Thiết kế hệ thống nhúng

THIẾT KẾ
HỆ THỐNG NHÚNG
TS. Phạm Ngọc Nam


© DHBK 2010

About your lecturer
•

Bộ mơn điện tử và kỹ thuật máy tính, ĐHBK Hà nội
 Office: C9-401
 Email:

•

Research:
 FPGA, embedded systems
 Trí tuệ nhân tạo
 Embedded system and Reconfigurable computing Lab: 618 thư
viện điện tử

•

Education:
 K37 điện tử-ĐHBK Hà nội (1997)
 Master về trí tuệ nhân tạo 1999, Đại học K.U. Leuven, vương quốc
Bỉ
 Đề tài: Nhận dạng chữ viết tay

 Tiến sỹ kỹ thuật chuyên ngành điện tử-tin học, 9/ 2004, Đại học

K.U. Leuven, Vương Quốc Bỉ
 Đề tài: quản lý chất lượng dịch vụ trong các ứng dụng đa phương tiện tiên
tiến


© DHBK 2010

Mục đích của mơn học
•

Nắm được quy trình thiết kế hệ thống nhúng, phần cứng, phần
mềm hệ thống nhúng

•

Nắm được cơng nghệ IC khả trình PLD và quy trình thiết kế hệ
thống số với PLD

•

Có khả năng thiết kế hệ nhúng trên FPGA sử dụng công cụ thiết
kế của Xilinx và Altera


© DHBK 2010

•

Tài liệu tham khảo:
 Slides

 E-books
 VHDL programming by Example 4th edition by Douglas L. Perry

 Website
 www.xilinx.com
 www.Altera.com

 Course email: password: hut123456

•

Đánh giá





Điều kiện dự thi: hoàn thành bài tập lớn và lên lớp đầy đủ
Kiểm tra giữa kỳ (30%)
Bài tập lớn (30 %) (làm theo nhóm 4-5 sinh viên)
Thi cuối kỳ (40 %)


© DHBK 2010

Acknowledgement
• 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

© DHBK 2010

PHẦN 1:
GiỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG NHÚNG


© DHBK 2010

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


© DHBK 2010

1. Giới thiệu về hệ thống nhúng
•
•
•
•
•
•
•

Định nghĩa
Các loại hệ thống nhúng
Các thành phần của hệ thống nhúng
Các đặc điểm của hệ thống nhúng
Yêu cầu thiết kế
Quy trình phát triển hệ nhúng
Xu hướng phát triển


© DHBK 2010

1. Giới thiệu về hệ thống nhúng
•
•
•
•
•
•
•

Định nghĩa
Các loại hệ thống nhúng
Các thành phần của hệ thống nhúng
Các đặc điểm của hệ thống nhúng
Yêu cầu thiết kế
Quy trình phát triển hệ nhúng
Xu hướng phát triển


© DHBK 2010

Định nghĩa


© DHBK 2010

Định nghĩa
• Vậy hệ thống nhúng là gì?
 Hệ thống bất kỳ sử dụng vi xử lý mà khơng phải là máy tính đa năng và
được nhúng vào một hệ thống lớn hơn

Hệ thống nhúng đầu tiên: Máy tính dẫn đường cho Apollo


© DHBK 2010

Ví dụ: BMW 745i

•
•
•
•
•
•

*Intelligent
2, 000, 000 LOC Transportation
*Cabin Air *Lighting
System
Quality

(ITS)       
Windows CE OS
*Safety
Systems
53 8-bit µP
*Engine
Performance
11 32-bit µP
and Emission
Control
7 16-bit µP
(Traction
Control)
*
Suspensio
*Digital Car
*Steering Controls
Multiple Networks
n and
*
Entertainmen
*Gear
Braking
Control

Box

t

Radio

© DHBK 2010

1. Giới thiệu về hệ thống nhúng
•
•
•
•
•
•
•

Định nghĩa
Các loại hệ thống nhúng
Các thành phần của hệ thống nhúng
Các đặc điểm của hệ thống nhúng
Yêu cầu thiết kế
Quy trình phát triển hệ nhúng
Xu hướng phát triển


© DHBK 2010

Các lọai hệ thống nhúng
• Các hệ thống xử lý 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


© DHBK 2010

1. Giới thiệu về hệ thống nhúng
•
•
•
•
•
•
•

Định nghĩa
Các loại hệ thống nhúng
Các thành phần của hệ thống nhúng
Các đặc điểm của hệ thống nhúng
Yêu cầu thiết kế
Quy trình phát triển hệ nhúng
Xu hướng phát triển


© DHBK 2010

Các thành phần của hệ thống nhúng
Memory

Controllers

Interface

Software
(Application Programs)

Coprocessors

Processor

ASIC
Converters

Analog

Digital

Analog


© DHBK 2010

Các thành phần của hệ thống nhúng
•

Các phần tử tương tự

 Sensors, Actuators, …

•

Các phần tử số
 Bộ vi xử lý, Bộ đồng xử lý, Bộ nhớ, Buses
 Khối điều khiển, IC chuyên dụng (ASIC)

•

Phần tử chuyển đổi
 ADC, DAC

•

Phần mềm
 Hệ điều hành
 Middleware
 Các chương trình ứng dụng (MPEG-x, GSM-kernel, …)


© DHBK 2010

1. Giới thiệu về hệ thống nhúng
•
•
•
•
•
•

•

Định nghĩa
Các loại hệ thống nhúng
Các thành phần của hệ thống nhúng
Các đặc điểm của hệ thống nhúng
Yêu cầu thiết kế
Quy trình phát triển hệ nhúng
Xu hướng phát triển


© DHBK 2010

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.

•

Xử lý tín hiệu số
 Tín hiệu được biểu diễn và xử lý số

•

Có tính đáp ứng
 Đáp ứng với những thay đổi của môi trường xung quanh

•

Thời gian thực
 Các cơng việc phải được xử lý và hồn thành trước một thời gian
định trước

•

Tính phân tán, kết nối mạng, …


© DHBK 2010

1. Giới thiệu về hệ thống nhúng
•
•
•
•
•
•
•

Định nghĩa
Các loại hệ thống nhúng
Các thành phần của hệ thống nhúng
Các đặc điểm của hệ thống nhúng
Yêu cầu thiết kế
Quy trình phát triển hệ nhúng
Xu hướng phát triển

© DHBK 2010

u cầu thiết kế
• Các thơng số cơ bản
 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

 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


© DHBK 2010

u cầu thiết kế
• Các thơng 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


© DHBK 2010

Yêu cầu thiết kế
Time-to-Market
• 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

Revenues ($)
Time (months)

• Average time-to-market
constraint is about 8 months
• Delays can be costly


Yêu cầu thiết kế
Thiệt hại khi đưa ra thị trường chm

â DHBK 2010

ã Simplified revenue model
Revenues ($)

Peak revenue
Peak revenue from
delayed entry
On-time
Market fall

Market rise

 Product life = 2W, peak at W
 Time of market entry defines a
triangle, representing market
penetration
 Triangle area equals revenue

Delayed

• Loss
D

On-time
entry

Delayed
entry

W

2W
Time

 The difference between the ontime and delayed triangle areas
(shaded region)


Yêu cầu thiết kế
Thiệt hại khi đưa ra thị trường chm

â DHBK 2010

ã Area = 1/2 * base * height
ã

Delayed = 1/2 * (W-D+W)*(W-D)

Revenues ($)

Peak revenue
Peak revenue from
delayed entry
On-time
Market fall

Market rise

On-time = 1/2 * 2W * W

• Percentage revenue loss =
(D(3W-D)/2W2)*100%
• Try some examples

Delayed

D

On-time
entry

Delayed
entry

W

1.

Lifetime 2W=52 wks, delay D=4 wks Loss =
(4*(3*26 –4)/2*262) = 22%

2.

Lifetime 2W=52 wks, delay D=10 wks
Loss = (10*(3*26 –10)/2*262) = 50%

2W
Time

 Delays are costly!