Bài Giảng Thiết Kế Hệ Thống Nhúng ESD ( Embedded System Design )

Bài Giảng Thiết Kế Hệ Thống Nhúng ESD ( Embedded System Design )

THIẾT KẾ

HỆ THỐNG NHÚNG

• Có khả năng thiết kế hệ nhúng trên FPGA sử dụng

công cụ thiết kế của Xilinx và Altera

PHẦN 1: GiỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG NHÚNG

1 Giới thiệu về hệ thống nhúng

2 Phần cứng hệ nhúng

3 Phần mềm hệ nhúng

4 Các vấn đề trong quy trình thiết kế hệ nhúng

5 Tình hình đào tạo và phát triển hệ nhúng ở VN

6 Kết luận

PHẦN 2 : THIẾT KẾ HỆ NHÚNG TRÊN FPGA

Chương 1 Giới thiệu chung về công nghệ IC khả trình PLD Chương 2: Thiết kế dùng IC khả trình của Xilinx và Altera Chương 3 Ngôn ngữ mô tả phần cứng VHDL

 Điều kiện dự thi: hoàn thành bài tập lớn và lên lớp đầy đủ

 Kiểm tra giữa ìk (30%)

 Bài tập lớn (30 %) (làm theo nhóm 4-5 sinh viên)

 Thi cuối ìk (40 %)

• Trong bài trình bày này có sử dụng một số slides của giáo sư Prabhat Mishra, Đại học Florida và của các đồng nghiệp khác

PHẦN 1:

GiỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG NHÚNG

NỘI DUNG

1 Giới thiệu về hệ thống nhúng

2 Phần cứng hệ nhúng

3 Phần mềm hệ nhúng

4 Các vấn đề trong quy trình thiết kế hệ nhúng

5 Tình hình đào tạo và phát triển hệ nhúng ở VN

6 Kết luận

Định nghĩa

(Traction Control)

* Safety Systems

* Cabin Air Quality

* Suspension

and Braking Control

* Steering Controls

* Entertainmen t

* Intelligent Transportation System

(ITS)

* Digital Car Radio

* Lighting

* Gear Box

Các lọai hệ thống nhúng

• Các hệ thống xử íl tín hiệu

Real-time video, set-top boxes, DVD players, medical

equipment, residential gateways

• Các hệ thống điều khiển phân tán

Network routers, switches, firewalls, mass transit systems, elevators

• Các hệ thống “nhỏ”

Mobile phones, pagers, home appliances, toys, smartcards, MP3 players, PDAs, digital cameras, sensors, smart badges

Các đặc điểm của hệ thống nhúng

• Chuyên dụng

 Ứng dụng được định nghĩa trước

 Tối ưu về giá thành, về tài nguyên phần cứng, về công suất tiêu thụ và về hiệu năng hoạt động.

Yêu cầu thiết kế

Size: the physical space required by the system

Performance: the execution time or throughput of the system

Power: the amount of power consumed by the system

Flexibility: the ability to change the functionality of the system without incurring heavy NRE cost

Yêu cầu thiết kế

• Các thông số cơ bản (tiếp)

Time-to-prototype: the time needed to build a working version of the system

Time-to-market: the time required to develop a system to the point that it can be released and sold to customers

Maintainability: the ability to modify the system after its initial release

Correctness, safety, many more

• Time required to develop a product to the point it can be sold to customers

• Market window

 Period during which the product would have highest sales

• Average time-to-market constraint is about 8 months

• Delays can be costly

Yêu cầu thiết kế

Thiệt hại khi đưa ra thị trường chậm

• Simplified revenue model

 Product life = 2W, peak at W

 Time of market entry defines a triangle, representing market penetration

 Triangle area equals revenue

• Loss

 The difference between the on-time and delayed triangle areas (shaded region)

Time D

• Area = 1/2 * base * height

 Delays are costly!

Thiệt hại khi đưa ra thị trường chậm

• Unit cost

 the monetary cost of manufacturing each copy of the system, excluding NRE cost

• NRE cost (Non-Recurring Engineering cost)

 The one-time monetary cost of designing the system

Amortizing NRE cost over the units results in

an additional $200 per unit

Yêu cầu thiết kế

Giá thành (cost)

-Phần cứng

Phần mềm Validation and Evaluation (area, power, performance, …)

Exponential growth for 3 decades!

This is called „Moore‟s law‟: number of transistors doubles every 18 months

(Gordon Moore, founder Intel Corp.)

Xu hướng phát triển

+ Communications + DSP

Mainframe 0.01

Compute Power

1000

PC 1

10

Smart Things

>100 #

+ Ambient Intelligence

1

/ human

Xu hướng phát triển

Các thiết bị thông minh

Bloodgas sensor (IMEC)

Cochlear actuator(Cochlear Edegem)

Môi trường thông minh

Tổng quan

Tổng quan

• Các linh kiện rời rạc (COTS)

e.g wireless radios, sensors, I/O devices

Cheap

• Các IC chuyên dụng (ASICs)

ICs tailored to meet application needs

Good performance for their intended tasks

• Xu hướng phần cứng mới:

S ystem-On-Chip (SOC)

Usual (or desired) specs:

 32-bit RISC CPU

 Built-in interfaces to RAM and ROM

 Built-in DMA, interrupt and timing controllers

 Built-in interfaces to disk or flash memory

 Built-in Ethernet/802.11 interfaces

 Built-in LCD/CRT interfaces

New SOCs appearing almost every week!

Examples

Intel StrongARM SA-1110

Motorola PowerPC MPC823e

NEC VR4181

Many, many more

Tổng quan

Charge-Coupled Devices (CCD)

Image Sensors : Based on charge transfer to next pixel cell

Khối vào ra Biometrical Sensors

Example: Fingerprint sensor (© Siemens, VDE):

Artificial eyes

© Dobelle Institute (www.dobelle.com)

He looks hale, hearty, and healthy — except for the wires They run from the laptops into the signal processors, then out again and across the table and

up into the air, flanking his face like curtains before disappearing into holes drilled through his skull Since his hair is dark and the wires are black, it's hard to see the actual points of entry From a distance the wires look like long ponytails.

© Dobelle Institute

(www.dobelle.com )

Khối vào ra Artificial eyes

Khối truyền thông

Sensor/actuator busses

Field bus

• More powerful/expensive than sensor

interfaces; serial busses preferred

Khối truyền thông

Field busses

• Controller area network (CAN)

 Designed by Bosch and Intel in 1981;

 Used in cars and other equipment;

 Differential signaling with twisted pairs,

 Arbitration using CSMA/CA,

 Throughput between 10kbit/s and 1 Mbit/s,

 Low and high-priority signals,

 Max latency of 134 µs for high priority signals,

 Coding similar to that of serial (RS-232) lines of PCs,

with modifications for differential signaling.

 http://www.can.bosch.com

• IEEE 488

• IEEE 802.11 a/b/g

• UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)

 Bandwidth is becoming a scarce resource.

• DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications)

 Standard used for wireless phones in Europe

• Bluetooth

 Connect devices e.g., mobile phone and headset

Wireless Communication

Vi điều khiển

• Shipments- > 8 Billion in 2000, 8 bit > 1/2 market

• Major Players: Microchip 16Fxx, Intel 8051, Motorola

MC68HC05, National COP800, SGS/Thomson ST62, Zilog Z86Cxx

PIC16C5x

• High-Performance RISC CPU:

Only 33 single word instructions to learn

All instructions are single cycle (200 ns) except for program branches which are two-cycle

Operating speed: DC - 20 MHz clock input

DC - 200 ns instruction cycle

12-bit wide instructions

8-bit wide data path

Seven or eight special function hardware registers

Two-level deep hardware stack

Direct, indirect and relative addressing modes for data and instructions

 Power-On Reset (POR)

Device Reset Timer (DRT)

Watchdog Timer (WDT) with its own on-chip

RC oscillator for reliable operation

Programmable code-protection

Power saving SLEEP mode

• Applications:

high-speed automotive and appliance motor control

low-power remote ransmitters/receivers

pointing devices and telecom processors.CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

Họ vi điều khiển 8051

• Hiện nay có hơn 40 công ty sản xuất các loại vi

điều khiển khác nhau của họ 8051.

• Một số công ty có trên 40 version 8051.

• Các CORE 8051 có thể được tổ hợp trong các

FPGA hay ASIC.

• Trên 100 triệu vi điều khiển 8051 được bán ra mỗi năm.

• Họ 8051 gặt hái được rất nhiều thành công và nó cũng trực tiếp ảnh hưởng đến cấu trúc của các họ

vi điều khiển hiện nay.

MCS-51

• 8051 thuộc họ vi điều khiển MCS-51.

• MCS-51 được phát triển bởi Intel và các nhà sản xuất khác (như Siemens, Philips) là các nhà cung cấp

đứng thứ hai của họ này

• Tóm tắt một số đặc điểm chính của họ 8051:

4K bytes ROM trong

128 bytes RAM trong

4 cổng I/O 8-bit

2 bộ định thời 16 bit

 Giao diện nối tiếp

 Quản lý được 64K bộ nhớ code bên ngoài

 Quản lý được 64K bộ nhớ dữ liệu bên ngoài

Nguồn Ngắt Trong

Ram trong

Thanh ghi chức năng

đặc biệt

128 byte RAM

Quản

lý Bus

Port 0

Port 1

Port 2

Port 3

Cổng nối tiếp

XTAL 1,2 PSEN ALE Địa chỉ Địa

00 7F

FF 80

128 byte ram

Mở rộng

Timer/Counter

8 bít Timer/Counter

16 bit với PWM

Bộ định thời watchdog

Bộ so sánh analog

15 đ-ờng dẫn vào/ra

Bộ nhớ flash 1k x 16 cho ch-ơng trình

Bộ đếm ch-ơng trình

Trạng thái và kiểm tra Bus dữ liệu 8 bít

Thanh ghi lệnh

Bộ giải mã lệnh

128x8 EEPROM Các đ-ờng điều

khiển

• Do hãng Cypress sản xuất

• Một loại công nghệ IC mới phát triển trong vài năm gần đây.

• Khả năng tích hợp động các loại linh kiện số và tương

tự để tạo ra các khối số hoặc tương tự với chức năng tuỳ thuộc người dùng.

• Kết hợp với một vi điều khiển trung tâm.

Texas Instruments TMS320C20x Low end consumer Fixed Point

• Series continued; typical app.: Digital camera, feature-phones, disk drives, Point-of-Sales Terminal

• 40 MHz, 3.3-5V, 3LM

• Available as core

Selection of peripherals:

serial comm., timers,

fixed MAC 16x16+32->32 PROM

Dual access data RAM

address

data 16

18

address

data 16

16 I/O Loop controller

Texas Instruments TMS320C24x Low end consumer Fixed Point

• Series continued; typical app.: electrical motor control

• 50 MHz, 5V

Selection of peripherals:

serial comm., timers,

fixed MAC 16x16+32->32 PROM

Dual access data RAM

address

data 16

Bộ nhớ

Write ability and storage permanence of memories, showing relative degrees along each axis (not to scale).

External programmer

OR in-system, block-oriented writes, 1,000s

of cycles

Battery life (10 years)

Write ability

Ideal memory

OTP ROM

During fabrication only

External programmer, 1,000s

of cycles

External programmer, one time only

External programmer

OR in-system, 1,000s

of cycles

In-system, fast writes, unlimited cycles

Near zero

Tens of years Life of product

3 Phần mềm hệ thống nhúng

• Các loại phần mềm nhúng

• Đặc điểm của phần mềm nhúng

• Hệ điều hành nhúng

Các loại phần mềm nhúng

3 Phần mềm hệ thống nhúng

• Các loại phần mềm nhúng

• Đặc điểm của phần mềm nhúng

• Hệ điều hành nhúng

•Written in high level programming languages:

• Typically in C but increasingly in Java or C++.

•The engineers that write embedded software are rarely computer scientists

•Very stringent dependability requirements:

• human safety, consumer expectations, liability and government

3 Phần mềm hệ thống nhúng

• Các loại phần mềm nhúng

• Đặc điểm của phần mềm nhúng

• Hệ điều hành nhúng

 Linux is already ubiquitous

Hundreds of different devices are using it

 Several variations-from „soft real time‟ to „hard real time‟

 Numerous commercial + open source products: LynxOS, RTAI, Android

• Others

 TinyOS

The Embedded OS Market 2006

Hệ điều hành nhúng

Lập trình cho PC và lập trình nhúng

Lập trình cho PC và lập trình nhúng

Lập trình cho PC và lập trình nhúng

Lập trình cho PC và lập trình nhúng

-Phần cứng

Phần mềm Validation and Evaluation (area, power, performance, …)

S if S is active (either in A or in B or )

Hierarchy

• Specification and Description Language

Designed for specification of distributed systems.

• Defined by International Telecommunication Union (ITU): Z.100 recommendation in 1980

• Provides textual and graphical formats.

• Like StateCharts, it is based on CFSM model of computation; each FSM is called a process,

• It uses message passing for communications, and supports operations on data.

Mô tả hệ thống

FSMs/Processes in SDL

output input state

SDL

Mô tả hệ thống

Petri Nets

• Carl Adam Petri, PhD thesis, 1962.

• Focus on modeling causal dependencies; no global

synchronization assumed (message passing only).

 Conditions: Either met or not met.

 Events: May take place if certain conditions are met.

 Flow relations: Relates conditions and events.

• Conditions, events and the flow relation form a bipartite graph (graph with two kinds of nodes).

Petri Nets

Preconditions

Mô tả hệ thống

UML (Unified Modeling Language)

• HW description language competing with VHDL

• Standardized:

 IEEE 1364-1995 (Verilog version 1.0)

 IEEE 1364-2001 (Verilog version 2.0)

• Less flexible than VHDL.

• More popular in the US (VHDL common in Europe)

module mux

(output f, input a, b, sel);

and #5 g1 (f1, a, nsel),

g2 (f2, b, sel);

or #5 g3 (f, f1, f2); not g4 (nsel, sel); endmodule

a

b

f

sel

Mô tả hệ thống

VHDL

• HDL = hardware description language

VHDL = VHSIC hardware description language

VHSIC = very high speed integrated circuit

• 1987: IEEE standard 1076; 1992 revision;

• Recently: VHDL-AMS models analog

entity full_adder is port(a, b, carry_in: in Bit; input ports

sum,carry_out: out Bit); output ports

end full_adder;

int sc_main ( int argc , char ** argv ) {

hello hello_inst (" world ");

sc_start ();

}

Additional language elements to model behavior

C data types such as int

Type definition facilities

Definition of interfaces of hardware components as

separate entities

Mechanism for calling C/C++-functions from Verilog

Limited mechanism for calling Verilog functions from C.

HW/SW Partitioning

Hardware/Software Co-design

[Niemann, Hardware/Software Co-Design for Data Flow Dominated Embedded Systems, Kluwer Academic Publishers, 1998 (Comprehensive mathematical model)]

Processor P1

Processor

Specification

Mapping

Traditional HW/SW Co-Design Flow

Design Specification

HW/SW Partitioning

Off-Chip Memory

Processor Core

On-Chip Memory

Lựa chọn phương án thiết kế

ADL-Driven SOC Design Flow

Design Specification

IP Library

On-Chip Memory

Processor Core

Synthesized

HW Interface

Off-Chip Memory

ADL: Architecture Description Language

ADL-driven Design Space Exploration

ADL Specification

Memory Subsystem Coprocessors

 Use of Architecture Description Language ( ADL )

 Software Toolkit Generation

 Compiler, simulator, assembler, debugger

 Generation of Hardware Models (Prototypes)

 Design space exploration

 Find the best possible architecture for the given set of application programs under area, power, performance constraints

ở VN

• Phát triển hệ thống nhúng trên thế giới

• Phát triển hệ thống nhúng ở Việt Nam

• Tình hình đào tạo hệ thống nhúng ở Việt Nam

5 Tình hình đào tạo và phát triển hệ thống

nhúng ở VN

• Phát triển hệ thống nhúng trên thế giới

• Phát triển hệ thống nhúng ở Việt Nam

• Tình hình đào tạo hệ thống nhúng ở Việt Nam

Phát triển hệ thống nhúng trên thế giới

Nhật Bản: 40% doanh thu phần mềm là từ phần mềm nhúng

Phát triển hệ thống nhúng trên thế giới

• Tỷ lệ doanh thu phần hệ nhúng trong toàn bộ sản phẩm cuối cùng:

ở VN

• Phát triển hệ nhúng trên thế giới

• Phát triển hệ thống nhúng ở Việt Nam

• Tình hình đào tạo hệ nhúng ở Việt Nam

• Panasonic R&D Center in Vietnam

• Một số công ty khác: ETS, Applistar

nhúng ở VN

• Phát triển hệ thống nhúng trên thế giới

• Phát triển hệ thống nhúng ở Việt Nam

• Tình hình đào tạo hệ thống nhúng ở Việt Nam

Tình hình đào tạo hệ thống nhúng ở Việt Nam

• Đại học công nghệ-Đại học quốc gia Hà Nội

 Lập trình phần mềm nhúng và thời gian thực

• ĐH Bách Khoa Hà Nội

 Viện công nghệ thông tin và truyền thông

Thiết kế hệ nhúng

Hệ điều hành thời gian thực

 Khoa Điện tử Viễn thông

 Samsung Embedded Software

 Embedded Systems and Reconfigurable Computing