Bài giảng Thành phần hệ thống và giao tiếp

Thành phần hệ thống và giao tiếp Topics „ Đọc thêm về các thuật toán chia xẻ tài nguyên trong cuốn sách đã cho (Priority inheritance, Semaphore). (mục 4.2.4, mục 2.9) „ Đọc về đặc tả UML cho hệ nhúng (mục 2.8) „ Chuyên môn hóa hệ thống „ Đặc tả bộ lệnh … Vi điều khiển (Micro Controller) … Xử lý tín hiệu số và VLIW „ Lập trình phần cứng „ Hệ thống trong chip (SoC) „ Giao tiếp „ Giao tiếp Bluetooth 2Vũ Quang Dũng Sách tham khảo „ P. Marwedel: Embedded System Design (paperback), Springer Verlag, December 2006, ISBN: 0387292373. „ G.C. Buttazzo: Hard Real-Time Computing Systems. Kluwer Academic Publishers, 1997. „ W. Wolf: Computers as Components – Principles of Embedded System Design. Morgan Kaufman Publishers, 2000. „ J. Teich: Digitale Hardware/Software Systeme, Springer Verlag, 1997. Thực thi ES Chuyên môn hóa hệ thống „ Tính linh hoạt … Chương trình chính được chuyên môn hóa phải bao hàm được hết các lớp của chương trình. … Tính linh hoạt trong thay đổi và debug „ Sự cần thiết trong phân tích hệ thống … Xác định các tính chất của chương trình trước chuyên môn hóa … Hiệu xuất về lượng trong ảnh hưởng tới hệ thống Kiến trúc kỹ thuật chuyên môn hóa Ví dụ: Bộ tổng Ví dụ: Thanh ghi hỗn tạp Ví dụ: Thanh ghi địa chỉ Ví dụ: module địa chỉ bộ nhớ Điều khiển chi phối hệ thống „ Tác động trở lại của hệ thống với chế độ hướng sự kiện „ Hệ thống được đặc tả thông qua FSM (final state machine) hoặc mạng Petri Vi điều khiển „ Điều khiển chi phối chương trình …Hỗ trợ lập lịch tiến trình và đồng bộ …Ưu tiên, ngắt, chuyển quyền điều khiển …Trạng thái trễ „ Tiêu hao ít năng lượng „ Tích hợp thiết bị ngoại vi „ Hỗ trợ chương trình thời gian thực Ví dụ: Bộ xử lý 8051 Vi xử lý là SoC „ Ví dụ trên chíp Phillips 83 C552 với 8 bít 8051 vi xử lý Dữ liệu chi phối hệ thống „ Hệ thống hướng dữ liệu với trạng thái tuần hoàn „ Đặc tả dữ liệu vào theo flow graph Xử lý tín hiệu số „ Tối ưu luồng dữ liệu chương trình „ Phù hợp với luồng điều khiển đơn „ Xử lý song song với VLIW „ Bộ lệnh chuyên môn hóa „ Khả năng truyền dữ liệu cao „ Chuyên môn hóa bộ nhớ „ Xử lý trễ „ Xử lý thời gian thực MAC (multiply & accumulate) VLIW (very long instruction word) „ Hệ tính toán song song mã hóa trong một từ, mỗi lệnh điều khiển là một đơn vị hàm Bộ lệnh tính toán song song trong chip TMS320C62 trên cơ sở ARM7 Cấu trúc cơ bản FPGA Phân loại FPGA „ Lập trình logic …Gate, bộ nhớ, block điều khiển (ALU, control, dòng dữ liệu, bộ vi xử lý) „ Giao tiếp mạng …Ngang hàng, mạng kế thừa, tree „ Tái cấu hình …Tại thời điểm cố định, một lần tại thời điểm thiết kế, động trong quá trình run-time Ví dụ về Virtex II FPGA Application Specific Circuits (ASICs) „ Mạch kiến trúc theo nhu cầu …Tốc độ tới hạn …Mục tiêu về năng lượng …Số lượng thiết kế „ Tránh tiếp cận …Thời gian thiết kế …Thiếu tính mềm dẻo …Giá thành cao Giao tiếp – yêu cầu „ Trạng thái thời gian thực „ Thuật tiện, hiệu quả, kinh tế „ Băng thông và độ trễ „ Tín hiệu tốt và sai số cho phép „ Khả năng duy trì „ Bảo mật „ An toàn Giao tiếp Bluetooth Giới thiệu „ Mục tiêu thiết kế … Kích thước nhỏ (1cm2), giá thành thấp, năng lượng tiêu thụ nhỏ … Bảo mật đường truyền (cryptography, authentication) … Đường truyền tốt „ Kỹ thuật … Băng thông 2.4GHz … Đường truyền 10-100m … Băng thông với mỗi kết nối 1Mbit/s … Đồng bộ luồng truyền và không đồng bộ dữ liệu Đặc tả „ Trạng thái và tính mềm dẻo „ Tính thích nghi truyền năng lượngÆ làm giảm năng lượng tiêu thụ „ Đồng bộ hóa về dữ liệu và không đồng bộ đường truyền „ Hoạt động trong mạng bất kỳ (kết nối tự phát tới thiết bị gần, mạng động, đa kết nối) „ Phát hiện services Chuyển tần số „ Quá trình truyền có thể nhảy từ tần số này tới tần số khác với tỉ lệ nhất định (1600hops/s). Thứ tự hay kênh tần số được xác định bởi tần số bất kỳ trong khoảng 2exp27 – 1 „ Khoảng tần số (2402 + k)MHz (k = 0 .. 78) „ Dữ liệu truyền được chia thành khoảng thời gian với độ dài 0.625ms. Mỗi package truyền theo các tần số khác nhau Ví dụ Mạng Ad-hoc „ Tất cả các node là di động „ Các đầu mối kết nối là động „ Cấu trúc kế thừa (scatternet – mạng phân tán) của các mạng nhỏ (piconet) Piconet „ Mỗi piconet chứa 1 master và tối đa 7 slaves „ Tất cả các node trong piconet sử dụng cùng tần số chuyển, được xác định bởi … Địa chỉ của thiết bị … Pha được xác định bởi hệ thống đồng hồ của master „ Kết nối một-một hoặc giữa master với tất cả các slaves „ Các kiểu kết nối có thể: … 432kbit/s kép hoặc 721/56kbit/s không đối xứng … 3 kênh âm thanh … Hoặc kết hợp âm thanh và dữ liệu Scatternet Scatternet „ Một số piconet với sự trùng hợp node „ Node có thể cùng một lúc có vai trò là slave trong một số piconet, và có vai trò là master trong piconet „ Kênh tần số của các piconet khác nhau là không đồng bộ „ Cấu trúc mạng lớn có thể xuất hiện đa chuyên đổi giao tiếp Trật tự protocol „ Đặc tả radio định nghĩa băng thông tần số và tính chất truyền và nhận … tiếp „ Đặc tả baseband – kiểu packet, kênh vật lý và logic, sửa lỗi, đồng bộ giữa truyền và nhận, khác nhau về hoạt động và trạng thái truyền dữ liệu và audio „ Đăc tả audio – truyền tín hiệu audio, phương thức mã hóa và giải m㠄 Quản lý link (LM) – Xác thực của kết nối và mã hóa, quản lý piconet … tiếp „ Host controller interface (HCI) – chuẩn giao tiếp giữa host và node của bluetooth. „ Lớp điều khiển kết nối và lớp thích nghi (L2CAP – link layer control and adaptation layer) – giao tiếp trừu tượng dành cho dữ liệu, phân đoạn packet (64kbyte) và nhóm chúng lại, cho phép đa kết nối (kết nối phức), và trao đổi thông tin QoS giữa 2 node … tiếp „ RFCOMM – cổng truyền đơn mô phỏng theo cổng nối tiếp RS232 „ Một số cổng khác như: … TCS (telephony control protocol specification) … SDP (service discovery protocol) … OBEX (Object Exchange Protocol) … TCP/IP „ Chương trình ở phía lớp trên cùng … tiếp Địa chỉ „ Bluetooth device address BD_ADDR …48bit …Địa chỉ duy nhất cho mỗi thiết bị „ Active member address AM_ADDR …3bit với tối đa 7 slaves trong piconet …Địa chỉ “Null” dành cho tất cả slaves „ Parked member address PM_ADDR …8bit dành cho vùng slaves Dạng packet Kiểu giao tiếp „ Đồng bộ hướng giao tiếp (SCO – Synchronous Connection-Oriented) … Phục vụ đồng bộ đối xứng … Hạn chế số slot tham gia vào đường truyền packet trong một khoảng đều „ Không đồng bộ mất giao tiếp (ACL – asynchronous Connection less … Phục vụ không đồng bộ … Không hạn chế slot … Không ép buộc đường truyền Kiểu và trạng thái „ Kiểu hoạt động … Kết nối – giữa master và slaves … Page – master cố gắng kết nối tới slave có địa chỉ BD_ADDR đã biết … Inquiry – master xác định địa chỉ node láng giềng „ Trạng thái kết nối … Active – kết nối có hiệu lực … Hold – không có tiến trình về packet dữ liệu … Sniff – đánh thức trong khoảng thời gian cho trước … Park – không kết nối, nhưng master vẫn được đồng bộ Trạng thái kết nối