựa trên kiến trúc ARM 32 bit mà ARM cung cấp đã đưa đến
các hệ EcoSystems.
ARM cam kết đầu tư không ngừng vào R&D nhằm cung cấp và đáp ứng ngày càng
tốt hơn các yêu cầu của thị trường và nắm bắt được các xu thế tương lai. Điều đó được
minh chứng qua các thành công của ARM trong việc phát triển các công nghệ tiên tiến
IPs, Neon, Multi media, TrustZone, VFP, Thumb-2, Java Jazelle …
Công nghệ bảo mật hàng đầu thế giới (Công nghệ TrustZone)
Hiện nay ARM cung cấp rất nhiều dòng xử lý (ARM7, ARM9, Cortex …..) nhằm đáp
ứng các giải pháp khác nhau: thiết bị gia dụng (TV, tủ lạnh, …), giải pháp về thiết bị di
động (điện thoại di động thông minh, gaming, camera,….), giải pháp nhúng (ô tô, máy
bay, hệ thống đo và điều khiển tự động công nghiệp …) … Chẳng hạn dòng ARM A-
profile hướng đến các ứng dụng đòi hỏi tính năng cao, dòng ARM R-profile hướng đến
các hệ Real time, còn dòng ARM M-profile hướng đến các ứng dụng nhúng.
ARM hiện nay là kiến trúc vi xử lý được hỗ trợ rộng rãi và tốt nhất thông qua ARM, các
A
đối tác và cộng đồng ARM (Microsfoft, Linux, Apple ….).
* Hiện nay công nghệ ARM được sử dụng trên 90% các máy điện thoại di động
* Hơn 90% điện thoại di động sử dụng ít nhất một chíp ARM
* 9 triệu ARM chip được xuất xưởng hàng ngày
Trang 10
- * Gấp 10 lần PC
* Dư đoán 5 tỷ lõi ARM được sản xuất chỉ trong năm 2011
* ARM phát triển rất nhanh, không những chỉ trong lĩnh vưc điện thoại di động
* MCU (vi điều khiển): đóng góp thứ hai chỉ sau các thiết bị di động không dây và
đạt tốc độ phát triển rất cao.
* ARM là nhà cung cấp hàng đầu các vi xử lý dưa trên kiến trúc RISC 32 bit
* Chiếm 75% thị trường
* ARM MCUs tăng tốc 2.4x năm
* Triển vọng đến năm 2018: Vi xử lý ARM thống lĩnh thị trường MCU (60% - 70%)
* Kiến trúc tiêu chuẩn thưc tế (De-facto standard architecture) cho các ứng dụng và
thiết bị nhúng.
Chính vì vậy mà ngày càng có nhiều người dùng đã và đang chuyển sang kiến trúc ARM
32 bit. Nhờ công nghệ vượt trội mà ARM đem lại cùng với sư hỗ trợ chu đáo từ ARM
cũng như cộng đồng ARM đem lại (processors, physical IP, SoC designs, Application-
c
specific standard products -ASSPs, related software and development tools), người dùng có
thể tìm thấy mọi thứ họ cần để phát triển thành công các sản phẩm, đặc biệt là những
sản phẩm đem lại sư khác biệt mà truớc đây không thể có được. Và ARM đã trở thành sư
lưa chọn tin cậy của rất nhiều người dùng ngay từ đầu.
Để thuận lợi cho việc phát triển các sản phẩm dưa trên kiến trúc ARM, ARM cung cấp
cho người dùng các bo mạch phát triển khác nhau, đáp ứng các đối tượng khác nhau.
Trang 11
- ̀
PHÂN I
Trang 12
- CHƯƠNG I
HỆ THÔNG NHUNG
́ ́
I Hệ thống nhúng - Embedded system
1. Định nghĩa hệ thống nhúng:
Trang 13
- - Hệ thống nhúng (HTN) là hệ thống có khả năng tư trị được nhúng vào trong 1 môi
trường hay 1 hệ thống mẹ. Đó là các hệ thống tích hợp cả phần cứng và phần mềm
phục vụ các bài toán chuyên dụng trong nhiều lĩnh vưc công nghiệp, tư động hoá
điều khiển, quan trắc và truyền tin. Hệ thống điều khiển nhúng lấy thông tin từ các
cảm biến, xử lý tính toán các thuật điều khiển và phát tín hiệu điều khiển cho các
cơ cấu chấp hành. Khác với các hệ thống điều khiển cổ điển theo nguyên lý thuỷ
lưc, khí nén, rơ le, mạch tương tư, hệ điều khiển nhúng là hệ thống điều khiển số
được hình thành từ những năm 1960 đến nay. Trước đây các hệ điều khiển số
thường do các máy tính lớn đảm nhiệm, ngày nay chức năng điều khiển số này do
các chip vi xử lý, các hệ nhúng đã thay thế. Phần mềm điều khiển ngày càng tinh
sảo tạo nên độ thông minh của thiết bị và ngày càng chiếm tỷ trọng lớn trong giá
thành của thiết bị.
- Như vậy không phải tất cả các sản phẩm đo lường và điều khiển đều là các hệ
nhúng. Hiện nay chúng ta còn gặp nhiều hệ thống điều khiển tư động hoạt động
theo nguyên tắc cơ khí, thuỷ lưc, khí nén, rơ le, hoặc diện tử tương tư…
- Ngược lại phần lớn các sản phẩm cơ điện tử hiện nay đều có nhúng trong nó các
chip vi xử lý hoặc một mạng nhúng. Ta biết rằng cơ điện tử là sư cộng năng của
các công nghệ cơ khí, điện tử, điều khiển và công nghệ thông tin. Sư phối hợp đa
Trang 14
- ngành này tạo nên sư vượt trội của các sản phẩm cơ điện tử. Sản phẩm cơ điện tử
ngày càng tinh sảo và ngày càng thông minh mà phần hồn của nó do các phần mềm
nhúng trong nó tạo nên. Các sản phẩm cơ điện tử là các sản phẩm có ít nhất một
quá trình cơ khí (thường là một quá trình chuyển động), là đối tượng để điều khiển
do vậy các sản phẩm cơ điện tử ngày nay thường có các hệ nhúng trong nó nhưng
ngược lại không phải hệ thống nhúng nào cũng là một hệ cơ điện tử.
- Điểm qua sư phát triển của máy tính ta thấy nó đã trải qua 3 giai đoạn. Giai đoạn
năm 1960-1980 là giai đoạn phát triển của máy tính lớn và máy mini (main frame và
mini computer) với khoảng 1000 chip/máy và mỗi máy có khoảng 100 người dùng.
Giai đoạn từ 1980-2000 là giai đoạn phát triển của máy PC với số chip vi xử lý
khoảng 10 chip/máy và thông thường cho một người sử dụng. Thời đại hậu PC
(Post-PC Era) là giai đoạn mà mọi đồ dùng đều có chip, trung bình 1 chip/một máy
và số máy dùng cho một người lên đến >100 máy. Giai đoạn hậu PC được dư báo
từ 2001-2010 khi các thiết bị xung quanh ta đều được thông minh hoá và kết nối với
nhau thành mạng tạo thành môi trường thông minh phục vụ cho con người.
- Điểm qua về chức năng xử lý tin ở PC và ở các thiết bị nhúng có những nét khác
biệt. Đối với PC và mạng Internet chức năng xử lý đang được phát triển mạnh ở
các lĩnh vưc như thương mại điện tử, ngân hàng điện tử, chính phủ điện tử, thư
viện điện tử, đào tạo từ xa, báo điện tử….Các ứng dụng này thường sử dụng máy
PC để bàn, mạng WAN, LAN hoạt động trong thế giới ảo. Còn đối với các hệ
nhúng thì chức năng xử lý tính toán được ứng dụng cụ thể cho các thiết bị vật lý
(thế giới thật) như mobile phone, quần áo thông minh, các đồ điện tử cần tay, thiết
bị y tế, xe ô tô, tàu tốc hành, phương tiện vận tải thông minh, máy đo, đầu đo cơ
cấu chấp hành thông minh, các hệ thống điều khiển, nhà thông minh, thiết bị gia
dụng thông minh …
- HTN có vai trò đảm nhận một phần công việc cụ thể của hệ thống mẹ. HTN có
thể là một hệ thống phần cứng và cũng có thể là một hệ thống phần mềm. Đặc điểm
của HTN là hoạt động ổn định và có tính năng tư động hoá cao. HTN được thiết kế để
thưc hiện một chứa năng chuyên biệt nào đó. Khác với các máy tính đa năng, chẳng hạn
như PC, một HTN chỉ thưc hiện một hay một vài chức năng nhất định, thường đi kèm
với những yêu cầu cụ thể và bao gồm một số thiết bị máy móc và phần cứng chuyên
dụng mà ta không tìm thấy trong một máy tính đa năng nói chung. Vì hệ thống chỉ được
xây dưng cho một số nhiệm vụ nhất định nên các nhà thiết kế có thể tối ưu hóa nó
nhằm giảm thiểu kích thước và chi phí sản xuất. Các HTN thường được sản xuất hàng
loạt với số lượng lớn. HTN rất đa dạng, phong phú về chủng loại. Đó có thể là những
thiết bị cầm tay nhỏ gọn như đồng hồ kĩ thuật số và máy chơi nhạc MP3, các thiết bị
điện tử dân dụng (máy giặt, tủ lạnh, TV...), các thiết bị điện tử “thông minh” (điện
thoại di động), thiết bị truyền thông, thiết bị y tế, xe hơi, thậm chí cả trong một máy
tính cá nhân (card mở rộng), hoặc những sản phẩm lớn như đèn giao thông, bộ kiểm
soát trong nhà máy hoặc hệ thống kiểm soát các máy năng lượng hạt nhân. Xét về độ
phức tạp, HTN có thể rất đơn giản với một vi điều khiển hoặc rất phức tạp với nhiều
đơn vị, các thiết bị ngoại vi và mạng lưới được nằm gọn trong một lớp vỏ máy lớn.
- Các thiết bị PDA hoặc máy tính cầm tay cũng có một số đặc điểm tương tư với
HTN như các hệ điều hành hoặc vi xử lý điều khiển chúng nhưng các thiết bị này
không phải là HTN thật sư bởi chúng là các thiết bị đa năng, cho phép sử dụng nhiều
ứng dụng và kết nối đến nhiều thiết bị ngoại vi.
Trang 15
- - Có rất nhiều hãng sản xuất bộ vi xử lý, phần cứng và phần mềm trong thị trường
hệ thống nhúng và ứng với mỗi nhà sản xuất lại có nhiều dòng sản phẩm, phong phú
về chủng loại và giá thành:
• Những bộ vi xử lý và phần cứng khác nhau: Texas Instrument, Freescale, ARM,
Intel, Motorola, Atmel, AVR, Renesas…
• Những hệ điều hành khác nhau: QNX, uITRON, VxWorks, Windows CE/XP
Embedded, Embedded Linux, Osek, Symbian…
• Những ngôn ngữ lập trình khác nhau: C/C++, B#, Ada, Assembly, PMC,
LabView, PLC…
2. Lịch sử:
- HTN đầu tiên là Apollo Guidance Computer (Máy tính Dẫn đường Apollo) được
phát triển bởi Charles Stark Draper tại phòng thí nghiệm của trường đại học MIT. HTN
được sản xuất hàng loạt đầu tiên là máy hướng dẫn cho tên lửa quân sư vào năm 1961.
Nó là máy hướng dẫn Autonetics D-17, được xây dưng sử dụng những bóng bán dẫn và
một đĩa cứng để duy trì bộ nhớ. Khi Minuteman II được đưa vào sản xuất năm 1996, D-
17 đã được thay thế với một máy tính mới sử dụng mạch tích hợp. Tính năng thiết kế
chủ yếu của máy tính Minuteman là nó đưa ra thuật toán có thể lập trình lại sau đó để
làm cho tên lửa chính xác hơn, và máy tính có thể kiểm tra tên lửa, giảm trọng lượng
của cáp điện và đầu nối điện.
- Từ những ứng dụng đầu tiên vào những năm 1960, các HTN đã giảm giá và phát
triển mạnh mẽ về khả năng xử lý. Bộ vi xử lý đầu tiên hướng đến người tiêu dùng là
Intel 4004, được phát minh phục vụ máy tính điện tử và những hệ thống nhỏ khác. Tuy
nhiên nó vẫn cần các chip nhớ ngoài và những hỗ trợ khác. Vào những năm cuối 1970,
những bộ xử lý 8 bit đã được sản xuất, nhưng nhìn chung chúng vẫn cần đến những
chip nhớ bên ngoài.
- Vào giữa thập niên 80, kỹ thuật mạch tích hợp đã đạt trình độ cao dẫn đến nhiều
thành phần có thể đưa vào một chip xử lý. Các bộ vi xử lý được gọi là các vi điều khiển
và được chấp nhận rộng rãi. Với giá cả thấp, các vi điều khiển đã trở nên rất hấp dẫn
để xây dưng các hệ thống chuyên dụng. Đã có một sư bùng nổ về số lượng các HTN
trong tất cả các lĩnh vưc thị trường và số các nhà đầu tư sản xuất theo hướng này. Ví
dụ, rất nhiều chip xử lý đặc biệt xuất hiện với nhiều giao diện lập trình hơn là kiểu
song song truyền thống để kết nối các vi xử lý. Vào cuối những năm 80, các HTN đã trở
nên phổ biến trong hầu hết các thiết bị điện tử và khuynh hướng này vẫn còn tiếp tục
cho đến nay. Một hệ thống nhúng đầu tiên được phát triển bởi Intel vào năm 1971. Đó
chính là một con chip vi xử lý 4004 cho các máy tính cầm tay. Một con chip giống nó
cũng đã được sử dụng cho tất cả các máy tính cầm tay với nhiều chủng lại khác nhau,
chúng chỉ khác nhau ở phần mềm tương ứng với mỗi dòng được nạp trên ROM. Ngày
nay, trên thế giới xấp xỉ 98% các loại vi xử lý/vi điều khiển được sử dụng trong một
HTN. Và ARM là nhà cung cấp hàng đầu các vi xử lý dưa trên kiến trúc RISC 32 bit
(chiếm 75% thị trường) cho các HTN đó. Điểm đặc biệt là ARM chỉ bán IP chứ không
bán chip, do đó việc tích hợp các IP vi xử lý 32 bit của ARM vào một chip để xây dưng
một SoC trở nên dễ dàng hơn.
Trang 16
- - Cho đến nay, khái niệm HTN được nhiều người chấp nhận nhất là: hệ thống thưc
hiện một số chức năng đặc biệt có sử dụng vi xử lý. Không có HTN nào chỉ có phần
mềm.
- Điểm quan trọng cần lưu ý là sư khác biệt giữa một HTN và hệ thống máy tính
PC : một HTN chính là một hệ thống chuyên dụng với một chức năng cụ thể, trong khi
đó hệ thống máy tính PC là một hệ thống đa dụng với chức năng của nó tại một thời
điểm do phần mềm quyết định.
- Trong một HTN có thể có nhiều chương trình phần mềm chạy cùng lúc với nhau
dưới một hệ điều hành nào đó. Bởi vì một HTN còn có thể là một phần nhỏ của một
hệ thống lớn hơn, nên nó có thể nằm trên một board mạch với một vi xử lý riêng cùng
với phần mềm được lưu trữ trong ROM. Vì là một hệ thống chuyên dụng, nên hầu hết
các HTN phải đáp ứng sư thay đổi ở các tín hiệu ngõ vào (input) trong thời gian ngắn
nhất có thể, tức là phải đảm bảo tốc độ hoạt động của nó. Vì vậy, các HTN đều có tốc
độ hoạt động rất cao là được xếp vào loại thời gian thưc (real time). Với các ứng dụng
đơn giản, nó chỉ cần một chương trình nhỏ (mà không cần hệ điều hành) để điều
khiển hệ thống, tuy nhiên, một hệ điều hành cài đặt trên HTN để chạy các chương
trình ứng dụng sẽ giúp cho hệ thống trở nên cưc kỳ linh hoạt.
3. Đặc trưng của hệ thống nhúng:
- Một đặc trưng quan trọng của HTN đó chính là “tính quyết định”. Đặc trưng này có
nghĩa là tất cả các trạng thái bên trong của hệ thống, các giá trị ngõ vào liên quan đến
ngõ ra đều có thể tính toán trước được (về mặt nguyên tắc). Tất nhiên “tính quyết định”
không chỉ là một đặc trưng riêng cho một HTN mà nó có thể là một hệ thống bất kỳ.
Tuy vậy, một đặc tính khác cũng khá quan trọng và mang nét riêng của HTN đó chính là
thời gian thưc. Một HTN phải có khả năng thưc hiện chức năng của mình trong một
khoảng thời gian hữu hạn, ít nhất và có thể biết trước.
- Một HTN bao giờ cũng được “bao bọc” bởi một hệ thống phần cứng mà nó điều
khiển. Chính vì vậy, đối với người sử dụng cuối, họ không nhận ra sư hiện diện của
HTN trong một thiết bị phần cứng. Do đó, đây cũng là sư khác biệt giữa một HTN và
một PC. Một HTN cũng có khả năng tương tác với thế giới bên ngoài, tuy nhiên giao
diện người sử dụng của nó lại thường khá đơn giản.
- Lĩnh vưc HTN đòi hỏi sư kết hợp của nhiều ngành lại với nhau như: kỹ thuật phần
mềm, hệ điều hành, thiết kế phần cứng (chip) … Vì vậy, một kỹ sư thiết kế HTN phải
có khả năng hiểu được nhiều lĩnh vưc khác nhau, từ thiết kế phần cứng, xuống layout
ra chip, đến lập trình phần mềm, cài đặt hệ điều hành ...
4. Các đặc điểm:
HTN thường có một số đặc điểm chung như sau:
- Các HTN được thiết kế để thưc hiện một số nhiệm vụ chuyên dụng chứ không
phải đóng vai trò là các hệ thống máy tính đa chức năng. Một số hệ thống đòi hỏi ràng
buộc về tính hoạt động thời gian thưc để đảm bảo độ an toàn và tính ứng dụng, một số
hệ thống không đòi hỏi hoặc ràng buộc chặt chẽ, cho phép đơn giản hóa hệ thống
phần cứng để giảm thiểu chi phí sản xuất.
Trang 17
- - Một HTN thường không phải là một khối riêng biệt mà là một hệ thống phức tạp
nằm trong thiết bị mà nó điều khiển.
- Phần mềm được viết cho các hệ thống nhúng được gọi là firmware và được lưu trữ
trong các chip bộ nhớ chỉ đọc (read-only memory) hoặc bộ nhớ flash chứ không phải là
trong một ổ đĩa. Phần mềm thường chạy với số tài nguyên phần cứng hạn chế: không
có bàn phím, màn hình hoặc có nhưng với kích thước nhỏ, bộ nhớ hạn chế.
4.1 Đặc điểm giao diện:
- Các HTN có thể không có giao diện (đối với những hệ thống đơn nhiệm)
hoặc có đầy đủ giao diện giao tiếp với người dùng tương tư như các hệ điều hành
trong các thiết bị để bàn. Đối với các hệ thống đơn giản, thiết bị nhúng sử dụng nút
bấm, đèn LED và hiển thị chữ cỡ nhỏ hoặc chỉ hiển thị số, thường đi kèm với một
hệ thống menu đơn giản.Còn trong một hệ thống phức tạp hơn, một màn hình đồ
họa, cảm ứng hoặc có các nút bấm ở lề màn hình cho phép thưc hiện các thao tác
phức tạp mà tối thiểu hóa được khoảng không gian cần sử dụng. Ý nghĩa của các
nút bấm có thể thay đổi theo màn hình và các lưa chọn. Các HTN thường có một
màn hình với một nút bấm dạng cần điểu khiển (joystick button). Sư phát triển
mạnh mẽ của mạng toàn cầu đã mang đến cho những nhà thiết kế HTN một lưa
chọn mới là sử dụng một giao diện web thông qua việc kết nối mạng. Điều này có
thể giúp tránh được chi phí cho những màn hình phức tạp nhưng đồng thời vẫn
cung cấp khả năng hiển thị và nhập liệu phức tạp khi cần đến, thông qua một máy
tính khác. Điều này là hết sức hữu dụng đối với các thiết bị điều khiển từ xa, cài
đặt vĩnh viễn. Ví dụ, các router là các thiết bị đã ứng dụng tiện ích này.
4.2 Kiến trúc CPU:
- Các bộ xử lý trong HTN có thể được chia thành hai loại: vi xử lý và vi điều
khiển. Các vi điều khiển thường có các thiết bị ngoại vi được tích hợp trên chip
nhằm giảm kích thước của hệ thống. Có rất nhiều loại kiến trúc CPU được sử
dụng trong thiết kế HTN như ARM, MIPS, Coldfire/68k, PowerPC, x86, PIC, 8051,
Atmel AVR, Renesas H8, SH, V850, FR-V, M32R, Z80, Z8 … Điều này trái ngược
với các loại máy tính để bàn, thường bị hạn chế với một vài kiến trúc máy tính
nhất định. Các HTN có kích thước nhỏ và được thiết kế để hoạt động trong môi
trường công nghiệp thường lưa chọn PC/104 và PC/104++ làm nền tảng. Những hệ
thống này thường sử dụng DOS, Linux, NetBSD hoặc các hệ điều hành nhúng thời
gian thưc như QNX hay VxWorks. Còn các HTN có kích thước rất lớn thường sử
dụng một cấu hình thông dụng là hệ thống on chip (System on a chip – SoC), một
bảng mạch tích hợp cho một ứng dụng cụ thể (an application-specific integrated
circuit – ASIC). Sau đó nhân CPU được mua và thêm vào như một phần của thiết
kế chip. Một chiến lược tương tư là sử dụng FPGA (field-programmable gate array)
và lập trình cho nó với những thành phần nguyên lý thiết kế bao gồm cả CPU.
4.3 Thiết bị ngoại vi: HTN giao tiếp với bên ngoài thông qua các thiết bị ngoại
vi
• Serial Communication Interfaces (SCI): RS-232, RS-422, RS-485...
• Synchronous Serial Communication Interface: I2C, JTAG, SPI, SSC và ESSI
Trang 18
- • Universal Serial Bus (USB)
• Networks: Controller Area Network, LonWorks...
• Bộ định thời: PLL(s), Capture/Compare và Time Processing Units
• Discrete IO: General Purpose Input/Output (GPIO)
4.4 Công cụ phát triển:
- Tương tư như các sản phẩm phần mềm khác, phần mềm HTN cũng được
phát triển nhờ việc sử dụng các trình biên dịch (compilers), chương trình dịch hợp
ngữ (assembler) hoặc các công cụ gỡ rối (debuggers). Tuy nhiên, các nhà thiết kế
HTN có thể sử dụng một số công cụ chuyên dụng như:
• Bộ gỡ rối mạch hoặc các chương trình mô phỏng (emulator)
• Tiện ích để thêm các giá trị checksum hoặc CRC vào chương trình,
giúp HTN có thể kiểm tra tính hợp lệ của chương trình đó.
• Đối với các hệ thống xử lý tín hiệu số, người phát triển hệ thống có
thể sử dụng phần mềm workbench như MathCad hoặc Mathematica
để mô phỏng các phép toán.
• Các trình biên dịch và trình liên kết (linker) chuyên dụng được sử
dụng để tối ưu hóa một thiết bị phần cứng.
• Một HTN có thể có ngôn ngữ lập trình và công cụ thiết kế riêng của
nó hoặc sử dụng và cải tiến từ một ngôn ngữ đã có sẵn.
- Các công cụ phần mềm có thể được tạo ra bởi các công ty phần mềm
chuyên dụng về HTN hoặc chuyển đổi từ các công cụ phát triển phần mềm GNU.
Đôi khi, các công cụ phát triển dành cho PC cũng được sử dụng nếu bộ xử lý của
HTN đó gần giống với bộ xử lý của một máy PC thông dụng.
4.5 Độ tin cậy:
- Các HTN thường nằm trong các cỗ máy được kỳ vọng là sẽ chạy hàng năm
trời liên tục mà không bị lỗi hoặc có thể khôi phục hệ thống khi gặp lỗi. Vì thế, các
phần mềm HTN được phát triển và kiểm thử một cách cẩn thận hơn là phần mềm
cho PC. Ngoài ra, các thiết bị rời không đáng tin cậy như ổ đĩa, công tắc hoặc nút
bấm thường bị hạn chế sử dụng. Việc khôi phục hệ thống khi gặp lỗi có thể được
thưc hiện bằng cách sử dụng các kỹ thuật như watchdog timer – nếu phần mềm
không đều đặn nhận được các tín hiệu watchdog định kì thì hệ thống sẽ bị khởi
động lại.
- Một số vấn đề cụ thể về độ tin cậy như:
• Hệ thống không thể ngừng để sửa chữa một cách an toàn, VD như ở
các hệ thống không gian, hệ thống dây cáp dưới đáy biển, các đèn hiệu
dẫn đường … Giải pháp đưa ra là chuyển sang sử dụng các hệ thống
con dư trữ hoặc các phần mềm cung cấp một phần chức năng.
• Hệ thống phải được chạy liên tục vì tính an toàn, VD như các thiết
bị dẫn đường máy bay, thiết bị kiểm soát độ an toàn trong các nhà máy
hóa chất,… Giải pháp đưa ra là lưa chọn backup hệ thống.
Trang 19
- • Nếu hệ thống ngừng hoạt động sẽ gây tổn thất rất nhiều tiền của,
VD như các dịch vụ buôn bán tư động, hệ thống chuyển tiền, hệ thống
kiểm soát trong các nhà máy …
5.Các kiến trúc phần mềm HTN:
Một số loại kiến trúc phần mềm thông dụng trong các HTN như sau:
5.1 Vòng lặp kiểm soát đơn giản:
- Theo thiết kế này, phần mềm được tổ chức thành một vòng lặp đơn giản.
Vòng lặp gọi đến các chương trình con, mỗi chương trình con quản lý một
phần của hệ thống phần cứng hoặc phần mềm.
5.2 Hệ thống ngắt điều khiển:
- Các HTN thường được điểu khiển bằng các ngắt. Có nghĩa là các tác vụ của
HTN được kích hoạt bởi các loại sư kiện khác nhau. VD: một ngắt có thể
được sinh ra bởi một bộ định thời sau một chu kỳ được định nghĩa trước, hoặc
bởi sư kiện khi cổng nối tiếp nhận được một byte nào đó.
- Loại kiến trúc này thường được sử dụng trong các hệ thống có bộ quản lý
sư kiện đơn giản, ngắn gọn và cần độ trễ thấp. Hệ thống này thường thưc
hiện một tác vụ đơn giản trong một vòng lặp chính. Đôi khi, các tác vụ phức
tạp hơn sẽ được thêm vào một cấu trúc hàng đợi trong bộ quản lý ngắt để
được vòng lặp xử lý sau đó. Lúc này, hệ thống gần giống với kiểu nhân đa
nhiệm với các tiến trình rời rạc.
5.3 Đa nhiệm tương tác:
- Một hệ thống đa nhiệm không ưu tiên cũng gần giống với kỹ thuật vòng lặp
kiểm soát đơn giản ngoại trừ việc vòng lặp này được ẩn giấu thông qua một
giao diện lập trình API. Các nhà lập trình định nghĩa một loạt các nhiệm vụ,
mỗi nhiệm vụ chạy trong một môi trường riêng của nó. Khi không cần thưc
hiện nhiệm vụ đó thì nó gọi đến các tiến trình con tạm nghỉ (bằng cách gọi
“pause”, “wait”, “yeild” …).
- Ưu điểm và nhược điểm của loại kiến trúc này cũng giống với kiểm vòng
lặp kiểm soát đơn giản. Tuy nhiên, việc thêm một phần mềm mới được thưc
hiện dễ dàng hơn bằng cách lập trình một tác vụ mới hoặc thêm vào hàng đợi
thông dịch (queue-interpreter).
5.4 Đa nhiệm ưu tiên:
- Ở loại kiến trúc này, hệ thống thường có một đoạn mã ở mức thấp thưc
hiện việc chuyển đổi giữa các tác vụ khác nhau thông qua một bộ định thời.
Đoạn mã này thường nằm ở mức mà hệ thống được coi là có một hệ điều
hành và vì thế cũng gặp phải tất cả những phức tạp trong việc quản lý đa
nhiệm.
Trang 20
nguon tai.lieu . vn