Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế KITS nhúng và lập trình nhúng"

Chia sẻ: Mr Mai | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:180

Thêm vào BST

Báo xấu

490
lượt xem 218
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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)....

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế KITS nhúng và lập trình nhúng"

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