4.1 THIẾT KẾ HỆ THỐNG
4.1.3 Xây dựng bo mạch khi phát triển hệ thống
Triển khai các yêu cầu mô tả ở phần 4.1.1 khi thiết kế bo mạch sẽ cụ thể như sau:
1) Đặt vấn đề: Mục đích thiết kế HTN, mục tiêu cần đạt được, tính thương mại …;
2) Xác định HTN:
ü Xây dựng một mô hình chính tắc (formal model) của hệ thống với các yêu cầu sau đây:
§ Xác định chức năng: xây dựng tập các mối quan hệ tường minh hay không tường minh liên quan tới đầu vào/đầu ra, và thông tin trạng thái bên trong của hệ thống.
§ Xây dựng tập các thuộc tính mà thiết kế sẽ phải thỏa mãn. Kết hợp các thuộc tính và tập các quan hệ vào/ra, trạng thái hệ thống, xác định lại các chức năng hệ thống.
Các thuộc tính bao gồm:
- Các thuộc tính có tính kế thừa các hệ thống tính toán (máy tính số);
- Các thuộc tính có thể kiểm chứng trên một chức năng;
- Các thuộc tính phải được kiểm chứng trên các đặc tả phải có khi các tiêu chí ở đầu vào xuất hiện.
§ Xây dựng tập các chỉ số hiệu năng để đánh giá thiết kế theo các tiêu chí: giá thành, năng lượng. độ tin cậy, tốc độ xử lý, kích thước …
§ Xây dựng tập các khác biệt coi đó như những thách thức của thiết kế, đề ra giải pháp giải quyết.
-Thiết kết giải thuật - Viết mã C/C++
Viết mã mô phỏng phần
cứng
Biên dịch thành *.obj
Hợp nhất
- Thiết kế giải thuật - Viết mã HDL
- viết các vector thử nghiệm -Cahjy mô phỏng
Biên dịch thành CSDL linh kiện Co-Design,
Co-Cerification pha:
-Định nghĩ kiến trúc/
chức năng
-Phân hoạch HW/SW
Sản phẩm thử nghiệm (prototype)
240
§ Thực hiện tinh lọc thiết kế để có thiết kế từ ý tưởng đến mô hình:
Hình 4.10. Xây dựng mô hình hình thức: Bước sàng lọc sử dụng cách tổng hợp phần cứng và phần mềm để chuyển hóa xác định chức năng vào mô hình phần cứng của thiết kế.
ü Mô tả hệ thống phản ứng như thế nào với các đầu vào,
ü Cộng cụ mô hình hóa sự vận động của hệ thống, ví dụ phương pháp lưới Petri (Petri nets) hay biểu đồ trạng thái (StateCharts).
ü Yêu cầu của sản phẩm sẽ có: đưa ra mô tả sản phẩm;
3) Thiết kế phần cứng: lên mô hình kiến trúc của bo mạch chính, lựa chọn các thành phần phần cứng;
Lệnh không điều kiện
Quản trị tệp (FSManagem
ent)
Dòng dữ liệu Sự kiện riêng biệt
Phân hoạch lớp chức năng
Biên dịch Tổng hợp phần mềm
Tổng hợp hành vi, phản
ứng
Tổng hợp luận lí (logic)
Mô hình CPU Mô hình CPU Mô hình luận
lí (logic) Mô hình luận lí (logic)
Đặc tả
Sàng lọc
Mô hình
241
Hình 4.11 Bo mạch HTN
4) Mô hình tổ chức ghép nối các thiết bị ngoài, số lượng, chủng loại các thiết bị ngoài;
5) Thiết kế phần mềm: phác họa các phần mềm:
- Mô hình các lớp phần mềm;
- Có hay không có các phần mềm trung gian;
- Có hay không có hệ điều hành, loại hệ điều hành sẽ phát triển cho phần cứng đích;
- Phần mềm điều khiển I/O (TĐKTB);
- Phương thúc liên kết các phần mềm theo nguyên lí lớp xếp chồng;
- Các phần mềm ứng dụng.
6) Tương tác giữa phần mềm và phần cứng, tinh lọc phần cứng, phần mềm 7) Viết phần mềm trên hệ phát triển;
8) Viết ứng dụng trên hệ phát triển;
9) Thử nhiệm chương các phần mềm và hiệu chỉnh phần mềm trên hệ phát triển;
10) Hợp nhất phần cứng và phần mềm vào sản phẩm chế thử (prototype):
Nạp phần mềm vào hệ thống đích:
SIO
CPU, ROM, (FLASH), RAM, PORTS,
BUS KEY
Digital inputs
Analog inputs
DISP
Digital outputs
Analog outputs
CLK, RTClock
HĐH, PMTG,Ứng dụng nhúng
-Giá trị đặt -công tắc, -Trạng thái, -tín hiệu ...
-nhiệt độ -Áp suất, -mức, vị trí, - ...
-đèn hiệu (LED), -Motor bước, -công tắc on/off - ...
-motor liên tục -van điện -máy đo - ….
Rx Tx
Timers, watchdogs
242
- Nạp các TĐKTB, thử nghiệm kết hợp TĐKTB với các cổng ghép nối trên bo mạch, hiệu chỉnh mã;
- Nạp phần mềm hệ thống (hệ điều hành, hay monitor, …) và thử nhiệm các chức năng của hệ điều hành có và không có TĐKTB, hiệu chỉnh mã;
- Nạp phần mềm trung gian nếu có, thử nhiệm kết hợp với hệ điều hành, hiệu chỉnh mã.
- Nạp thử một ứng dụng, thủ nghiệm, chỉnh sửa mã.
11) Hợp nhất hệ thống, tăng cường thử nhiệm các chức năng với các điều kiện phức tạp giả định, thời gian thực, đáp ứng … Đánh giá sức chịu đựng của môi trường vận hành trong thực tế …
12) Làm hồ sơ, tài liệu.
Tóm tắt qui trình thiết kế HTN
§ Các qui tắc thiết kế
1) Nền tảng kiến thức để thiết kế HTN : Khoa học về máy tính và kĩ thuật điện tử;
2) Thiết kế vi mạch với ngôn ngữ phần cứng Verilog hay VHDL (FPGA, ASIC);
3) Khả năng công nghệ và những giới hạn công nghệ phần cứng.
4) Lĩnh vực ứng dụng HTN rất rộng, thiết kế phải hướng vào đối tượng ứng dụng cụ thể;
Với các xu hướng:
- Gia tăng kích thước mã chương trình: 16 – 64 KB lên đến 64kB đến 512 KB,
- Tái sử dụng các thành phần cứng (CPUs, micro-controller, DSPs) và mềm (device drivers),
- Có sự hợp nhất cao trong 1 hệ thống (DSP, mạng, RF, CPU 32 bit, IO processors kiểu Intelligent Input/Output-I2O).
5) Sử dụng phần mềm có sẵn, phần mềm tái sử dụng, mã nguồn mở.
6) Công nghệ lập trình (ngôn ngữ lập trình, hệ phát triển phần mềm);
7) Thiết kế vi mạch (dạng VLSI, ASIC), thiết kế hệ thống điện tử (số, analog);
8) Hệ thống xử lý kiểu thời gian thực (thời gian thực cứng, thời gian thực mềm).
§ Các bước thiết kế
1) Xây dựng đặc tả HTN, mô hình hóa HTN sẽ được thiết kế, thực nghiệm với các giải thuật liên quan;
2) Tập hợp và mô tả phần cứng cơ bản : ghép nối cơ sở, truyền thông, công nghệ tính toán ứng dụng vi điện tử, công nghệ bộ nhớ, các thiết bị ghép nối vào hệ thống.
3) Hệ thống phần mềm sẽ có: điều khiển thiết bị, phần mềm trung gian, hệ điều hành, phần mềm ứng dụng …
243
4) Phân hoạch, chọn lọc các phần của thiết kế: phần cứng, phần mềm. Ở mỗi phần, phân rã thiết kế thành các phần nhỏ hơn, xây dựng các mối tương tác giữa các phần đó;
5) Sử dụng các công cụ mô phỏng thiết kế chạy mô phỏng phần cứng, phần mềm và kết hợp cả hai trên mô hình ảo;
6) Các phần mềm và phần cứng tới hạn (ràng buộc thời gian) cần thử nghiệm và điều chỉnh theo kiểu “sụn hóa”: phần mềm kết hợp giữa phần cứng và phần mềm, trong đó xử lý khi vài module chia sẽ khai thác chung một phần cứng. Phát triển giải thuật lập lịch tối ưu.
7) Thử nghiệm trên bo mạch phần cứng (prototype) với CPU đã chọn.
8) Gở rối và tinh chỉnh phần cứng, phần mềm;
9) Hoàn thiện sản phẩm.