Bài giảng Thiết kế hệ thống nhúng - Chương 1: Tổng quan về hệ thống nhúng

yến/chuyển mạch
Thanh toán tự động (Automatic toll systems) Thiết bị định vị
Truyền dẫn tự động (Automatic transmission)
 Máy photocopy
Avionic systems
Xạc bin (Battery chargers) Máy in
Máy quay KTS (Camcorders) Điện thoại vệ tinh
Điện thoại di đông (Cell phones) Máy quét
Trạm di động (Cell-phone base stations) Máy giặt
Điện thoại không dây (Cordless phones) Thiết bị nhận dạng giọng nói
Điều khiển lái (Cruise control) Hệ thống thị giác
Camera số (Digital cameras) Hội nghị từ xa
Ổ đĩa cứng Truyền hình
Thiết bị đọc thẻ điện tử Bộ điều khiển nhiệt độ
Dụng cụ điện tử Hệ thống chống trộm
Đồ chơi điện tử
 Đầu VCR’s, DVDs
Điều khiển nhà máy
Máy Fax Điện thoại có hình
Thiết bị nhận dạng vân tay Máy rửa bát
Hệ thống an ninh tòa nhà vv.
Hệ thống kiểm tra y tế
 Và rất nhiều thiết bị khác
 8
 Một số đặc tính chung của hệ thống nhúng
• Có chức năng đơn lẻ
 – Thực hiện một chƣơng trình đơn lẻ, lặp lại
• Có nhiều ràng buộc
 – Giá thành thấp, công suất tiêu thụ thấp, nhỏ, nhanh, vv.
• Tƣơng tác và thời gian thực
 – Tƣơng tác liên tục với những thay đổi trong môi trƣờng 
 xung quanh
 – Phải tính toán kết quả trong một khoảng thời gian thực (real-
 time) không có hoặc ít trễ
 9
 Một ví dụ về hệ thống nhúng – Camera số
 CCD
 Bộ tiền xử lý CCD Xử lý Pixel DAC
 ADC
 lens
 Giải mã/mã hóa JPEG Vi điều khiển Bộ nhân/thanh ghi
 Bộ điều khiển DMA Điều khiển hiển 
 thị
 Bộ điều khiển bộ nhớ Giao tiếp bus ISA UART Điều khiển LCD
• Chức năng đơn lẻ -- luôn là một camera số
• Các ràng buộc – giá thấp, công suất thấp, nhỏ và nhanh
• Tƣơng tác và thời gian thực – thời gian thực hiện ngắn
 10
Yêu cầu thiết kế hệ nhúng – tối ƣu các thông 
 số thiết kế
• Mục tiêu thiết kế tổng quát:
 – Xây dựng một hệ thống thực hiện các chức năng yêu cầu.
• Các yêu cầu về thiết kế:
 – Tối ƣu các thông số thiết kế đồng thời
• Các thông số thiết kế
 – Đặc tính xác định việc thực hiện hệ thống
 – Tối ƣu các thông số thiết kế là thách thức chủ yếu trong thiết 
 kế hệ thống nhúng
 11
Yêu cầu thiết kế hệ nhúng – tối ƣu các thông 
 số thiết kế
• Các thông số chung
 – Giá của thiết bị: là giá thành sản xuất mỗi sản phẩm, bao gồm giá kỹ thuật
 – Giá (Giá kỹ thuật không đƣợc sử dụng lại): Giá thiết kế hệ thống 
 một lần
 – Kích thƣớc: không gian vật lý yêu cầu của hệ thống
 – Chất lƣợng: thời gian làm việc hoặc tuổi thọ của hệ thống, vv.
 – Công suất: lƣợng công suất tiêu thụ của hệ thống
 – Độ linh hoạt: khả năng thay đổi các chức năng của hệ thống không làm thay 
 đổi giá kỹ thuật
 12
Yêu cầu thiết kế hệ nhúng – tối ƣu các thông 
 số thiết kế
• Các thông số chung (tiếp)
 – Thời gian thử nghiệm: thời gian cần thiết để chế tạo một phiên bản làm 
 việc đƣợc
 – Thời gian đƣa ra thị trƣờng: thời gian cần thiết để phát triển một hệ 
 thống có thể bán tới khách hàng
 – Khả năng bảo trì: khả năng thay thế và sửa chữa khi có sự cố
 – Độ tin cậy, độ an toàn, vv.
 13
Xem xét các thông số thiết kế - cải thiện một thông 
 số có thể làm ảnh hƣởng các thông số khác
 • Yêu cầu kinh nghiệm cả về 
 phần cứng và phần mềm để 
 Công suất tối ƣu quá trình thiết kế
 – Không chỉ đơn thuần là một 
 Chất lƣợng Kích chuyên gia phần cứng, hoặc 
 thƣớc phần mềm.
 – Một ngƣời thiết kế phải hiểu 
 Giá NRE nhiều công nghệ khác nhau để 
 lựa chọn công nghệ tốt nhất 
 cho một ứng dụng cụ thể.
 14
Thời gian đƣa ra thị trƣờng: một thông số 
 thiết kế quan trọng
 • Thời gian cần thiết để cung 
 cấp sản phẩm tới khách hàng
 • “Cửa sổ” thị trƣờng
 – Giai đoạn mà sản phẩm có khả 
 năng bán đƣợc số lƣợng lớn 
 nhất.
 Lợi ($) nhuận Lợi • Trung bình thời gian đƣa ra 
 thị trƣờng cho một sản phẩm 
 nhúng là 8 tháng
 Thời gian • Kéo dài hơn sẽ tăng giá sản 
 phẩm và làm mất cơ hội 
 cạnh tranh
 15
 Các mất mát do đƣa ra thị trƣờng trễ
 • Mô hình lợi nhuận đơn giản
 Lợi nhuận đỉnh
 – Chu kỳ sống = 2W, đỉnh tại W
 Lợi nhuận đỉnh do trễ – Thời gian đƣa ra thị trƣờng 
 Kịp thời định nghĩa nhƣ 1 hình tam 
Lợi Lợi nhuận ($) Market rise giác, diễn tả sự thâm nhập thị 
 Trễ trƣờng
 – Vùng diện tích tam giác biểu 
 thị lợi nhuận
 D W 2W
 Bắt đầu Bắt đầu Thời gian • Chi phí cơ hội
 Đúng lúc trễ – Là sự khác nhau giữa vùng 
 đƣa ra kịp thời và đƣa ra trễ
 16
 Các mất mát do đƣa ra thị trƣờng trễ (tiếp)
 • Diện tích = 1/2 * đáy * chiều cao
 – Đúng hạn = 1/2 * 2W * W
 Lợi nhuận đỉnh – Trễ = 1/2 * (W-D+W)*(W-D)
 Lợi nhuận đỉnh do trễ • Phần trăm lợi nhuận bị mất = 
 Kịp thời (D(3W-D)/2W2)*100%
Lợi ($) nhuận Lợi Market rise
 • Ví dụ
 Trễ
 – Chu kỳ sống 2W=52 tuần, trễ D=4 tuần
 – (4*(3*26 –4)/2*26^2) = 22%
 D W 2W – Chu kỳ sống 2W=52 tuần, trễ D=10 
 Bắt đầu Bắt đầu Thời gian tuần
 Đúng lúc trễ – (10*(3*26 –10)/2*26^2) = 50%
 – Trễ làm giảm lợi nhuận!
 17
 Các thông số về giá NRE và giá đơn chiếc
• Giá thành:
 – Giá thành đơn chiếc: lƣợng chi phí để sản xuất một thiết bị, bao gồm giá NRE
 – Giá NRE (Non-Recurring Engineering cost): Giá thiết kế hệ thống một lần
 – Giá trị tổng = giá NRE + giá đơn chiếc * số lượng
 – Giá thành sx đơn chiếc = Giá trị tổng/số lượng 
• Ví dụ
 – Giá NRE=$2000, giá đơn vị =$100
 – Đối với 10 sản phẩm
 – Tổng giá trị = $2000 + 10*$100 = $3000
 – Giá thành từng sản phẩm = $2000/10 + $100 = $300
 18
 Các thông số về giá NRE và giá đơn chiếc
• So sánh các công nghệ về giá 
 – Công nghệ A: NRE=$2,000, đơn giá =$100
 – Công nghệ B: NRE=$30,000, đơn giá =$30
 – Công nghệ C: NRE=$100,000, đơn giá =$2
 $ 2 0 0 ,0 0 0 $200
 A A
 B B
 $ 1 6 0 ,0 0 0 $160
 C C
 $ 1 2 0 ,0 0 0 $120
 $ 8 0 ,0 0 0 $80
 tota l c ost (x1000)
 per product cost
 $ 4 0 ,0 0 0 $40
 $0 $0
 0 800 1600 2400 0 800 1600 2400
 Num ber of units (volum e) Num ber of units (volum e)
• Ngoài ra, còn phải quan tâm tới thời gian đƣa ra thị trƣờng
 19
 Thông số chất lƣợng
• Tránh lạm dụng các thông số
 – Tần số xung nhịp, số lệnh trên giây – không đánh giá tốt 
 chất lƣợng
 – Ví dụ camera số– một ngƣời sử dụng quan tâm tốc độ xử lý 
 ảnh, không phải tốc độ xung nhịp hoặc số lệnh trên giây
• Trễ (thời gian đáp ứng)
 – Thời gian giữa khởi đầu và kết thúc một tác vụ
 – VD, Camera’s A và B xử lý hình ảnh trong 0.25 giây
• Dung lƣợng, lƣu lƣợng
 – Số tác vụ trên giây, VD Camera A xử lý 4 ảnh trên giây
 20
 Ba công nghệ chìa khóa của hệ thống nhúng
• Công nghệ
 – Công nghệ ám chỉ việc thực hiện một tác vụ, sử dụng quá 
 trình kỹ thuật, phƣơng pháp và hiểu biết.
• Ba công nghệ chìa khóa đối với hệ thống nhúng
 – Công nghệ xử lý (processor technology)
 – Công nghệ IC (IC technology)
 – Công nghệ thiết kế (design technology)
 21
 Công nghệ xử lý
• Kiến trúc của các thiết bị tính toán sử dụng để thực hiện một 
 chức năng yêu cầu
• Bộ xử lý không yêu cầu phải lập trình lại
 – “Bộ xử lý” không giống với GPP
 Bộ điều khiển Tuyến dữ liệu Bộ điều khiển Tuyến dữ liệu Bộ điều khiểnr Tuyến dữ liệu
 Điều khiển Thanh 
 Thanh ghi File thanh ghi Thanh ghi Thanh ghi logic ghi
 trạng thái và trạng thái và 
 điều khiển điều khiển 
 ALU chuyên Thanh ghi 
 logic logic +
 biệt trạng thái
 ALU chung
 IR PC IR PC
 Bộ nhớ dữ liệu Bộ nhớ dữ liệu
 Bộ nhớ chƣơng Bộ nhớ dữ liệu Bộ nhớ chƣơng 
 trình trình
 Mã Assembly Mã Assembly
 Chức năng chung (“software”) Ứng dụng riêng biệt Chức năng đơn (“hardware”)
 22
 Công nghệ xử lý
• Bộ xử lý thay đổi tùy thuộc vào vấn đề mà nó xử lý
 Chức năng mong 
 muốn
 Bộ xử lý chức Bộ xử lý chuyên biệt Bộ xử lý chức 
 năng chung năng đơn
 23
 Bộ xử lý chức năng chung (General purpose 
 processors)
• Là các thiết bị có thể lập trình sử dụng 
 cho nhiều ứng dụng khác nhau Bộ ĐK Tuyến dữ liệu
 – Đôi khi còn đƣợc gọi là “microprocessor” Thanh ghi File thanh 
 trạng thái và ghi
• Đặc điểm ĐK logic
 – Có bộ nhớ chƣơng trình ALU chung
 – Có nhiều thanh ghi và đơn vị tính toán ALU IR PC
• Lợi ích
 Bộ nhớ chƣơng Bộ nhớ dữ liệu
 – Giá thành đƣa sản phẩm ra thị trƣờng và giá trình
 thành NRE thấp
 Mã Assembly
 – Độ linh hoạt cao
• Nổi tiếng nhất là bộ xử lý “Pentium”, tuy 
 nhiên cũng có rất nhiều loại khác
 24
 Bộ xử lý chức năng đơn (Single purpose 
 processors)
• Là mạch số đƣợc thiết kế để thực hiện 
 Bộ ĐK Tuyến dữ 
 chính xác một chƣơng trình liệu
 Điều khiển 
 – VD các thiết bị điều khiển ngoại vi logic
• Đặc điểm Thanh ghi 
 trạng thái +
 – Chỉ chứa các phần tử cần thiết cho một chƣơng 
 trình duy nhất
 Bộ nhớ 
 – Không có bộ nhớ chƣơng trình dữ liệu
• Lợi ích
 – Nhanh
 – Công suất thấp
 – Kích thƣớc nhỏ
 25
Bộ xử lý ứng dụng chuyên biệt (Application-
 specific processors)
• Bộ xử lý có thể lập trình đƣợc và tối ƣu Bộ ĐK Tuyến dữ liệu
 cho một loại ứng dụng cụ thể có nhiều đặc Thanh gi Các thanh 
 trạng thái và ghi
 tính chung điều khiển 
 logic
 – Nó là sự cân bằng (dung hòa giữa GP ALU 
 chuyên biệt
 processors và SP processors) IR PC
• Đặc điểm Bộ nhớ dữ liệu
 Bộ nhớ chƣơng 
 – Có bộ nhớ chƣơng trình trình
 – Tuyến dữ liệu đƣợc thiết kế tối ƣu
 – Có các đơn vị chức năng đặc biệt
• Lợi ích
 – Có độ linh hoạt nhất định, chất lƣợng, kích 
 thƣớc và công suất tốt
 26
 Công nghệ IC
• Là công nghệ thực hiện các cổng logic số và đƣợc tích 
 hợp trên một thiết bị (IC)
 – IC: mạch tích hợp, hoặc “chip”
 – Công nghệ IC biến đổi tùy thuộc vào thiết kế cho một ứng 
 dụng cụ thể
 – IC thƣờng bao gồm một số lớp (10 lớp hoặc lớn hơn)
 • Công nghệ IC khác nhau ở khía cạnh ai xây dựng các lớp và khi nào 
 chúng đƣợc xây dựng (thứ tự)
 gate
 IC package IC oxide
 source channel drain
 Silicon substrate
 27
 Công nghệ IC
• Có 3 công nghệ IC điển hình
 – VLSI (very large scale integrated)
 – ASIC (application specific IC - IC chức năng chuyên biệt)
 – PLD (programable logic devices - thiết bị logic khả lập 
 trình)
 28
 Chuyên dụng – đầy đủ/Full-custom VLSI
• Tất cả các lớp đƣợc tối ƣu cho việc thực hiện một hệ 
 thống nhúng
 – Cách bố trí các transistors
 – Kích thƣớc/số lƣợng các transistors
 – Kết nối
• Lợi ích
 – Chất lƣợng tốt, kích thƣớc nhỏ, công suất thấp
• Hạn chế
 – Giá NRE cao, thời gian đƣa ra thị trƣờng lâu
 29
 Bán chuyên dụng (semi-custom)
• Các lớp mức thấp đƣợc thiết kế một phần hay toàn bộ
 – Ngƣời thiết kế đƣợc quyền thay đổi kết nối hoặc thêm/bớt 
 các khối
• Lợi ích
 – Chất lƣợng tốt, kích thƣớc nhỏ, giá NRE giảm so với full-
 custom
• Nhƣợc điểm
 – Vẫn cần hàng tuần hoặc hàng tháng để thiết kế
 30
 PLD (Thiết bị logic khả trình)
• Tất cả các lớp đã có sẵn
 – Ngƣời thiết kế có thể mua một IC
 – Các kết nối trên IC đƣợc thực hiện bằng cách lập trình
 – Nổi tiếng nhất là FPGA (Field-Programmable Gate Array)
• Lợi ích
 – Giá NRE thấp
• Nhƣợc điểm
 – Kích thƣớc lớn, đắt, tiêu thụ nhiều công suất và tốc độ chậm
 31
 Luật Moore
• Sự phát triển của hệ nhúng
 – Dự đoán đƣa ra năm1965 bởi ngƣời đồng sáng lập Intel
 Số lượng transistor tích hợp trên vi mạch tăng gấp đôi sau 
 mỗi 18 tháng
 10,000
 1,000
 Lƣợng transistor 100
 trên chip 10
 (triệu) 1
 0.1
 0.01
 0.001
 32
 Luật Moore
• Điều ngạc nhiên
 – Tốc độ tăng trƣởng này rất khó tƣởng tƣởng, nhiều ngƣời 
 ban đầu không tin tƣởng
 33
 Minh họa đồ thị luật Moore
 1981 1984 1987 1990 1993 1996 1999 2002
 10,000 150,000,000
transistors transistors
Leading edge Leading edge
chip in 1981 chip in 2002
– Một chip năm 2002 có thể chứa khoảng 15,000 chips sản 
 xuất năm 1981 (với cùng kích thƣớc)
 34
 Công nghệ thiết kế
• Cách chúng ta biến ý tƣởng thiết kế thành hiện thực 
 (thực hiện quá trình thiết kế)
 Tổng hợp Thƣ viện Kiểm tra
 Thông số của hệ Tổng hợp Hw/Sw/ Mô phỏng
 Tổng hợp: Xem xét và bổ sung thống hệ thống OS
 việc thực hiện chi tiết các mức 
 thấp hơn.
 Thông số hành vi Tổng hợp Lõi Hw-Sw
 hành vi cosimulators
 Thư viện: Tích hợp việc thực 
 hiện tiền thiết kế từ mức thấp 
 hơn vào mức cao hơn.
 Thông số RT Tổng hợp RT Thành phần Mô phỏng
 (register transfer) RT HDL
 Kiểm tra: Đảm bảo tính đúng đắn 
 ở mỗi mức.
 Thông số logic Tổng hợp Cổng logic Mô phỏng cổng
 logic logic
 Thực hiện cuối cùng
 35
 Công nghệ thiết kế tăng theo hàm số mũ
 100,000
 10,000
 1,000
 Mo.
 –
 100
 10
 1
 Khả năng sảnxuất năng Khả
 (K) Trans./Staff Trans./Staff (K)
 0.1
 0.01
 2005
 1993 2001
 2003
 1983 1987
 1985
 1991
 1989
 1999
 1997
 1995
 2007
 2009
• Tăng theo hàm mũ trong nhiều thập kỷ qua
 36
 Đồng thiết kế (co-design)
• Trong quá khứ: Mã chƣơng trình tuần tự (e.g., C, VHDL)
 – Công nghệ thiết kế phần Tổng hợp hành vi
 Bộ biên dịch (1990's)
 cứng và phần mềm rất khác (1960's,1970's)
 nhau Chuyển đổi thanh ghi
 Lệnh assembly Tổng hợp RT
 – Công nghệ thiết kế gần đây (1980's, 1990's)
 Assemblers, linkers
 cho phép tổng hợp việc thiết (1950's, 1960's) Phƣơng trình logic/ FSM's
 kế HW và SW Tổng hợp Logic
 Mã máy (1970's, 1980's)
• Đồng thiết kế phần Cổng logic
 cứng/phần mềm
 Thực hiện
 Vi điều khiển + chương VLSI, ASIC, or PLD 
 trình thực hiện “phần cứng”
Việc lựa chọn HW hay SW cho các chức năng nhất định là sự lựa chọn cân bằng giữa nhiều thông số 
 thiết kế, như chất lượng, công suất, kích thước, giá thành,
 37
 Tính độc lập của bộ xử lý và công nghệ IC
• Cân bằng cơ bản
 – Chung hay chuyên biệt
 – Tập trung vào công nghệ xử lý hay công nghệ IC
 – Hai công nghệ có tính độc lập với nhau
 GPP ASIP SPP
 Chung: Chuyên biệt:
 Linh hoạt Hiệu quả về công suât
 Dễ bảo trì Chất lượng
 Giá NRE thấp Kích thước
 Thời gian đưa ra thị Giá thành thấp (số lượng 
 trường ngắn lớn)
 Giá thành thấp (số lượng 
 nhỏ)
 PLD Bán chuyên Chuyên dụng 
 dụng đầy đủ
 38
 Khoảng trống thiết kế sản phẩm
• Trong khi các nhà thiết kế sản phẩm đã tăng trƣởng ở một tốc 
 độ ấn tƣợng trong thời gian qua, tuy nhiên tốc độ này không 
 theo kịp tốc độ tích hợp chip, tạo ra một khoảng trống
 10,000 100,000
 1,000 10,000
 Transistors trên 100 1000
 Gap
 chip 10 IC 100 Tính sản xuất
 (K) Trans./Staff-Mo.
 (in millions) 1 technology 10
 0.1 Production 1
 0.01 technology 0.1
 0.001 0.01
 39
 Khoảng trống thiết kế sản phẩm
• Năm 1981, các chip yêu cầu 100 tháng lao động (ngƣời thiết kế)
 – 10,000 transistors / 100 transistors/month
• Năm 2002, các chip yêu cầu 30,000 tháng lao động (ngƣời thiết kế)
 – 150,000,000 / 5000 transistors/month
• Giá ngƣời thiết kế tăng từ $1M tới $300M
 10,000 100,000
 1,000 10,000
Transistors trên 100 1000
 Gap
 chip 10 IC 100 Tính sản xuất
 (in millions) 1 technology 10 (K) Trans./Staff-Mo.
 0.1 Production 1
 0.01 technology 0.1
 0.001 0.01
 40
 Tóm tắt
• Hệ thống nhúng có mặt ở mọi nơi
• Thách thức chính: tối ƣu các thông số thiết kế
 – Các thông số thiết kế có quan hệ ràng buộc với nhau
• Vì vậy, có hiểu biết chung về cả phần cứng và phần mềm là rất 
 cần thiết để tăng tính sản xuất của hệ nhúng
• Ba công nghệ chìa khóa đối với hệ nhúng
 – Công nghệ bộ xử lý: Chức năng chung, chức năng đơn hay chức năng 
 chuyên biệt
 – Công nghệ IC: Chuyên dụng đầy đủ, bán chuyên dụng, PLD
 – Công nghệ thiết kế: Biên dịch/tổng hợp, thƣ viện/IP, kiểm tra/thử 
 nghiệm
 41