Thiết kế hệ thống điều khiển nhúng

2/26/2013

Thiết kế hệ thống điều khiển nhúng

Chu Đức Việt
Department of Automatic Control


Nội dung
Giới thiệu chung
−

Mục tiêu của khóa học

−

Các đặc trưng của hệ thống

−

Các yêu cầu thiết kế

−

Bộ vi xử lý

−

Quy trình thiết kế

Thiết kế phần cứng nhúng

Thiết kế phần mềm nhúng

Chu Đức Việt
Dept. of Automatic Control at HUT

2

1


2/26/2013

Tài liệu tham khảo
1. Ken Arnold, “Embedded Controller Hardware
Design”
2. Arnold S. Berger, “Embedded Systems Design:
An Introduction to Processes, Tools, and
Techniques”
3. Peter Marwedel, “Embedded System Design”
4. Peter Marwedel, “Embedded System Design:
Embedded Systems Foundations of CyberPhysical Systems”
Chu Đức Việt
Dept. Of Automatic Control

Mục tiêu của khóa học

“The future is embedded,
embedded is the future”

Chu Đức Việt

Dept. of Automatic Control at HUT

4

2


2/26/2013

Hệ thống nhúng là gì ?
“Hệ thống nhúng là một hệ thống sử
lý thông tin, được nhúng trong một
thiết bị/hệ thống khác”
• Được thiết kế hướng tới một nhiệm vụ / ứng dụng chuyên
biệt
• Giao diện với người sử dụng cũng được thiết kế chuyên
biệt (thướng không có bàn phím, màn hình v.v.)

Chu Đức Việt
Dept. of Automatic Control at HUT

5

Tổng quan về hệ thống nhúng
Các hệ thống tính toán có mặt khắp mọi nơi
Khái niệm thiết bị / hệ thống tính toán thường
được hiểu là các loại máy tính:
• PC’s
• Máy tính xách tay
• Máy chủ

Chu Đức Việt
Dept. of Automatic Control at HUT

6

3


2/26/2013

Tổng quan về hệ thống nhúng
Các dạng khác của “máy tính” :
−

Có mặt trong hầu hết các thiết bị sử dụng điện

−

Máy tính được sử dụng với vai trò điều khiển hoạt động
của các thiết bị

−

−

Có nhiều dạng khác nhau từ đơn giản đến phức tạp, rất
khó để định nghĩa. Máy tính nhúng thường là tất cả các
thiết bị có khả năng tính toán, xử lý thông tin, không kể
các loại máy tính thông thường.

Hàng năm có hàng triệu máy tính (để bàn, xách tay, máy
chủ) được sản xuất, nhưng có đến hàng tỷ máy tính
nhúng được sử dụng trong cách thiết bị.

Chu Đức Việt
Dept. of Automatic Control at HUT

7

Ví dụ: Hệ thống điện xe ô tô
Các thiết bị được điều khiển bởi
hệ thống nhúng:
Hệ thống chống bó cứng phanh
ABS: Anti-lock braking systems
Ổn định thân xe ESP: Electronic
stability control
Túi khí

Các thiết bị nhúng trên xe được
kết nối với nhau qua mạng:
Hệ thống điện (cửa, gương, đèn),
máy (ecu), hệ thống liên lạc trong
xe, thiết bị giải trí, thiết bị an toàn
(dây an toàn chủ động, túi khí) …

Hộp số tự động
Hệ thống chống trộm
Cảnh báo điểm mù
... etc ...

Chu Đức Việt
Dept. of Automatic Control at HUT

8

4


2/26/2013

Ví dụ: Ngành hàng không
Điều khiển bay (tất cả các máy
bay hiện nay đều được điều
khiển điện tử - fly by wire)
Chống va chạm trên không,
Hệ thống thông tin của phi
công
Hệ thống nguồn
Điều khiển hệ thống thủy lực,
Hệ thống giải trí
...

Tính tin cậy của các thiết bị là
yêu cầu quan trọng nhất
Chu Đức Việt
Dept. of Automatic Control at HUT

9

Mơ ước: Quán bia công nghệ cao :-)

Chu Đức Việt
Dept. of Automatic Control at HUT

10

5


2/26/2013

Ví dụ: Công nghiệp

Appear in any Industrial Digital Controller

Chu Đức Việt
Dept. of Automatic Control at HUT

11

Ví dụ: Hệ thống tự động hóa tòa nhà
•

Tích hợp điều khiển các hệ thống
làm mát, chiếu sáng, thông tin
liên lạc, an ninh, báo cháy, chữa
cháy, thoát hiểm v.v.

•

Mục tiêu: Tòa nhà “xanh”

Chu Đức Việt
Dept. of Automatic Control at HUT

12

6


2/26/2013

Các đặc tính kỹ thuật chung:
Tính tin cậy
Hệ thống nhúng phải có tính tin cậy cao:
Độ tin cậy
Khả năng bảo trì và nâng cấp
Sự phổ cập và tiện sử dụng
Độ an toàn
Tính bảo mật

Tính tin cậy của hệ thống phải được đặt ra ngay từ khi
bắt tay vào thiết kế.

Chu Đức Việt
Dept. of Automatic Control at HUT

13

Tính hiệu quả

Hiệu quả
• Năng lượng tiêu thụ
• Kích thước về phần cứng và phần mềm
• Hiệu quả về thời gian thực hiện
• Kích thước và khối lượng
• Giá thành

Chu Đức Việt
Dept. of Automatic Control at HUT

14

7


2/26/2013

Phần cứng của hệ thống nhúng
Các hệ nhúng thường được sử dụng trong một “vòng kín”
(“close loop”):

Chu Đức Việt
Dept. of Automatic Control at HUT

15

Phần cứng của hệ thống nhúng
Hệ thống nhúng thường là các hệ thống tương
tác:
“Hệ thống tương tác là một hệ thống liên tục giao

tiếp với môi trường xung quanh và hoạt động của
nó được quyết định bởi môi trường đó”
[Bergé, 1995]
Các hành vi của hệ thống phụ thuộc vào các tín
hiệu vào và trạng thái hiện thời của hệ thống.
Các hệ thống nhúng thường là các hệ lai
(Hybrid system) chứa đồng thời các thành phần
analog và digital.

Chu Đức Việt
Dept. of Automatic Control at HUT

16

8


2/26/2013

Tính thời gian thực
Nhiều hệ thống nhúng phải thỏa mãn yêu cầu thời gian
thực:
Một hệ thống thời gian thực phải đưa ra phản ứng đúng và kịp
thời đối với tác động của môi trường.
Đối với hệ thống thời gian thực, một phản ứng đúng nhưng được đưa ra quá
chậm lại trở thành một phản ứng sai.

Hệ thống phải đảm bảo thoả mãn về tính tiền định trong hoạt
động của mình
Tính tiền định nói lên hành vi của hệ thống thực hiện đúng trong

một khung thời gian cho trước hoàn toàn xác định
Khung thời gian này được quyết định bởi đặc điểm hoặc yêu cầu
của hệ thống, có thể là vài giây và cũng có thể là vài nano giây
hoặc nhỏ hơn nữa
Chu Đức Việt
Dept. of Automatic Control at HUT

17

Tính thời gian thực
Yêu cầu thời gian thực cứng (hard-realtime)
Yêu cầu thời gian thực cứng là khi hệ thống hoạt động với yêu cầu thoả mãn
sự ràng buộc trong khung thời gian cứng tức là nếu vi phạm thì sẽ dẫn đến
hoạt động của toàn hệ thống bị sai hoặc bị phá huỷ

Yêu cầu thời gian thực mềm (soft-realtime)
Yêu cầu thời gian thực mềm là khi hệ thống hoạt động với yêu cầu thoả mãn
ràng buộc trong khung thời gian mềm, nếu vi phạm và sai lệch nằm trong
khoảng cho phép thì hệ thống vẫn có thể hoạt động được và chấp nhận được

Chu Đức Việt
Dept. of Automatic Control at HUT

18

9


2/26/2013

Hệ thống thời gian thực
Hệ thống nhúng có đồng nghĩa
với hệ thống thời gian thực ?
Hầu hết các hệ thống nhúng là
hệ thống thời gian thực
Hầu hết các hệ thời gian thực
là hệ nhúng

Chu Đức Việt
Dept. of Automatic Control at HUT

19

Các yêu cầu thiết kế
Mục tiêu thiết kế:
Xây dựng một hệ thống xử lý với các chức năng mong muốn
Thách thức:
Tìm giải pháp tối ưu cho các yêu cầu thiết kế một cách đồng
thời.

Chu Đức Việt
Dept. of Automatic Control at HUT

20

10


2/26/2013

Các yêu cầu thiết kế
Các yêu cầu cơ bản:
Giá thành sản phẩm: giá thành sản xuất một đơn vị sản phẩm, không
tính chi phí nghiên cứu phát triển
Chi phí nghiên cứu phát triển (NRE: Non-Recurring Engineering cost)
Kích thước
Sức mạnh tính toán của bộ vi xử lý
Điện năng tiêu thụ
Tính linh hoạt: Khả năng thay đổi tính năng của thiết bị mà không phải
chi phí nhiều cho việc thiết kế lại sản phẩm khác.

Chu Đức Việt
Dept. of Automatic Control at HUT

21

Các yêu cầu thiết kế
Các yêu cầu cơ bản (tiếp)
Thời gian nghiên cứu phát triển: Thời gian cần thiết để có được
nguyên mẫu thử nghiệm đầu tiên
Thời gian hoàn thành sản phẩm: Thời gian cần thiết để đưa sản phẩm
hoàn thiện ra thị trường.
Khả năng thay đổi, nâng cấp sản phẩm sau khi đã được bán ra thị
trường.
…

Chu Đức Việt
Dept. of Automatic Control at HUT

22

11


2/26/2013

Quy trình thiết kế
7 giai đoạn của quá trình thiết kế:

Chu Đức Việt
Dept. Of Automatic Control

23

Quy trình thiết kế
7 giai đoạn của quá trình thiết kế:
•

Lập mô tả các tính năng yêu cầu đối với sản phẩm

•

Phân chia thiết kế thành các mảng thiết kế phần cứng và phần
mềm

•

Bước đầu thiết kế phần cứng và phần mềm, thực hiện phân
chia lại nhiệm vụ giữa phần cứng và phần mềm nếu cần thiết

•

Thiết kế phần cứng và phần mềm được tiến hành song song

•

Cài đặt phần mềm lên phần cứng và tiến hành các thử nghiệm

•

Thử nghiệm hoàn chỉnh các tính năng của sản phẩm theo yêu
cầu và đưa sản phẩm ra thị trường

•

Tiếp tục phát triển và nâng cấp sản phẩm sau khi đã được đưa
ra thị trường
Chu Đức Việt
Dept. Of Automatic Control

24

12


2/26/2013

Ví dụ: Thiết kế bộ điều khiển máy in
laser

Bộ vi xử lý nhận dữ liệu cần in gửi từ máy tính thông qua cổng truyền
thông song song, RS232, USB hoặc Ethernet và lưu và bộ nhớ đệm
Chuyển đổi dữ liệu cần in thành một chuỗi các tín hiệu điều khiển các bộ
phận phần cứng để thực hiện việc in ấn: nguồn phát laser, gương quay,
trống mực v.v.
Chu Đức Việt
Dept. Of Automatic Control

25

13