Bài giảng Xây dựng các hệ thống nhúng



1




HC VIN CÔNG NGH N THÔNG
Khoa Công ngh thông Tin
B môn Khoa hc máy Tính







XÂY DNG CÁC
H THNG NHÚNG

Hà Ni, tháng 11 
(bn sa và b sung)


2


Dy vƠ hc h thng nhúng lƠ đ cp ti mt ch đ có phm vi rng bao gm thit k,
môi trng ng dng, loi hình công ngh, qui tc cn thit đ tip cn mt cách có h thng.
Lnh vc thit k vƠ ng dng các h thng nhúng bao gm : các h thng vi điu khin (micro-
controller) nh vƠ đn gin, các h thng điu khin, h thng nhúng phơn tán, h thng trên
chip, mng máy tính (có dơy vƠ không dơy), các h thng PC nhúng, các h thng rƠng buc thi
gian, robotic, các thit b ngoƠi ca máy tính, x lỦ tín hiu, h thng lnh vƠ điu khinầ Nn
tng công ngh hin đi lƠ k thut vi đin t vi mt đ tích hp ln vƠ rt ln. Khi mun thit
k h thng nhúng, có nhiu yu t cn tuơn th ging nh khi thit k máy tính, nhng li b
rƠng buc bi đc thù ng dng. Thêm vƠo đó lƠ s đan chéo ca các k nng rt cn thit cho
thit k h thng nhúng, đc lp vn hƠnh, thit k vi tiêu chí tiêu hao nng lng thp, công
ngh phn cng, công ngh phn mm (h thng vƠ ng dng), h thi gian thc, tng tác
ngi máy vƠ đôi khi c vn đ an ninh h thng. Nh vy đƠo to vƠ hc h thng nhúng cn
mt khi lng kin thc tp hp ít nht t các b môn khác nh khoa hc máy tính (computer
science), khoa hc truyn thông (communication), k thut thit k đin t: các mch tng t vƠ
s, s dng tt các phn mm thit k bo mch (nh Protel, Proteus, DXPầ), kin thc v ch
to bán dn. Vì lƠ b môn công ngh có tính ng dng cao vi bƠi toán c th, nên li cn có

chuyên môn ca ngƠnh ngh, mƠ  đó h thng nhúng s ng dng. Tóm li đơy lƠ mt ch đ
hp nht vƠ vic thc hin ch đ nƠy thc không d dƠng.
Vi lng thi gian nht đnh, môn hc XỂY DNG CÁC H THNG NHỎNG s
mang li cho ngi hc nhng vn đ c bn nht v h thng nhúng  Chng 1. Chng 2 đ
cp ti kin trúc phn cng h thng, cách thit k mt s khi chc nng c s có tính thc t
cao. Chng 3 ch yu gii thiu v phn mm cƠi đt trên h thng nhúng, bao gm các trình
điu khin thit b, các phn mm trung gian, vƠ phn mm h thng đc cƠi đt . c bit nhc
li mt s yêu cu v khái nim ca các h thng thi gian thc vƠ h điu hƠnh thi gian thc.
Chng 4 gii thiu các tiêu chí vƠ phng pháp thit k h thông nhúng. Cui chng lƠ mt s
các bƠi tp ln kiu D án thit k, có th la chn cho thc hƠnh vi các kiu kin trúc h thng
nhúng khác nhau.
Nh đư nêu, đơy lƠ ch đ rng, mang tính k thut vƠ kin thc li đc tng hp t các
môn khác, nên tƠi liu nƠy chc không th tht s đy đ. Các phn kin thc nƠo không đc đ
cp sơu  đơy, ngi hc cn tham kho thêm các tƠi liu khác, hay t các môn hc liên quan.
Tác gi xin chơn thƠnh cám n các cán b, ging viên Khoa Công ngh thông tin vƠ b
môn Khoa hc máy tính, Hc vin Công ngh BCVT HƠ Ni đư góp Ủ đ tác gi hoƠn thƠnh giáo
trình. Tác gi cng xin đón nhn các Ủ kin đóng góp, phê bình t ngi đc, ngi hc, sao cho
tƠi liu nƠy có ích hn. a ch theo e-mail:





3

HƠ Ni, tháng 10 nm 2013

Hunh Thúc Cc,
Vin Công ngh thông tin, VAST, 18, HoƠng Quc Vit, HƠ Ni.



4



Li nói đu 2
Mt s ch vit tt 7
Danh sách các hình v 9
Chng 1. GII THIU CHUNG V CÁC H THNG NHÚNG 15
1.1 KHÁI NIM V H THNG NHÚNG (HTN) 15
1.2 C IM CA HTN 15
1.3 CÁC YÊU CU VI HTN 18
1.4 MÔ HÌNH TNG TH HTN 19
1.4.1 Mô hình cu trúc phn cng ca máy tính 19
1.4.2 Kin trúc ca CPU 23
1.4.3 Mô hình tng quát ca mt HTN 25
1.4 PHÂN LOI HTN 27

1.5 KT CHNG 32
1.6 CÂU HI CUI CHNG 33
Chng 2. CÁC THÀNH PHN PHN CNG CA H THNG NHÚNG 34
2.1 B X LÍ TRUNG TÂM (Central Processing Unit-CPU) 34
2.2.1 Các loi CPU và nguyên lí hot đng 34
2.2.2 Ví d v mt CPU và nguyên lí hot đng 35
2.2 CPU 8085 VÀ H THNG BUS 44
2.2.1 Khái nim và bn cht vt lý ca các BUS 45
2.2.2 Khuych đi BUS (bus driver) 47
2.2.3 Bus đng b (Synchronous bus): 48
2.2.4 Bus không đng b (Asynchronous bus) 50
2.2.5 Trng tài BUS (bus arbitration) 51
2.2.6 Bus m rng (Expansion bus) EISA, MCA, Bus cc b, PCI 54
2.2.7 Bus SPI (Serial Peripheral Interface ) 55
2.2.8 Bus I
2
C (Inter-Integrated Circuit) 56
2.2.9 Thc hin k thut ca BUS 62
2.3 BO MCH mt HTN VI CU HÌNH TI THIU 66
2.4 HTN VI CÁC CPU KHÁC NHAU 69
2.4.1 CPU đa nng 16 bit 69
2.4.2 Bo mch vi CPU HARVARD (microcontroller Unit-MCU) h Intel 8051/8052/8xC25173


5

2.4.3 Vi mch H thng kh trình trong mt Chip (Programmable System on chip-PsoC) và
Máy tính thông minh kh trình (Programmable Intelligent Computer-PIC) 84
2.5 B NH VÀ THIT K B NH 98
2.5.1 Mt s thông s chính ca mch nh 99

2.5.2 Phân loi b nh 101
2.5.3 Phân cp b nh 108
2.5.4 T chc b nh vt lý và thit k b nh 110
2.6 GHÉP NI VI THIT B NGOI VI 121
2.6.1 Tng quan 121
2.6.2 Ghép ni CPU ch đng 125
2.6.3 Ghép ni I/O ch đng 130
2.6.4 Cng vào/ra 144
2.6.5 Ghép ni vi tín hiu tng t (analog signal) 150
2.6.6 Bin đi tng t thành s (s hóa) 152
2.6.7 Bin đi s thƠnh tng t (DAC) 153
2.7 KT CHNG 153
2.8 CÂU HI VÀ BÀI TP 153
2.8.1 Câu hi cui chng 153
2.8.2 Bài tp cui chng 154
Chng 3. CÁC THÀNH PHN PHN MM CA H THNG NHÚNG 156
3.1 TRỊNH IU KHIN THIT B ( vit tt: TKTB) 156
3.1.1 Tng quan 156
3.1.2 Các loi TKTB 160
3.1.3 3.1.3 Hot đng ca TKTB 161
3.1.4 Phát trin TKTB 161
3.1.5 Mt s ví d v TKTB 163
3.2 H THNG NHÚNG THI GIAN THC 165
3.2.1 H điu hành đa nhim (multitasking) 165
3.2.2 H thng thi gian thc 184
3.2.3 H điu hành thi gian thc (RTOS) 189
3.2.4 H thi gian thc không có h điu hành thi gian thc 195
3.3 PHN MM TRUNG GIAN (middleware) 198
3.4 PHN MM NG DNG 200


6

3.5 KT CHNG 201
3.6 CÂU HI CUI CHNG 201
Chng 4 THIT K VÀ CÀI T CÁC H THNG NHÚNG 203
4.1 THIT K H THNG 203
4.1.1 Các nn tng c bn khi xây dng kin trúc HTN 207
4.1.2 Phân hoch thit k phn cng, phn mm 211
4.1.3 Xây dng bo mch khi phát trin h thng 217
4.2 CÀI T VÀ TH NGHIM HTN 221
4.2.1 Chn CPU cho thit k 221
4.2.2 B nh cho HTN 223
4.2.3 Ghép ni vi thit b 225
4.2.4 Phát trin phn mm cho HTN 225
4.2.5 G ri và mô phng 235
4.2.6 Phát trin HTN 240
4.2.7 Ví d phát trin HTN 266
4.3 KT CHNG 267
4.4 CÂU HI CUI CHNG 267
TÀI LIU THAM KHO 267
PH LC Các ví d 270



7



CPU
Central Processing Unit
n v x lý trung tâm
ROM
Read Only Memory
B nh chi đc
EPROM
Erasable programmable read-only
memory
B nh ch đc, xóa và lp trình li đc
RAM
Random Access Memory
b nh truy cp ngu nhiên

FLASH
non-volatile computer storage

(
memory cards, USB flash drives,
solid-state drives -SSD)
B nh bán dn không b mt ni dung ngay c khi
không cung cp ngun nuôi
OS
Operating System
H điu hành
RTOS
Real Time Operating System
H điu hành thi gian thc
ES
Embedded System
H thng nhúng
HTN
Embedded System
H thng nhúng
OS hay HH
Operating System
H iu Hành
TKTB
Device Driver
Trình điu khin thit b
PLC
Programmable Logic Controller
b điu khin logic kh trình
PIC
Programmable Intelligent
Computer
Máy tính kh trình thông minh

PSoC
Programmable System - on - Chip
H thng kh trinh trên vi mch
ASIC
Application-Specific Integrated
Circuit
ASIC là mt vi mch đc thit k dành cho mt
ng dng c th theo yêu cu cá bit
MCU
Microcontroller Unit
Vi điu khin
CICS
Complex Instruction Set
Tp lnh đy đ
RISC
Reduced Instruction Set
Tp lnh rút gn
SPI
Serial Peripheral Interface
ng liên kt d liu ni tip, đng b, hot đng
theo kiu Ch/t (Master/Slave)
I
2
C
Inter-Integrated Circuit
Bus dùng đ ni gia các vi mch đin t ầ


8

USART
Universal Serial Aynchronous
Receiver/Transmitter
B thu/phát ni tip di b đa nng
ISR
Interrupt Service Routine
Chng trình con x lí ngt hay Dch v x lí ngt
MAC
Media Access Control
iu khin truy nhp môi trng (mng máy tính).
Ví d: MAC address: a ch vt lí ca thit b
mng.
MIPS
Million instructions per second
Triu lnh máy trong mt giây


IDE
Integrated Development
Environment, hoc:
Integrated Design Environment
hoc:
Integrated Debugging
Environment
Là tp các phn mm h tr các công c, tin ích
đê phát trin phn mm máy tính, bao gm:
Son tho mã ngun, trình thông dch, trình biên
dch, trình g ri

ICE

In-Circuit Emulator
Là loi thit b phn cng dùng đ g ri khi phát
trin phn cng và phn mm hp nht, nh HTN.
Vid d nh Logic anlyzer, phn mm MPLAB ca
Microchip





















9



Hình 1.1 Mô hình tng quát bo mch ch
Hình 1.2 Ngun nuôi cho h máy tính
Hình 1.3 HTN xây dng t xây dng t vi x lý(Microprocessor-based) vƠ vi điu khin
(microcontroller based)
Hình 1.4 Microcontroller và các thành phn c bn, BUS kt ni bên trong.Tt c trong mt
chip
Hình 1.5 Hai kiu HTN vi 2 loi kin trúc CPU
Hình1.6 Havard CPU ARM 920T ca Amtel
Hình 1.7 Mô hình tng quát HTN-Mô hình vi các khi chc nng
Hình 1.8 Mt cách nhìn khác v mô hình tng quát HTN:Vi các khi ngoi vi và phn
mm
Hình 1.9 Kin trúc tru tng HTN
Hình 1.10 S đ khi CPU DSP-MP3.
Hình 1.11 B MP3 vi CPU BlackFin ca ANALOG DEVICES
Hình 1.12 Mt s HTN thng mi
Hình 2.1 Intel CPU 8085
Hình 2.2 Các khi chc nng ca CPU 8080/8085
Hình 2.3 Các khái nin qui chiu theo CPU Clock
Hình 2.4 Lu đ thi gian c s ca CPU 8085 (Theo tài liu ca hãng Intel)
Hình 2.5 Biu đ thi gian ca chu kì tìm lnh.
Hình 2.6 Cu hình ti thiu: CPU 8085 và to BUS h thng
Hình 2.7 CPU Bus và BUS h thng
Hình2.8 Chu kì đc đng b
Hình 2.9 BUS không đng b, hot đng đng b bi “đi thoi” gia các tín hiu điu
khin
Hình 2.10 BUS chui quay vòng (daisy chaining)
Hình 2.11 Trng tài BUS
Hình 2.12 Trng tài Bus không tp trung trong multibus
Hình 2.13 Liên kt qua bus SPI
Hình 2.14 Liên kt qua bus I2C



10

Hình 2.15 Nguyên lí ni BUS I
2
C
Hình 2.16 Ghi/đc trên BUS I
2
C
Hình 2.17 Ví d d liu thu/phát trên BUS I
2
C
Hình 2.18 Các mch logic thng dùng trong thit k k thut s
Hình 2.19 Các kiu ni đu ra, đu ra tr kháng cao
Hình 2.20 Vi mch 3 trng thái: hai trng thái logic và
trng thái th 3 HZ: đu ra b “tách” khi BUS.
Hình 2.21 Mch cht (hay nh, gi li) kiu D,
làm vic theo mc hay sn lên ca xung đng h CK. (Xem thêm chi tit mach
SN 7474).
Hình2.22 Cht 4 bit vi D-Flip/flop
Hình 2.23 Cng khuych đi (driver) cht hai chiu
Hình 2.24 Cu hình ti thiu bo mch CPU 8085, RAM/ROM/Ports
Hình 2.25 Mch in cho hình 2.24
Hình 2.26 CPU Intel x86
Hình 2.27 Bo mch vi ti thiu vi CPU 8086:BUS controller, Ngt controller, RAM
Hình 2.28 CPU 8086 timing: lnh đc
Hình 2.29 Mô hình kin trúc Havard:
BUS cho b nh chng trình: Code Bus vƠ Code Address;
BUS cho RAM d liu: Data Bus và Data Address;

SRC1, SRC2:ngun, DST: đích, lƠ các Bus ni b.
Hình 2.30 Các khi chc nng ca CPU 8051/8052
Hình 2.31 CPU 8051: EEPROM, RAM bên trong
và kh nng m rng b nh ti 128 KB (64 KB code+64 KB data)
Hình 2.32 Bo mch vi CPU 8051/8052
Hình 2.33 Các khi chc nng ca nhân 8XC251Sx
Hình 2.34 CPU 8051
Hình 2.35 Phân hoch đa ch trong CPU 8051
Hình 2.36 Bo mch vi CPU Intel 8051 và RAM, ROM m rng bên ngoài.
Hình 2.37 Mô hình mt vi điu khin kiu PSoC hay PIC kiu Vi x lí trong mt Chip

(Microprocessor-based system on a chip)


11

Hình 2.38 Vi điu khin PSoC CY8C29466
Hình 2.39 B trí võ-chân PIC 12F675
Hình 2.40 Mô hình khi chc nng PIC12F629/675
Hình 2.41 Vi điu khin PIC 16F882/883/88
Hình 2.42 Cách to bit nh c đnh bng công tc c hc hay diode bán dn
Hình 2.43 Mô hình đu vào/ra ca phn t nh
Hình 2.44 Cách t chc 1 đn v nh chun (1 byte) t các phn t 1 bit, 4bit và 8 bit
Hình 2.45 Phân loi b nh
Hình 2.46 Các loi b nh ROM
Hình 2.47 Các loi RAM
Hình 2.48 1 phn t RAM tnh
Hình 2.49 1 chip RAM 32K x 8 (32K byte)
Hình 2.50 Phn t DRAM, 1 bit DRAM và ma trn DRAM
Hình 2.51 Các cách ghi/đc/lƠm ti ca DRAM

Hình 2.52 Phân cp b nh
Hình 2.53 Mô hình hot đng ca RAM cache
Hình 2.54 S đ võ ngoài mt vi mch (chip) nh (pin-out)
Hình 2.55 S đ khi chc nng bên trong chip 16K x 1 bit
Hình 2.56 S đ thit k bng nh SRAM 16K x 8, vi Chip 16Kx1
Hình 2.57 S đ khi chc nng ca 1 chip DRAM thng mi 4164Kb
Hình 2.58 Quan h các tín hiu điu khin DRAM 4164x1 thng mi.
Hình 2.59 CPU 8080/8085 Module DRAM 64 KB toàn phn
Hình 2.62 Ví d v cách phân b b nh trong máy tính PC
Hình 2.63 Mô hình k thut ghép ni
Hình 2.64 Các kiu ghép ni
Hình 2.65 c d liu vào: D liu_t thit b vƠo ACC sau đó vƠo RAM
Hình 2.66 a d liu t RAM vƠo ACC sau đó ACC ra thit b
Hình 2.67 Trao đi d liu đc vƠo có điu kin
Hình 2.68 Lu đ điu khin đc d liu vƠ có điu kin
Hình 2.69 Lu đ điu khin đc d liu kiu quay vòng
Hình 2.70 Mô hình hot đng ca ngt


12

Hình 2.71 Các kiu ngt
Hình 2.72 Thit kt vi ngt cng che đc INTR ca CPU
Hình 2.73 Vector ngt và chuyn x lý ti ISR
Hình 2.74 T chc ngt vi điu khin ngt
Hình 2.75 M rng s ngt vi 2 vi mch 8259
Hình 2.76 Nguyên lí DMA
Hình 2.77 DMA và hot đng ca CPU lƠ đc lp
Hình 2.78 Ghép ni DMAC 8237 vào vi CPU 8085vƠ lu đ thi gian ca qui trình DMA
Hình 2.79 Lu đ DMA ghi d liu t RAM ra thit b ngoài

Hình 2.80 nh ngha các chơn ca cng SSP
Hình 2.68 Cng song song trên PC và gii ngha các chơn cng
Hình 2.81 Lu đ các tín hiu cng song song
Hình 2.82 Cng song song hai chiu
Hình 2.83 u ni RS 232 các loi DB9, DB 25 và DEC MMJ
Hinh 2.84 PC làm h phát trin phn mm cho HTN, phù hp tín hiu gia RS-232 cua PC
và cng SI-P ca HTN đang phát trin
Hình 2.85 Cng SI-P đn gin, dùng ngun t RS 232 ca PC
Hình 2.86 ADC và ghép vào HTN
Hình 2.87 HTN và DAC
Hình 2.88 Bài tp thit k ghép ni ADC, cng LPT vào máy tính PC
Hình 3.1 Mô hình tng quát các phn mm trên máy tính
Hình 3.2 Mô hình tng quát các kiu sp xp phn mm trên máy tính
Hình 3.3 Trng thái ca tin trình
Hình 3.4 Trin khai API qua GHT
Hình 3.4 Nguyên lí đa trình và quan h gia ch đ ngi dùng và ch đ nhơn HH
Hình 3.5 Các kiu tác v
Hình 3.6 Hu ht các loi tác v đ xuyên qua lp biu.
Hình 3.7 Biu đ thc hin mt tác v
Hình 3.8 Phân loi các gii thut lp lch thc hin tác v
Hình 3.9 Quay vòng kt hp u tiên vƠ chen ngang
Hình 3.10 Mô hình nguyên lí cho WD


13

Hình 3.12 S kin vƠ đáp ng
Hình 3.13 RTOS nhân thi gian thc vƠ RTOS đa nng
Hình 3.14 Module lp biu ca nhơn HH
Hình 3.15 Các chc nng nhơn RTOS

Hình 3.16 Các h điu hành RTOS
Hình 3.17 H thng nhúng thi gian thc
Hình 3.18 V trí cua PMTG  HTN
Hình 3.19 Mô hình các lp mng theo TCP/IP, OSI và ánh x vào HTN
Hình 3.20 Các ng dng WEB trong HTN, đt  lp phn mm ng dng
Hình 4.1 Các thuc tính chung ca phn cng ca mt HTN
Hình 4.2 Mt kiu đc t tin thit k HTN
Hình 4.3 Kch bn mô phng hiu nng khi thit k HTN
Hình 4.4 Các cu trúc kiu “4+1”
Hình 4.5 Các pha thit k HTN
Hình 4.6 Gii thut thit k máy in laser: phân hoch cng/mm
Hình 4.7 Phân hoch thit k phn cng và phn mm
Hình 4.8 ng thit k phn cng và phn mm-đng kim nghim, ti uthit k
Hình 4.9 Qui trình thit k kiu ASIC
Hình 4.10 Xây dng mô hình hình thc: Bc sàng lc s dng cách tng hp phn cng
và phn mm đ chuyn hóa xác đnh chc nng vƠo mô hình phn cng ca thit
k.
Hình 4.11 Bo mch HTN
Hình 4.12 Mi tng quan gia giá thành h thng/hiu nng
và mc đ tích hp thng/hiu nng
Hình 4.14 Quá trình biên dch thành mã maý to ra HH
Hình 4.15 nh dng mt tp thc thi ELF
Hình 4.16 Tng quát các bc to nhơn HH mi t mã ngun
Hình 4.17 Tng quát các bc to nhơn HH mi t mã ngun và kiu khi đng
Hình 4.19 Các loi công c h tr g ri
Hình 4.20 Kt qu hin th ca g ri
Hình 4.21 Liên kt gi h phát trin và h đích đang đc g ri


14

Hình 4.22 Môi trng phát trin chéo: h phát trin ậ công c - HTN đích
Hình 4.23 H thng nhúng : phn mm nhúng và phn cngnhúng
Hình 4.24 H phát trin HTN
Hình 4.25 Qui trình phát trin phn mm đích đ np vƠo HTN đích.
Hình 4.26 Qui trình phát trin phn mm cho HTN
Hình 4.27 S đ đn gin h thng và ánh x b nh vào EEPROM hay FLASH ca HTN
đích.
Hình 4.28 Vai trò ca trình loader
Hình 4.29 Phn program header table ch ra các phơn đon đc s dng lúc chy chng
trình (run time) và phn header lit kê tp các phn nh phân : .text: mư chng
trình, .rodata: d liu ch đc, .data: d liu đc/ghi đc.
Hình 4.30 nh x thc thi chuyn vào b nh ca h thng
Hình 4.31 Ví d tng quan v boostrap h thng
Hình 4.32 Trình t boot boot image chy t ROM
Hình 4.33 Trình t boot thc hin  RAM sau khi image đư đc copy t ROM vào RAM
Hình 4.34 Chy image sau khi đư ti xung h đích t h pht trin (PC)
Hình 4.35 Tin trình khi đng phn mm HTN


15

.  
1.1 
Nhìn li nhng nm 70 th k trc, x lỦ thông tin thng phi s dng các máy tính ln hay
máy tính mini (ví d dòng máy mini PDP 11 ca hãng DEC mt h thng thng tr trong truyn
thông). Cho ti nhng nm 80, khi vi x lỦ vƠ máy tính cá nhơn (PC đ bƠn vƠ xách tay) ra đi,
máy tính tr thành công c đc dng cho x lý thông tin bi kh nng tính toán nhanh, gn nh
vƠ di đng linh hot. Giai đon tip theo là kh nng ch to vi mch kích thc vƠi trm micro
mét và nano mét ca nhng nm chín mi, đư thúc đy xu hng nh hóa (miniaturization) và

đa dng các dòng vi x lý, phát trin mnh m. Các b vi x lỦ đa nng vƠ s xut hin các vi x
lý chuyên bit (ASIC- application-specific integrated circuit) đc ch to vi s lng ln cha
tng thy. Vic s dng các b vi x lý chuyên bit đ to ra các thit b chuyên x lý mt hay
mt vƠi bƠi toán k thut, to ra mt nghành công ngh mi, gi là công ngh nhúng. Sn phm
ca công ngh nhúng này là các h thng nhúng.
Vy h thng nhúng (HTN- Embedded system) là gì ?
Có nhiu đnh ngha v HTN, nhng nu ta ly tiêu chí mô t HTN làm cái gì và s dng nó nh
th nào, thì có th nói v HTN nh sau:
H thng nhúng là mt thut ng đ ch mt h thng có kh nng hot đng t tr đc
nhúng vào trong mt môi trng hay mt h thng khác qui mô phc tp hn. ó lƠ các h thng
tích hp c phn cng (là mt h thng máy tính đc xây dng trên c s s dng vi x lý -
microprocessor-based system) và phn phm nhúng trong phn cng đó, đ thc hin các bài
toán chuyên bit.
Hay theo đnh ngha ca t chc IEEE thì h thng nhúng là mt h tính toán (máy tính
s) nm trong (hay c nhúng vào) sn phm khác ln hn vƠ rng thông thng n đi vi
ngi s dng. Nói rng ra, vƠ đn gin hn, khi mt h tính toán (có th là PC, IPC, PLC, vi x
lý, vi h thng (microcontroller), DSP v.v ) đc nhúng vào trong mt sn phm hay mt h
thng nƠo đó vƠ thc hin mt s chc nng c th ca h thng đó, thì ta gi h tính toán đó lƠ
mt h thng nhúng. Tuy nhiên tht không d gì đnh ngha cho tht đúng v HTN, đnh ngha
trên rt ít nói ti công ngh vƠ cng rt đn gin. Hin nay cha có đnh ngha nƠo tht tha đáng
v HTN, ví d nu ly chc nng x lý thông tin, thì HTN là mt phn x lý thông tin nhúng
trong các h thng ln hn vƠ phc tp hn, hay cng có th là mt h thng đc lp vn hành t
đng. Ví d gn gi ta có: máy tính cá nhơn, hay máy ch, là mt h thng phc tp đc xây
dng t các thành phn hot đng đc lp nhng đc đng b vi nhau. V điu khin đ ha,
có vi điu khin rt mnh x lỦ đ ha, v điu khin trên đa cng có vi điu khin chuyên dng
đ x lý tín hiu, ghi/đc d liu t đa t tính theo yêu cu ca h điu hƠnh, v mng cng lƠ
mt vi điu khin tinh vi x lý tín hiuầ ó lƠ các h thng con đc nhúng trong h thng máy
tính nói chung. Mc dù vy ta cng s nêu ra đơy mt s đim chung v HTN.

1.2 



16

 hiu rõ hn v HTN, ta nêu ra mt s đc đim đ nhn bit v mt h thng nhúng:
 Là mt kiu máy tính ng dc bit, rt gii hn v phn cng và phn mm khi so
sánh vi các máy tính đa nng, nh máy tính cá nhơn, máy ch, siêu máy tính. iu đó nói
lên rng hiu nng x lỦ, nng lng tiêu th, b nh, các phn cng khác đu hn ch. Còn
phn mm hn ch, hay phn mm là c đnh, có ngha h điu hƠnh đc thit k phù hp
vi các x lỦ đư đnh. Hin nay h điu hƠnh thng s dng là h điu hƠnh đa nhim (nh
DOS 6.X h tr đa nhim trên các loi HTN dòng PC 104), hay h điu hành thi gian thc.
Nu không có h điu hƠnh, thì cng lƠ mt kiu chng trình điu khin chung (monitor)
nƠo đó. Phn mm vit ra không có các phn mã có mc đ tru tng hay có cng  mc
thp. Mã thc thi (gm h điu hành và các ng dng) đc np vào b nh ROM. Nhìn
chung mã thc thi có kích thc nh và ti u vì ROM có dung lng nh. Tuy nhiên vi s
phát trin nhanh chóng ca công ngh, cách nêu trên có th thay đi, bi s có các HTN rt
tinh xo và mc đ phc tp rt cao, b nh có th đn vài chc mega bytes.
 c thit k  thc hin mt hay vài ng dnh, chuyên bit (Application
specific), ví d các thit b nhúng công nghip nh robot thuc loi này. Tuy nhiên có nhng
thit b nhúng khác nh các PDA, đin thoi di đng, là các HTN có kh nng thc hin
nhiu chc nng hn. Hay các Tivi k thut s li có th thc hin các ng dng tng tác
vi màn hình cm ng, v.vầ Tuy nhiên xu hng hin nay là to ra các HTN kh trình có
giao din kt ni vi mt h phát trin khác đ nâng cp phn mm.
 HTN tng tác vi môi trng ng dng qua nhiu phng thc:
 Qua các b cm bin (sensor), ghép ni vào HTN bng dây dn, hay không dây;
 Phát trin các giao thc truyn tin riêng bit, hay theo các giao thc chun đ trao
đi thông tin vi các thit b khác, có th có h tr ni mng LAN;
 HTN thuc loi thit b thông minh t phn ng (reactive), b đng nhng tng
tác liên tc vi môi trng vƠ có đáp ng kp thi vi nhng tin trin (s kin)
mƠ môi trng đó xác lp.

 Tng tác ngi-máy rt đn gin nu có vì HTN chy đc lp và thông tin vi h
thng ln hn lƠ chính. NgƠy nay xu hng WEB hóa giao din tng tác lƠ ph
bin, ví d các thit b kt ni mng Internet nh ADSL dòng SOHO (Small
Office-Home Office), có WEB đ làm cu hình và qun tr. Tng t, các HTN
công nghip cng phát trin theo xu hng nƠy đ d qun tr t trung tơm điu
khin.
 HTN hoc lp, do đó các đc đim sau đơy:
  tin cy, lí tng là không có s c hng hóc.
 Bo trì: thi gian bo trì nhanh chóng.
 Có tính sn sàng cao, là kt qu ca s tin cy và bo trì.


17

 An toàn: nu có s c xy ra, HTN không gây ra nhng tác hi khác ca toàn h
thng.
 An ninh: d liu ca HTN đc bo mt, truy nhp phi có xác nhn (ví d, HTN
là các thit b truyn thông, SOHO).
 HTN là mt kiu máy tính có yêu cu v ch tin cy rt cao, hoc
ng khc nghit v nhit đ (cao, hay rt thp), đ m cao, đ rung đng
ln, nhiu sóng đin t v.vầ Ví d các máy tính trong công nghip, các thit b truyn thông,
trm BTS chng hn, hay các máy tính điu khin trên máy bay (fly by wire)ầ
 Phn ln các h thng nhúng hot đng vi s ràng buc thi gian: yêu cu có thi gian
cho (đáp ng) đu ra nhanh, đúng thi đim, trong mi tng quan vi thi đim xut hin
ca (s kin) đu vào. Kiu hot đng nh vy gi là to đáp ng theo thi gian thc. Thi
gian thc có th chia ra làm hai kiu:
 Nhy cm vi thi gian (time- sensitive): s kin ch đc x lý trong mt khung
thi gian nht đnh;
 Thi gian ti hn (time critical): khi có s kin, h thng phi phn ng ngay,
chuyn nhanh nht đn mư chng trình ng vi s kin đó đ x lý, nói cách

khác trong mt ca s thi gian cho phép, x lý phi đc thc hin và phi có
đáp ng đu ra. Ví d nu vòng phn hi trong các h có điu khin  đó HTN lƠ
b điu khin chy gii thut điu khin không đ nhanh (x lý, tính toán quá lâu),
h thng tr nên không n đnh.
 Có hiu nng cao. Các s đo sau đơy se phn ánh đc tính này:
 S dng nng lng thp và hiu qu. Có th thy đim này  các thit b di đng.
 Mã phn mm có kích thc rt ti u, vì mư phi cài toàn b trên HTN.
 Thi gian x lý tác v (run-time) phi nhanh, s dng ít tài nguyên phn cng (vì
liên quan ti tiêu hao nng lng).
 Trng lng nh. ơy lƠ mt trong nhng lc chn khi mua mt HNT.
 Giá thành rt cnh tranh. Mun vy thit k và s dng phn cng, phn mm cn
quan tâm ti hiu qu.

Di đơy lƠ các ví d v các HTN nhìn  góc đ s dng:
c ng dng
Thit b nhúng
Ô tô
ánh la đin t, iu khin đng c, h thng phanh, h s ầ
in t tiêu dùng
Tivi analog, Tivi s, CD, DVD, VCR,ầ
PDA, in thoi di đng, CAMCODER, GPS, t điu hòa, t


18

lnh, lƠ vi sóng ầ
Công nghip
Robot, dây chuyn sn xut t đng, SCADA agentsầ
Y t
Máy thm tách, máy pha-lc, máy th, máy tr tim, máy quét ct

lát, rt nhiu thit b y t hin điầ
Mng thông tin (WAN, LAN, thoi)
B đnh tuyn, gateway, chuyn mch mng, các thit b truyn
thông-mng, trm chuyn tip, BTS di đng ầ
Vn phòng
Máy Fax, máy potocopy, máy in (kim, laser, phun), máy quét, màn
hình LCDầ
Các lnh vc khác: an ninh, quc
phòng, hàng không, hàng hi
c hp nht trong rt nhiu khí tài hin đi ca tt c các binh
chng .
1.3   HTN
HTN thc t là mt loi máy tính dùng đ x lỦ thông tin đư  dng s. HTN có th là
mt h thng đc lp nh mt thit b tích cc trong mô hình điu khin, tc HTN là mt
regulator s, thc hin các chc nng ca PID regulator, khi các chc nng nƠy đc th hin
bi thut toán và chuyn hóa  dng mư chng trình trong HTN. Trong khi đó HTN li là mt
phn ca mt qui trình công ngh trong công nghip. Nh trên đư lit kê các đc đim chung mà
các h thng nhúng thng có, t nhiên ta có th rút ra đc nhng yêu cu cn có trên mt h
thng nhúng.
1. Kh ng vi s kin bên ngoài (t các tác nhân b kim soát) phi nhanh
nhy, kp thi, tc là kh nng theo thi gian thc:
 Các tác v ng ràng buc bi thi hn chót (deadline);
 Thi gian phát hin li phi rt ngn (ti thiu);
 Khi chy các chu trình vòng lu khin bng phn mm phng
i hn;
2. Có kh nng lƠm  ng khc nghit.
3. Có giá thành thp hay hiu qu hong/giá thành hp lí.
4. c nh gn, nh, d mang d vn chuyn, lp đt.
5. Tiêu th ng thp, kh nng s dng ngun pin, c qui (tt nhiên ph thuc vào
dung lng ca pin, c qui).

6. Hong tin cy, chu li cao
 Tin cng dch v yêu cu i hn sau thi gian t t
0
n t;


19

 Cho hng s ca t s s c trong thi gian 1 gi ng h là e (e/h), thì biu
din t s s c là R(t)=exp
(-e(t-t0))
  i gian gia 2 ln s c (Mean
Time To Failure- MTTF) s là 1/R(t);
  tin cy cao nt ~10
-9
s c /gi.
 Tính sn sàng cao: Nu thi gian sa cha s c trung bình là MTTR, thì tính
sn sàng (availability) A=MTTF/(MTTF+MTTR).
7. An toàn và bo mt.
8. Kh p phn mm và d phòng nâng cp phn cng (m rng qua khe
cm d tr, ví d các thit b mng thng có tính nng nƠy).

1.4 
Nh đư nêu trong đnh ngha ca HTN, thì HTN có kin trúc ca mt máy tính s, do vy s
không có gì khác bit khi mô t mô hình kin trúc ca HTN nói chung. Có khác chng lƠ  chi
tit ca tng HTN c th.
1.4.1 Mô hình cu trúc phn c
Di đơy ta nêu ra mô hình tng quát ca máy tính theo nguyên lí Von Neumman. HTN cng
chia s kin trúc này trong mt s trng hp. Mô hình cho thy các khi chc nng c bn cn
có. Trong thc t có nhng CPU nhúng có kin trúc c th khác nhau, nhng khi mô t các khi

chc nng, thì hoƠn toƠn thng nht.
Mô hình l x lý trung tâm (Central Processing Unit  CPU) là khi chc nng c bn
nht đ to nên mt h vi x lý, HNT hay máy tính cá nhân (Personal Computer  PC).
 CPU thc hin chc nng x lý d liu theo nguyên tc thc hin chng trình máy
tính cài trong b nh ROM hay np vào b nh RAM. Vic thc hin nh sau: CPU
đc mã lnh (OPCODE) t b nh (ROM hay RAM), sau đó,
 Gii mã lnh, to các tín hiu (xung) điu khin tng ng vi mã lnh đ điu
khin hot đng ca các khi chc nng khác trong CPU vƠ bên ngoƠi CPU.
 Tp các tín hiu to ra BUS ca CPU. Khi kt hp vi các vi mch dn /tách
kênh và khuych đi, các mch gii mư,ầ s to ra BUS h thng. BUS h thng
cung cp các tín hiu cho các vi mch tích hp vào CPU (ROM, RAM, I/O
module) to thành bo mch chính (CPU board).
 Thc hin tng bc các thao tác x lý d liu đư đnh ngha trong mư lnh.
 Ghi li kt qu thc hin lnh.
 B nh chính (ROM/RAM) đc t chc t các t nh đn, kép. Theo chun ca
IBM/PC t nh dài 1 byte (8 bits). B nh này gm các chip nh
ch đc ROM (Read Only Memory) và các chip nh truy xut ngu nhiên RAM
(Random Access Memory) có tc đ truy cp nhanh. B nh đc s dng đ cha


20

các chng trình vƠ các d liu cn x lỦ. Các chng trình ng dng và d liu có
th đc cha  ROM hoc RAM, các kt qu trung gian hay kt qu cui cùng ca
các thao tác x lý có th đc cha trong các thanh ghi đa dng hoc trong RAM.

B vi x lí trung
tâm
(CENTRAL
PROCESSING

UNIT)
ng h thch
anh nhp chun
Ngun nuôi mt
chiu
H thng đng dây d liu (DATA BUS)
H thng đng dây điu khin (CONTROL BUS)
H thng đng dây đa ch (ADDRES BUS )
B nh Ghi/c
(RAM)
B nh ch c
(ROM)
Ghép ni ra (O) Ghép ni vào (I)
BUS
h
thng

Hình 1.1- Mô hình tng quát bo mch ch
 Các mch ghép ni vào/ra (I/O interface) là các mch đin t, thc hin các gii pháp k
thut thích ng tín hiu, tr khángầ cho phép CPU trao đi d liu vi các thit b ngoi
vi nh bƠn phím, mƠn hình, máy in, các b chuyn đi s-tng t DAC (Digital/Analog
Converter), chuyn đi tng t-s ADC (Analog/Digital Converter), các mch vào/ra d
liu dng s DO (Digital Outputs), DI (Digital Inputs)ầ
 H vi x lý còn có mt mch to xung nhp gi là CPU Clock. B to xung nƠy đc điu
khin bng mt mch thch anh có tn s thích hp vƠ đm bo tn s làm vic n đnh,
vi tn s chính xác cao. CPU có mt chân phát xung cho các vi mch còn li, gi lƠ đng
h h thng (System Clock), đng h này ni ti tt c các vi mch điu khin chính trên
bo mch, đng b toàn b hot đng vi CPU.
 Mt khi ngun nuôi (Power Supply) cung cp nng lng cho h thng t mng đin
li, hay s dng pin. B ngun ca các h vi x lỦ thông thng là b ngun xung vi

k thut đóng-ngt dùng linh kin bán dn công sut (Switching Power Supply), va gn
nh, công sut đ ln, hiu sut cao.


21


Hình 1.2-Ngun nuôi cho h máy tính

 Phân loi trên c s vi mch
Tuy nhiên khi đ cp ti cu trúc ca HTN đc xây dng trên công ngh vi mch, có th
có hai loi khác bit:
 và  khác nhau theo vài cách, 
  s dng mt vi x lí, cn hp nht nhiu thƠnh phn vƠo đó: b nh, I/O,
COM ầ vƠ do vy vi x lí lƠ trung tơm ca c h thng. Trong khi đó vi điu khin đc thit k
theo tiêu chí: tt c đc tích hp trong mt vi mch, đc bit lƠ các giao tip I/O, tc lƠ s không
cn thêm thƠnh phn nƠo vƠo đó. Li ích lƠ  ch  và 
 rt nhiu. Tuy nhiên do phn cng hn ch, nên  cng phi đc xác
đnh.
H thng nhúng da trên
b vi x lý trên bo mch
(Microprocessor-based
Embedded System)
H thng nhúng vi
u khin trên bo mch
(Microcontroller-based
Embedded System)
 Có CPU đc lp, có th lƠ CPU đa
nng ph bin (Intel 8080/8085,
Motorola 6800ầ),

 Có RAM, ROM, đnh thi , I/O
đc lp,
 Kh nng m rng RAM, ROM,
I/O tùy ý,
 a nng, đt tin.
 Kin trúc gn nh mt máy tính
 CPU dng lõi chuyên bit, RAM,
ROM, đnh thi, I/O trong mt vi mch
đn,
 RAM, ROM có dung lng c đnh,
I/O đ cho mc đích s dng,
 n mc đích, ng dng xác đnh,
tiêu hao ít nng lng, giá c hp lí
cho ng dng nhúng.
 Kích thc nh, gn.



22

nhng có kích thc nh.
Thit k ch
 Cn phi có các vi mch RAM,
ROM hp thành t bên ngoài vi mch.
 Không th kt ni vi ngoi vi
ngoi vi, cn có thêm các vi mch h
tr cho chc nng nƠy.
 Tuy nhiên nng lc tính toán
mnh.

Thit k ch
 c thit k  có tt c trong
mt Chip !
 Nng lc tính toán đc thit k ti
u cho ng dng xác đnh, các ng
dng chuyên bit.
 Rt phù hp đ xây dng các HTN
 Tit kim gian thit k.



Hình 1.3 HTN xây dng t xây dng t vi x lý(Microprocessor-u khin
(microcontroller based)


23


Hình 1.4 Chip 
.
1.4.2 Kin trúc ca CPU
Phn nhiu các tài liu khi đ cp ti thit k HTN, đu dành mt s ch đ v kin trúc và cách
thit k ch to CPU. ơy lƠ mt vn đ chuyên và rt sâu, tài liu này s không dn xut. Tài
liu ch gii hn  gii thiu các kiu CPU có th s dng đ thit k HTN. Các kiu CPU này rt
ph bin trên th trng, rt đa dng vi nng lc x lý khác nhau và phù hp cho mi loi ng
dng nhúng. Di đơy lƠ mt trong các quan đim nhìn nhn CPU:
 Tp lnh: có th lƠ CISC hay RISC, trong đó RISC lƠ ph bin.
 Hot đng theo kiu Von Neumman, ví d đin hình nh hình v trên, trong đó H
thng BUS đa ch và BUS d liu, BUS điu khin chung cho toƠn b h thng, b
nh chia s chung cho toƠn h thng vi vùng mã lnh (code) và d liu (data) trên

cùng không gian đa ch b nh và BUS d liu không th truyn đng thi mã lnh và
d liu cùng mt thi đim. Quá trình thc hin mt lnh máy nh sau:
1) c mã lnh t ROM/RAM qua BUS d liu vào CPU, gi mư đ xác đnh làm
gì tip theo;
2) c d liu tip theo là mt phn ca lnh (operands) nu có;
3) Thc hin lnh khi đư đc ht các operands ca lnh;
4) Lu kt qu vào thanh ghi hay ra RAM.


24

Trong qua strình thc hin lnh, BUS d liu là kênh duy nht đ trao đi d liu, do
vy ta nói BUS d liu có th b “bo hòa”, hiu nng tính toán b hn ch. Vi các
CPU hin đi BUS d liu đc ci tin rt nhiu, đc bit là giao thc BUS vƠ đng
h BUS đc nơng cao đ ci thin hn ch nói trên.
 Và hot đng kiu Harvard vi mt s đc đim khác bit :
 Howard Aiken (1900-1973) khi xây dng máy tính vi các relé đư tách các b nh
d liu (RAM) và b nh chng trình (NVM Non Volatile Memory: ROM,
FLASH) vi các bus riêng r đ truy cp vào b nh d liu (RAM) và b nh
chng trình cha phn mm nhúng (h điu hành, Device drivers, ng dng
nhúng ).
 Bus cho lnh và Bus cho d liu tách bit, điu hƠnh đc lp nên lnh và d liu có
th đc đa ra cùng mt lúc, ci thin tc đ so vi thit k vi ch mt bus.
 Phân bit rõ ràng b nh d liu và b nh chng trình, CPU có th va đc mt
lnh, va truy cp d liu t b nh cùng lúc.
 Do các BUS đc lp, CPU có kh nng tìm trc các lnh (instruction prefetch),
nên vi kin trúc Harvard chng trình chy nhanh hn, bi vì nó có th thc hin
ngay lnh tip theo khi va kt thúc lnh trc đó.
 Tuy nhiên v kin trúc có phn phc tp hn trong phn cng, vi 2 BUS đc lp
gơy khó khn nht đnh cho các ngôn ng lp trình cp cao (ví d nh C,ầ )

nhng cho hiu qu hn cho các ng dng nhúng. Là loi ph bin đ thit k các
HTN.


Hình 1.5 Hai kiu HTN vi 2 loi kin trúc CPU


25

Ví d Havard CPU ARM 920T, là loi CPU ci tin vi mt nh cache cho lnh và mt cache cho d
liu.

Hình1.6 Havard CPU ARM 920T ca Amtel
1.4.3 Mô hình tng quát ca mt HTN
 Các khi ch
- Môi trng hot đng: ni s dng HTN,
- Chp hành: là các thit b công ngh,
- Cm bin: thit b đc bit ghi nhn thông tin công ngh (v trí, vòng quay, tc đ,
nhit đ, áp sut, kích thc (cao, dƠi, sơu) ầ) ,
- Ghép ni: là các thit b phi hp, chuyn hóa các thông tin t cm bin thành tín
hiu đin đ s hóa,
- Các b s hóa (A/D) vƠ tng t hóa (D/A),
- Ghép ni vi các h thng khác: liên kt các HTN khác, mng d liu, Trung tâm
điu khin SCADA, ầ
- Ghép ni BUS h thng
- CPU, RAM, ROM (FLASH),