Giáo trình Hệ thống nhúng: Phần 1

Khác với cac máy tính đa chức năng, chẳng hạn như may 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[r]

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT CAO THẮNG

KHOA ĐIỆN TỬ TIN HỌC



LẠI NGUYỄN DUY LƯU VĂN ĐẠI

GIÁO TRÌNH

HỆ THỐNG NHÚNG

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2016

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NHÚNG 1

1.1 KHÁI NIỆM VỀ HỆ THỐNG NHÚNG 1

1.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG NHÚNG 2

1.3 ĐẶC ĐIỂM HỆ THỐNG NHÚNG 2

1.4 KIẾN TRÚC ĐIỂN HÌNH CỦA HỆ THỐNG NHÚNG 3

1.5 PHÂN LOẠI HỆ THỐNG NHÚNG 4

1.6 PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG NHÚNG 4

1.7 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 5

CHƯƠNG 2 CÁC THÀNH PHẦN CỦA MỘT HỆ THỐNG NHÚNG 6

2.1 CÁC THÀNH PHẦN PHẦN CỨNG CỦA HỆ THỐNG NHÚNG 6

2.1.1 Đơ n vị xử lý trung tâm CPU 6

2.1.2 Bộ nhớ 10

2.1.3 Ngoại vi 13

2.2 MỘT SỐ NỀN TẢNG PHẦN CỨNG THÔNG DỤNG 21

2.3 CÁC THÀNH PHẦN PHẦN MỀM HỆ THỐNG NHÚNG 23

2.3.1 Phần mềm nhúng là gì? 23

2.3.2 Đặc điểm của phần mềm nhúng 24

2.3.3 Quy trình phát triển của phần mềm nhúng 24

2.4 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 27

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG HỆ THỐNG NHÚNG 29

3.1 CÁC BƯỚC XÂY DỰNG PHẦN CỨNG 29

3.1.1 Lựa chọn kiến trúc CPU 29

3.1.2 Lựa chọn CPU vendor 29

3.1.3 CPU được support bởi hệ điều hành nào 29

3.1.4 Tìm hiểu đặc tả, cơ chế boot của CPU 30

3.1.5 Xây dựng sơ đồ nguyên lý cho hệ thống 30

3.1.6 Thiết kế PCB 30

3.2 CÁC BƯỚC XÂY DỰNG PHẦN MỀM 31

3.2.1 Cài đặt boot loader 31

3.2.2 Cài đặt Linux OS (porting) 32

3.2.3 Phát triển driver 32

3.2.4 Xây dựng root file system (rootfs) 32

3.2.5 Phát triển phần mềm ứng dụng 32

3.3 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 33

CHƯƠNG 4 LẬP TRÌNH NHÚNG TRÊN ARM 34

4.1 GIỚI THIỆU ARM STM32 34

4.2 GIỚI THIỆU KIT 36

4.2.1 Đặc tính của kit 36

4.2.2 Đặc tính STM32F103RDT6 37

4.2.3 Sơ đồ nguyên lý board 39

4.2.4 Hướng dẫn set jump cho board 41

4.3 TẠO DỰ ÁN VỚI KEIL ARM 46

4.3.1 Bộ thư viện CMSIS 46

4.3.2 Khởi tạo dự án mới 46

4.3.3 Cấu hình project 49

4.3.4 Trình diễn 51

4.4 CÁC BƯỚC NẠP CHƯƠNG TRÌNH 51

4.5 LẬP TRÌNH NHÚNG TRÊN ARM 54

4.5.1 Điều khiển LED đơn 54

4.5.2 Đọc trạng thái nút nhấn 58

4.5.3 Điều khiển LED 7 đoạn 59

4.5.4 LCD 16X2 4 bit 62

4.5.5 Lập trình UART giao tiếp PC 64

4.6 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NHÚNG

1.1 KHÁI NIỆM VỀ HỆ THỐNG NHÚNG

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 cac máy tính đa chức năng, chẳng hạn như may 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

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

Hình 1.1 Một số thiết bị nhúng thông dụng

* Một số ví dụ điển hình về hệ thống nhúng

 Các hệ thống dẫn đường trong không lưu, hệ thống định vị toàn cầu, vệ tinh

 Các thiết bị gia dụng: tủ lạnh, lò vi sóng, lò nướng,…

 Các thiết bị kết nối mạng: router, hub, gateway,…

 Các thiết bị văn phòng: máy photocopy, máy fax, máy in, máy scan,…

Chương 1 Tổng quan về hệ thống nhúng

2

 Các thiết bị y tế: máy thẩm thấu, máy điều hòa nhịp tim,…

 Các máy trả lời tự động

 Dây chuyền sản xuất tự động trong công nghiệp, robots

1.2 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 MIT 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, D-17 đã được thay thế với một máy tính mới sử dụng mạch tích hợp Tính năng thiết kế chủ yếu của máy tính Minuteman là nó đưa ra thuật toán có thể lập trình lại sau đó để làm cho tên lửa chính xác hơn, và máy tính có thể kiểm tra tên lửa, giảm trọng lượng của cáp điện và đầu nối điện

Từ những ứng dụng đầu tiên vào những năm 1960, các hệ thống nhúng đã giảm giá

và phát triển mạnh mẽ về khả năng xử lý Bộ vi xử lý đầu tiên hướng đến người tiêu dùng

là Intel 4004, được phát minh phục vụ máy tính điện tử và những hệ thống nhỏ khác Tuy nhiên nó vẫn cần các chip nhớ ngoài và những hỗ trợ khác Vào những năm cuối 1970, những bộ xử lý 8 bit đã được sản xuất, nhưng nhìn chung chúng vẫn cần đến những chip nhớ bên ngoài

Vào giữa thập niên 80, kỹ thuật mạch tích hợp đã đạt trình độ cao dẫn đến nhiều thành phần có thể đưa vào một chip xử lý Các bộ vi xử lý được gọi là các vi điều khiển

và được chấp nhận rộng rãi Với giá cả thấp, các vi điều khiển đã trở nên rất hấp dẫn để xây 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

Cho đến nay, khái niệm hệ thống nhúng được nhiều người chấp nhận nhất là: hệ thống thực hiện một số chức năng đặc biệt có sử dụng vi xử lý Không có hệ thống nhúng nào chỉ có phần mềm

1.3 ĐẶC ĐIỂM HỆ THỐNG NHÚNG

* Hệ thống nhúng là một hệ thống máy tính

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

* Có tài nguyên giới hạn

Các hệ thống nhúng bị giới hạn nhiều hơn về phần cứng và chức năng phần mềm

so với máy tính cá nhân Giới hạn phần cứng có thể bao gồm giới hạn về khả năng xử lý, tiêu thụ điện năng, bộ nhớ, chức năng phần cứng,… Còn giới hạn phần mềm thường liên quan đến việc hỗ trợ ít ứng dụng, ứng dụng bị thu gọn tính năng, không có hệ điều hành hoặc hệ điều hành có nhiều hạn chế Tuy nhiên, ngày nay, những giới hạn này đã được khắc phục đáng kể bằng các hệ thống nhúng được thiết kế phức tạp và đầy đủ tính năng hơn Phần mềm của hệ thống nhúng được lưu trữ trên các bộ nhớ ROM, Flash và được gọi là Firmware

3

* Chuyên dụng

Hệ thống nhúng được thiết kế để thực hiện một chức năng chuyên biệt nào đó Đây là điểm khác biệt so với các hệ thống máy tính khác như máy tính cá nhân hoặc các siêu máy tính có thể thực hiện nhiều chức năng khác nhau với những phép tính phức tạp Chuyên dụng giúp nâng cao tính dễ sử dụng và tiết kiệm tài nguyên

* Tương tác với thế giới thực

 Cảm nhận môi trường: cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, trọng lượng…, cảm nhận bằng tín hiệu điện (máy dò nhiễu điện từ)

 Tác động trở lại môi trường (hú còi báo động khi phát hiện khói trong tòa nhà…)

 Tốc độ tương tác phải đáp ứng thời gian thực (hệ thống còi báo hỏa, hệ thống chống trộm trên ô tô,…)

 Có thể có hoặc không có giao diện giao tiếp với người dùng như máy tính cá nhân Với những hệ thống đơn giản, thiết bị nhúng sử dụng LCD nhỏ, Joystick, LED, nút bấm, chỉ thị chữ hoặc số và thường đi kèm với một menu đơn giản Hiện nay chúng ta cũng có thể kết nối đến hệ thống nhúng thông qua giao diện Web, việc này cho phép giảm thiểu chi phí cho màn hình nhưng vẫn cung cấp khả năng hiển thị và nhập liệu thuận tiện thuận tiện thông qua mạng và máy tính khác

* Yêu cầu chất lượng, ổn định và độ tin cậy cao

Nhiều loại thiết bị nhúng có những yêu cầu rất cao về chất lượng, tính ổn định và

độ tin cậy Lỗi của hệ thống nhúng có thể gây ra tai nạn khủng khiếp: Hệ thống điều khiển máy bay, tên lửa, hệ thống điều khiển động cơ ô tô…Lỗi trên hệ thống nhúng có thể không sửa được (vd: vệ tinh nhân tạo), nếu sửa được thì chi phí cũng rất cao (thu hồi sản phẩm hoặc thiết kế lại toàn bộ…) Vì vậy việc phát triển hệ thống nhúng yêu cầu quy trình kiểm tra – kiểm thử rất cẩn thận

Thông thường với những hệ thống yêu cầu độ ACTIVE cao thì việc trang bị 1 hệ thống dự phòng, backup là điều chắc chắn

1.4 KIẾN TRÚC ĐIỂN HÌNH CỦA HỆ THỐNG NHÚNG

Mỗi hệ thống nhúng đều có một kiến trúc thổng thể như sau:

Hình 1.2 Kiến trúc tổng thể của hệ thống nhúng

* Hardware

Vi xử lý, bộ nhớ, tụ điện, điện trở, mạch tích hợp, bảng mạch in, connector, … Tất nhiên, đây là thành phần bắt buột phải có cho tất cả các hệ thống nhúng

Nói thêm về bộ vi xử lý trong Hệ thống nhúng:

Chương 1 Tổng quan về hệ thống nhúng

4

 Vi xử lý: Bộ xử lý được thiết kế riêng, chỉ bao gồm phần xử lý Có thể thay đổi thêm bớt các thành phần ngoại vi một cách linh hoạt

 Vi điều khiển: Được tích hợp các thành phần ngoại vi trên chip để giảm kích thước

hệ thống

 SoC (System on Chip): Một vi mạch tích hợp cao, hỗ trợ đa nhân xử lý và nhiều giao tiếp trên 1 chip Giúp tăng tốc thời gian thiết kế hệ thống

Sử dụng như một mạch tích hợp cho ứng dụng cụ thể (ASIC) hoặc mạch logic khả trình (FPGA)

* Phần mềm hệ thống

 Không bắt buộc phải có

 Device driver: UART, Ethernet, ADC…

 Hệ điều hành nhúng: eCos, ucLinux, VxWorks, Monta Vista Linux, BIOS, QNX…

 Quản lý bộ nhớ, quản lý tiến trình, quản lý chia sẽ tài nguyên

 Có thể tái sử dụng trên một hệ thống nhúng khác

* Phần mềm ứng dụng

 Không bắt buộc phải có

 Quyết định hành vi (chức năng) của một hệ thống nhúng

 Khó tái sử dụng trên một hệ thống nhúng khác

1.5 PHÂN LOẠI HỆ THỐNG NHÚNG

*Hệ thống phân phối và hệ thống không phân phối:

 Các hệ thống không phân phối thường hoạt động riêng biệt

 Hệ thống phân phối phối kết các thiết bị được kết nối với nhau

*Hệ thống dữ liệu và hệ thống điều khiển

 Các hệ thống dữ liệu dùng để xử lý dữ liệu, xử lý hoặc cung cấp các dữ liệu thông tin cần thiết khi có yêu cầu

 Các hệ thống điều khiển dùng để điều khiển hệ thống, điều khiển các quy trình trong sản xuất hoặc trong các thiết bị

1.6 PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG NHÚNG

Danh sách dưới đây bao gồm các lĩnh vực quan trọng sử dụng đến các hệ thống nhúng

 Điện tử ô tô: Ô tô hiện đại chỉ bán được nếu chúng có một lượng đáng kể các

thiết bị điện tử Trong đó có các hệ thống điều khiển túi khí, hệ thống điều khiển động cơ, hệ thống phanh, điều hòa nhiệt độ, hệ thống GPS, các tính năng an toàn,

và nhiều nữa

 Điện tử máy bay: Một phần quan trọng trong tổng giá trị của máy bay là do các

thiết bị xử lý thông tin, trong đó có các hệ thống điều khiển bay, hệ thống chống

va chạm, hệ thống thông tin phi công, v.v Độ tin cậy mang tầm quan trọng tối cao

 Tầu hỏa: Đối với tầu hỏa, tình huống tương tự như với ô tô và máy bay Một lần

nữa, các tính năng đảm bảo an toàn đóng góp phần quan trọng trong tổng giá trị của tầu hỏa, và độ tin cậy là cực kì quan trọng

 Viễn thông: Điện thoại di động đã trở trành một trong những thị trường phát triển

nhanh nhất trong những năm gần đây Đối với điện thoại di động, thiết kế tần số radio, xử lí tín hiệu số và thiết kế tiết kiệm năng lượng là các khía cạnh quan trọng

5

 Y tế: Có một tiềm năng rất lớn cho việc nâng cấp dịch vụ y tế bằng việc xử lý

thông tin ngay trong các thiết bị y tế

 Quân sự: xử lý thông tin đã được dùng trong các thiết bị quân sự từ nhiều năm

Thực tế, trong số những máy tính đầu tiên là những máy tính phân tích các tín hiệu radar quân sự

 Các hệ chứng thực: dùng để chứng thực người dùng Ví dụ SMARTpen là một

thiết bị hình cái bút, có chức năng phân tích các tham số vật lý khi người dùng kí tên Các tham số vật lý gồm độ nghiêng, lực ấn và gia tốc Các giá trị này được truyền cho một PC nơi nó được so sánh với thông tin có sẵn về người dùng Kết quả là nó có thể so sánh ảnh chữ kí cũng như cách kí với thông tin lưu trữ Ngoài ra còn các hệ thống nhận dạng khuôn mặt hoặc nhận vân tay

 Điện gia dụng: các thiết bị audio và video, TV, máy chơi điện tử

 Tòa nhà thông minh (smart buildings): Có thể dùng tin học để tăng mức độ tiện

nghi trong tòa nhà, giảm tiêu thụ năng lượng, và tăng an toàn và bảo mật Các hệ thống con vốn không liên hệ với nhau phải được kết nối để phục vụ mục đích này

Có một xu hướng tới việc tích hợp điều hòa nhiệt độ, ánh sáng, kiểm soát truy nhập, kế toán và phân phối thông tin vào một hệ thống đơn nhất Ví dụ, có thể tiết kiệm năng lượng làm mát, sưởi ấm, chiếu sáng tại các phòng trống Sử dụng mành cửa sổ một cách thông minh có thể tối ưu hóa đèn và điều hòa nhiệt độ

 Robotics: đây là lĩnh vực truyền thống của các hệ thống nhúng Các khía cạnh cơ

khí rất quan trọng đối với robot Hầu hết các đặc điểm đã được mô tả cũng áp

dụng cho robotics

Hình 1.3 Các thành phần của thiết bị điện tử và công việc thiết kế

1.7 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP

1 Thế nào là hệ thống nhúng, nêu những lĩnh vực ứng dụng của hệ thống nhúng

2 Trình bày lịch sử phát triển và đặc điểm của hệ thống nhúng

3 Phân loại hệ thống nhúng

4 Trình bày một số ứng dụng của hệ thống nhúng trong thực tế

Chương 2 Các thành phần của một hệ thống nhúng

6

CHƯƠNG 2 CÁC THÀNH PHẦN CỦA MỘT

HỆ THỐNG NHÚNG

2.1 CÁC THÀNH PHẦN PHẦN CỨNG CỦA HỆ THỐNG NHÚNG

Hệ thố ng nhúng cũng là mộ t hệ thố ng vi xử lý đả m nhiệ m mộ t chứ c năng riêng biệ t nào đó Tuy nhiên khi thiế t kế hệ thố ng nhúng thì đòi hỏ i phả i quan tâm nhiề u yế u tố hơ n mộ t hệ thố ng vi xử

lý thông thư ờ ng Mộ t hệ thố ng nhúng thông thư ờ ng là mộ t hệ thố ng dự a trên vi xử lý mà chủ yế u là các vi xử lý 32 bit kế t

hợ p vớ i bộ nhớ , các ngoạ i vi cầ n thiế t phụ c vụ cho chứ c năng

củ a hệ thố ng Vi điề u khiể n ARM thư ờ ng là lự a chọ n tố i ư u cho

hệ thố ng nhúng bở i chúng hỗ trợ nhiề u Các hệ thố ng nhúng sử

dụ ng ARM có thể làm giả m các ngoạ i vi, làm cho hệ thố ng đơ n giả n như ng vẫ n đáp ứ ng đư ợ c yêu cầ u Hiệ n nay ARM đư ợ c nhiề u hãng nghiên cứ u và sả n xuấ t vớ i tính năng ngày càng vư ợ t trộ i

Mộ t hệ thố ng nhúng cơ bả n có thể xem bao gồ m các phầ n cứ ng như vi xử lý, vi điề u khiể n, bộ nhớ , các ngoạ i vi

Hình 2.1 Kiến trúc điển hinh của các chip VXL/VĐK nhúng

2.1.1 Đơ n vị xử lý trung tâm CPU