Giáo trình Hệ thống nhúng - Trường Đại học Hàng Hải

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƢỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI

BỘ MÔN: KỸ THUẬT MÁY TÍNH

KHOA: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

BÀI GIẢNG

HỆ THỐNG NHÚNG

TÊN HỌC PHẦN

MÃ HỌC PHẦN

: HỆ THỐNG NHÚNG

: 17312

TRÌNH ĐỘ ĐÀO TẠO

: ĐẠI HỌC CHÍNH QUY

DÙNG CHO SV NGÀNH : CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

HẢI PHÒNG - 2010

MỤC LỤC

CH ƢƠ NG 1 - T Ổ NG QUAN ............................................................................... 6

1.1 T ổ ng quan.................................................................................................... 6

1.1.1 H ệ th ố ng nhún g .................................................................................... 6

1.1.2 H ệ th ố ng th ờ i gian th ự c........................................................................ 6

1.1.3 Lĩnh vự c ứ ng d ụ ng c ủ a h ệ th ố ng nhúng .............................................. 7

1.2 Ki ế n trúc h ệ th ố ng nhún g ............................................................................ 7

1.3 Thi ế t k ế h ệ th ố ng nhúng............................................................................ 10

1.4 Mô hình h ệ th ố ng nhúng ........................................................................... 12

Ch ƣơ ng 2 - H Ệ TH Ố NG PH Ầ N C Ứ NG............................................................. 13

2.1 T ổ ng quan.................................................................................................. 13

2.1.1 B ộ nh ớ ................................................................................................ 13

2.1.2 Các thành ph ầ n k ế t n ố i ....................................................................... 13

2.2 H ệ vi x ử lý................................................................................................. 14

2.2.1 T ổ ng quan........................................................................................... 14

2.2.2 Ki ế n trúc vi x ử lý ............................................................................... 16

2.2.3 S ự th ự c thi .......................................................................................... 17

2.3 B ộ nh ớ ....................................................................................................... 24

2.3.1 T ổ ng quan........................................................................................... 24

2.3.2 B ộ nh ớ RO M ...................................................................................... 25

2.3.3 B ộ nh ớ RA M ...................................................................................... 26

2.3.4 Qu ả n lý b ộ nh ớ ................................................................................... 27

2.4 Thi ế t b ị ngo ạ i vi ........................................................................................ 28

2.4.1 T ổ ng quan........................................................................................... 28

2.4.2 Vào ra n ố i ti ế p .................................................................................... 30

2.4.3 Vào ra song son g ................................................................................ 31

2.5 Bus............................................................................................................. 33

2.5.1 Bus đị a ch ỉ .......................................................................................... 33

2.5.2 Bus d ữ li ệ u ......................................................................................... 33

2.5.3 Bus điề u khi ể n.................................................................................... 34

Ch ƣơ ng 3 – PH Ầ N M Ề M NHÚN G .................................................................... 35

3.1 T ổ ng quan.................................................................................................. 35

3.2 Trình điề u khi ể n thi ế t b ị ............................................................................ 35

3.2.1 T ổ ng quan........................................................................................... 35

3.2.2 Ng ắ t .................................................................................................... 36

3.2.3 B ộ nh ớ ................................................................................................ 37

3.2.4 Bus...................................................................................................... 38

- 1 -

3.3 H ệ điề u hành trong các h ệ th ố ng nhúng.................................................... 38

3.3.1 T ổ ng quan........................................................................................... 38

3.3.2 Ti ế n trìn h ............................................................................................ 40

3.3.3 Qu ả n lý ti ế n trình ............................................................................... 40

3.3.4 Qu ả n lý b ộ nh ớ ................................................................................... 42

3.4 Ph ầ n m ề m ứ ng d ụ ng.................................................................................. 45

3.4.1 Middleware......................................................................................... 45

3.4.2 Applicatio n ......................................................................................... 46

Ch ƣơ ng 4 – THI Ế T K Ế H Ệ TH Ố NG NHÚNG THEO CÁC H Ọ VI X Ử LÝ.... 47

4.1 T ổ ng quan.................................................................................................. 47

4.2 H ọ vi x ử lý AT89C.................................................................................... 48

4.2.1 T ổ ng quan........................................................................................... 48

4.2.2 Ki ế n trúc h ọ vi x ử lý AV R ................................................................. 49

4.2.3 T ậ p l ệ nh.............................................................................................. 50

4.2.4 S ự th ự c thi .......................................................................................... 52

4.2.5 Thi ế t k ế ứ ng d ụ ng .............................................................................. 54

4.3 H ọ vi x ử lý AV R ....................................................................................... 57

4.3.1 T ổ ng quan........................................................................................... 57

4.3.2 Ki ế n trúc h ọ ........................................................................................ 58

4.3.3 T ậ p l ệ nh c ủ a AVR.............................................................................. 59

4.3.4 S ự th ự c thi .......................................................................................... 59

4.3.5 Thi ế t k ế ứ ng d ụ ng .............................................................................. 61

4.4 H ọ vi x ử lý ARM ...................................................................................... 64

4.4.1 T ổ ng quan........................................................................................... 64

4.4.2 Ki ế n trúc h ọ ........................................................................................ 64

4.4.3 T ậ p l ệ nh.............................................................................................. 65

4.4.4 S ự th ự c thi .......................................................................................... 65

4.4.5 Thi ế t k ế ứ ng d ụ ng .............................................................................. 66

- 2 -

YÊU CẦU VÀ NỘI DUNG CHI TIẾT

Tên học phần: Hệ thống nhúng

Loại học phần: 3

Khoa phụ trách: CNTT

Tổng số TC: 3

Bộ môn phụ trách giảng dạy: Kỹ thuật máy tính

Mã học phần: 17312

TS tiết Lý thuyết Thực hành/Xemina Tự học Bài tập lớn

Đồ án môn học

45

0

x

0

Điều kiện tiên quyết:

Sinh viên phải học xong các học phần sau mới đƣợc đăng ký học phần này:

Kiến trúc máy tính, Điện tử số, Mạch và tín hiệu, Kỹ thuật Vi xử lí, Nguyên lý hệ điều

hành,..

Mục tiêu của học phần:

Cung cấp các kiến thức cơ bản về về các kiến trúc và mô hình của hệ thống nhúng

Áp dụng xây dựng các hệ thống nhúng cơ bản dựa trên các thiết bị, các họ vi xử lý

thông dụng

Nội dung chủ yếu

Chƣơng 1: Tổng quan

Chƣơng 2: Hệ thống phần cứng

Chƣơng 3: Phần mềm nhúng

Chƣơng 4: Thiết kế hệ thống nhúng theo các họ Vi xử lí

Nội dung chi tiết:

PHÂN PHỐI SỐ TIẾT

TÊN CHƢƠNG MỤC

Chƣơng 1: Tổng quan

TS

8

LT

8

BT

TH KT

1.1. Tổng quan

1

1.2. Kiến trúc hệ thống nhúng

1.3. Thiết kế hệ thống nhúng

1.4. Các mô hình hệ thống nhúng

1.5. Các chuẩn

2

1

Chƣơng 2: Hệ thống phần cứng

2.1. Tổng quan

10

9

1

2.2. Hệ Vi xử lí

3

2.2.1. Tổng quan

2.2.2. Kiến trúc vi xử lí trong các hệ thống nhúng

2.2.3. Sự thực thi

2.3. Bộ nhớ

2

2.3.1. Tổng quan

2.3.2. Bộ nhớ ROM

2.3.3. Bộ nhớ RAM

2.3.4. Quản lí bộ nhớ

- 3 -

PHÂN PHỐI SỐ TIẾT

TÊN CHƢƠNG MỤC

TS

LT

BT

TH KT

2.4. Thiết bị ngoại vi

2.4.1. Tổng quan

2

2.4.2. Vào ra nối tiếp

2.4.3. Vào ra song song

2.5. BUS

1

8

1

2

1

Chƣơng 3: Phần mềm nhúng

3.1. Tổng quan

9

1

3.2. Trình điều khiển thiết bị

3.2.1. Tổng quan

3.2.2. Ngắt

3.2.3. Bộ nhớ

3.2.4. BUS

3.3. Hệ điều hành trong các hệ thống nhúng

3.3.1. Tổng quan

4

3.3.2. Tiến trình

3.3.3. Quản lí tiến trình

3.3.4. Quản lí bộ nhớ

3.3.5. Quản lí thiết bị ngoại vi

3.4. Phần mềm ứng dụng

Chƣơng 4: Thiết kế hệ thống nhúng theo các họ VXL

4.1. Tổng quan

2

16

1

16

BTL

4.2. Họ vi xử lí AT89C

4.2.1. Tổng quan

5

4.2.2. Kiến trúc họ

4.2.3. Tập lệnh

4.2.4. Sự thực thi

4.2.5. Thiết kế ứng dụng

4.3. Họ vi xử lí AVR

4.3.1. Tổng quan

5

4.3.2. Kiến trúc họ vi xử lý AVR

4.3.3. Tập lệnh

4.3.4. Sự thực thi

4.3.5. Thiết kế ứng dụng

4.4. Họ vi xử lí ARM

4.4.1. Tổng quan

1

4.4.2. Kiến trúc họ

4.4.3. Tập lệnh

4.4.4. Sự thực thi

4.4.5. Thiết kế ứng dụng

- 4 -

Nhiệm vụ của sinh viên :

Tham dự các buổi thuyết trình của giáo viên, tự học, tự làm bài tập do giáo viên giao,

tham dự các bài kiểm tra định kỳ và cuối kỳ, hoàn thành bài tập lớn theo yêu cầu.

Tài liệu học tập :

- Al.M.Zied , Embedded System Architecture, NXB Elsevier

- John Catsoulis, Designing Embedded Hardware, NXB O'Reilly

- Ken Arnold, Embedded Controller Hardware Design, NXB LLH Technology

- Dhananjay V.Gadre, Programming And Customizing The AVR Microcontroller,

NXB Mc.Graw Hill

- Steve Furber, ARM System On Chip Architecture, NXB Dorling Kindersley

Hình thức và tiêu chuẩn đánh giá sinh viên:

- Đánh giá dựa trên tình hình tham dự buổi học trên lớp, các buổi thực hành, điểm kiểm

tra thƣờng xuyên và điểm kết thúc học phần.

- Hình thức thi cuối kỳ : thi viểt + kiểm tra vấn đáp BTL

Thang điểm: Thang điểm chữ A, B, C, D, F

Điểm đánh giá học phần Z = 0.3X + 0.7Y.

Bài giảng này là tài liệu chính thức và thống nhất của Bộ môn Kỹ thuật máy tính, Khoa

Công nghệ Thông tin và đƣợc dùng để giảng dạy cho sinh viên.

Ngày phê duyệt: 15 / 6 / 2010

Trƣởng Bộ môn: ThS. Ngô Quốc Vinh

- 5 -

CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan

Hệ điều khiển nhúng là một môn học mới nhằm cung cấp kiến thức cho sinh viên về

khả năng phân tích và thiết kế hệ thống điều khiển và thông minh hoá hệ thống theo chức

năng theo giải pháp công nghệ. Thiết kế thực thi điều khiển trên nền phần cứng nhúng.

Kỷ nguyên công nghệ mới đã và đang tiếp tục phát triển không ngừng nhằm thông

minh hoá hiện đại hoá thông suốt các hệ thống. Có thể nói đánh dấu sự ra đời và phát triển

của hệ nhúng trƣớc tiên phải kể đến sự ra đời của các bộ vi xử lý, vi điều khiển. Nó đƣợc đánh

dấu bởi sự ra đời của Chip vi xử lý đầu tiên 4004 vào năm 1971 cho mục đích tính toán

thƣơng mại bởi một công ty Nhật bản Busicom và sau đó đã đƣợc chắp cánh và phát triển

vƣợt bậc bởi Intel để trở thành các bộ siêu xử lý nhƣ các Chip đƣợc ứng dụng cho PC nhƣ

ngày nay. Thập kỷ 80 có thể đƣợc coi là khởi điểm bắt đầu kỷ nguyên của sự bùng nổ về phát

triển các hệ nhúng. Từ đó khởi nguồn cho làn sóng ra đời của hàng loạt các chủng loại vi xử

lý và gắn liền là các hệ nhúng để thâm nhập rộng khắp trong các ứng dụng hàng ngày của

cuộc sống chúng ta ví dụ nhƣ, các thiết bị điện tử sử dụng cho sinh hoạt hàng ngày (lò vi

sóng, TV, tủ lạnh, máy giặt, điều hoà ...) và văn phòng làm việc (máy fax, máy in, máy điện

thoại...)... Các bộ vi xử lý và phần mềm cũng ngày càng đƣợc sử dụng rộng rãi trong rất nhiều

các hệ thống nhỏ. Các loại vi xử lý đƣợc sử dụng trong các hệ thống nhúng hiện nay đã vƣợt

xa so với PC về số lƣợng chủng loại (chiếm đến 79% số các vi xử lý đang tồn tại [2] ) và vẫn

còn tiếp tục phát triển để nhằm đáp ứng và thoả mãn rất nhiều ứng dụng đa dạng. Trong số đó

vẫn còn ứng dụng cả các Chip vi xử lý 8 bit, 16 bit và hiện nay chủ yếu vẫn là 32 bit (chiếm

khoảng 75%). Gắn liền với sự phát triển phần cứng, phần mềm cũng đã phát triển với tốc độ

nhanh không thua kém thậm chí sẽ tăng nhanh hơn rất nhiều theo sự phát triển hệ nhúng. Ta

xem xét một số khái niệm sau.

1.1.1 Hệ thống nhúng

Vậy thế nào là một hệ nhúng? Trong thế giới thực của chúng ta bất kỳ một thiết bị hay

hệ thống điện/điện tử có khả năng xử lý thông tin và điều khiển đều có thể tiềm ẩn trong đó

một thiết bị hay hệ nhúng, ví dụ nhƣ các thiết bị truyền thông, thiết bị đo lƣờng điều khiển,

các thiết bị phục vụ sinh hoạt hàng ngày nhƣ lò vi sóng, máy giặt, camera…Rất dễ dàng để có

thể kể ra hàng loạt các thiết bị hay hệ thống nhƣ vậy đang tồn tại quanh ta, chúng là hệ nhúng.

Vậy hệ nhúng thực chất là gì và nên hiểu thế nào về hệ nhúng? Hiện nay cũng chƣa có một

định nghĩa nào thực sự thoả đáng để đƣợc chuẩn hoá và thừa nhận rộng rãi cho hệ nhúng mà

vẫn chỉ là những khái niệm diễn tả về chúng thông qua những đặc thù chung. Tuy nhiên ở đây

chúng ta có thể hiểu hệ nhúng là một phần hệ thống xử lý thông tin nhúng trong các hệ thống

lớn, phức hợp và độc lập ví dụ nhƣ trong ôtô, các thiết bị đo lƣờng, điều khiển, truyền thông

và thiết bị thông minh nói chung. Chúng là những tổ hợp của phần cứng và phần mềm để thực

hiện một hoặc một nhóm chức năng chuyên biệt, cụ thể (Trái ngƣợc với máy tính PC mà

chúng ta thƣờng thấy đƣợc sử dụng không phải cho một chức năng mà là rất nhiều chức năng

hay phục vụ chung cho nhiều mục đích). PC thực chất lại là một hệ thống lớn, tổ hợp của

nhiều hệ thống nhúng ví dụ nhƣ card màn hình, âm thanh, modem, ổ cứng, bàn phím…Chính

điều này làm chúng ta dễ lúng túng nếu đƣợc hỏi nên hiểu thế nào về PC, có phải là hệ nhúng

hay không.

1.1.2 Hệ thống thời gian thực

Trong các bài toán điều khiển và ứng dụng chúng ta rất hay gặp thuật ngữ “thời gian

thực”. Thời gian thực có phải là thời gian phản ánh về độ trung thực của thời gian hay không?

Thời gian thực có phải là hiển thị chính xác và đồng bộ theo đúng nhƣ nhịp đồng hồ đếm thời

gian hay không? Không phải hoàn toàn nhƣ vậy! Thực chất, theo cách hiểu nếu nói trong các

hệ thống kỹ thuật đặc biệt các hệ thống yêu cầu khắt khe về sự ràng buộc thời gian, thời gian

- 6 -

thực đƣợc hiểu là yêu cầu của hệ thống phải đảm bảo thoả mãn về tính tiền định trong hoạt

động của hệ thống. Tính tiền định nói lên hành vi của hệ thống thực hiện đúng trong một

khung thời gian cho trƣớc hoàn toàn xác định. Khung thời gian này đƣợc 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. Ở đây chúng ta phân biệt yếu tố thời gian gắn liền với khái niệm về thời gian thực.

Không phải hệ thống thực hiện rất nhanh là sẽ đảm bảo đƣợc tính thời gian thực vì nhanh hay

chậm hoàn toàn là phép so sánh có tính tƣơng đối vì mili giây có thể là nhanh với hệ thống

điều khiển nhiệt nhƣng lại là chậm đối với các đối tƣợng điều khiển điện nhƣ dòng, áp….

Hơn thế nữa nếu chỉ nhanh không thì chƣa đủ mà phải đảm bảo duy trì ổn định bằng một cơ

chế hoạt động tin cậy. Chính vì vậy hệ thống không kiểm soát đƣợc hoạt động của nó (bất

định) thì không thể là một hệ thống đảm bảo tính thời gian thực mặc dù hệ thống đó có thể

cho đáp ứng rất nhanh, thậm chí nhanh hơn rất nhiều so với yêu cầu đặt ra. Một ví dụ minh

hoạ tiêu biểu đó là cơ chế truyền thông dữ liệu qua đƣờng truyền chuẩn Ethernet truyền thống,

mặc dù ai cũng biết tốc độ truyền là rất nhanh nhƣng vẫn không phải hệ hoạt động thời gian

thực vì không thoả mãn tính tiền định trong cơ chế truyền dữ liệu (có thể là rất nhanh và cũng

có thể là rất chậm nếu có sự canh trạnh và giao thông đƣờng truyền bị nghẽn).

Ngƣời ta phân ra làm hai loại đối với khái niệm thời gian thực là cứng (hard real time)

và mềm (soft real time). 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. Ví dụ về hoạt động điều khiển cho một lò phản ứng hạt nhân,

nếu chậm ra quyết định có thể dẫn đến thảm hoạ gây ra do phản ứng phân hạch và dẫn đến

bùng nổ cả hệ thống. 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 đƣợc và chấp nhận đƣợc. Ví dụ nhƣ hệ thống phát thanh truyền

hình, nếu thông tin truyền đi từ trạm phát tới ngƣời nghe/nhìn chậm một vài giây thì cũng

không ảnh hƣởng đáng kể đến tính thời sự của tin đƣợc truyền đi và hoàn toàn đƣợc chấp

nhận bởi ngƣời theo dõi. Thực tế thấy rằng hầu hết hệ nhúng là các hệ thời gian thực và hầu

hết các hệ thời gian thực là hệ nhúng. Điều này phản ánh mối quan hệ mật thiết giữa hệ nhúng

và thời gian thực và tính thời gian thực đã trở thành nhƣ một thuộc tính tiêu biểu của hệ

nhúng. Vì vậy hiện nay khi đề cập tới các hệ nhúng ngƣời ta đều nói tới đặc tính cơ bản của

nó là tính thời gian thực.

1.1.3 Lĩnh vực ứng dụng của hệ thống nhúng

Chúng ta có thể kể ra đƣợc rất nhiều các ứng dụng của hệ thống nhúng đang đƣợc sử

dụng hiện nay, và xu thể sẽ còn tiếp tục tăng nhanh. Một số các lĩnh vực và sản phẩm thị

trƣờng rộng lớn của các hệ nhúng có thể đƣợc nhóm nhƣ sau:

. Các thiết bị điều khiển

. Ôtô, tàu điện

. Truyền thông

. Thiết bị y tế

. Hệ thống đo lƣờng thẩm định

. Toà nhà thông minh

. Thiết bị trong các dây truyền sản xuất

. Rôbốt

. ...

1.2 Kiến trúc hệ thống nhúng

Kiến trúc của một hệ thống nhúng thể hiện ở mức độ trong suốt của các thiết bị nhúng,

đó là các hệ thống nhúng thông thƣờng sẽ không thể hiện các thông tin cài đặt cụ thể nhƣ mã

nguồn hoặc các chi tiết về mạch điện. Tại mỗi mức của kiến trúc, các thành phần phần cứng

- 7 -

và phần mềm sẽ thể hiện một số những elements, là những đơn vị tƣơng tác với những thành

phần khác. Elements là các thể hiện của phần cứng và phần mềm mà những thông tin cài đặt

cụ thể đƣợc ẩn đi, elements chỉ cho ta biết những thông tin về hành vi của chúng. Ta có

internal và external elemént, internal element liên kết với các thiết bị nhúng còn external

elemements liên kết với các internal elements. Tóm lại, kiến trúc của một hệ thống nhúng bao

gồm các thành phần của hệ thống đó. Các elements liên kết với hệ thống, thuộc tính của từng

thành phần elements cụ thể và mối quan hệ giữa các elements.

Thông tin về các mức của kiến trúc hệ thống nhúng đƣợc biểu diễn dƣới dạng các cấu

trúc. Một cấu trúc có thể biểu diễn một phần kiến trúc, đồng thời bao gồm tập hợp các thành

phần, thuộc tính và các mối liên hệ giữa các thành phần. Mỗi cấu trúc do đó là một snapshot

của hệ thống phần cứng/phần mềm tại thời điểm thiết kế hoặc thực thi. Cho trƣớc một môi

trƣờng thực thi và một tập hợp các thành phần. Do rất khó để có thể dùng một snapshot mô tả

tất cả những độ phức tạp của cả hệ thống, thông tin về kiến trúc thƣờng đƣợc tạo ra từ nhiều

cấu trúc. Tất cả mọi cấu trúc trong một kiến trúc đều đƣợc kế thừa và liên quan đến các cấu

trúc khác. Bảng sau mô tả một số các cấu trúc cơ bản nhất và đƣa ra giải thích về sự liên quan

giữa những thành phần này.

- 8 -

Module

SubSystem

Decomposition

Class

Component

and Connector

Client/Server

Process

Concurrent and

Resource

Interrupt

Scheduling

Memory

Safety and

Reliability

Alocation

Work Assignment

Implementation

Deployment

Hình 1.1 Các kiến trúc cơ bản của hệ thống nhúng

Trong đó:

. Module: là những thành phần đƣợc định nghĩa với những chức năng khác nhau,

là những đơn vị phần mềm/phần cứng cần thiết để hệ thống có thể hoạt động

đúng. Cấu trúc mô tả với những module này thƣờng đƣợc sử dụng để giới thiệu

một sản phẩm nào đó.

. SubSystem: biểu diễn hình ảnh của một module tại thời điểm thực thi trong đó

có sự liên kết hoạt động giữa các module với nhau

- 9 -

. Layers: một kiểu của SubSystem trong đó các module đƣợc biểu diễn dƣới dạng

các lớp, module ở lớp trên sẽ sử dụng các dịch vụ đƣợc cung cấp bởi module ở

lớp dƣới.

. Kernel: cấu trúc biểu diễn các module có sử dụng các dịch vụ của kernel hoặc

đƣợc quản lý bởi kernel.

. Channel Architecture: cấu trúc biểu diễn các module dạng chuỗi, mô tả những

sự thay đổi trạng thái của module trong quá trình hoạt động.

. Virtual Machine: cấu trúc biểu diễn các module sử dụng các dịch vụ của một

máy ảo.

. Decomposition: một kiểu cấu trúc module trong đó một số module là các

module con của module khác, thể hiện trong các mối quan hệ giữa những

module này. Cấu trúc này thƣờng đƣợc sử dụng để xác định các tài nguyên, quản

lý dự án, quản lý dữ liệu ...

. Class: là một kiểu cấu trúc biểu diễn các đơn vị phần mềm trong đó các module

đƣợc tham chiếu là các lớp, và quan hệ giữa chúng đƣợc định nghĩa dựa theo mô

hình hƣớng đối tƣợng trong đó lớp này kế thừa từ lớp khác hoặc là một thể hiện

của lớp cha.

. Component or Connector: các cấu trúc này bao gồm các thành phần hoặc là các

components ví dụ nhƣ các đơn vị xử lý phần cứng, phần mềm, bộ xử lý, máy

ảo... hoặc các Connector (các đơn vị kết nối giữa các thành phần, nhƣ hệ thống

bus phần cứng hoặc hệ thống thông điệp phần mềm)

. Client/Server: kiểu cấu trúc mô tả hệ thống tại thời điểm thực thi với các thành

phần là clients hoặc server và các connector là các cơ chế kết nối (nhƣ giao thức,

thông điệp, gói tin ...) đƣợc sử dụng để liên kết giữa clients và server.

. Process: cấu trúc này mô tả phần mềm của hệ thống trong đó chứa hệ điều hành,

các thành phần khác nhƣ các process và các tiến trình và các liên kết của chúng.

. Concurrency and Resource: cấu trúc này mô tả một snapshot của hệ thống bao

gồm OS, và các thành phần trong đó. Cấu trúc này đƣợc sử dụng trong việc quản

lý tài nguyên và để xác định xem có vấn đề gì với việc chia sẻ các tài nguyên

cũng nhƣ các tiến trình có thể thực thi song song hay không.

. Interrupt: cấu trúc mô tả các cơ chế xử lý ngắt trong hệ thống.

. Scheduling: cấu trúc mô tả cơ chế lập lịch và quản lý tiến trình trong hệ thống.

. Memory: mô tả hình ảnh của bộ nhớ và các thành phần dữ liệu trong bộ nhớ

cũng nhƣ mô tả các cơ chế quản lý bộ nhớ của hệ thống.

. Safety and Reliability: cấu trúc mô tả hệ thống tại thời điểm thực thi trong đó

biểu diễn những thành phần dƣ thừa và những mối liên hệ của chúng để đánh

giá độ an toàn và tin cậy của cả hệ thống.

. Allocation: cấu trúc mô tả mối liên hệ giữa các thành phần phần cứng/phần mềm

và các thực thể của môi trƣờng bên ngoài.

. Work Assignment: cấu trúc này gán cho các nhóm phát triển những công việc

(các module) cần thực hiện. Nó đƣợc sử dụng trong việc quản lý dự án.

. Implementation: đây là cấu trúc phần mềm chỉ ra vị trí mà phần mềm đó trong

hệ thống file.

. Deployment: cấu trúc này mô tả hệ thống tại thời điểm thực thi với các thành

phần của cả phần cứng và phần mềm và mối liên hệ giữa chúng.

1.3 Thiết kế hệ thống nhúng

Ta có thể sử dụng một số mô hình sau để mô tả chu ký thiết kế các hệ thống nhúng.

Một số mô hình là cơ sở, các mô hình khác đƣợc hình thành dựa trên các mô hình cơ sở này.

- 10 -

. Mô hình big-bang: trong mô hình thiết kế này, ta không có khái niệm về kế

hoạch hay quá trình trong cả quá trình phát triển hệ thống.

. Mô hình code-and-fix: đầu tiên các yêu cầu về sản phẩm đƣợc làm rõ, sau đó

việc thực hiện mã lệnh đƣợc tiến hành dựa trên các mô tả yêu cầu này, tiếp theo

mã lệnh đƣợc thực thi và nếu có lỗi thì lại trở về bƣớc trƣớc đó, nghĩa là thực

hiện lại mã lệnh.

. Mô hình waterfall: Quá trình phát triển sản phẩm đƣợc chia thành từng bƣớc, kết

quả của bƣớc trƣớc sẽ là dữ liệu của bƣớc sau.

. Mô hình Spiral: cũng dựa trên việc phân chia thành từng bƣớc nhƣ waterfall, tuy

nhiên trong mỗi một quá trình, các phản hồi của ngƣời dùng hoặc ngƣời phát

triển khác đƣợc tiếp thu và đƣợc tích hợp lại vào trong quá trình phát triển tiếp

theo.

Ta xét mô hình Embedded Design and Development Lifecycle Model sau:

Product

Concept

Requirement

Analysis

Architecture

Design

Develope Version

n of Architecture

Incorporate

Feedback

Delivery Version n

of Architecture

Revirew and

Obtain feedback

Delivery Final Version

n of Architecture

Incorporate

Feedback

Develope

Implementation

Review and Test

Delivery and Maintain

the System

Hình 1.2 Mô hình Embedded Design and Development Lifecycle

- 11 -

Mô hình này dựa trên sự kết hợp giữa waterfall và Spiral, ta sẽ xét chi tiết mô hình trong

những phần sau

1.4 Mô hình hệ thống nhúng

Hình 1.3 Mô hình hệ thống nhúng

Hình trên chỉ ra rằng tất cả các hệ thống nhúng đều có chung một thành phần giống

nhau ở tầng cao nhất, đó là chúng đều có ít nhất một lớp (phần cứng) hoặc nhiều lớp (phần

cứng, phần mềm và ứng dụng) trong đó chứa tất cả các components. Phần cứng bao gồm tất

cả những thành phần vật lý có trên mạch nhúng, phần mềm và các ứng dụng bao gồm tất cả

những thành phần logic có trong hệ thống nhúng.

Mô hình tham chiếu trên là cách biểu diễn phân lớp của kiến trúc các hệ thống nhúng

từ đó các cấu trúc module có thể đƣợc suy ra. Nếu bỏ qua những sự khác nhau giữa các thiết

bị trong bảng trên, có thể nói rằng kiến trúc của mọi hệ thống đƣợc biểu diễn thông qua việc

thể hiện và nhóm các thành phần đƣợc gọi là các lớp. Ta cũng chú ý là lớp không chỉ là khái

niệm đặc thù của riêng hệ thống nhúng mà còn là của nhiều hệ thống khác. Đây là công cụ

hữu ích để mô hình hóa sự kết hợp giữa hàng trăm, có thể hàng ngàn thành phần trong thiết kế

hệ thống nhúng. Những nguyên nhân chính khiến chúng trở lên hữu ích là:

Thể hiện đƣợc các thành phần quan trọng và các hành vi của chúng: phƣơng pháp

phân lớp cho phép ngƣời đọc có thể nhận diện đƣợc nhiều thành phần khác nhau và mối quan

hệ giữa chúng.

Phƣơng pháp biểu diễn cấu trúc theo các module cấu trúc chính để phân lớp kiến trúc

của toàn bộ dự án nhúng: bởi vì trong hệ thống có rất nhiều module và các module này hoạt

động độc lập với nhau, đồng thời chúng có những mối liên kết mức độ cao, do vậy phân lớp

những loại module này làm tăng khả năng thể hiện cấu trúc hệ thống và không làm phức tạp

khó hiểu cho ngƣời đọc.

Câu hỏi cuối chƣơng

1. Thế nào là hệ thống nhúng, nêu những lĩnh vực ứng dụng của hệ thống nhúng

2. Phân biệt hai loại hệ thống thời gian thực

3. Trình bày về mô hình phát triển waterfall và spiral

4. Nêu những ƣu điểm của phƣơng pháp phân lớp trong biểu diễn kiến trúc hệ thống

nhúng

- 12 -

Chƣơng 2 - HỆ THỐNG PHẦN CỨNG

2.1 Tổng quan

Thông thƣờng đi kèm với các hệ thống nhúng có rất nhiều những yêu cầu, thiết bị và bộ

phận. Trong phần này chúng ta sẽ tìm hiểu một số bộ phận chính và một số yêu cầu chính của

các hệ thống nhúng.

Bộ tính toán, xử lý

Đây là một trong những yêu cầu căn bản nhất của hệ thống nhúng. Tất cả các hệ thống

lấy dữ liệu từ ngƣời dùng hoặc từ môi trƣờng xung quanh. Công việc xử lý có thể đƣợc tiến

hành bằng cách sử dụng bộ vi xử lý hoặc các vi mạch điện tử, các mạch động học. Phạm vi

của giáo trình này là những hệ thống nhúng sử dụng vi xử lý với những bộ phận phần cứng

khác.

Bộ tính toán đƣợc dùng để xử lý, biến đổi các dữ liệu thay đổi của ngƣời sử dụng hoặc

môi trƣờng thành những dữ liệu đầu ra theo yêu cầu.

Bộ phận xử lý tính toán logic này thƣờng đƣợc tích hợp trong một chip hoặc một mạch

điện tử. Khả năng xử lý của chúng đƣợc phát triển rất nhanh chóng và ngay bản thân chúng đã

cung cấp cho ta những chức năng phức tạp. Lập trình viên sẽ phải khéo léo kết hợp những

điểm mạnh này với chƣơng trình của anh ta trong khi cài đặt một yêu cầu cụ thể.

Hệ thống nhúng cũng có thể lấy dữ liệu đầu vào từ môi trƣờng xung quanh. Ví dụ, hệ

thống âm thanh với các lựa chọn cài đặt nhƣ giả lập nhà hát, hội trƣờng, rock vv. Ngƣời dùng

có thể chuyển đổi các lựa chọn này theo yêu cầu của họ. Trong trƣờng hợp này dữ liệu đầu

vào là từ ngƣời sử dụng.

2.1.1 Bộ nhớ

Bộ nhớ là một trong những yêu cầu tài nguyên hiển nhiên không chỉ của hệ thống

nhúng mà mọi hệ thống trên thực tế. Ngay cả hệ thống con ngƣời cũng cần bộ nhớ !

Thực tế cho thấy là bộ nhớ ngày càng rẻ hơn về giá cả và tốt hơn về chất lƣợng. Trong

những thời gian trƣớc, khi mỗi kilo byte, thậm chí là byte bộ nhớ đều đƣợc tính bằng tiền

trăm ngàn thì mọi thao tác tác động vào bộ nhớ đều đƣợc tiến hành vô cùng chi tiết và cẩn

thận. Với các hệ thống nhúng ta không có các khe cắm mở rộng, và bộ nhớ dành cho hệ thống

nhúng thông thƣờng vẫn là rất nhỏ. Vì vậy, bộ nhớ phải đƣợc xử lý có kế hoạch, chi tiết.

Những hạn chế về bộ nhớ nhƣ trên đƣợc thể hiện rõ ràng khi ta xem xét thiết kế của các

hệ thống nhúng tiên tiến và các phần mềm đi kèm với chúng. Những thuật toán sử dụng nhiều

bộ nhớ, sử dụng các cấu trúc dữ liệu cồng kềnh đều không đƣợc cài đặt trừ khi chúng thực sự

cần thiết.

2.1.2 Các thành phần kết nối

Các thiết bị nhúng và ứng dụng không thể tồn tại độc lập, chúng cần có khả năng giao

tiếp với các thiết bị khác để có thể thực hiện chức năng. Ta không thể yêu cầu ngƣời sử dụng

kết nối thiết bị vào các khe cắm nhƣ Ethernet, vv... Những liên kết nhƣ vậy thƣờng sử dụng

các giao thức không dây nhƣ Bluetooth, WLAN, HiperLAN cho những khoảng cách ngắn hay

2.5G, 3G, 4G cho những khoảng cách xa hơn. Những thành phần kết nối khiến cho thiết bị trở

nên thông minh hơn.

Các thành phần của hệ thống nhúng đƣợc minh họa trong hình vẽ dƣới đây

- 13 -

Chúng ta sẽ lần lƣợt xét từng đơn vị cấu thành trong những phần tiếp theo.

Hình 2.1 Các thành phần phần cứng

2.2 Hệ vi xử lý

2.2.1 Tổng quan

Hình 2.2 Mô hình vi xử lý

Ngƣời ta vẫn biết tới phần lõi xử lý của các bộ VXL là đơn vị xử lý trung tâm CPU

(Central Processing Unit) đóng vai trò nhƣ bộ não chịu trách nhiệm thực thi các phép tính và

thực hiện các lệnh. Phần chính của CPU đảm nhiệm chức năng này là đơn vị

logic toán học (ALU – Arthimetic Logic Unit). Ngoài ra để hỗ trợ cho hoạt động của

ALU còn có thêm một số các thành phần khác nhƣ bộ giải mã (decoder), bộ tuần tự

(sequencer) và các thanh ghi.

Bộ giải mã chuyển đổi (thông dịch) các lệnh lƣu trữ ở trong bộ mã chƣơng trình thành

các mã mà ALU có thể hiểu đƣợc và thực thi. Bộ tuần tự có nhiệm vụ quản lý dòng dữ liệu

trao đổi qua bus dữ liệu của VXL. Các thanh ghi đƣợc sử dụng để CPU lƣu trữ tạm thời các

dữ liệu chính cho việc thực thi các lệnh và chúng có thể thay đổi nội dung trong quá trình hoạt

động của ALU. Hầu hết các thanh ghi của VXL đều là các bộ nhớ đƣợc tham chiếu (mapped)

và hội nhập với khu vực bộ nhớ và có thể đƣợc sử dụng nhƣ bất kỳ khu vực nhớ khác.

- 14 -

Các thanh ghi có chức năng lƣu trữ trạng thái của CPU. Nếu các nội dung của bộ nhớ

VXL và các nội dung của các thanh ghi tại một thời điểm nào đó đƣợc lữu giữ đầy đủ thì hoàn

toàn có thể tạm dừng thực hiện phần chƣơng trình hiện tại trong một khoảng thời gian bất kỳ

và có thể trở lại trạng thái của CPU trƣớc đó. Thực tế số lƣợng các thanh ghi và tên gọi của

chúng cũng khác nhau trong các họ VXL/VĐK và thƣờng do chính các nhà chế tạo qui định,

nhƣng về cơ bản chúng đều có chung các chức năng nhƣ đã nêu.

Khi thứ tự byte trong bộ nhớ đã đƣợc xác định thì ngƣời thiết kế phần cứng phải thực

hiện một số quyết định xem CPU sẽ lƣu dữ liệu đó nhƣ thế nào. Cơ chế này cũng khác nhau

tuỳ theo kiến trúc tập lệnh đƣợc áp dụng. Có ba loại hình cơ bản:

. Kiến trúc ngăn xếp

. Kiến trúc bộ tích luỹ

. Kiến trúc thanh ghi mục đích chung

Kiến trúc ngăn xếp: sử dụng ngăn xếp để thực hiện lệnh và các toán tử nhận đƣợc từ

đỉnh ngăn xếp. Mặc dù cơ chế này hỗ trợ mật độ mã tốt và mô hình đơn giản cho việc đánh

giá cách thể hiện chƣơng trình nhƣng ngăn xếp không thể hỗ trợ khả năng truy

nhập ngẫu nhiên và hạn chế hiệu suất thực hiện lệnh.

Kiến trúc bộ tích luỹ: với lệnh một toán tử ngầm mặc định chứa trong thanh ghi tích

luỹ có thể giảm đƣợc độ phức tạp bên trong của cấu trúc CPU và cho phép cấu thành lệnh rất

nhỏ gọn. Nhƣng thanh ghi tích luỹ chỉ là nơi chứa dữ liệu tạm thời nên giao thông bộ nhớ rất

lớn.

Kiến trúc thanh ghi mục đích chung: sử dụng các tập thanh ghi mục đích chung và

đƣợc đón nhận nhƣ mô hình của các hệ thống CPU mới, hiện đại. Các tập thanh ghi đó nhanh

hơn bộ nhớ thƣờng và dễ dàng cho bộ biên dịch xử lý thực thi và có thể đƣợc sử dụng một

cách hiệu quả. Hơn nữa giá thành phần cứng ngày càng có xu thế giảm đáng kể và tập thanh

ghi có thể tăng nhanh. Nếu cơ chế truy nhập bộ nhớ nhanh thì kiến trúc dựa trên ngăn xếp có

thể là sự lựa chọn lý tƣởng; còn nếu truy nhập bộ nhớ chậm thì kiến trúc thanh ghi sẽ là sự lựa

chọn phù hợp nhất.

Một số thanh ghi với chức năng điển hình thƣờng đƣợc sử dụng trong các kiến trúc

CPU nhƣ sau:

. Thanh ghi con trỏ ngăn xếp (stack pointer): Thanh ghi này lƣu giữ địa chỉ tiếp

theo của ngăn xếp. Theo nguyên lý giá trị địa chỉ chứa trong thanh ghi con trỏ

ngăn xếp sẽ giảm nếu dữ liệu đƣợc lƣu thêm vào ngăn xếp và sẽ tăng khi dữ liệu

đƣợc lấy ra khỏi ngăn xếp.

. Thanh ghi chỉ số (index register): Thanh ghi chỉ số đƣợc sử dụng để lƣu địa chỉ

khi mode địa chỉ đƣợc sử dụng. Nó còn đƣợc biết tới với tên gọi là thanh ghi con

trỏ hay thanh ghi lựa chọn tệp (Microchip).

. Thanh ghi địa chỉ lệnh /Bộ đếm chƣơng trình (Program Counter): Một trong

những thanh ghi quan trọng nhất của CPU là thanh ghi bộ đếm chƣơng trình.

Thanh ghi bộ đếm chƣơng trình lƣu địa chỉ lệnh tiếp theo của chƣơng trình sẽ

đƣợc CPU xử lý. Mỗi khi lệnh đƣợc trỏ tới và đƣợc CPU xử lý thì nội dung giá trị

của thanh ghi bộ đếm chƣơng trình sẽ tăng lên một. Chƣơng trình sẽ kết thúc khi

thanh ghi PC có giá trị bằng địa chỉ cuối cùng của chƣơng trình nằm trong bộ nhớ

chƣơng trình.

. Thanh ghi tích lũy (Accumulator): Thanh ghi tích lũy là một thanh ghi giao tiếp

trực tiếp với ALU, đƣợc sử dụng để lƣu giữ các toán tử hoặc kết quả của một phép

toán trong quá trình hoạt động của ALU.

- 15 -

Xung nhịp và trạng thái tín hiệu

Trong VXL và các vi mạch số nói chung, hoạt động của hệ thống đƣợc thực hiện đồng

bộ hoặc dị bộ theo các xung nhịp chuẩn. Các nhịp đó đƣợc lấy trực tiếp hoặc gián tiếp từ một

nguồn xung chuẩn thƣờng là các mạch tạo xung hoặc dao động thạch anh. Để mô tả hoạt động

của hệ thống, các tín hiệu dữ liệu và điều khiển thƣờng đƣợc mô tả trạng thái theo giản đồ

thời gian và mức tín hiệu nhƣ đƣợc chỉ ra trong hình dƣới: Mô tả và trạng thái tín hiệu hoạt

động trong VXL

Hình 2.3 Mô tả và trạng thái tín hiệu hoạt động trong VXL

Mục đích của việc mô tả trạng thái tín hiệu theo giản đồ thời gian và mức tín hiệu là để

phân tích và xác định chuỗi sự kiện hoạt động chi tiết trong mỗi chu kỳ bus. Nhờ việc mô tả

này chúng ta có thể xem xét đến khả năng đáp ứng thời gian của các sự kiện thực thi trong hệ

thống và thời gian cần thiết để thực thi hoạt động tuần tự cũng nhƣ là khả năng tƣơng thích

khi có sự hoạt động phối hợp giữa các thiết bị ghép nối hay mở rộng trong hệ thống. Thông

thƣờng thông tin về các nhịp thời gian hoạt động cũng nhƣ đặc tính kỹ thuật chi tiết đƣợc

cung cấp hoặc qui định bởi các nhà chế tạo.

Một số đặc trƣng về thời gian của các trạng thái hoạt động cơ bản của các tín hiệu hệ

thống gồm có nhƣ sau:

. Thời gian tăng hoặc giảm

. Thời gian trễ lan truyền tín hiệu

. Thời gian thiết lập

. Thời gian giữ

. Trễ cấm hoạt động và trạng thái treo (Tri‐State)

. Độ rộng xung

. Tần số nhịp xung hoạt động

2.2.2 Kiến trúc vi xử lý

Trong phần này giới thiệu ngắn gọn cấu trúc nguyên lý của các chip xử lý nhúng ứng

dụng trong các nền phần cứng nhúng hiện nay.

Sự phát triển nhanh chóng các chủng loại Chip khả trình với mật độ tích hợp cao đã và

đang có một tác động đáng kể đến sự thay đổi trong việc thiết kế các nền phần cứng

thiết bị xử lý và điều khiển số trong thập kỷ gần đây. Mỗi chủng loại đều có những đặc

điểm và phạm vi đối tƣợng ứng dụng và luôn không ngừng phát triển để đáp ứng một cách tốt

nhất cho các yêu cầu công nghệ. Chúng đang hƣớng tới tập trung cho một thị trƣờng công

nghệ tiềm năng rộng lớn đó là các thiết bị xử lý và điều khiển nhúng. Trong bài viết này tác

giả giới thiệu ngắn gọn về các chủng loại chip xử lý, điều khiển nhúng điển hình đang tồn tại

và phát triển về một số đặc điểm và hƣớng phạm vi ứng dụng của chúng.

- 16 -

Có thể kể ra hàng loạt các Chíp khả trình có thể sử dụng cho các bài toán thiết kế hệ

nhúng nhƣ các họ vi xử lý/vi điều khiển nhúng (Microprocessor/ Microcontroller), Chip DSP

(Digital Signal Processing), các Chip khả trình trƣờng (FPD – Field Programmable Device).

Chúng ta dễ bị choáng ngợp nếu bắt đầu công việc thiết kế bằng việc tìm kiếm một Chip xử lý

điều khiển phù hợp cho ứng dụng. Vì vậy cần phải có một hiểu biết và sự phân biệt về đặc

điểm và ứng dụng của chúng khi lựa chọn và thiết kế. Các thông tin liên quan nhƣ nhà sản

xuất cung cấp Chip, các kiến thức và công cụ phát triển kèm theo.

Chip vi xử lý/vi điều khiển nhúng là một chủng loại rất điển hình và đang đƣợc sử dụng

rất phổ biến hiện này. Chúng đƣợc ra đời và sử dụng theo sự phát triển của các Chip xử lý

ứng dụng cho máy tính. Vì đối tƣợng ứng dụng là các thiết bị nhúng nên cấu trúc cũng đƣợc

thay đổi theo để đáp ứng các ứng dụng. Hiện nay chúng ta có thể thấy các họ vi xử lý điều

khiển của rất nhiều các nhà chế tạo cung cấp nhƣ, Intel, Atmel, Motorola, Infineon. Về cấu

trúc, chúng cũng tƣơng tự nhƣ các Chíp xử lý phát triển cho PC nhƣng ở mức độ đơn giản

hơn nhiều về công năng và tài nguyên. Phổ biến vẫn là các Chip có độ rộng bus dữ liệu là

8bit, 16bit, 32bit. Về bản chất cấu trúc, Chip vi điều khiển là chip vi xử lý đƣợc tích hợp thêm

các ngoại vi. Các ngoại vi thƣờng là các khối chức năng ngoại vi thông dụng nhƣ bộ định thời

gian, bộ đếm, bộ chuyển đổi A/D, giao diện song song, nối tiếp…Mức độ tích hợp ngoại vi

cũng khác nhau tuỳ thuộc vào mục đích ứng dụng sẽ có thể tìm đƣợc Chip phù hợp. Thực tế

với các ứng dụng yêu cầu độ tích hợp cao thì sẽ sử dụng giải pháp tích hợp trên chip, nếu

không thì hầu hết các Chip đều cung cấp giải pháp để mở rộng ngoại vi đáp ứng cho một số

lƣợng ứng dụng rộng và mềm dẻo.

Hình 2.4 Kiến trúc nguyên lý của VĐK với cấu trúc Havard

2.2.3 Sự thực thi

Trong phần này ta sẽ tìm hiểu về hoạt động của một số vi điều khiển sử dụng trong các

hệ thống nhúng

Chip DSP

DSP vẫn đƣợc biết tới nhƣ một loại vi điều khiển đặc biệt với khả năng xử lý nhanh để

phục vụ các bài toán yêu cầu khối lƣợng và tốc độ xử lý tính toán lớn. Với ƣu điểm nổi bật về

độ rộng băng thông của bus và thanh ghi tích luỹ, cho phép ALU xử lý song song với tốc độ

đọc và xử lý lệnh nhanh hơn các loại vi điều khiển thông thƣờng. Chip DSP cho phép thực

hiện nhiều lệnh trong một nhịp nhờ vào kiến trúc bộ nhớ Havard.

Thông thƣờng khi phải sử dụng DSP tức là để đáp ứng các bài toán tính toán lớn và

tốc độ cao vì vậy định dạng biểu diễn toán học sẽ là một yếu tố quan trọng để phân loại và

đƣợc quan tâm. Hiện nay chủ yếu chúng vẫn đƣợc phân loại theo hai kiểu là dấu phảy động và

dấu phảy tĩnh. Đây cũng chính là một yếu tố quan trọng phải quan tâm đối với ngƣời thiết kế

để lựa chọn đƣợc một DSP phù hợp với ứng dụng của mình. Các loại DSP dấu phảy tĩnh

thƣờng là loại 16bit hoặc 24bit còn các loại dấu phảy tĩnh thƣờng là 32bit. Một ví dụ điển

- 17 -

hình về một DSP 16bit dấu phảy tĩnh là TMS320C55x, lƣu các số nguyên 16‐bit hoặc các số

thực trong một miền giá trị cố định. Tuy nhiên các giá trị và hệ số trung gian có thể đƣợc lƣu

trữ với độ chính xác là 32bit trong thanh ghi tích luỹ 40bit nhằm giảm thiểu lỗi tính toán do

phép làm tròn trong quá trính tính toán. Thông thƣờng các loại DSP dấu phảy tĩnh có giá

thành rẻ hơn các loại DSP dấu phảy động vì yêu cầu số lƣợng chân On‐chip ít hơn và cần sử

dụng lƣợng silicon ít hơn.

Ƣu điểm nổi bật của các DSP dấu phảy động là có thể xử lý và biểu diễn số trong dải

phạm vi giá trị rộng và động. Do đó vấn đề về chuyển đổi và hạn chế về phạm vi biểu diễn số

không phải quan tâm nhƣ đối với loại DSP dấu phảy tĩnh. Một loại DSP 32bit dấu phảy tĩnh

điển hình là TMS320C67x có thể xử lý và biểu diễn số gồm 24bit mantissa và 8bit exponent.

Phần mantissa biểu diễn phần số lẻ trong phạm vi 1.0 – +1.0 và phần exponent biểu diễn vị trí

của dấu phảy nhị phân và có thể dịch chuyển sang trái hoặc phải tuỳ theo giá trị số mà nó biểu

diễn. Điều này trái ngƣợc với các thiết kế trên nền DSP dấu phảy tĩnh, ngƣời phát triển

chƣơng trình phải tự qui ƣớc, tính toán và phân chia ấn định thang biểu diễn số và phải luôn

lƣu tâm tới khả năng tràn số có thể xảy ra trong quá trình xử lý tính toán. Chính điều này đã

gây ra khó khăn không nhỏ đối với ngƣời lập trình.

Những nhà thiết kế hệ thống phải quyết định vùng và độ chính xác cần thiết cho các

ứng dụng. Các vi xử lý dấu phảy động thƣờng đƣợc sử dụng cho các ứng dụng yêu cầu về độ

chính xác cao và dải biểu diễn số lớn phù hợp với hệ thống có cấu trúc bộ nhớ lớn. Hơn nữa

các DSP dấu phảy động cho phép phát triển phần mềm hiệu quả và đơn giản hơn bằng các

trình biên dịch ngôn ngữ bậc cao nhƣ C do đó có thể giảm đƣợc giá thành và thời gian phát

triển. Tuy nhiên giá thành lại cao nên các DSP dấu phảy động phù hợp với các ứng dụng khá

đặc biệt và thƣờng là với số lƣợng ít.

Hình 2.5: Giản đồ khối chức năng của DSP TMS320C28xx

- 18 -

Chip PAL

Ngày nay khi nói đến các chủng loại Chip khả trình mảng ta thƣờng biết tới một số tên

gọi nhƣ PAL, CPLD, FPGA…Một chút lƣợc sử về sự ra đời và phát triển sau đây sẽ giúp

chúng ta hình dung đƣợc đặc điểm và nguồn gốc ra đời của chúng.

Hình 2.6 Cấu trúc PROM và PLA

Lịch sử phát triển của các chủng loại Chip khả trình mảng PLA (Programmable Logic

Array) đƣợc bắt nguồn từ nguyên lý bộ nhớ chƣơng trình PROM (Programmable Read Only

Memory). Trong đó các đầu vào địa chỉ đóng vai trò nhƣ các đƣờng vào của mạch logic và

các đƣờng dữ liệu ra đóng vai trò nhƣ các đƣờng ra của mạch logic. Vì PROM không thực sự

phù hợp cho mục đích thiết kế các mạch logic nên PLA đã ra đời vào đầu thập kỷ 70. Nó rất

phù hợp để thực hiện mạch logic có dạng tổng các tích (vì cấu thành bởi các phần tử logic

AND và OR). Nhƣng nhƣợc điểm là chi phí sản xuất cao và tốc độ hoạt động thấp. Để khắc

phục nhƣợc điểm này PAL (Programmable Array Logic) đã đƣợc phát triển. Nó đƣợc cấu

thành từ các phần tử AND khả trình và phần tử OR gán cố định và có chứa cả phần tử flipflop

ở đầu ra nên có khả năng thực thi các mạch logic tuần tự. Hình 2.7 mô tả cấu trúc chung của

PAL.

Hình 2.7 Cấu trúc chung của PAL

- 19 -