Giáo trình Hệ thống nhúng (Phần 1)

Nội dung text: Giáo trình Hệ thống nhúng (Phần 1)

1. Giáo trình hệ thống nhúng Biên tập bởi: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
2. Giáo trình hệ thống nhúng Biên tập bởi: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên Phiên bản trực tuyến:
3. MỤC LỤC 1. Mở đầu hệ thống nhúng 2. Tổng quan hệ thống nhúng 3. Các thành phần cơ bản trong kiến trúc phần cứng Hệ thống nhúng 4. Một số nền phần cứng và Cơ sở kỹ thuật của phần mềm nhúng 5. Hệ điều hành cho các hệ thống nhúng (HĐH thời gian thực) 6. Cơ bản về lập trình nhúng 7. Tác vụ và truyền thông giữa các tác vụ 8. Kĩ thuật lập lịch và xử lý ngắt trong thời gian thực 9. Thiết kế Hệ thống nhúng 10. Thiết kế các phần mềm điều khiển Tham gia đóng góp 1/99
4. Mở đầu hệ thống nhúng Tên Module: Hệ thống nhúng (Embedded System) Mã Module: ES334 Giáo viên: Hoàng Quốc Việt - Phạm Ngọc Hưng Ngành học: Công nghệ Thông tin Số giờ học: 96 giờ - 02 tín chỉ Loại hình đào tạo: Chính qui Thời gian thực hiện: Học kỳ II – Năm III Năm học: 2009/2010 Loại Module: LT Phiên bản: 20081007 Mục tiêu Sau khi hoàn thành module này, người học có khả năng: • Giải thích được một số các khái niệm liên quan đến hệ thống nhúng, hệ điều hành nhúng và phần mềm nhúng. • Phân tích được các đặc điểm cấu trúc phần cứng, hệ điều hành và phần mềm cho các hệ thống nhúng. • Ứng dụng trong thiết kế và phát triển phần mềm cho hệ thống nhúng đơn giản. • Rèn luyện khả năng tự nghiên cứu, khả năng làm việc theo nhóm. Module này sẽ giúp người học phát triển và hoàn thiện các năng lực: Phân tích (M3), Tư vấn (M3) và Thực hiện(M3), thiết kế (M3). Điều kiện tiên quyết Người học đã học các môn Kỹ thuật điện tử; Kỹ thuật số; Vi xử lý; Kiến trúc máy tính; Lập trình hướng đối tượng; Học song song hoặc sau môn Hệ điều hành. Mô tả module Module này cung cấp cho người học các kiến thức cơ bản về hệ thống nhúng, nội dung chính bao gồm: Giới thiệu chung về các hệ thống nhúng; Kiến trúc phần cứng hệ thống nhúng; Hệ điều hành nhúng, phần mềm nhúng. 2/99
5. Nội dung MODULE Tổng quan về Hệ thống nhúng Giới thiệu môn học Hệ thống nhúng là gì? Lịch sử phát triển của hệ thống nhúng Xu hướng phát triển của các hệ thống nhúng Những thách thức và vấn đề còn tồn tại với hệ thống nhúng Các đặc điểm của hệ thống nhúng Một số ví dụ về hệ thống nhúng Các thành phần cơ bản trong kiến trúc phần cứng Hệ thống nhúng Đơn vị xử lý trung tâm CPU Xung nhịp và trạng thái tín hiệu Bus địa chỉ, dữ liệu và điều khiển Bộ nhớ Ngoại vi Giao diện Một số nền phần cứng nhúng thông dụng Chip Vi xử lý/Vi điều khiển nhúng Chip DSP Cơ sở kỹ thuật của phần mềm nhúng Phần mềm nhúng là gì? Đặc điểm của phần mềm nhúng 3/99
6. Quy trình phát triển phần mềm nhúng Hệ điều hành cho các Hệ thống nhúng Đặc điểm chung của Hệ điều hành Hệ điều hành cho các hệ thống nhúng - hệ điều hành thời gian thực Thời gian thực (Real - Time) là gì? Các dạng thời gian thực Hệ điều hành thời gian thực Cơ bản về Lập trình nhúng Biểu diễn số và dữ liệu Ngôn ngữ lập trình Các kiến trúc phần mềm nhúng thông dụng Tập lệnh Tác vụ và truyền thông giữa các tác vụ Các tác vụ (Task) Truyền thông và đồng bộ giữa các tác vụ Semaphore Monitor Kĩ thuật lập lịch và xử lý ngắt trong thời gian thực Các khái niệm Các phương pháp lập lịch phổ biến Kỹ thuật lập lịch Xử lý ngắt 4/99
7. Thiết kế Hệ thống nhúng Quy trình phát triển Mô hình hóa sự kiện và tác vụ Thiết kế các phần mềm điều khiển Thiết kế phần mềm điều khiển Một số phương pháp phát triển phần mềm nhúng Project: Phân tích sơ đồ, cấu trúc phần cứng, phềm mềm và hệ điều hành nhúng cho một thiết bị cụ thể trong thực tế. Tài liệu tham khảo: Sách giáo trình, Slide do giáo viên biên soạn. Sách tham khảo: [1]. Giáo trình Hệ thống nhúng [2]. TS. Lưu Hồng Việt, “Hệ thống điều khiển nhúng” [3]. Ken Arnold, “Embedded Controller Hardware Design” [4]. Michael Barr, “Programming Embedded Systems” Học liệu: Giáo trình lưu hành nội bộ, sách tham khảo, máy tính, tài nguyên trên Internet, Projector. Đánh giá: • Đánh giá quá trình (tiểu luận): 40% • Kiểm tra cuối kỳ: 60% Kế hoạch học tập Bố trí giảng dạy module Hệ thống nhúng (2 tín chỉ) như sau: 5/99
8. 30 tiết lí thuyết (thực hiện trong 10 buổi, mỗi buổi 3 tiết) 6 tiết thảo luận và 60 giờ chuẩn bị cá nhân: 45 giờ (tài liệu 90 trang) và 15 giờ (bài tập lớn). Kế hoạch học tập Hoạt động giáo Hoạt động Điều kện Bài Mục tiêu SGSV viên sinh viên thực hiện • Trình bày • Giới thiệu được mục về môn tiêu của học, Module phương • Trình bày pháp học, được định mục tiêu nghĩa, lịch môn học sử phát • Nêu một triển của hệ số ứng thống dụng có sử nhúng dụng hẹ • Chỉ ra được thống xu hướng nhúng trên Đọc bài 1 phát triển thực tế trong tài liệu của và các (máy [1]Ghi nhận thách thức giặt ) từ lại những vấn với hệ đó trình đề cơ Phòng LTTài 1 thống bày định bản,Tham gia 8h liệu tham nhúng nghĩa hệ thảo luận các khảo [1] • Trình bày thống vấn đề mà giáo được các nhúng viên nêu đặc trưng • Trình bày ra.Đọc tài liệu cơ bản của xu hướng được giao của một hệ phát triển thống của hệ nhúng thống • Trình bày nhúng được các hiện nay, đặc điểm cụ những thể của Hệ thách thức thống và các vấn nhúng: đề còn tồn Giao diện, tại với hệ kiến trúc hệ thống CPU, thiết nhúng 6/99
9. • Lấy ví dụ về một chiếc máy PC để thấy rõ đặc điểm của các thành phần : màn hình, CPU, hệ điều hành, các thiết bị ngoại vi • Thảo luận về các đặc bị ngoại vi, điểm của công cụ một PC phát triển về: Giao và độ tin diện, cậy CPU, hệ • Nêu được điều hành, một số ví các phần dụ về hệ mềm, các thống thiết bi nhúng trên ngoại vi thực tế • Từ ví dụ trình bày các đặc điểm của một Hệ thống nhúng về Giao diện, kiến trúc CPU • Nêu một vài ví dụ của Hệ thống nhúng trong thực 7/99
10. tế cuộc sống • Tổng kết bài học • Hướng dẫn sinh viên đọc tài liệu tham khảo, và nhấn mạnh những công việc của sinh viên trong bài tiếp theo • Thảo luận • Đọc tài • Trình bày về thành liệu [1] được các phần phần • Tham thành phần cứng của gia cơ bản một hệ thảo trong kiến thống PC luận về trúc phần thông các cứng của thường và vấn đề một hệ chức năng nêu ra thống của từng • Nắm nhúng thành vứng • Trình bày - Phòng LT- phần các 2 được đặc 8h Tài liệu tham • Thảo luận kiến điểm, các khảo [1],[2] về vai trò thức chức năng của các trong của các thành môn thành phần phần phần học trong phần cứng trong kiến cứng của một PC trúc một hệ • Liên hệ và máy thống so sánh tính nhúng: các thành • Ghi CPU, Bus, phần phần chú Bộ nhớ cứng của những 8/99
11. PC với các thành phần phần cứng của một hệ thống nhúng • Mô tả đặc điểm và trình bày chức năng của các thành phần phần cứng hệ vấn đề thống cơ bản nhúng • Hướng dẫn sinh viên đọc tài liệu tham khảo, và nhấn mạnh những công việc của sinh viên trong bài tiếp theo. • Trình bày • Trình bày • Đọc tài tổng quan tổng quan liệu [1] về các Chip về các • Nắm Vi xử lý Chip Vi vứng nhúng xử lý các - Phòng LT- 3 • Trình bày nhúng. kiến 8h Tài liệu tham được một Vai trò thức khảo [1], [2] số nền phần của các trong cứng nhúng Chip trong môn thông dụng các hệ học hiện nay thống kiến 9/99
12. • Trình bày một số phần cứng nhúng hiện nay. • Giải thích trúc các đặc máy về: đặc điểm, tính điểm, chức chức năng, • Ghi năng, ưu ưu điểm chú điểm với mỗi những loại vấn đề • Hướng cơ bản dẫn sinh viên đọc tài liệu tham khảo. • Trình bày • Thảo luận • Đọc được khái về bài học trước niệm về trước (bài các phần mềm cũ). chủ đề hệ thống • Thảo luận liên nhúng, xu về phần quan thế phát mềm trong trong triển phần một hệ tài liệu mềm nhúng thống máy • Phòng • Tham trên thế tính PC → Lý gia giới hiện trình bày thuyết thảo nay và tầm khái niệm • Tài 4 luận về 8h quan trọng về phần liệu bài học của nó. mềm tham trước, • Trình bày nhúng khảo thảo được các • Thảo luận [1] luận về đặc điểm về các đặc phần của một điểm của mềm phần mềm một phần trong nhúng mềm PC hệ • Mô tả được → trình thống quy trình bày các máy phát triển đặc điểm tính của một của một 10/99
13. • Tham phần mềm gia nhúng thảo • Trình bày luận các bước các đặc trong quy điểm trình phát của triển của phần mềm một phần mềm nhúng. phần nhúng mềm (quá trình PC biên dịch • Ghi và phát chú triển phần các mềm vấn đề nhúng) cơ bản • Thảo luận • Thảo về đặc luận • Trình bày điểm vai vấn đề được đặc trò, cấu mà điểm chung trúc của giáo của một Hệ một của hệ viên điều hành điều hành đưa ra nói chung (môn học: • Trao • Trình bày Hệ điều đổi kết được khái hành) quả niệm về • Lấy ví dụ thảo thời gian về các hệ luận - Phòng LT- thực và các thống với các 5 8h Tài liệu tham dạng của nhúng yêu sinh khảo [1],[2] của thời cầu thời viên gian thực gian thực khác • Trình bày trên thực • Ghi được khái tế và phân nhận niệm, vai tích ví dụ các trò và các này vấn đề đặc điểm • Từ ví dụ về thời của Hệ điều đưa ra gian hành thời trình bày thực và gian thực. khái niệm hệ điều về thời hành gian thực thời 11/99
14. và đưa ra các đặc điểm. • Nêu nên các dạng thức của thời gian thực gian • Trình bày thực. khái niệm • Đọc tài hệ điều liệu hành thời được gian thực giao và các đặc điểm của nó • Tổng kết bài học • Giao nội dung học bài sau • Thảo luận • Tham • Nắm vững về bài học gia được cách trước (bài thảo biểu diễn cũ) luận về số, dữ liệu • Trình bày bài học và thao tác cách biểu trước thành thạo diễn số và • Tham trên các hệ dữ liệu gia thống cơ số • Yêu cầu thảo trong kĩ sinh viên luận về - Phòng LT- thuật lập 6 thực hiện các hệ 8h Tài liệu tham trình nhúng một số thống khảo [1], [2] • Trình bày phép tính cơ số được các trong các trong ngôn ngữ hệ cơ số biểu lập trình khác nhau diễn dữ được dùng • Trình bày liệu trong quá các ngôn trong trình phát ngữ lập lập triển phần trình dùng trình mềm nhúng cho phát nhúng 12/99
15. triển phần mềm cho PC → trình bày các ngôn ngữ lập trình dùng • Chỉ ra được phát triển các kiến phần mềm và làm trúc của nhúng ví dụ phần mềm • Lấy ví dụ mà Hệ thống điển hình giáo nhúng cho mỗi viên • Trình bày loại kiến đưa ra được các trúc phần • Ghi đặc điểm mềm hệ nhận của các thống lại các kiến trúc nhúng kiến phần mềm • Từ ví dụ trúc hệ thống trình bày phần nhúng đó các đặc mềm • Giải thích điểm của nhúng được đặc mỗi loại thông điểm chung kiến trúc dụng của tập lệnh phần mềm hiện trong phần hệ thống nay. mềm nhúng nhúng • Ghi và mô tả • Nêu ra cấu chú được tập trúc tập các lệnh của lệnh và vấn đề một số các kiểu cơ bản VXL/VĐK truyền địa nhúng chỉ toán tử lệnh • Tổng kết bài học • Giao nội dung học bài sau • Mô tả được • Tiếp cận • Trao - Phòng LT- 7 cấu trúc, vấn đề “hệ đổi kết 8h Tài liệu tham chức năng, thống điều quả khảo [1],[2] 13/99
16. khiển sự kiện” → đa nhiệm, thảo từ đó nêu luận khái niệm với các tác vụ bạn (task) sinh • Trình bày viên khái niệm khác “hệ thống • Làm điều khiển việc và các đặc sự kiện” độc lập điểm của → trình phân một tác vụ bày đa tích trong hệ nhiệm từ hình vẽ điều hành đó nêu mô tả thời gian khái niệm cấu thực. tác vụ trúc • Trình bày • Đưa ra của được hai cơ hình vẽ một tác chế đồng mô tả cấu vụ bộ và trúc của • Ghi truyền một tác vụ nhận thông sử và nêu cấu các dụng trong trúc mỗi vấn đề các hệ điều tác vụ quan hành thời • Giới thiệu trọng gian thực vấn đề về tác (Semaphore truyền vụ và và thông và truyền Monitor). đồng bộ thông và Đưa ra giữa một vài cơ các tác chế đồng vụ bộ và trong truyền hệ điều thông sử hành dụng trong thời các hệ gian điều hành thực thời gian thực 14/99
17. • Trình bày đặc điêm của hai cơ chế cụ thể. • Đưa ra mô • Tham hình trạng gia thái của thảo tác vụ luận • Giải thích vấn đề các thành mà phần trong giáo • Trình bày mô hình viên được vai trạng thái đưa ra. trò của lập của tác vụ • Trao lịch trong • Thảo luận đổi kết hệ điều về vấn đề quả hành thời lập lịch thảo gian thực trong các luận • Chỉ ra được hệ điều với các các kiểu lập hành bạn lịch khác thông sinh nhau (lập thường. viên - Phòng LT- lịch có chu • Giới thiệu khác Projector- Tài 8 kì, lập lịch 8h về các • Làm liệu tham không chu kiểu lập việc khảo [1], [2] kì ) lịch khác độc lập • Trình bày nhau trong phân được các kĩ hệ điều tích thuật lập hành thời hình vẽ lịch khác gian thực mô tả nhau (đặc mô • Trình bày điểm ) hình các kĩ thuật • Tiếp cận trạng xử lý ngắt và trình thái (Polling và bày khái của tác Interrupt) niệm “hệ vụ thống điều • Ghi khiển sự nhận kiện” lại các • Trình bày vấn đề 2 phương quan pháp tiếp trọng 15/99
18. cận là: Polling và Interrupt • Trình bày các đặc điểm của Polling • Mô tả các đặc điểm ngắt (Interrupt), các loại ngắt dùng trong các hệ vi xử lý • Tổng kết bài học • Thảo luận • Tham về chu gia trình phát thảo triển của luận • Chỉ ra được một hệ tích chu trình thống cực về phát triển phần mềm vấn đề của một hệ thông được thống thường giao nhúng (các • Nêu ra chu • Ghi bước để trình phát chéo - Phòng LT- phats triển triển của các 9 8h Tài liệu tham một hệ một hệ vấn đề khảo [1] thống thống liên nhúng) nhúng quan • Trình bày • Nêu nên đến mô được mô mô hình hình hình hóa sự hóa sự hóa sự kiện và tác kiện kiện và vụ Petrinet tác vụ • Giới thiệu trong việc quy hệ ước biểu thống diễn mô nhúng. 16/99
19. hình hóa Petrinet • Mô tả các tình huống hoạt động cơ bản với Petrinet • Trình bày • Giới thiệu được các lý thuyết vấn đề về • Tham liên quan thiết kế gia đến thiết phần mềm thảo kế phần điều khiển luận về mềm điều của một hệ mỗi khiển thống chủ đề - Phòng LT- • Trình bày 10 nhúng • Trao 8h Tài liệu tham một số • Chỉ ra được đổi kết khảo [1],[2] phương các một số quả với pháp phát phương các triển phần pháp phát sinh mềm triển phần viên nhúng mềm nhúng khác bằng máy bằng máy tính tính. 17/99
20. Tổng quan hệ thống nhúng Giới thiệu môn học Module này cung cấp cho người học các kiến thức cơ bản về hệ thống nhúng, Nội dung chính bao gồm: Giới thiệu chung về các hệ thống nhúng; Kiến trúc phần cứng hệ thống nhúng; Hệ điều hành nhúng, phần mềm nhúng. Sau khi hoàn thành module này, người học có khả năng: • Giải thích được một số các khái niệm liên quan đến hệ thống nhúng, hệ điều hành nhúng và phần mềm nhúng. • Phân tích được các đặc điểm cấu trúc phần cứng, hệ điều hành và phần mềm cho các hệ thống nhúng. • Ứng dụng trong thiết kế và phát triển phần mềm cho hệ thống nhúng đơn giản. • Rèn luyện khả năng tự nghiên cứu, khả năng làm việc theo nhóm. Để học tốt môn học này mỗi người học phải tự xây dựng cho mình một phương pháp học thích hợp. Nhưng phương pháp chung để học môn học này là người học phải hiểu thật kỹ các phần lý thuyết cơ bản từ đó tìm hiểu các phần kiến thức mở rộng. Hệ thống nhúng là gì? Hệ thống nhúng (Embedded system) là một thuật ngữ để chỉ một hệ thống có khả năng tự trị được nhúng vào trong một môi trường hay một hệ thống mẹ. Đó là các hệ thống tích hợp cả phần cứng và phần phềm để thực hiện một hoặc một nhóm chức năng chuyên biệt cụ thể . Hệ thống nhúng (HTN) thường được thiết kế để thực hiện một chức năng chuyên biệt nào đó. Khác với các máy tính đa chức năng, chẳng hạn như máy tính cá nhân, một hệ thống nhúng chỉ thực hiện một hoặc 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 dựng 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 hệ thống nhúng 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, 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, hệ thống nhúng 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. 18/99
21. Các thiết bị PDA hoặc máy tính cầm tay cũng có một số đặc điểm tương tự với hệ thống nhúng như các hệ điều hành hoặc vi xử lý điều khiển chúng nhưng các thiết bị này không phải là hệ thống nhúng thật sự bởi chúng là các thiết bị đa năng, cho phép sử dụng nhiều ứng dụng và kết nối đến nhiều thiết bị ngoại vi. Lịch sử phát triển của hệ thống nhúng Hệ thống nhúng 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 MITnăm 1960. Hệ thống nhúng được sản xuất hàng loạt đầu tiên là máy hướng dẫn cho tên lửa quân sự vào năm 1961. Nó là máy hướng dẫn Autonetics D-17, được xây dựng 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, AutoneticsD-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 II 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 hệ thống nhúng 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 dựng các hệ thống chuyên dụng. Đã có một sự bùng nổ về số lượng các hệ thống nhúng trong tất cả các lĩnh vực 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 hệ thống nhúng đã trở nên phổ biến trong hầu hết các thiết bị điện tử và khuynh hướng này vẫn còn tiếp tục cho đến nay. Xu hướng phát triển của các hệ thống nhúng Sau máy tính lớn (mainframe), PC và Internet thì hệ thống nhúng đang là làn sóng đổi mới thứ 3 trong công nghệ thông tin và truyền thông. Xu hướng phát triển của các hệ thống nhúng hiện nay là: 19/99
22. • Phần mềm ngày càng chiếm tỷ trọng cao và đã trở thành một thành phần cấu tạo nên thiết bị bình đẳng như các phần cơ khí, linh kiện điện tử, linh kiện quang học • Các hệ nhúng ngày càng phức tạp hơn đáp ứng các yêu cầu khắt khe về thời gian thực, tiêu ít năng lượng và hoạt động tin cậy ổn định hơn. • Các hệ nhúng ngày càng có độ mềm dẻo cao đáp ứng các yêu cầu nhanh chóng đưa sản phẩm ra thương trường, có khả năng bảo trì từ xa, có tính cá nhân cao. • Các hệ nhúng ngày càng có khả năng hội thoại cao, có khả năng kết nối mạng và hội thoại với người sử dụng. • Các hệ nhúng ngày càng có tính thích nghi, tự tổ chức cao có khả năng tái cấu hình như một thực thể, một tác nhân. • Các hệ nhúng ngày càng có khả năng tiếp nhận năng lượng từ nhiều nguồn khác nhau (ánh sáng, rung động, điện từ trường, sinh học .) để tạo nên các hệ thống tự tiếp nhận năng lượng trong quá trình hoạt động. Những thách thức và vấn đề còn tồn tại với hệ thống nhúng Hệ thống nhúng hiện nay còn phải đối mặt với các vấn đề sau: • Độ phức tạp của sự liên kết đa ngành phối hợp cứng - mềm.Độ phức tạp của hệ thống tăng cao do nó kết hợp nhiều lĩnh vực đa ngành, kết hợp phần cứng - mềm, trong khi các phương pháp thiết kế và kiểm tra chưa chín muồi. Khoảng cách giữa lý thuyết và thực hành lớn và còn thiếu các phương pháp và lý thuyết hoàn chỉnh cho khảo sát phân tích toàn cục các hệ nhúng. • Thiếu phương pháp tích hợp tối ưu giữa các thành phần tạo nên hệ nhúng bao gồm lý thuyết điều khiển tự động, thiết kế máy, công nghệ phần mềm, điện tử, vi xử lý, các công nghệ hỗ trợ khác. • Thách thức đối với độ tin cậy và tính mở của hệ thống: Do hệ thống nhúng thường phải hội thoại với môi trường xung quanh nên nhiều khi gặp những tình huống không được thiết kế trước dễ dẫn đến hệ thống bị loạn. Trong quá trình hoạt động một số phần mềm thường phải chỉnh lại và thay đổi nên hệ thống phần mềm có thể không kiểm soát được. Đối với hệ thống mở, các hãng thứ 3 đưa các module mới, thành phần mới vào cũng có thể gây nên sự hoạt động thiếu tin cậy. Các đặc điểm của hệ thống nhúng Hệ thống nhúng thường có một số đặc điểm chung như sau: • Các hệ thống nhúng được thiết kế để thực 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 thực để đảm bảo độ an toàn 20/99
23. 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. • Một hệ thống nhúng 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 (ROM - 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. Sau đây, chúng ta sẽ đi sâu, xem xét cụ thể đặc điểm của các thành phần của hệ thống nhúng. Giao diện Các hệ thống nhúng 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 tự 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 thực 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 lựa chọn. Các hệ thống nhúng thường có một màn hình với một nút bấm dạng cần điểu khiển (joystick button). Sự phát triển mạnh mẽ của mạng toàn cầu đã mang đến cho những nhà thiết kế hệ nhúng một lựa 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. Kiến trúc CPU Các bộ xử lý trong hệ thống nhúng 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 hệ nhúng như ARM, MIPS, Coldfire/68k, PowerPC, x86, PIC, 8051, Atmel AVR 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 hệ thống nhúng có kích thước nhỏ và được thiết kế để hoạt động trong môi trường công nghiệp thường lựa chọn PC/104 và PC/104++ làm nền tảng. Những hệ thống này thường sử dụng DOS, Linux hoặc các hệ điều hành nhúng thời gian thực như QNX hay VxWorks. Còn các hệ thống nhúng có kích thước rất lớn 21/99
24. 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 thêm vào như một phần của thiết kế chip. Một chiến lược tương tự 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. Thiết bị ngoại vi Hệ thống nhúng giao tiếp với bên ngoài thông qua các thiết bị ngoại vi, ví dụ như: • Serial Communication Interfaces (SCI): RS-232, RS-422, RS-485. • 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). Công cụ phát triển Tương tự như các sản phẩm phần mềm khác, phần mềm hệ thống nhúng 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 hệ thống nhúng 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 hệ thống nhúng 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 hệ thống nhúng 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 hệ thống nhúng hoặc chuyển đổi từ các công cụ phát triển phần mềm GNU. Đôi khi, các công cụ phát triển dành cho máy tính cá nhân cũng được sử dụng nếu bộ xử lý của hệ thống nhúng đó gần giống với bộ xử lý của một máy PC thông dụng. Độ tin cậy Các hệ thống nhúng 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 22/99
25. mềm hệ thống nhúng được phát triển và kiểm thử một cách cẩn thận hơn là phần mềm cho máy tính cá nhân. 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 thực 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, ví dụ 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 dự trữ hoặc các phần mềm cung cấp một phần chức năng. • Hệ thống phải được chạy liên tục vì tính an toàn, ví dụ 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 lựa chọn backup hệ thống. • Nếu hệ thống ngừng hoạt động sẽ gây tổn thất rất nhiều tiền của ví dụ như các dịch vụ buôn bán tự động, hệ thống chuyển tiền, hệ thống kiểm soát trong các nhà máy Một số ví dụ về hệ thống nhúng Quanh ta có rất nhiều sản phẩm nhúng như lò vi sóng, nồi cơm điện, điều hoà, điện thoại di động, ô tô, máy bay, tàu thuỷ, các đầu đo cơ cấu chấp hành thông minh . Ta có thể thấy hiện nay hệ thống nhúng có mặt ở mọi lúc mọi nơi trong cuộc sống của chúng ta. Các máy trả lời tự động, các thiết bị y tế, máy in, hệ thống dẫn đường trong không lưu đều có tích hợp các hệ thống nhúng. Cấu trúc bên trong Router Router là một ví dụ của hệ thống nhúng. Các hệ thống nhúng trong mô hình Router bao gồm: Microprocessor (4), RAM (6), và Flash memory(7). 23/99
26. Các thiết bị trên các tàu vũ trụ được tích hợp rất nhiều các hệ thống nhúng. Tàu thăm dò Sao Hỏa 24/99
27. Các thành phần cơ bản trong kiến trúc phần cứng Hệ thống nhúng Kiến trúc điển hình của các chip VXL/VĐK nhúng Đơn vị xử lý trung tâm CPU Kiến trúc CPU Người ta vẫn biết tới phần lõi xử lý của các bộ vi xử lý (VXL) là đơn vị xử lý trung tâm CPU (Central Processing Unit) đóng vai trò như bộ não chịu trách nhiệm thực thi các phép tính và thực hiện các lệnh. Phần chính của CPU đảm nhận chức năng này là đơn vị logic toán học (ALU - Arthimetic Logic Unit). Ngoài ra để hỗ trợ hoạt động cho ALU còn thêm một số thành phần khác như bộ giải mã (decoder), bộ tuần tự (Sequencer) và các thanh ghi. 25/99
28. Bộ giải mã chuyển đổi (thông dịch) các lệnh lưu trữ ở trong bộ mã chương trình thành các mã mà ALU có thể hiểu được và thực thi. Bộ tuần tự có nhiệm vụ quản lý dòng dữ liệu trao đổi qua bus dữ liệu của VXL. Các thanh ghi được sử dụng để CPU lưu trữ tạm thời các dữ liệu chính cho việc thực thi các lệnh và chúng có thể thay đổi nội dung trong quá trình hoạt động của ALU. Hầu hết các thanh ghi của VXL đều là các bộ nhớ được tham chiếu (mapped) và hội nhập với khu vực bộ nhớ và có thể được sử dụng như bất kỳ khu vực nhớ khác. Các thanh ghi có chức năng lưu trữ trạng thái của CPU. Nếu các nội dung của bộ nhớ VXL và các nội dung của các thanh ghi tại một thời điểm nào đó được lữu giữ đầy đủ thì hoàn toàn có thể tạm dừng thực hiện phần chương trình hiện tại trong một khoảng thời gian bất kỳ và có thể trở lại trạng thái của CPU trước đó. Thực tế số lượng các thanh ghi và tên gọi của chúng cũng khác nhau trong các họ VXL/VĐK và thường do chính các nhà chế tạo qui định, nhưng về cơ bản chúng đều có chung các chức năng như đã nêu. Khi thứ tự byte trong bộ nhớ đã được xác định thì người thiết kế phần cứng phải thực hiện một số quyết định xem CPU sẽ lưu dữ liệu đó như thế nào. Cơ chế này cũng khác nhau tuỳ theo kiến trúc tập lệnh được áp dụng. Có ba loại hình cơ bản: Kiến trúc ngăn xếp. Kiến trúc bộ tích luỹ. Kiến trúc thanh ghi mục đích chung. Kiến trúc ngăn xếp sử dụng ngăn xếp để thực hiện lệnh và các toán tử nhận được từ đỉnh ngăn xếp. Mặc dù cơ chế này hỗ trợ mật độ mã tốt và mô hình đơn giản cho việc đánh giá cách thể hiện chương trình nhưng ngăn xếp không thể hỗ trợ khả năng truy nhập ngẫu nhiên và hạn chế hiệu suất thực hiện lệnh. Kiến trúc bộ tích luỹ với lệnh một toán tử ngầm mặc định chứa trong thanh ghi tích luỹ có thể giảm được độ phức tạp bên trong của cấu trúc CPU và cho phép cấu thành lệnh rất nhỏ gọn. Nhưng thanh ghi tích luỹ chỉ là nơi chứa dữ liệu tạm thời nên giao thông bộ nhớ rất lớn. Kiến trúc thanh ghi mục đích chung sử dụng các tập thanh ghi mục đích chung và được đón nhận như mô hình của các hệ thống CPU mới, hiện đại. Các tập thanh ghi đó nhanh hơn bộ nhớ thường và dễ dàng cho bộ biên dịch xử lý thực thi và có thể được sử dụng một cách hiệu quả. Hơn nữa giá thành phần cứng ngày càng có xu thế giảm đáng kể và tập thanh ghi có thể tăng nhanh. Nếu cơ chế truy nhập bộ nhớ nhanh thì kiến trúc dựa trên ngăn xếp có thể là sự lựa chọn lý tưởng, còn nếu truy nhập bộ nhớ chậm thì kiến trúc thanh ghi sẽ là sự lựa chọn phù hợp nhất. 26/99
29. Một số thanh ghi với chức năng điển hình thường được sử dụng trong các kiến trúc CPU như sau: Thanh ghi con trỏ ngăn xếp (stack pointer): Thanh ghi này lưu giữ địa chỉ tiếp theo của ngăn xếp. Theo nguyên lý giá trị địa chỉ chứa trong thanh ghi con trỏ ngăn xếp sẽ giảm nếu dữ liệu được lưu thêm vào ngăn xếp và sẽ tăng khi dữ liệu được lấy ra khỏi ngăn xếp. Thanh ghi chỉ số (index register): Thanh ghi chỉ số được sử dụng để lưu địa chỉ khi mode địa chỉ được sử dụng. Nó còn được biết tới với tên gọi là thanh ghi con trỏ hay thanh ghi lựa chọn tệp (Microchip). Thanh ghi địa chỉ lệnh/Bộ đếm chương trình (Program Counter): Một trong những thanh ghi quan trọng nhất của CPU là thanh ghi bộ đếm chương trình. Thanh ghi bộ đếm chương trình lưu địa chỉ lệnh tiếp theo của chương trình sẽ được CPU xử lý. Mỗi khi lệnh được trỏ tới và được CPU xử lý thì nội dung giá trị của thanh ghi bộ đếm chương trình sẽ tăng lên một. Chương trình sẽ kết thúc khi thanh ghi PC có giá trị bằng địa chỉ cuối cùng của chương trình nằm trong bộ nhớ chương trình. Thanh ghi tích lũy (Accumulator): Thanh ghi tích lũy là một thanh ghi giao tiếp trực tiếp với ALU, được sử dụng để lưu giữ các toán tử hoặc kết quả của một phép toán trong quá trình hoạt động của ALU. Xung nhịp và trạng thái tín hiệu Trong VXL và các vi mạch số nói chung, hoạt động của hệ thống được thực hiện đồng bộ hoặc dị bộ theo các xung nhịp chuẩn. Các nhịp đó được lấy trực tiếp hoặc gián tiếp từ một nguồn xung chuẩn thường là các mạch tạo xung. Để mô tả hoạt động của hệ thống, các tín hiệu dữ liệu và điều khiển thường được mô tả trạng thái theo giản đồ thời gian và mức tín hiệu như được chỉ ra trong Hình 2.3. Mô tả và trạng thái tín hiệu hoạt động trong VXL Mục đích của việc mô tả trạng thái tín hiệu theo giản đồ thời gian và mức tín hiệu là để phân tích và xác định chuỗi sự kiện hoạt động chi tiết trong mỗi chu kỳ bus. Nhờ việc 27/99
30. mô tả này chúng ta có thể xem xét đến khả năng đáp ứng thời gian của các sự kiện thực thi trong hệ thống và thời gian cần thiết để thực thi hoạt động tuần tự cũng như là khả năng tương thích khi có sự hoạt động phối hợp giữa các thiết bị ghép nối hay mở rộng trong hệ thống. Thông thường thông tin về các nhịp thời gian hoạt động cũng như đặc tính kỹ thuật chi tiết được cung cấp hoặc qui định bởi các nhà chế tạo. Một số đặc trưng về thời gian của các trạng thái hoạt động cơ bản của các tín hiệu hệ thống gồm có như sau: Thời gian tăng hoặc giảm. Thời gian trễ lan truyền tín hiệu. Thời gian thiết lập và lưu giữ. Trễ cấm hoạt động và trạng thái treo (Tri-State). Độ rộng xung. Tần số nhịp xung hoạt động. • Thời gian tăng hoặc giảm: Mô tả trạng thái tín hiệu tăng và giảm Thời gian tăng được định nghĩa là khoảng thời gian để tín hiệu tăng từ 20% đến 80% mức tín hiệu cần thiết. Thời gian giảm là khoảng thời gian để tín hiệu giảm từ 80% đến 20% mức tín hiệu cần thiết. • Thời gian trễ lan truyền tín hiệu: Là khoảng thời gian tính từ khi thay đổi tín hiệu vào cho tới khi có sự thay đổi tín hiệu ở đầu ra. Đặc tính này thường do cấu tạo và khả năng truyền dẫn tín hiệu vật lý trong hệ thống tín hiệu. 28/99
31. Mô tả trạng thái và độ trễ lan truyền tín hiệu Thời gian thiết lập và lưu giữ: Khoảng thời gian cần thiết để tín hiệu trích mẫu đạt tới một trạng thái ổn định trước khi nhịp xung chuẩn đồng hồ thay đổi được gọi là thời gian thiết lập. Thời gian lưu giữ là khoảng thời gian cần thiết để duy trì tín hiệu trích mẫu ổn định sau khi xung nhịp chuẩn đồng hồ thay đổi. Thực chất khoảng thời gian thiết lập và thời gian lưu giữ là cần thiết để đảm bảo tín hiệu được ghi nhận chính xác và ổn định trong quá trình hoạt động và chuyển mức trạng thái. Giản đồ thời gian trong Hình 2.6: Thời gian thiết lập và lưu giữ minh họa thời gian thiết lập và lưu giữ trong hoạt động của Triger D. Thời gian thiết lập và lưu trữ Trong trường hợp hoạt động chuyển trạng thái tín hiệu không đồng bộ và không đảm bảo được thời gian thiết lập và lưu giữ sẽ có thể dẫn đến sự mất ổn định hay không xác định mức tín hiệu trong hệ thống. Hiện tượng này được biết tới với tên gọi là metastabilit. Để minh họa cho hiện tượng này trong Hình 2.7 mô tả hoạt động lỗi của một Triger khi các mức tín hiệu vào không thỏa mãn yêu cầu về thời thiết lập và lưu giữ. Hiện tượng Metastabilit trong hoạt động của Triger D 29/99
32. Chu kì tín hiệu 3 trạng thái và contention: Mô tả chu kì tín hiệu 3 trạng thái và Contention Độ rộng xung và tần số nhịp xung chuẩn: Độ rộng và tần số xung nhịp chuẩn Bus địa chỉ, dữ liệu và điều khiển Bus địa chỉ: Bus địa chỉ là các đường dẫn tín hiệu logic một chiều để truyền địa chỉ tham chiếu tới các khu vực bộ nhớ và chỉ ra dữ liệu được lưu giữ ở đâu trong không gian bộ nhớ. Trong qúa trình hoạt động CPU sẽ điều khiển bus địa chỉ để truyền dữ liệu giữa các khu vực bộ nhớ và CPU. Các địa chỉ thông thường tham chiếu tới các khu vực bộ nhớ hoặc các khu vực vào ra, hoặc ngoại vi. Dữ liệu được lưu ở các khu vực đó thường là 8bit (1 byte), 16bit, hoặc 32bit tùy thuộc vào cấu trúc từng loại vi xử lý/vi điều khiển. Hầu hết các vi điều khiển thường đánh địa chỉ dữ liệu theo khối 8bit. Các loại vi xử lý 8bit, 16bit và 32bit nói chung cũng đều có thể làm việc trao đổi với kiểu dữ liệu 8bit và 16bit. Chúng ta vẫn thường được biết tới khái niệm địa chỉ truy nhập trực tiếp, đó là khả năng CPU có thể tham chiếu và truy nhập tới trong một chu kỳ bus. Nếu vi xử lý có N bit địa chỉ tức là nó có thể đánh địa chỉ được 2N khu vực mà CPU có thể tham chiếu trực tiếp tới. Qui ước các khu vực được đánh địa chỉ bắt đầu từ địa chỉ 0 và tăng dần đến 2N-1. Hiện nay các vi xử lý và vi điều khiển nói chung chủ yếu vẫn sử dụng phổ biến các bus 30/99
33. dữ liệu có độ rộng là 16, 20, 24, hoặc 32bit. Nếu đánh địa chỉ theo byte thì một vi xử lý 16bit có thể đánh địa chỉ được 216 khu vực bộ nhớ tức là 65,536 byte = 64Kbyte. Tuy nhiên có một số khu vực bộ nhớ mà CPU không thể truy nhập trực tiếp tới tức là phải sử dụng nhiều nhịp bus để truy nhập, thông thường phải kết hợp với việc điều khiển phần mềm. Kỹ thuật này chủ yếu được sử dụng để mở rộng bộ nhớ và thường được biết tới với khái niệm đánh địa chỉ trang nhớ khi nhu cầu đánh địa chỉ khu vực nhớ vượt quá phạm vi có thể đánh địa chỉ truy nhập trực tiếp. Ví dụ: CPU 80286 có 24bit địa chỉ sẽ cho phép đánh địa chỉ trực tiếp cho 224 byte nhớ. CPU 80386 và các loại vi xử lý mạnh hơn có không gian địa chỉ 32bit sẽ có thể đánh được tới 232 byte địa chỉ trực tiếp. Bus dữ liệu Bus dữ liệu là các kênh truyền tải thông tin theo hai chiều giữa CPU và bộ nhớ hoặc các thiết bị ngoại vi vào ra. Bus dữ liệu được điều khiển bởi CPU để đọc hoặc viết các dữ liệu hoặc mã lệnh thực thi trong quá trình hoạt động của CPU. Độ rộng của bus dữ liệu nói chung sẽ xác định được lượng dữ liệu có thể truyền và trao đổi trên bus. Tốc độ truyền hay trao đổi dữ liệu thường được tính theo đơn vị là [byte/s]. Số lượng đường bit dữ liệu sẽ cho phép xác định được số lượng bit có thể lưu trữ trong mỗi khu vực tham chiếu trực tiếp. Nếu một bus dữ liệu có khả năng thực hiện một lần truyền trong 1 μs, thì bus dữ liệu 8bit sẽ có băng thông là 1Mbyte/s, bus 16bit sẽ có băng thông là 2Mbyte/ s và bus 32bit sẽ có băng thông là 4Mbyte/s. Trong trường hợp bus dữ liệu 8bit với chu kỳ bus là T=1μs (tức là sẽ truyền được 1byte/1chu kỳ) thì sẽ truyền được 1 Mbyte trong 1s hay 2Mbyte trong 2s. Bus điều khiển Bus điều khiển phục vụ truyền tải các thông tin dữ liệu để điều khiển hoạt động của hệ thống. Thông thường các dữ liệu điều khiển bao gồm các tín hiệu chu kỳ để đồng bộ các nhịp chuyển động và hoạt động của hệ thống. Bus điều khiển thường được điều khiển bởi CPU để đồng bộ hóa nhịp hoạt động và dữ liệu trao đổi trên các bus. Trong trường hợp vi xử lý sử dụng dồn kênh bus dữ liệu và bus địa chỉ tức là một phần hoặc toàn bộ bus dữ liệu sẽ được sử dụng chung chia sẻ với bus địa chỉ thì cần một tín hiệu điều khiển để phân nhịp truy nhập cho phép chốt lưu trữ thông tin địa chỉ mỗi khi bắt đầu một chu kỳ truyền. Một ví dụ về các chu kỳ bus và sự đồng bộ của chúng trong hoạt động của hệ thống bus địa chỉ và dữ liệu dồn kênh được chỉ ra trong Hình 2.10: Đây là hoạt động điển hình trong họ vi điều khiển 8051 và nhiều loại tương tự. 31/99
34. Chu kì hoạt động bus dồn kênh Bộ nhớ Kiến trúc bộ nhớ: Kiến trúc bộ nhớ được chia ra làm hai loại chính và được áp dụng rộng rãi trong hầu hết các Chip xử lý nhúng hiện nay là kiến trúc bộ nhớ von Neumann và Havard. Trong kiến trúc von Neumann không phân biệt vùng chứa dữ liệu và mã chương trình. Cả chương trình và dữ liệu đều được truy nhập theo cùng một đường. Điều này cho phép đưa dữ liệu vào vùng mã chương trình ROM, và cũng có thể lưu mã chương trình vào vùng dữ liệu RAM và thực hiện từ đó. Kiến trúc bộ nhớ von Neumann và Havard Kiến trúc Havard tách/phân biệt vùng lưu mã chương trình và dữ liệu. Mã chương trình chỉ có thể được lưu và thực hiện trong vùng chứa ROM và dữ liệu cũng chỉ có thể lưu và trao đổi trong vùng RAM. Hầu hết các vi xử lý nhúng ngày nay sử dụng kiến trúc bộ nhớ Havard hoặc kiến trúc Havard mở rộng (tức là bộ nhớ chương trình và dữ liệu tách biệt nhưng vẫn cho phép khả năng hạn chế để lấy dữ liệu ra từ vùng mã chương trình). Trong kiến trúc bộ nhớ Havard mở rộng thường sử dụng một số lượng nhỏ các con trỏ để lấy dữ liệu từ vùng mã chương trình theo cách nhúng vào trong các lệnh tức thời. Một số Chip vi điều khiển nhúng tiêu biểu hiện nay sử dụng cấu trúc Havard là 8031, PIC, Atmel AVR90S. Nếu sử dụng Chip 8031 chúng ta sẽ nhận thấy điều này thông qua việc truy nhập lấy dữ liệu ra từ vùng dữ liệu RAM hoặc từ vùng mã chương trình. Chúng ta có một vài con trỏ được sử dụng để lấy dữ liệu ra từ bộ nhớ dữ liệu RAM, nhưng chỉ có 32/99
35. duy nhất một con trỏ DPTR có thể được sử dụng để lấy dữ liệu ra từ vùng mã chương trình. Hình 3.11 mô tả nguyên lý kiến trúc của bộ nhớ von Neumann và Harvard. Ưu điểm nổi bật của cấu trúc bộ nhớ Harvard so với kiến trúc von Neumann là có hai kênh tách biệt để truy nhập vào vùng bộ nhớ mã chương trình và dữ liệu nhờ vậy mà mã chương trình và dữ liệu có thể được truy nhập đồng thời và làm tăng tốc độ luồng trao đổi với bộ xử lý. Bộ nhớ chương trình – PROM (Programmable Read Only Memory) Vùng để lưu mã chương trình. Có ba loại bộ nhớ PROM thông dụng được sử dụng cho hệ nhúng và sẽ được giới thiệu lần lượt sau đây: EPROM :Bao gồm một mảng các transistor khả trình. Mã chương trình sẽ được ghi trực tiếp và vi xử lý có thể đọc ra để thực hiện. EPROM có thể xoá được bằng tia cực tím và có thể được lập trình lại. Cấu trúc vật lý của EPROM được mô tả như trong Hình 3.12. Nguyên lý cấu tạo và hoạt động xoá của EPROM Bộ nhớ Flash: Cũng giống như EPROM được cấu tạo bởi một mảng transistor khả trình nhưng có thể xoá được bằng điện và chính vì vậy có thể nạp lại chương trình mà không cần tách ra khỏi nền phần cứng VXL. Ưu điểm của bộ nhớ flash là có thể lập trình trực tiếp trên mạch cứng mà nó đang thực thi trên đó. 33/99
36. Sơ đồ nguyên lý ghép nối EPROM với VXL Bộ nhớ dữ liệu – RAM: Vùng để lưu hoặc trao đổi dữ liệu trung gian trong quá trình thực hiện chương trình. Cấu trúc nguyên lý bộ nhớ RAM Có hai loại SRAM và DRAM. Cấu trúc một phần tử nhớ DRAM 34/99
37. Nguyên lý ghép nối (mở rộng) RAM với VXL Ngoại vi Bộ định thời/Bộ đếm: Hầu hết các chip vi điều khiển ngày nay đều có ít nhất một bộ định thời gian/bộ đếm có thể cấu hình hoạt động linh hoạt theo các mode phục vụ nhiều mục đích trong các ứng dụng xử lý, điều khiển. Các bộ định thời gian cho phép tạo ra các chuỗi xung và ngắt thời gian hoặc đếm theo các khoảng thời gian có thể lập trình. Chúng thường được ứng dụng phổ biến trong các nhiệm vụ đếm xung, đo khoảng thời gian các sự kiện, hoặc định chu kỳ thời gian thực thi các tác vụ. Một trong những ứng dụng quan trọng của bộ định thời gian là tạo nhịp từ bộ tạo xung thạch anh cho bộ truyền thông dị bộ đa năng hoạt động. Thực chất đó là ứng dụng để thực hiện phép chia tần số. Để đạt được độ chính xác, tần số thạch anh thường được chọn sao cho các phép chia số nguyên được thực hiện chính xác đảm bảo cho tốc độ truyền thông dữ liệu được tạo ra chính xác. Chính vì vậy họ vi điều khiển 80C51 thường hay sử dụng thạch anh có tần số dao động là 11.059 thay vì 12MHz để tạo ra nhịp hoạt động truyền thông tốc độ chuẩn 9600. Bộ định thời/bộ đếm 8bit của AVR Bộ điều khiển ngắt: 35/99
38. Ngắt là một sự kiện xảy ra làm dừng hoạt động chương trình hiện tại để phục vụ thực thi một tác vụ hay một chương trình khác. Cơ chế ngắt giúp CPU làm tăng tốc độ đáp ứng phục vụ các sự kiện trong chương trình hoạt động của VXL/VĐK. Các VĐK khác nhau sẽ định nghĩa các nguồn tạo ngắt khác nhau nhưng đều có chung một cơ chế hoạt động ví dụ như ngắt truyền thông nối tiếp, ngắt bộ định thời gian, ngắt cứng, ngắt ngoài Khi một sự kiện yêu cầu ngắt xuất hiện, nếu được chấp nhận CPU sẽ lưu cất trạng thái hoạt động cho chương trình hiện tại đang thực hiện ví dụ như nội dung bộ đếm chương trình (con trỏ lệnh) các nội dung thanh ghi lưu dữ liệu điều khiển chương trình nói chung để thực thi chương trình phục vụ tác vụ cho sự kiện ngắt. Thực chất quá trình ngắt là CPU nhận dạng tín hiệu ngắt, nếu chấp nhận sẽ đưa con trỏ lệnh chương trình trỏ tới vùng mã chứa chương trình phục vụ tác vụ ngắt. Vì vậy mỗi một ngắt đều gắn với một vector ngắt như một con trỏ lưu thông tin địa chỉ của vùng bộ nhớ chứa mã chương trình phục vụ tác vụ của ngắt. CPU sẽ thực hiện chương trình phục vụ tác vụ ngắt đến khi nào gặp lệnh quay trở về chương trình trước thời điểm sự kiện ngắt xảy ra. Có thể phân ra 2 loại nguồn ngắt: Ngắt cứng và Ngắt mềm. Ngắt mềm: Ngắt mềm thực chất thực hiện một lời gọi hàm đặc biệt mà được kích hoạt bởi các nguồn ngắt là các sự kiện xuất hiện từ bên trong chương trình và ngoại vi tích hợp trên Chip ví dụ như ngắt thời gian, ngắt chuyển đổi A/D, Cơ chế ngắt này còn được hiểu là loại thực hiện đồng bộ với chương trình vì nó được kích hoạt và thực thi tại các thời điểm xác định trong chương trình. Hàm được gọi sẽ thực thi chức năng tương ứng với yêu cầu ngắt. Các hàm đó thường được trỏ bởi một vector ngắt mà đã được định nghĩa và gán cố định bởi nhà sản xuất Chip. Ví dụ như hệ điều hành của PC sử dụng ngắt số 21hex để gán cho ngắt truy nhập đọc dữ liệu từ đĩa cứng và xuất dữ liệu ra máy in. Ngắt cứng: Ngắt cứng có thể được xem như là một lời gọi hàm đặc biệt trong đó nguồn kích hoạt là một sự kiện đến từ bên ngoài chương trình thông qua một cấu trúc phần cứng (thường được kết nối với thế giới bên ngoài qua các chân ngắt). Ngắt cứng thường được hiểu hoạt động theo cơ chế dị bộ vì các sự kiện ngắt kích hoạt từ các tín hiệu ngoại vi bên ngoài và tương đối độc lập với CPU, thường là không xác định được thời điểm kích hoạt. Khi các ngắt cứng được kích hoạt CPU sẽ nhận dạng và thực hiện lời gọi hàm thực thi chức năng phục vụ sự kiện ngắt tương ứng. Trong các cơ chế ngắt khoảng thời gian từ khi xuất hiện sự kiện ngắt (có yêu cầu phục vụ ngắt) tới khi dịch vụ ngắt được thực thi là xác định và tuỳ thuộc vào công nghệ phần cứng xử lý của Chip. Bộ định thời chó canh (Watchdog Timer) Thông thường khi có một sự cố xảy ra làm hệ thống bị treo hoặc chạy quẩn, CPU sẽ không thể tiếp tục thực hiện đúng chức năng. Đặc biệt khi hệ thống phải làm việc ở chế độ vận hành tự động và không có sự can thiệp trực tiếp thường xuyên bởi người 36/99
39. vận hành. Để thực hiện cơ chế tự giám sát và phát hiện sự cố phần mềm, một số VXL/ VĐK có thêm một bộ định thời chó canh. Bản chất đó là một bộ định thời đặc biệt để định nghĩa một khung thời gian hoạt động bình thường của hệ thống. Nếu có sự cố phần mềm xảy ra sẽ làm hệ thống bị treo khi đó bộ định thời chó canh sẽ phát hiện và giúp hệ thống thoát khỏi trạng thái đó bằng cách thực hiện khởi tạo lại chương trình. Chương trình hoạt động khi có bộ định thời phải đảm bảo reset nó trước khi khung thời gian bị vi phạm. Khung thời gian này được định nghĩa phụ thuộc vào sự đánh giá của người thực hiện phần mềm, thiết lập khoảng thời gian đảm bảo chắc chắn hệ thống thực hiện bình thường không có sự cố phần mềm. Có một số cơ chế thực hiện cài đặt bộ định thời cho canh để giám sát hoạt động của hệ thống như sau: Sơ đồ nguyên lý của bộ định thời Nguyên lý hoạt động của bộ định thời Bộ điều khiển truy cập bộ nhớ trực tiếp – DMA: DMA (Direct Memory Access) là cơ chế hoạt động cho phép hai hay nhiều vi xử lý hoặc ngoại vi chia sẻ bus chung. Thiết bị nào đang có quyền điều khiển bus sẽ có thể toàn quyền truy nhập và trao đổi dữ liệu trực tiếp với các bộ nhớ như hệ thống có một vi xử lý. Ứng dụng phổ biến nhất của DMA là chia sẻ bộ nhớ chung giữa hai bộ vi xử lý hoặc các ngoại vi để truyền dữ liệu trực tiếp giữa thiết bị ngoại vi vào/ra và bộ nhớ dữ liệu của VXL. 37/99
40. Truy nhập bộ nhớ trực tiếp được sử dụng để đáp ứng nhu cầu trao đổi dữ liệu vào ra tốc độ cao giữa ngoại vi với bộ nhớ. Thông thường các ngoại vi kết nối với hệ thống phải chia sẻ bus dữ liệu và được điều khiển bởi CPU trong quá trình trao đổi dữ liệu. Điều này làm hạn chế tốc độ trao đổi, để tăng cường tốc độ và loại bỏ sự can thiệp của CPU, đặc biệt trong trường hợp cần truyền một lượng dữ liệu lớn. Cơ chế hoạt động DMA được mô tả như trong Hình 2.20. Thủ tục được bắt đầu bằng việc yêu cầu thực hiện DMA với CPU. Sau khi xử lý, nếu được chấp nhận CPU sẽ trao quyền điều khiển bus cho ngoại vi và thực hiện quá trình trao đổi dữ liệu. Sau khi thực hiện xong CPU sẽ nhận được thông báo và nhận lại quyền điều khiển bus. Trong cơ chế DMA, có hai cách để truyền dữ liệu: kiểu DMA chu kỳ đơn, và kiểu DMA chu kỳ nhóm (burst). Nhịp hoạt động DMA DMA chu kì đơn và nhóm: Trong kiểu hoạt động DMA chu kỳ nhóm, ngoại vi sẽ nhận được quyền điều khiển và truyền khối dữ liệu rồi trả lại quyền điều khiển cho CPU. Trong cơ chế DMA chu kỳ đơn ngoại vi sau khi nhân được quyền điều khiển bus chỉ truyền một từ dữ liệu rồi trả lại ngay quyền kiểm soát bộ nhớ và bus dữ liệu cho CPU. Trong cơ chế thực hiện DMA cần có một bước xử lý để quyết định xem thiết bị nào sẽ đươc nhận quyền điều khiển trong trường hợp có nhiều hơn một thiết bị có nhu cầu sử dụng DMA. Thông thường kiểu DMA chu kỳ nhóm cần ít dữ liệu thông tin điều khiển (overhead) nên có khả năng trao đổi với tốc độ cao nhưng lại chiếm nhiều thời gian truy nhập bus do truyền cả khối dữ liệu lớn. Điều này có thể ảnh hưởng đến hoạt động của cả hệ thống do trong suốt quá trình thực hiện DMA nhóm, CPU sẽ bị khoá quyền truy nhập bộ nhớ và không thể xử lý các nhiệm vụ khác của hệ thống mà có nhu cầu bộ nhớ, ví dụ như các dịch vụ ngắt, hoặc các tác vụ thời gian thực Chu kì rỗi (Cycle Stealing): Trong kiểu này DMA sẽ được thực hiện trong những thời điểm chu kỳ bus mà CPU không sử dụng bus do đó không cần thực hiện thủ tục xử lý cấp phát quyền truy nhập và thực hiện DMA. Hầu hết các vi xử lý hiện đại đều sử dụng gần như 100% dung lượng bộ nhớ và băng thông của bus nên sẽ không có nhiều thời 38/99
41. gian dành cho DMA thực hiện. Để tiết kiệm và tối ưu tài nguyên thì cần có một trọng tài phân xử và dữ liệu sẽ được truyền đi xếp chồng theo thời gian. Nói chung kiểu DMA dạng burst hiệu quả nhất khi khoảng thời gian cần thực hiện DMA tương đối nhỏ. Trong khoảng thời gian thực hiện DMA, toàn bộ băng thông của bus sẽ được sử dụng tối đa và toàn bộ khối dữ liệu sẽ được truyền đi trong một khoảng thời gian rất ngắn. Nhưng nhược điểm của nó là nếu dữ liệu cần truyền lớn và cần một khoảng thời gian dài thì sẽ dẫn đến việc block CPU và có thể bỏ qua việc xử lý các sự kiện và tác vụ khác. Đối với DMA chu kỳ đơn thì yêu cầu truy nhập bộ nhớ, truyền một từ dữ liệu và giải phóng bus. Cơ chế này cho phép thực hiện truyền interleave và được biết tới với tên gọi inteleaved DMA. Kiểu truyền DMA chu kỳ đơn phù hợp để truyền dữ liệu trong một khoảng thời gian dài mà có đủ thời gian để yêu cầu truy nhập và giải phóng bus cho mỗi lần truyền một từ dữ liệu. Chính vì vậy sẽ giảm băng thông truy nhập bus do phải mất nhiều thời gian để yêu cầu truy nhập và giải phóng bus. Trong trường hợp này CPU và các thiết bị khác vẫn có thể chia sẻ và truyền dữ liệu nhưng trong một dải băng thông hẹp. Trong nhiều hệ thống bus thực hiện cơ chế xử lý và giải quyết yêu cầu truy nhập (trọng tài) thông qua dữ liệu truyền vì vậy cũng không ảnh hưởng nhiều đến tốc độ truyền DMA. DMA được yêu cầu khi khả năng điều khiển của CPU để truyền dữ liệu thực hiện quá chậm. DMA cũng thực sự có ý nghĩa khi CPU đang phải thực hiện các tác vụ khác mà không cần nhu cầu truy nhập bus. Giao diện Giao diện song song 8bit/16bit Các cổng song song là một dạng giao diện vào ra đơn giản và phổ biến nhất để kết nối thông tin với ngoại vi. Có nhiều loại cấu trúc giao diện vật lý điện tử từ dạng cổng vào ra đơn giản cực Collector TTL hở trong các ứng dụng cổng máy in đến các loại cấu trúc giao diện cổng tốc độ cao như các chuẩn bus IEEE-488 hay SCSI. Hầu hết các chip điều khiển nhúng có một vài cổng vào ra song song khả trình (có thể cấu hình). Các giao diện đó phù hợp với các cổng vào ra đơn giản như các khoá chuyển. Chúng cũng phù hợp trong các bài toán phục vụ giao diện kết nối điều khiển và giám sát theo các giao diện như kiểu rơle bán dẫn. Cấu trúc nguyên lý điển hình của một cổng vào/ra logic 39/99
42. Giao diện nối tiếp: USART: Cấu trúc đơn giản hóa cuae USART Mode hoạt động truyền thông đồng bộ Mode hoạt động truyền thông dị bộ I2C (Inter-IC) Giao thức ưu tiên truyền thông nối tiếp được phát triển bởi Philips Semiconductor và được gọi là bus I2C. Vì nguồn gốc nó được thiết kế là để điều khiển liên thông IC (Inter IC) nên nó được đặt tên là I2C. Tất cả các chíp có tích hợp và tương thích với I2C đều có thêm một giao diện tích hợp trên Chip để truyền thông trực tiếp với các thiết bị tương 40/99
43. thích I2C khác. Việc truyền dữ liệu nối tiếp theo hai hướng 8 bit được thực thi theo 3 chế độ sau: • Chuẩn (Standard)—100 Kbits/sec • Nhanh (Fast)—400 Kbits/sec • Tốc độ cao (High Speed)—3.4 Mbits/sec Đường bus thực hiện truyền thông nối tiếp I2C gồm hai đường là đường truyền dữ liệu nối tiếp SDA và đường truyền nhịp xung đồng hồ nối tiếp SCL. Vì cơ chế hoạt động là đồng bộ nên nó cần có một nhịp xung tín hiệu đồng bộ. Các thiết bị hỗ trợ I2C đều có một địa chỉ định nghĩa trước, trong đó một số bit địa chỉ là thấp có thể cấu hình. Đơn vị hoặc thiết bị khởi tạo quá trình truyền thông là đơn vị Chủ và cũng là đơn vị tạo xung nhịp đồng bộ, điều khiển cho phép kết thúc quá trình truyền. Nếu đơn vị Chủ muốn truyền thông với đơn vị khác nó sẽ gửi kèm thông tin địa chỉ của đơn vị mà nó muốn truyền trong dữ liệu truyền. Đơn vị Tớ đều được gán và đánh địa chỉ thông qua đó đơn vị Chủ có thể thiết lập truyền thông và trao đổi dữ liệu. Bus dữ liệu được thiết kế để cho phép thực hiện nhiều đơn vị Chủ và Tớ ở trên cùng Bus. Quá trình truyền thông I2C được bắt đầu bằng tín hiệu start tạo ra bởi đơn vị Chủ. Sau đó đơn vị Chủ sẽ truyền đi dữ liệu 7 bit chứa địa chỉ của đơn vị Tớ mà nó muốn truyền thông, theo thứ tự là các bit có trọng số lớn nhất MSB sẽ được truyền trước. Bit thứ tám tiếp theo sẽ chứa thông tin để xác định đơn vị Tớ sẽ thực hiện vai trò nhận (0) hay gửi (1) dữ liệu. Tiếp theo sẽ là một bit ACK xác nhận bởi đơn vị nhận đã nhận được 1 byte trước đó hay không. Đơn vị truyền (gửi) sẽ truyền đi 1 byte dữ liệu bắt đầu bởi MSB. Tại điểm cuối của byte truyền, đơn vị nhận sẽ tạo ra một bit xác nhận ACK mới. Khuôn mẫu 9 bit này (gồm 8 bit dữ liệu và 1 bit xác nhận) sẽ được lặp lại nếu cần truyền tiếp byte nữa. Khi đơn vị Chủ đã trao đổi xong dữ liệu cần nó sẽ quan sát bit xác nhận ACK cuối cùng rồi sau đó sẽ tạo ra một tín hiệu dừng STOP để kết thúc quá trình truyền thông. I2C là một giao diện truyền thông đặc biệt thích hợp cho các ứng dụng truyền thông giữa các đơn vị trên cùng một bo mạch với khoảng cách ngắn và tốc độ thấp. Ví dụ như truyền thông giữa CPU với các khối chức năng trên cùng một bo mạch như EEPROM, cảm biến, đồng hồ tạo thời gian thực Hầu hết các thiết bị hỗ trợ I2C hoạt động ở tốc độ 400Kbps, một số cho phép hoạt động ở tốc độ cao vài Mbps. I2C khá đơn giản để thực thi kết nối nhiều đơn vị vì nó hỗ trợ cơ chế xác định địa chỉ. SPI: SPI là một giao diện cổng nối tiếp đồng bộ ba dây cho phép kết nối truyền thông nhiều VĐK được phát triển bởi Motorola. Trong cấu hình mạng kết nối truyền thống này phải có một VĐK giữ vai trò là Chủ (Master) và các VĐK còn lại có thể hoặc là Chủ hoặc là Tớ. SPI có 4 tốc độ có thể lập trình, cực và pha nhịp đồng hồ khả trình và kết thúc ngắt 41/99
44. truyền thông. Nhịp đồng hồ không nằm trong dòng dữ liệu và phải được cung cấp như một tín hiệu tách độc lập. Có ba thanh ghi SPSR, SPCR và SPDR cho phép thực hiện các chức năng điều khiển, trạng thái và lữu trữ. Có bốn chân cơ bản cần thiết để thực thi chuẩn giao diện truyền thông này: • Dữ liệu ra MOSI (Master Output – Slave Input) • Dữ liệu vào MISO (Master Input – Slave Output) • Nhịp xung chuẩn SCLK (Serial Clock) • Lựa chọn thành phần tớ SS (Slave Select) Kết nối nguyên lý truyền thông SPI giữa mộy Master và Slave Hình 2.25 chỉ ra nguyên lý kết nối giữa một đơn vị Chủ và một đơn vị Tớ trong truyền thông SPI. Trong đó tín hiệu SCLK sẽ được tạo ra bởi đơn vị Chủ và là tín hiệu vào của đơn vị Tớ. MOSI là đường truyền dữ liệu ra từ đơn vị Chủ tới đơn vị Tớ và MISO là đường truyền dữ liệu vào đơn vị Chủ đến từ đơn vị Tớ. Đơn vị Tớ được lựa chọn khi đơn vị Chủ kích hoạt tín hiệu SS. Sơ đồ kết nối truyền thống SPI của một đơn vị chủ với nhiều đơn vị tớ Nếu hệ thống có nhiều đơn vị tớ đơn vị Chủ sẽ tạo phải ra các tín hiệu tách biệt để chọn đơn vị Tớ. Cơ chế đó được thực hiện nhờ sơ đồ kết nối nguyên lý mô tả như trong Hình 2.26. Đơn vị Chủ sẽ tạo ra tín hiệu chọn đơn vị Tớ nhờ các chân tín hiệu logic đa chức năng. Các tín hiệu này phải được điều khiển và đảm bảo ổn định về thời gian để tránh trường hợp tín hiệu bị thay đổi trong quá trình đang truyền dữ liệu. Một điều dễ nhận ra rằng SPI không hỗ trợ cơ chế xác nhận trong quá trình thực hiện truyền thông. Điều này phụ thuộc vào giao thức định nghĩa hoặc phải thực hiện bổ sung thêm một số các mở rộng phụ bên ngoài. Khả năng truyền thông đồng thời hai chiều với tốc độ lên đến khoảng vài Mbit/s và nguyên lý khá đơn giản nên SPI hoàn toàn phù hợp để thực hiện truyền thông giữa các 42/99
45. thiết bị yêu cầu truyền thông tốc độ chậm, đặc biệt hiệu quả trong các ứng dụng một đơn vị Chủ và một đơn vị Tớ. Tuy nhiên trong các ứng dụng với nhiều đơn vị Tớ việc thực thi lại khá phức tạp vì thiếu cơ chế xác định địa chỉ, và sự phức tạp sẽ tăng lên khi số đơn vị Tớ tăng. 43/99
46. Một số nền phần cứng và Cơ sở kỹ thuật của phần mềm nhúng Một số nền phần cứng nhúng thông dụng Trong phần này giới thiệu ngắn gọn cấu trúc nguyên lý của các chip xử lý nhúng ứng dụng trong các nền phần cứng nhúng hiện nay. Sự phát triển nhanh chóng các chủng loại Chip khả trình với mật độ tích hợp cao đã và đang có một tác động đáng kể đến sự thay đổi trong việc thiết kế các nền phần cứng thiết bị xử lý và điều khiển số trong thập kỷ gần đây. Mỗi chủng loại đều có những đặc điểm và phạm vi đối tượng ứng dụng và luôn không ngừng phát triển để đáp ứng một cách tốt nhất cho các yêu cầu công nghệ. Chúng đang hướng tới tập trung cho một thị trường công nghệ tiềm năng rộng lớn đó là các thiết bị xử lý và điều khiển nhúng. Ở đây giới thiệu ngắn gọn về 2 chủng loại chip xử lý, điều khiển nhúng điển hình đang tồn tại và phát triển về một số đặc điểm và hướng phạm vi ứng dụng của chúng. Có thể kể ra hàng loạt các Chíp khả trình có thể sử dụng cho các bài toán thiết kế hệ nhúng như các họ vi xử lý/vi điều khiển nhúng (Microprocessor/ Microcontroller), Chip DSP (Digital Signal Processing), các Chip khả trình trường (FPD – Field Programmable Device). Chúng ta dễ bị choáng ngợp nếu bắt đầu công việc thiết kế bằng việc tìm kiếm một Chip xử lý điều khiển phù hợp cho ứng dụng. Vì vậy cần phải có một hiểu biết và sự phân biệt về đặc điểm và ứng dụng của chúng khi lựa chọn và thiết kế. Các thông tin liên quan như nhà sản xuất cung cấp Chip, các kiến thức và công cụ phát triển kèm theo Một số chủng loại Chip điển hình sẽ được giới thiệu. Chip Vi xử lý/Vi điều khiển nhúng Đây là một chủng loại rất điển hình và đang được sử dụng rất phổ biến hiện này. Chúng được ra đời và sử dụng theo sự phát triển của các Chip xử lý ứng dụng cho máy tính. Vì đối tượng ứng dụng là các thiết bị nhúng nên cấu trúc cũng được thay đổi theo để đáp ứng các ứng dụng. Hiện nay chúng ta có thể thấy các họ vi xử lý điều khiển của rất nhiều các nhà chế tạo cung cấp như, Intel, Atmel, Motorola, Infineon. Về cấu trúc, chúng cũng tương tự như các Chíp xử lý phát triển cho PC nhưng ở mức độ đơn giản hơn nhiều về công năng và tài nguyên. Phổ biến vẫn là các Chip có độ rộng bus dữ liệu là 8bit, 16bit, 32bit. Về bản chất cấu trúc, Chip vi điều khiển là chip vi xử lý được tích hợp thêm các ngoại vi. Các ngoại vi thường là các khối chức năng ngoại vi thông dụng như bộ định thời gian, bộ đếm, bộ chuyển đổi A/D, giao diện song song, nối tiếp Mức độ tích hợp ngoại vi cũng khác nhau tuỳ thuộc vào mục đích ứng dụng sẽ có thể tìm được Chip phù hợp. Thực tế với các ứng dụng yêu cầu độ tích hợp cao thì sẽ sử dụng giải pháp tích hợp 44/99
47. trên chip, nếu không thì hầu hết các Chip đều cung cấp giải pháp để mở rộng ngoại vi đáp ứng cho một số lượng ứng dụng rộng và mềm dẻo. Kiến trúc nguyên lý của VĐK với cấu trúc Havard Kiến trúc của họ VĐK AVR Chip DSP DSP vẫn được biết tới như một loại vi điều khiển đặc biệt với khả năng xử lý nhanh để phục vụ các bài toán yêu cầu khối lượng và tốc độ xử lý tính toán lớn. Với ưu điểm nổi bật về độ rộng băng thông của bus và thanh ghi tích luỹ, cho phép ALU xử lý song song với tốc độ đọc và xử lý lệnh nhanh hơn các loại vi điều khiển thông thường. Chip DSP cho phép thực hiện nhiều lệnh trong một nhịp nhờ vào kiến trúc bộ nhớ Havard. Thông thường khi phải sử dụng DSP tức là để đáp ứng các bài toán tính toán lớn và tốc độ cao vì vậy định dạng biểu diễn toán học sẽ là một yếu tố quan trọng để phân loại và được quan tâm. Hiện nay chủ yếu chúng vẫn được phân loại theo hai kiểu là dấu phảy động và dấu phảy tĩnh. Đây cũng chính là một yếu tố quan trọng phải quan tâm đối với người thiết kế để lựa chọn được một DSP phù hợp với ứng dụng của mình. Các loại 45/99
48. DSP dấu phảy tĩnh thường là loại 16bit hoặc 24bit còn các loại dấu phảy tĩnh thường là 32bit. Một ví dụ điển hình về một DSP 16bit dấu phảy tĩnh là TMS320C55x, lưu các số nguyên 16bit hoặc các số thực trong một miền giá trị cố định. Tuy nhiên các giá trị và hệ số trung gian có thể được lưu trữ với độ chính xác là 32bit trong thanh ghi tích luỹ 40bit nhằm giảm thiểu lỗi tính toán do phép làm tròn trong quá trính tính toán. Thông thường các loại DSP dấu phảy tĩnh có giá thành rẻ hơn các loại DSP dấu phảy động vì yêu cầu số lượng chân Onchip ít hơn và cần sử dụng lượng silicon ít hơn. Ưu điểm nổi bật của các DSP dấu phảy động là có thể xử lý và biểu diễn số trong dải phạm vi giá trị rộng và động. Do đó vấn đề về chuyển đổi và hạn chế về phạm vi biểu diễn số không phải quan tâm như đối với loại DSP dấu phảy tĩnh. Một loại DSP 32bit dấu phảy tĩnh điển hình là TMS320C67x có thể xử lý và biểu diễn số gồm 24bit mantissa và 8bit exponent. Phần mantissa biểu diễn phần số lẻ trong phạm vi -1.0 → +1.0 và phần exponent biểu diễn vị trí của dấu phảy nhị phân và có thể dịch chuyển sang trái hoặc phải tuỳ theo giá trị số mà nó biểu diễn. Điều này trái ngược với các thiết kế trên nền DSP dấu phảy tĩnh, người phát triển chương trình phải tự qui ước, tính toán và phân chia ấn định thang biểu diễn số và phải luôn lưu tâm tới khả năng tràn số có thể xảy ra trong quá trình xử lý tính toán. Chính điều này đã gây ra khó khăn không nhỏ đối với người lập trình. Nói chung phát triển chương trình cho DSP dấu phảy động thường đơn giản hơn nhưng giá thành lại cao hơn nhiều và năng lượng tiêu thụ thông thường cũng lớn hơn. Ví dụ độ chính xác của DSP dấu phảy động 32 bit là 2−23 với 24 bit biểu diễn phần mantissa. Vùng động là (1.18 ×10−38 ≤ x ≤ 3.4 × 1038). Những nhà thiết kế hệ thống phải quyết định vùng và độ chính xác cần thiết cho các ứng dụng. Các vi xử lý dấu phảy động thường được sử dụng cho các ứng dụng yêu cầu về độ chính xác cao và dải biểu diễn số lớn phù hợp với hệ thống có cấu trúc bộ nhớ lớn. Hơn nữa các DSP dấu phảy động cho phép phát triển phần mềm hiệu quả và đơn giản hơn bằng các trình biên dịch ngôn ngữ bậc cao như C do đó có thể giảm được giá thành và thời gian phát triển. Tuy nhiên giá thành lại cao nên các DSP dấu phảy động phù hợp với các ứng dụng khá đặc biệt và thường là với số lượng ít. Cơ sở kỹ thuật của phần mềm nhúng Phần mềm nhúng là gì? Phần mềm nhúng là một chương trình được viết, biên dịch trên máy tính và nạp vào một hệ thống khác (gọi tắt là KIT) bao gồm một hoặc nhiều bộ vi xử lý đã được cài sẵn một hệ điều hành, bộ nhớ ghi chép được, các cổng giao tiếp với các phần cứng khác Phần mềm nhúng là phần mềm tạo nên phần hồn, phần trí tuệ của các sản phẩm nhúng. Phần mềm nhúng ngày càng có tỷ lệ giá trị cao trong giá trị của các sản phẩm nhúng. 46/99
49. Hiện nay phần lớn các phần mềm nhúng nằm trong các sản phẩm truyền thông và các sản phẩm điện tử tiêu dùng (consumer electronics), tiếp đến là trong các sản phẩm ô tô, phương tiện vận chuyển, máy móc thiết bị y tế, các thiết bị năng lượng, các thiết bị cảnh báo bảo vệ và các sản phẩm đo và điều khiển. Để có thể tồn tại và phát triển, các sản phẩm công nghiệp và tiêu dùng cần phải thường xuyên đổi mới và ngày càng có nhiều chức năng tiện dụng và thông minh hơn. Các chức năng này phần lớn do các chương trình nhúng tạo nên. Phần mềm nhúng là một lĩnh vực công nghệ then chốt cho sự phát triển kinh tế của nhiều quốc gia trên thế giới như Nhật Bản, Hàn Quốc, Phần Lan và Trung quốc. Tại Mỹ có nhiều chương trình hỗ trợ của Nhà nước để phát triển các hệ thống và phần mềm nhúng. Hàn Quốc có những dự án lớn nhằm phát triển công nghệ phần mềm nhúng như các thiết bị gia dụng nối mạng Internet, hệ thống phần mềm nhúng cho phát triển thành phố thông minh, dự án phát triển ngành công nghiệp phần mềm nhúng, trung tâm hỗ trợ các ngành công nghiệp hậu PC Thụy Điển coi phát triển các hệ nhúng có tầm quan trọng chiến lược cho sự phát triển của đất nước. Phần Lan có những chính sách quốc gia tích cực cho nghiên cứu phát triển các hệ nhúng đặc biệt là các phần mềm nhúng. Những quốc gia này còn thành lập nhiều viện nghiên cứu và trung tâm phát triển các hệ nhúng. Đặc điểm của phần mềm nhúng Hiện nay phần mềm nhúng có một số đặc điểm sau nổi bật: • Phần mềm nhúng phát triển theo hướng chức năng hóa đặc thù. • Hạn chế về tài nguyên bộ nhớ. • Yêu cầu thời gian thực. Quy trình phát triển của phần mềm nhúng Quá trình biên dịch và phát triển phần mềm nhúng • Quá trình biên dịch (Computing): 47/99
50. Nhiệm vụ chính của bộ biên dịch là chuyển đổi chương trình được viết bằng ngôn ngữ thân thiện với con người ví dụ như C, C++, thành tập mã lệnh tương đương có thể đọc và hiểu bởi bộ vi xử lý đích. Theo cách hiểu này thì bản chất một bộ hợp ngữ cũng là một bộ biên dịch để chuyển đổi một - một từ một dòng lệnh hợp ngữ thành một dạng mã lệnh tương đương cho bộ vi xử lý có thể hiểu và thực thi. Chính vì vậy đôi khi người ta vẫn nhầm hiểu giữa khái niệm bộ hợp ngữ và bộ biên dịch. Tuy nhiên việc biên dịch của bộ hợp ngữ sẽ được thực thi đơn giản hơn rất nhiều so với các bộ biên dịch cho các mã nguồn viết bằng ngôn ngữ bậc cao khác. Mỗi một bộ xử lý thường có riêng ngôn ngữ máy vì vậy cần phải chọn lựa một bộ biên dịch phù hợp để có thể chuyển đổi chính xác thành dạng mã máy tương ứng với bộ xử lý đích. Đối với các hệ thống nhúng, bộ biên dịch là một chương trình ứng dụng luôn được thực thi trên máy chủ (môi trường phát triển chương trình) và còn có tên gọi là bộ biên dịch chéo (cross - compiler). Vì bộ biên dịch chạy trên một nền phần cứng để tạo ra mã chương trình chạy trên môi trường phần cứng khác. Việc sử dụng bộ biên dịch chéo này là một thành phần không thể thiếu trong quá trình phát triển phần mềm cho hệ nhúng. Các bộ biên dịch chéo thường có thể cấu hình để thực thi việc chuyển đổi cho nhiều nền phần cứng khác nhau một cách linh hoạt. Và việc lựa chọn cấu hình biên dịch tương ứng với các nền phần cứng đôi khi cũng khá độc lập với chương trình ứng dụng của bộ biên dịch. Kết quả đầu tiên của quá trình biên dịch nhận được là một dạng mã lệnh được biết tới với tên gọi là tệp đối tượng (object file). Nội dung của tệp đối tượng này có thể được xem như là một cấu trúc dữ liệu trung gian và thường được định nghĩa như một định dạng chuẩn COFF (Common Object File Format) hay định dạng của bộ liên kết mở rộng ELF (Extended Linker Format) Nếu sử dụng nhiều bộ biên dịch cho các modul mã nguồn của một chương trình lớn thì cần phải đảm bảo rằng các tệp đối tượng được tạo ra phải có chung một kiểu định dạng. Hầu hết nội dung của các tệp đối tượng đều bắt đầu bởi một phần header để mô tả các phần theo sau. Mỗi một phần sẽ chứa một hoặc nhiều khối mã hoặc dữ liệu như được sử dụng trong tệp mã nguồn. Tuy nhiên các khối đó được nhóm lại bởi bộ biên dịch vào trong các phần liên quan. Ví dụ như tất cả các khối mã được nhóm lại vào trong một phần được gọi là text, các biến toàn cục đã được khởi tạo (cùng các giá trị khởi tạo của chúng) vào trong phần dữ liệu, và các biến toàn cục chưa được khởi tạo vào trong phần bss. Cũng khá phổ biến thường có một bảng biểu tượng chứa trong nội dung của tệp đối tượng. Nó chứa tên và địa chỉ của tất cả các biến và hàm được tham chiếu trong tệp mã nguồn. Các phần chứa trong bảng này không phải lúc nào cũng đầy đủ vì có một số biến và hàm được định nghĩa và chứa trong các tệp mã nguồn khác. Chính vì vậy cần phải có bộ liên kết để thực thi xử lý vấn đề này. 48/99
51. • Quá trình liên kết (Linking): Tất cả các tệp đối tượng nhận được sau bước thực hiện biên dịch đầu tiên đều phải được tổ hợp lại theo một cách đặc biệt trước khi nó được nạp và chạy ở trên môi trường phần cứng đích. Như đã thấy ở trên, bản thân các tệp đối tượng cũng có thể là chưa hoàn thiện vì vậy bộ liên kết phải xử lý để tổ hợp các tệp đối tượng đó với nhau và hoàn thiện nốt phần còn khuyết cho các biến hoặc hàm tham chiếu liên thông giữa các tệp mã nguồn được biên dịch độc lập. Kết quả đầu ra của bộ liên kết là một tệp đối tượng mới có chứa tất cả mã và dữ liệu trong tệp mã nguồn và cùng kiểu định dạng tệp. Nó thực thi được điều này bằng cách tổ hợp một cách tương ứng các phần text, dữ liệu và phần bss từ các tệp đầu vào và tạo ra một tệp đối tượng theo định dạng mã máy thống nhất. Trong qúa trình bộ liên kết thực hiện tổ hợp các phần nội dung tương ứng nó còn thực hiện thêm cả vấn đề hoàn chỉnh các địa chỉ tham chiếu của các biến và hàm chưa được đầy đủ trong bước thực hiện biên dịch. Các bộ liên kết có thể được kích hoạt thực hiện độc lập với bộ biên dịch và các tệp đối tượng được tạo ra bởi bộ biên dịch được coi như các tham biến vào. Đối với các ứng dụng nhúng nó thường chứa phần mã khởi tạo đã được biên dịch cũng phải được gộp ở trong danh sách tham biến vào này. Nếu cùng một biểu tượng được khai báo hơn một lần nằm trong một tệp đối tượng thì bộ liên kết sẽ không thể xử lý. Nó sẽ kích hoạt cơ chế báo lỗi để người phát triển chương trình xem xét lại. Hoặc khi một biểu tượng không thể tìm được địa chỉ tham chiếu thực trong toàn bộ các tệp đối tượng thì bộ liên kết sẽ cố gắng tự giải quyết theo khả năng cho phép dựa vào các thông tin ví dụ như chứa trong phần mô tả của thư viện chuẩn. Điều này cũng thường hoặc có thể gặp với trường hợp các hàm tham chiếu trong chương trình. Rất đáng tiếc là các hàm thư viện chuẩn thường yêu cầu một vài thay đổi trước khi nó có thể được sử dụng trong chương trình ứng dụng nhúng. Vấn đề ở đây là các thư viện chuẩn cung cấp cho các bộ công cụ phát triển chỉ dừng đến khả năng định dạng và tạo ra tệp đối tượng. Hơn nữa chúng ta cũng rất ít khi có thể truy nhập được vào mã nguồn của các thư viện chuẩn để có thể tự thay đổi. Hiện nay cũng có một số nhà cung cấp dịch vụ phần mềm hỗ trợ công cụ chuyển đổi hay thay đổi thư viện C chuẩn để ứng dụng cho các ứng dụng nhúng, ví dụ như Cygnus. Gói phần mềm này được gọi là newlib và được cung cấp miễn phí. Chúng ta có thể tải về trang web của Cygnus. Nó sẽ hỗ trợ chúng ta giải quyết vấn đề mà bộ liên kết có thể gặp phải khi chương trình sử dụng các hàm thuộc thư viện C chuẩn. Sau khi đã hợp nhất thành công tất cả các thành phần mã và phần dữ liệu tương ứng cũng như các vấn đề về tham chiếu tới các biểu tượng chưa được thực thi trong quá trình 49/99
52. biên dịch đơn lẻ, bộ liên kết sẽ tạo ra một bản sao đặc biệt của chương trình có khả năng định vị lại (relocatable). Hay nói cách khác, chương trình được hoàn thiện ngoại trừ một điều: Không có địa chỉ bộ nhớ nào chưa được gán bên trong các phần mã và dữ liệu. Nếu chúng ta không phải là đang phát triển phần mềm cho hệ nhúng thì quá trình biên dịch có thể kết thúc tại đây. Tuy nhiên, với hệ nhúng ngay cả hệ thống nhúng đã bao gồm cả hệ điều hành chúng ta vẫn cần phải có một mã chương trình (image) nhị phân được định vị tuyệt đối. Thực tế nếu có một hệ điều hành thì phần mã và dữ liệu cũng thường gộp cả vào bên trong chương trình có khả năng định vị lại. Toàn bộ ứng dụng nhúng bao gồm cả hệ điều hành thường liên kết tĩnh với nhau và thực hiện như một mã chương trình nhị phân thống nhất. • Quá trình định vị (Locating) Công cụ thực hiện việc chuyển đổi một chương trình có khả năng định vị lại thành một dạng mã chương trình nhị phân có thể thực thi được gọi là bộ định vị. Nó sẽ đảm nhiệm vai trò của bước đơn giản nhất trong các bước thực thi biên dịch nói chung. Thực tế chúng ta phải tự làm hầu hết công việc của bước này bằng cách cung cấp thông tin về bộ nhớ đã được cấu hình trên nền phần cứng mà chúng ta đang phát triển và đó chính là tham số đầu vào cho việc thực thi của bộ định vị. Bộ định vị sẽ sử dụng thông tin này để gán các địa chỉ vật lý cho mỗi phần mã lệnh và dữ liệu bên trong chương trình được thực thi mà có thể định vị lại. Tiếp theo nó sẽ tạo ra một tệp có chứa chương trình bộ nhớ nhị phân để có thể nạp trực tiếp vào bộ nhớ chương trình trên nền phần cứng thực thi. Trong nhiều trường hợp bộ định vị là một chương trình khá độc lập với các phần công cụ khác trong hệ thống phần mềm phát triển. Tuy nhiên trong các bộ công cụ phát triển GNU chức năng này được tích hợp luôn trong bộ liên kết. Tuy nhiên không nên nhầm lẫn về chức năng của chúng trong quá trình thực thi biên dịch. Thông thường chương trình chạy trên các máy tính mục đích chung thì hệ điều hành sẽ thực hiện việc chuyển đổi và gán chính xác địa chỉ thực cho các phần mã và dữ liệu trong chương trình ứng dụng, còn với chương trình phát triển chạy trên hệ nhúng thì việc này phải được thực hiện bởi bộ định vị. Đây cũng chính là điểm khác biệt cơ bản khi thực hiện biên dịch một chương trình ứng dụng cho hệ nhúng. Thông tin về bộ nhớ vật lý của hệ thống phần cứng phát triển mà cần phải cung cấp cho bộ định vị GNU phải được định dạng theo kiểu biểu diễn của bộ liên kết. Thông tin này đôi khi được sử dụng để điều khiển một cách chính xác thứ tự trong các phần mã chương trình và dữ liệu bên trong chương trình có thể định vị lại. Nhưng ở đây chúng ta cần phải thực hiện nhiều hơn thế, tức là phải thiết lập chính xác khu vực của mỗi phần trong bộ nhớ. 50/99
53. Hệ điều hành cho các hệ thống nhúng (HĐH thời gian thực) Đặc điểm chung của Hệ điều hành Nguồn gốc ra đời của hệ điều hành là để đảm nhiệm vai trò trung gian để tương tác trực tiếp với phần cứng của máy tính, phục vụ cho nhiều ứng dụng đa dạng. Các hệ điều hành cung cấp một tập các chức năng cần thiết để cho phép các gói phần mềm điều khiển phần cứng máy tính mà không cần phải can thiệp trực tiếp sâu. Hệ điều hành của máy tính có thể thấy nó bao gồm các drivers cho các ngoại vi tích hợp với máy tính như card màn hình, card âm thanh Các công cụ để quản lý tài nguyên như bộ nhớ và các thiết bị ngoại vi nói chung. Điều này tạo ra một giao diện rất thuận lợi cho các ứng dụng và người sử dụng phát triển phần mềm trên các nền phần cứng đã có. Đồng thời tránh được yêu cầu và hiểu biết sâu sắc về phần cứng và có thể phát triển dựa trên các ngôn ngữ bậc cao. Hệ thống điều hành bản chất cũng là một loại phần mềm nhưng nó khác với các loại phần mềm thông thường. Sự khác biệt điển hình là hệ thống điều hành được nạp và thực thi đầu tiên khi hệ thống bắt đầu khởi động và được thực hiện trực tiếp bởi bộ xử lý của hệ thống. Hệ thống điều hành được viết để phục vụ điều khiển bộ xử lý cũng như các tài nguyên khác trong hệ thống bởi vì nó sẽ đảm nhiệm chức năng quản lý và lập lịch các quá trình sử dụng CPU và cùng chia sẻ tài nguyên. Kiến trúc Hệ điều hành 51/99
54. Hệ điều hành cho các hệ thống nhúng - hệ điều hành thời gian thực Thời gian thực (Real - Time) là gì? Thời gian thực rất khó định nghĩa. Ý tưởng cơ bản của thời gian thực thể hiện ở chỗ: một hệ thống phải có những phản ứng thích hợp, đúng thời điểm với môi trường của nó. Nhiều người luôn nghĩ rằng, thời gian thực có nghĩa là thực sự nhanh, càng nhanh càng tốt, điều này là sai lầm. Thời gian thực có nghĩa “đủ nhanh” (fast enough) trong một ngữ cảnh, một môi trường mà hệ thống đang hoạt động. Khi chúng ta đề cập đến máy tính điều khiển động cơ ô tô, chúng ta cần nó chạy càng nhanh càng tốt. Một ví dụ khác, khi chúng ta đề cập đến một nhà máy lọc dầu hoá học chẳng hạn, nhà máy được điều khiển bởi một hoặc một hệ thống máy tính. Các máy tính này có trách nhiệm điều khiển quá trình hoá học đồng thời phải phát hiện ra được các sự cố có thể xảy ra. Tuy nhiên, các phản ứng hay các quá trình hoá học thường có hằng số thời gian khá lớn từ hàng giây cho tới hàng phút là ít. Chính vì thế mày chúng ta có thể giả thiết rằng máy tính hoàn toàn có khả năng phản ứng lại các sự cố nghiêm trọng. Tuy nhiên, đặt vấn đề là nếu hệ thống máy tính đó đang trong quá trình in một bản báo cáo dài về các thông số sản lượng của tuần trước thì đột nhiên trục trặc xảy ra. Vậy thì nó mất bao nhiêu thời gian để có thể phản ứng lại các sự cố như thế? Thực chất của việc tính toán thời gian thực không chỉ ở việc phản ứng đủ nhanh mà còn phải đáng tin cậy và chính xác. Máy tính điều khiển động cơ trong ô tô của bạn phải có thể điều chỉnh luồng nhiên liệu và thời gian đánh lửa một cách hợp lý trong mỗi vòng quay. Nếu không, động cơ sẽ không làm việc theo mong muốn. Máy tính trong nhà máy lọc dầu phải có thể phát hiện và phản ứng lại các điều kiện bất thường trong thời gian cho phép để có thể tránh được các thảm hoạ có thể xảy ra. Như vậy, nghệ thuật của lập trình thời gian thực chính là việc thiết kế hệ thống sao cho nó có thể tiếp nhận một cách chính xác các ràng buộc về mặt thời gian trong suốt quá trình các sự kiện ngẫu nhiên và không đồng bộ xảy ra. Các dạng thời gian thực Về cơ bản, chương trình có tính thời gian thực phải có khả năng phản ứng lại các sự kiện trong môi trường mà hệ thống làm việc trong khoảng thời gian nhất định cho trước. Những hệ thống như vậy được gọi là hệ thống “điều khiển sự kiện” (hay hệ thống lái sự kiện – event-driven) và có thể được mô tả bằng thời gian trễ từ khi mà sự kiện xảy ra cho tới khi hệ thống có hoạt động phản ứng lại với sự kiện đó. Thời gian thực, mặt khác, đòi hỏi một giới hạn cao hơn về thời gian trễ, được gọi là “thời hạn lập danh mục” (scheduling deadline). Một hệ thống thời gian thực có thể được chia làm 2 loại: “thời gian thực cứng” (hard real-time) và “thờigian thực mềm” (soft 52/99
55. real-time). Trong hệ thống hard real-time, hệ thống phải tiếp nhận và nắm bắt được scheduling deadline của nó tại mỗi và mọi thời điểm. Sự sai sót trong việc tiếp nhận deadline có thể dẫn đến hậu quả nghiêm trọng thậm chí chết người. Lấy ví dụ: máy hỗ trợ nhịp tim cho bệnh nhân khi phẫu thuật. Thuật toán điều khiển phụ thuộc vào thời gian nhịp tim của người bệnh, nếu thời gian này bị trễ, tính mạng của người bệnh sẽ bị ảnh hưởng. Đối với khái niệm soft real-time, scheduling deadline có dễ thở hơn chút ít. Chúng ta mong muốn hệ thống phản ứng lại các sự kiện trong thời gian cho phép nhưng không có gì thực sự nghiêm trọng xảy ra nếu hệ thống thỉnh thoảng bị trễ. Lỗi về mặt thời gian có thể chỉ đơn giản là dẫn đến hậu quả giảm độ tin cậy của đối tượng đối với hệ thống mà không có hậu quả thê thảm nào khác xảy ra. Mạng lưới thu ngân tự động của ngân hàng là ví dụ rõ nhất cho soft real-time. Mạng rút tiền tự động ATM là hệ thống thời gian thực? Chẳng ai dám đặt cược cả. Khi bạn đưa thẻ ATM vào máy, bạn mong là máy sẽ phản ứng lại trong vòng 1 hay 2 giây. Nhưng nếu nó lâu hơn thế, điều tồi tệ nhất có thể xảy ra là bạn sốt ruột và thấy khó chịu đối với cái máy đó. Trên thực tế có rất nhiều hệ thống phối hợp cả 2 loại trên, trong đó, một phần nào đó của hệ thống làm việc dựa trên hard real-time, một số phần khác lại dựa trên soft real-time. Hệ điều hành thời gian thực. Hệ điều hành thời gian thực – RealTime Operating Systems(RTOS), là phần mềm điều khiển chuyên dụng thường được dùng trong những ứng dụng điện toán nhúng có tài nguyên bộ nhớ hạn chế và yêu cầu ngặt nghèo về thời gian đáp ứng tức thời, tính sẵn sàng cao và khả năng tự kiểm soát một cách chính xác. Có thể tìm thấy RTOS bất kỳ nơi nào. Chúng cũng phổ biến như những hệ điều hành mà bạn đã quen thuộc như Windows, Mac OS và Unix. RTOS âm thầm làm việc bên trong các bộ định tuyến và chuyển mạch trên mạng, động cơ xe, máy nhắn tin, điện thoại di động, thiết bị y tế, thiết bị đo lường và điều khiển công nghiệp và các vô số ứng dụng khác. Một thuộc tính quan trọng của RTOS là khả năng tách biệt với ứng dụng, vì vậy nếu có một chương trình bị "chết" hay hoạt động không hợp lệ, RTOS có thể nhanh chóng cô lập chương trình này, kích hoạt cơ chế phục hồi và bảo vệ các chương trình khác hay chính bản thân hệ điều hành khỏi các hậu quả của các lệnh sai. Cơ chế bảo vệ tương tự cũng được áp dụng để tránh tình trạng tràn bộ nhớ do bất kỳ chương trình nào gây ra. RTOS xuất hiện ở hai dạng: cứng và mềm. Nếu tính năng xử lý ứng với một sự kiện nào đó không xảy ra hay xảy ra không đủ nhanh, RTOS cứng sẽ chấm dứt hoạt động này và giữ không gây ảnh hưởng đến độ tin cậy và tính sẵn sàng của phần còn lại của hệ thống. 53/99
56. Vì RTOS và máy tính nhúng trở nên phổ biến trong các ứng dụng quan trọng, các nhà phát triển thương mại đang tạo nên những RTOS mới với tính sẵn sàng cao. Những sản phẩm này có một thành phần phần mềm chuyên dụng làm chức năng cảnh báo, chạy các chương trình chẩn đoán hệ thống để giúp xác định chính xác vấn đề trục trặc hay tự động chuyển đổi sang hệ thống dự phòng. Hiện thời RTOS sẵn sàng cao hỗ trợ bus Compact PCI của tổ chức PCI Industrial Computer Manufacturers Group, bus này dùng cho phần cứng có thể trao đổi nóng. RTOS có rất nhiều dạng. Sản phẩm thương mại như VxWorks và VxWorks AE, đều của Wind River Systems Inc; VxWorks AE được thiết kế với tính sẵn sàng cao, hỗ trợ khả năng gửi thông điệp phân tán và có thể chịu lỗi. RTOS cho phép lập trình viên tách biệt thư viện dùng chung, dữ liệu và phần mềm hệ thống cũng như ứng dụng. LynxOS là loại RTOS cứng, làm việc với Unix và Java. QNX chạy trên bộ xử lý Intel x86 với nhân chỉ có 10 KB. RTOS của giới nghiên cứu gồm có Chimera của Đại học Carnegie Mellon. Đây là hệ thống đa nhiệm, đa bộ xử lý thời gian thực, được thiết kế để tạo sự dễ dàng cho các nhà lập trình trong việc tái cấu hình và tái sử dụng mã. Chimera nhắm vào các hệ thống rô bô và tự động. RTOS của Đại học Maryland, có tên là Maruti, hỗ trợ cho cả ứng dụng thời gian thực cứng và mềm. Trong nhiều năm, ứng dụng dựa trên RTOS chủ yếu là trong các hệ thống nhúng và mới gần đây thì chúng đã có mặt khắp nơi, từ thiết bị y tế được điều khiển bằng máy ảnh cho đến máy pha cà phê, những ứng dụng tính toán phân tán đang thúc đẩy các nhà phát triển hệ điều hành thực hiện nghiên cứu và phát triển chuẩn. Chính phủ Mỹ cũng có một số chương trình về lĩnh vực này như công nghệ quản lý tài nguyên thời gian thực, mạng, quản lý dữ liệu và phần mềm điều khiển trung gian. Mục đích của chương trình là làm cho các hệ thống cộng tác, phân tán có thể giao tiếp và chia sẻ tài nguyên với nhau. Một uỷ ban chuyên trách đang đẩy mạnh việc tạo ra khung công nghệ cho tính toán phân tán thời gian thực, áp dụng cho cả ứng dụng quân sự và thương mại. Khung công nghệ này sẽ hỗ trợ các giao tiếp và thành phần liên tác chuẩn. Cho dù ai là người tạo ra môi trường tính toán phân tán thời gian thực, phổ dụng thì RTOS vẫn sẽ là một trong những công nghệ quan trọng nhất mà người dùng cuối chưa từng nghe đến. 54/99
57. So sánh kiến trúc RTOS và OS chuẩn Hệ thống điều hành với phần lõi là hạt nhân phải đảm nhiệm các tác vụ chính như sau: • Xử lý ngắt • Lưu trữ ngữ cảnh chương trình tại thời điểm xuất hiện ngắt • Nhận dạng và lựa chọn đúng bộ xử lý và phục vụ dịch vụ ngắt • Điều khiển quá trình • Tạo và kết thúc quá trình/tác vụ • Lập lịch và điều phối hoạt động hệ thống • Định thời • Điều khiển ngoại vi • Xử lý ngắt • Khởi tạo giao tiếp vào ra Cấu trúc Hệ điều hành thời gian thực Tùy theo cơ chế thực hiện và xây dựng hoạt động của hạt nhân người ta phân loại một số loại hình: • Hệ thống thời gian thực nhỏ: Với loại này các phần mềm được phát triển mà không cần có hệ điều hành, người lập trình phải tự quản lý và xử lý các vấn đề về điều khiển hệ thống bao gồm: • Xử lý ngắt • Điều khiển quá trình/ tác vụ • Quản lý bộ nhớ • Công nghệ đa nhiệm • Mỗi quá trình có một không gian bộ nhớ riêng • Các quá trình phải được chia nhỏ thành các Thread cùng chia sẻ không gian bộ nhớ. • Các dịch vụ cung cấp bởi hạt nhân • Tạo và kết thúc quá trình/ tác vụ • Truyền thống giữa các quá trình • Các dịch vụ về định thời gian 55/99
58. • Một số các dịch vụ cung cấp hỗ trợ việc thực thi liên quan đến điều khiển hệ thống 56/99