8/4/2019 01-Gioi Thieu He Thong Nhung-2011
http://slidepdf.com/reader/full/01-gioi-thieu-he-thong-nhung-2011 1/7
19-Feb-11
1
1
Ging viên: Lê Chí Thông
Son slides: H Trung M
Gii thiu hê thng nhúng
Ging viên
Lê Chí Thông
B môn Đin t; Khoa Đin-Đin tĐi hc Bách Khoa TP.HCM
ĐT: 0902-445-012
Email: [email protected]
Website: sites.google.com/site/thongchile
tinyurl.com/thongchile
3
Ni dung
• Đnh ngh ĩ a v h thng nhúng
• Nhng đc tính chung ca các h thng nhúng
• Các lãnh vc ng dng ca h thng nhúng
• Thit k h thng nhúng
4
Đ nh ngh ĩ a v h th ng nhúng
5
Đ nh ngh ĩ a v h th ng nhúng
(embedded system) Mt s đnh ngh ĩ a v h thng nhúng:
• H thng nhúng là h thng x lý thông tin đưc nhúng vào trongmt sn phm ln hơn và bình thưng ngưi dùng không thy nó mtcách trc tip [1].
• H thng tính toán nhúng (embedded computing system) là h thngtính toán đưc nhúng trong thit b đin t (hu như là các h thng tínhtoán khác máy tính) [2].
• Thông thưng các h thng nhúng là nhng ng dng đơn chc năng[3].
• H thng nhúng là h thng mà chc năng chính ca nó không ch cótính toán mà đưc điu khin bi máy tính đưc nhúng trong nó [4].
• . . .
Trong các đnh ngh ĩ a trên, chúng ta thy đnh ngh ĩ a th nht có th mô
t tng quát v h thng nhúng. Ngày nay các h thng nhúng khp
nơi, chúng xut hin trong nhà, văn phòng, nhà máy, xe hơi, bnh vin,…6
Embedded systems overview• Embedded computing systems
– Computing systems embedded
within electronic devices
– Hard to define. Nearly any
computing system other than a
desktop computer
– Billions of units produced yearly,versus millions of desktop units
– Perhaps 50 per household and perautomobile
Computers are in here...
and here...
and even here...
Lots more of these,
though they cost a lot
less each.
8/4/2019 01-Gioi Thieu He Thong Nhung-2011
http://slidepdf.com/reader/full/01-gioi-thieu-he-thong-nhung-2011 2/7
19-Feb-11
2
7
A “short list” of embedded systems
And the list goes on and on
Anti-lock brakesAuto-focus cameras
Automatic teller machines
Automatic toll systemsAutomatic transmission
Avionic systems
Battery chargers
Camcorders
Cell phones
Cell-phone base stations
Cordless phones
Cruise control
Curbside check-in systemsDigital cameras
Disk drives
Electronic card readers
Electronic instruments
Electronic toys/games
Factory controlFax machines
Fingerprint identifiers
Home security systems
Life-support systems
Medical testing systems
Modems
MPEG decoders
Network cards
Network switches/routers
On-board navigation
Pagers
PhotocopiersPoint-of-sale systems
Portable video games
Printers
Satellite phones
Scanners
Smart ovens/dishwashersSpeech recognizers
Stereo systems
Teleconferencing systems
Televisions
Temperature controllers
Theft tracking systemsTV set-top boxes
VCR’s, DVD players
Video game consoles
Video phones
Washers and dryers
8
Examples of Embedded Systems
• Engine Control• Medical Implants
• Avionics
• Sensor Networks
• Electronic Equipment
9
Examples of Non-Embedded Computing
• General use PC
– Presentations, word processing, etc.
• Mainframe-based accounting
• Generic databases
• Scientific computing• Data mining
10
Differences Between General PurposeComputer Systems and Embedded Systems
• PC’s can be reprogrammed very quickly/easily
• PC’s are more robust
• PC’s have several inputs/outputs which allowusers to interface easily with the device
• PC’s are not designed to be application specific
• PC’s make up less than 1% of themicroprocessor industry
11
Why This Field is Important• Embedded computers are cheap, reliable,
and efficient
• Embedded computing is growing muchfaster than desktop computing
– 1 billion 8051 CPUs/year
– 500 million cell phones/year and growing
12
Nh ng đc tính chung
c a các h th ng nhúng
8/4/2019 01-Gioi Thieu He Thong Nhung-2011
http://slidepdf.com/reader/full/01-gioi-thieu-he-thong-nhung-2011 3/7
19-Feb-11
3
13
Nh ng đc tính chung c a các h th ng nhúng
Các hê thng nhúng có các đc tính chung sau: [1]
• Thưng thi các hê thng nhúng đưc ni vi môi t rưng
vt ly qua các c m bi n đê thu thp thông tin tư môi trưngđo va qua các bô đ i u khi n /tác đng đê điu khin môi
trưng.
• Các hê thng nhúng phi tin c y đư c . “Tin cy đưc” bao
gm đô tin cy, tính bo trì, tính kha dng, an toàn va bomt.
• Các hê thng nhúng phi có hi u su t cao . Đê đánh gia hiu sut, ngưi t a da vào các tiêu chí sau: năng lưng,
kích thưc mã chương trình/tài nguyên sư dng, hiu sutlúc chy tht (run-time efficiency), khi lưng va gia .
• Dành riêng cho ng d ng c thê . Thí d bô xư ly chychương trình điu khin trong xe hơi s luôn luôn chy
chương trình mà không chuyn sang chương trình khác.14
Nhng đc tính chung ca các h thng nhúng (2)
• Hu ht các h thng nhúng không dùng bàn phím, chut hay
màn mình đ giao tip vi ngưi dùng. Thay vào đó, chúng có
các giao tip dành riêng cho ngưi dùng như các nút nhn, bàn
đp,…
• Nhiu h thng nhúng phi tha các ràng buc thi gian thc.
• Nhiu h thng nhúng là nhng h thng hn hp (hybrid systems ) theo ngh ĩ a gm c hai phn analog và s.
• Các h thng nhúng là nhng h thng có phn ng li (reactive systems ). Chúng có th đưc đnh ngh ĩ a như sau: h thng có
phn ng li là h thng mà có tương tác liên tc vi môi trưngca nó và thc thi vi tc đ đưc xác đnh bi môi trưng đó
[Bergé et al., 1995].
Tht ra không phi mi h thng nhúng s có tt c các đc tính trên.
Chúng ta cũng có th đnh ngh ĩ a thut ng “h thng nhúng” theo cách sau:
Nh ng h th ng x lý thông tin th a ph n l n các đc tính trên đư c
g i là nh ng h th ng nhúng .
15
Some common characteristics
of embedded systems• Single-functioned
– Executes a single program, repeatedly
• Tightly-constrained
– Low cost, low power, small, fast, etc.
• Reactive and real-time
– Continually reacts to changes in the system’senvironment
– Must compute certain results in real-time
without delay16
An embedded system example -
- a digital camera
Microcontroller
CCD p re pr oc es sor P ix el c op ro ce ssorA2D
D2A
JPEG codec
DMA controller
Memory controller ISA bus interface UART LCD ctrl
Display ctrl
Multiplier/Accum
Digital camera chip
lens
CCD
• Single-functioned -- always a digital camera
• Tightly-constrained -- Low cost, low power, small, fast
• Reactive and real-time -- only to a small extent
17
Các lãnh v c ng d ng
c a h th ng nhúng
18
Các lãnh v c ng d ng c a h th ng nhúng
Chúng ta có th thy các h thng nhúng trong nhiu lãnh vc:
• Đin t gia dng: máy git, t lnh, máy chp hình s,…
• Đin t ô-tô: h điu khin đng cơ, h điu khin thng, h GPS,…
• Đin t trong máy bay: h thông tin cho phi công, h chng vachm,…
• Đin t y sinh: đo nhit đ, ECG, chn đoán t xa,…
• Xe la: h t lái, h thng,…
• Vin thông: đin thoi di đng, h thng tng đài, điu khin ăng-ten, thit b GPS,…
• Các ngôi nhà thông minh: tit kim năng lưng, điu khin nhit
đ, chiu sáng,…
• . . .
Các h thng nhúng to cơ s cho k nguyên hu PC (post-PC era),
các h thng x lý thông tin chuyn dn t PC sang h thng nhúng
cho các ng dng c th.
8/4/2019 01-Gioi Thieu He Thong Nhung-2011
http://slidepdf.com/reader/full/01-gioi-thieu-he-thong-nhung-2011 4/7
19-Feb-11
4
19
Where Embedded Systems are Used..?
20
Thi t k h th ng nhúng
21
Thi t k h th ng nhúng [3]
• Các h thng nhúng thưng là các ng dng đon chc
năng. Nhiu ràng buc chc năng khác nhau cho h
thng nhúng là giá thành thp, mt đn mt ít thànhphn/linh kin, công sut thp, có đáp ng thi gian
tht, và h tr đng tn ti phn cng và phn mm.
• Phương pháp tng quát đ thit k h thng nhúng
đưc cho trong bng 1.
22
B ng 1. Lung thit k h thng nhúng [5]
23
Vic quyt đnh công ngh nn cho thit k s phn kin trúcph thuc vào mt s ràng buc sau:
• Tc đ cp nht thi gian tht
• Công sut
• Giá
• Gii pháp đơn chip
• D lp trình
• Tính kh chuyn ca mã (Portability of code)
• Các thư vin mã có th tái s dng
• Các công c lp trình
Bng 2 cho thy các đc tính ca các công ngh nn cho thit
k s, mà t đó chúng ta có th chn la đ s dng trong các
thit k ca mình.24
B ng 2 . Các công ngh nn dùng cho thit k s
Vi các thit k h thng nhúng da trên vi điu khin thì ngưi tathưng gi phn mm ca chúng là firmware. Chúng ta có th vit
firmware bng hp ng hoc bng ngôn ng lp trình cao hơn như C/C++ hoc C nhúng (như SystemC,..)....
• Đc thêm Các công ngh h thng nhúng
8/4/2019 01-Gioi Thieu He Thong Nhung-2011
http://slidepdf.com/reader/full/01-gioi-thieu-he-thong-nhung-2011 5/7
19-Feb-11
5
25
Technology Employed inEmbedded Systems
• Processors
– Microprocessors – Micro-controllers
– Digital signal processors (DSP)
– Programmable logic controllers (PLC)
– Softprocessors (FPGA)
• Memory
– PROM
– EPROM
– FLASH
– RAM
• DRAM
• SRAM
• PLD: SPLD, CPLD, and FPGA (SoPC, Softprocessors)26
Technology Employed - Continued
• Operating Systems
– Embedded LINUX
– NT- EMBEDDED (Microsoft’s Embedded OS)
– WINDOWS CE (Consumer Electronics)
– Palm OS
– p-SOS (plug-in Silicon Operating System)
– RTOS created in 1982 for Motorola chips
– Others
• Development Tools
– Assembly
– VHDL, VERILOG - Hardware Description Languages
– C/C++
– JAVA
– UML 2000.(New Language for RTS)[6]
– Others
27
Design challenge – optimizing
design metrics• Obvious design goal:
– Construct an implementation with desiredfunctionality
• Key design challenge:
– Simultaneously optimize numerous design
metrics• Design metric
– A measurable feature of a system’simplementation
– Optimizing design metrics is a key challenge 28
Design challenge – optimizing
design metrics• Common metrics
– 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
29
Design challenge – optimizing
design metrics• Common metrics (continued)
– 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
30
Design metric competition -- improving
one may worsen others• Expertise with both
software and hardwareis needed to optimizedesign metrics
– Not just a hardware orsoftware expert, as iscommon
– A designer must becomfortable with varioustechnologies in order tochoose the best for a givenapplication and constraints
SizePerformance
Power
NRE cost
Microcontroller
CCD p rep ro cessor Pix el cop ro cessorA2D
D2A
JPEG codec
DMA controller
M em or y c on tr ol le r I SA b us i nt er fa ce U AR T L CD c tr l
Display ctrl
Multiplier/Accum
Digital camera chip
lens
CCD
Hardware
Software
8/4/2019 01-Gioi Thieu He Thong Nhung-2011
http://slidepdf.com/reader/full/01-gioi-thieu-he-thong-nhung-2011 6/7
19-Feb-11
6
31
Current Accomplishments
• Current products
– Automotive control• Improved fuel efficiency
– Avionics
• Navigation, collision avoidance
– Medical monitoring systems
– Smart homes
• W ashing machines, clocks, etc.
• Future uses
– Intelligent highways
– Chemical and biological sensors
– Etc.32
Research Challenges
• Designing configurable processors
• Developing new design tools and methodologies
• Efficient software synthesis and re-use
• Physics of miniaturization
• MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems)
– integration of mechanical elements, sensors,actuators, and electronics on a common siliconsubstrate through microfabrication technology
33
Processor Bit Size in NewEmbedded Designs
Data was derived from EETimes and Embedded Systems Design Magazine 2006 Embedded Market Survey
34
32-64 bit Annual Processor Sales
35
Processors Used in New Embedded Designs
Data was derived from EETimes and Embedded Systems Design Magazine 2006 Embedded Market Survey
36
Use of Real-Time OS Kernels
in New Embedded Designs
Data was derived from EETimes and Embedded Systems Design Magazine 2006 Embedded Market Survey
8/4/2019 01-Gioi Thieu He Thong Nhung-2011
http://slidepdf.com/reader/full/01-gioi-thieu-he-thong-nhung-2011 7/7
19-Feb-11
7
37
Commercial Operating SystemsUsed in New Embedded Designs
Data was derived from EETimes and Embedded Systems Design Magazine 2006 Embedded Market Survey
38
Programming Languages Used in NewEmbedded Designs
Data was derived from EETimes and Embedded Systems Design Magazine 2006 Embedded Market Survey
39
Các môn hc cn cho h thng nhúng
1. Thit k h thng nhúng vi MPU
2. Thit k h thng nhúng vi MCU
3. Thit k h thng nhúng vi FPGA/CPLD
4. Thit k h thng nhúng vi DSP
5. Thit k SoC/SoPC
6. H điu hành thi gian thc (RTOS)
7. Lp trình C cho h thng nhúng
8. Lp trình h thng (vit các device driver)9. Thit k h thng nhúng vi PC công nhip
10. Giao tip phn cng
11. Cm bin
40
Lp hc nhanh h thng nhúng
• Phn cng: Kit VXL/VĐK phát trin có sn
• Phn mm: Vit ng dng bng C/C++
• Khi đó ni dung hc ch cn các phn sau:1. Tìm hiu VXL/VĐK
2. Lp trình C cho kit
3. Tìm hiu giao tip kit vi các ngoi vi (TD:LCD, bàn phím,...)
4. Tìm hiu thêm lp trình hp ng nu cn vitmã chy nhanh và ít tn b nh hơn!
41
K t lu n Vi các ng dng phong phú và các yêucu đa dng ca ngưi dùng, các h thng nhúng đã, đang và s gii quytđưc các vn đ đó. Ngưi ta d đoánrng trong tương lai h thng nhúng s xut hin trong hu ht các lãnh vc!
42
Tài li u tham kh o
1. Peter Merwedel, Embedded System Design, SpringerVerlag, 2006.
2. Frank Vahid and Tony Givargis, Embedded SystemDesign: A Unified Hardware/Software Introduction, John
Wiley & Sons, 2002.
3. Rahul Dubey, Introduction to Embedded System Design
Using Field Programmable Gate Arrays, Springer-Verlag, 2009.
4. Wilmshurst, T. , An Introduction to the Design of Small-Scale Embedded Systems, Palgrave, 2001.
5. Wolf W., Computers as Components: Principles ofEmbedded Computer Systems Design, Morgan
Kaufmann, 2005.
Recommended