АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА ВСТРОЕННЫХ СИСТЕМ  1 страница

ВСТРОЕННЫЕ МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ

Издательство

Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2018г.

УДК 004.415.2

ББК 32.973.202-018.2

Рецензенты:

Начальник отдела ТО-5 ОАО «Стар»,

кандидат технических наук С.В. Березняков;

кандидат технических наук, доцент Т.С. Леготкина,

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Гончаровский О.В. Матушкин Н.Н., Южаков А.А.

Встроенныемикропроцессорные системы: учеб. пособие / О.В. Гончаровский, Н.Н.Матушкин, А.А. Южаков – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2012. – 1хх с

ISBN xxx-x-xxx-xxxx-x

       В учебном пособии рассмотрены организация аппаратной части встроенных микропроцессорных систем. Рассмотрена методология проектирования компонент встроенных систем на программируемой логике по модели программно-управляемого автомата. Рассмотрена методология проектирования прикладного программного обеспечения встроенных систем ориентированная на модель, позволяющая освоить разработку функциональных спецификаций для систем управления двигателями летательных аппаратов. 

Предназначено для студентов, обучающихся по профилю подготовки магистров 16070051.68 – Информационные технологии в разработке двигателей летательных аппаратов.

Учебном пособии может быть полезно студентам смежных направлений подготовки.

                                                                                       УДК 004.415.2

                                                                                        ББК 32.973.202-018.2

ISBN xxx-x-xxx-xxxx-x                                                     ПНИПУ, 2012

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………

МОДУЛЬ 1.

1. АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА ВСТРОЕННЫХ СИСТЕМ………………

1.1. Организация аппаратных средств встроенных микропроцессорных

систем ………………………………………………………………………………

1.2. Элементы архитектуры процессоров встроенных систем …………….

1.2.1. Множество команд ……………………………………………………..

1.2.2. Программная модель ……………………………………………………

1.2.2.1. Регистры ……………………………………………………………….

1.2.2.2. Типы данных …………………………………………………………..

1. 2.3. Модели памяти ………………………………………………………….

1. 2.3.1. Адресное пространство ……………………………………………….

1.2.3.2. Порядок байт …………………………………………………………..

1. 2.3.3. Когерентность памяти ………………………………………………..

1. 2.3.4. Защита памяти …………………………………………………………

1. 2. 4. Модель прерываний ……………………………………………………

1.2. 5.Модель управления памятью ……………………………………………

1.2.5.1. Страничная организация памяти ………………………………………

1.2.5.2. Сегментация памяти ……………………………………………………

1.3. Типы процессоров ………………………………………………………….

1.4. Формы параллелизма в процессорах ……………………………………..

        1.4.1. Конвейеризация …………………………………………………………...

1.4.2. Параллелизм уровня команд ……………………………………………..

1.5.Технологии памяти ………………………………………………………….

1.5.1. Оперативная память ………………………………………………………

   1.5.1. 1. Статическое ОЗУ ……………………………………………………….

   1.5.1. 2. Динамическое ОЗУ ……………………………………………………..

1.5.2. Постоянное запоминающее устройство (ROM) ………………………...

1.6. Иерархия памяти ……………………………………………………………

1.6.1. Распределение или карта памяти ………………………………………...

1.6.2. Блокнотная и кэш память …………………………………………………

1.6.2.1. Кэш-память прямого отображения …………………………………….

1.6.2.2. Ассоциативная по множеству кэш-память ……………………………

1.6.2.3. Обновление кэш-памяти ………………………………………………...

1.6.2.4. Протокол когерентности кэширования с обратной записью ………..

1.6.2.5. Команды поддержки когерентности памяти …………………………..

1.7. Магистраль микропроцессорной системы …………………………………

1.7.1. Циклы обращения к магистрали ………………………………………….

1.7.2. Двухшинная магистраль ………………………………………………….

1.8. Базовые устройства ввода-вывода встроенных систем ……………………

1.8.1. Порты ввода-вывода общего назначения …………………………………

1.8.2. Таймер-счетчик …………………………………………………………….

1.8.3. Импульсно-кодовая модуляция ……………………………………………

1.8.4. Многоканальный аналого-цифровой преобразователь …………………..

1.9. Базовые последовательные интерфейсы ввода-вывода  встроенных систем

1.9.1. Асинхронный старт-стопный интерфейс …………………………………

1.9.2. Интерфейс SPI ………………………………………………………………

1.9.3. Интерфейс I2C ………………………………………………………………

1.9.4.Шина USB ……………………………………………………………………

1.9.4.1.Введение в USB ……………………………………………………………

1.9.4.2.Интерфейс Open Host Controller для USB ……………………………….

Вопросы для самопроверки ……………………………………………………………

МОДУЛЬ 2

1.10.Язык проектирования аппаратуры VHDL ………………………

1.10.1.Реконфигурируемая    логика …………………………………

1.10.2. Введение в VHDL ………………………………………………………

1.10.2.1. Программирование на VHDL для моделирования и синтеза ………

1.10.2.2. Entity и architecture ……………………………………………………

1.10.2.3. Операторы присваиваниеи process …………………………………

1.10.2.4. Цикл моделирования VHDL ……………………………………….

1.10.2.5. Многозначная логика и стандарт IEEE 1164 …………………..

1.11. Проектирование устройств ввода-вывода и контроллеров интерфейсов

ввода-вывода по модели программно-управляемого автомата…………………..

1.12. Интегрированная среда разработки аппаратных средств Active-HDL^TM

Вопросы для самопроверки ……………………………………………………………

МОДУЛЬ 3

2. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ВСТРОЕННЫХ СИСТЕМ ……….

2.1 Модель вычислений ………………………………………………

2.2 Автомат с конечным числом состояний …………………………………

2.3. Асинхронный язык проектирования SDL………………………………

2.4. Синхронный язык проектирования Lustre ………………………………

2.5. Многозадачность……………………………………………………….

2.5.1. Язык программирования Си …………………………………………..

2.5.2. Потоки ………………………………………………………………..

2.5.2.1. Реализация потоков …………………………………………………..

2.5.2.2. Взаимное исключение ………………………………………………..

2.5.2.3. Взаимная блокировка …………………………………………………

2.5.2.4. Модели непротиворечивости памяти ………………………………..

2.5.2.5. Проблемы с потоками …………………………………………………

2.5.3. Процессы и передача сообщений ……………………………………….

2.6. Интегрированная среда разработки прикладного программного обеспечения.

2.6.1. Средства разработки программ для встроенных систем на Си………..

2.6.2. Комплект программ Telelogic Tau SDL Suite ……………………………

2.6.3. Средства разработки программного обеспечения встроенных систем

SCADE …………………………………………………………………………….

2.7. Валидация и оценка проекта ………………………………………………..

2.7.1. Моделирование, эмуляция и макетирование ……………………………

2.7.2. Формальная верификация …………………………………………………

2.7.3. Оценка производительности ………………………………………………

2.7.3.1. Оценка WCET ……………………………………………………………

2.7.3.2. Исчисление реального времени …………………………………………

2.7.4. Модели энергии и мощности ……………………………………………

2.7.5. Тепловая модель ………………………………………………………….

Вопросы для самоконтроля ………………………………………………………….

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ………………………………………………………………………..

Задания ………………………………………………………………………………….

Библиографический список ………………………………………………………….

ВВЕДЕНИЕ

Объектом изучения дисциплины являются встроенные микропроцессорные системы. Приходится констатировать, что не существует единственного определения встроенных систем. Можно рассмотреть ряд из них для более точного понимания сути встроенных систем (определения взяты из лекций специалистов ряда  университетов ведущих в этой области подготовки специалистов).  

1. Встроенная система – это  система обработки информации, включенная в состав изделий.

2. Встроенная система тождественно равна компьютерной системе, спроектированной для выполнения одной или нескольких специальных функций.

3. Встроенная система – это  система, включенная в оборудование и взаимодействующая с ним с целью измерения или управления.

4. Встроенная система –  это то, что имеет программное обеспечение специального применения, размещенное в компьютерном оборудовании.

5. Встроенная система – это некоторое устройство, содержащее программируемый компьютер, который не предназначен для роли компьютера общего назначения.

Общим для всех определений является то, что встроенная система есть компонент законченного изделия, выполняющий специальные функции (характерны только для этого типа изделий). Эти функции реализуются методами и средствами информационных технологий.

Встроенные системы от остальных систем отличаются такими характеристиками как:

• Повышенная надежность.

• Повышенная безопасность.

• Критичность к реальному времени.

• Структура стоимости: периодические издержки на разработку аппаратной части (решающее значение для потребительского рынка); разовые затраты на разработку программного обеспечения (возможны ограничения на время вывода нового изделия на рынок).

• Ограничения, которых обычно нет для настольных компьютеров: объем памяти, среда разработки, потребляемая мощность, интерфейс оператора.

• Быстродействие процессора не является гарантией времени отклика.

• Интерфейс с окружающим миром через сенсоры и исполнительные механизмы.

• Смешанное поведение – взаимодействие с непрерывной окружающей средой с помощью логических функций и конечных автоматов.

Результаты исследования (на 2009 год) структуры рынка встроенных систем, приведенные ниже в виде гистограммы, говорят о том, что три четверти встроенных систем это системы реального времени, т.е. системы с ограничением на время решения задачи и больше половины являются распределенными системами. 

Выделяют 4 типа встроенных систем, определяемые областью их применения (или спецификой решаемых задач):

• Управление: автоматизация технологических процессов, аэрокосмическая техника, автомобильная техника, бытовая техника.

• Системы связи: мобильные телефоны, сетевое оборудование и оборудование систем передачи.

• Обработка аудио и видеосигналов.

• Карманные компьютеры и портативные игры.

В этих системах микропроцессорные средства чаще всего выполняют функции, которые можно сгруппировать следующим образом.

• Реализация классических законов управления, нечёткого управления (Fuzzy logic) и других.

• Реализация последовательностной логики: конечные автоматы, модули переключения между различными законами управления.

• Обработка сигналов: сжатие данных мультимедиа, цифровая фильтрация, гармонический анализ. 

• Специализированное сопряжение с кнопками, звуковыми и световыми индикаторами, высокоскоростным вводом-выводом.

• Диагностика: обнаружение неисправностей и реконфигурация. 

Характеристики встроенных систем, выполняемые ими функции, сделали их применене тотальным, охватывающим практически все области человеческой деятельности.

Предметом изучения дисциплины являютсяорганизация аппаратных средств микропроцессорных систем управления, метод проектирования их устройств ввода-вывода на программируемой логике, а также метод проектирования прикладного программного обеспечения, основанный на модели, который используются в мировой практике при разработке систем управления двигателей летательных аппаратов.

Система управления поршневыми и газотурбинными авиационными двигателями или FADEC (Full Authority Digital Engine Control) – это, по сути, небольшой компьютер, выполняющий мониторинг и управление различными функциями: запуск двигателя, сохранение во время полета безопасности и эффективности работы двигателя, остановка двигателя. Для газотурбинного двигателя на FADEC лежит главная ответственность за контроль и регулирование топливного насоса обеспечивающего безопасную и контролируемую мощность турбины. Во время запуска и останова двигателя FADEC управляет соответствующими последовательностями действий.

    В случае поршневых двигателей смесь топлива с воздухом в камере сгорания должна быть воспламенена в правильный момент времени для обеспечения эффективного горения и генерации мощности. Эту работу ранее выполняло магнето, в современных двигателях это лежит на микропроцессорной  системе зажигания FADEC. Система зажигания измеряет данные, поступающие от датчиков  MAP (измеритель давления в воздухопроводе), CHT (измеритель температуры головки цилиндра), EGT (измеритель температура выходящих газов), RPM (датчик скорости вращения), атмосферного давления и давления топлива. FADEC управляет инжекцией топлива и временем зажигания для оптимизации мощности, выдаваемой двигателем. Регулирование времени зажигания искры зависит от оборотов, положения ручки газа и приводит к сглаживанию работы двигателя при переменной нагрузке или выполнению быстрого запуска.

Рассмотренные области применения и функции, реализуемые встроенными системами, свидетельствуют об их актуальности как узлов управления изделиями

 («мозги» изделий), уровень совершенства которых непосредственно влияет на важнейшие характеристики изделий. В частности для авиационного двигателя на встроенной системе (электронном регуляторе двигателя) лежит главная ответственность за безопасную и контролируемую мощность, экономичность и определение технического состояния.

Проектирование встроенных систем является сложной задачей, которая разбивается на ряд подзадач приемлемой сложности. Эти подзадачи решаются  последовательно друг за другом, но часто  решения некоторых из них выполняются  итеративно. Проектирование начинается с идей. Идеи должны включать знания прикладной области, а затем должны быть трансформированы в спецификацию. Также необходимы сведения о стандартных компонентах аппаратного и системного программного обеспечения. Эти компоненты по возможности многократно используются в проекте. Вся информация сохраняется в репозитории проекта (рис.1 [1]). С использованием репозитория проектные решения могут приниматься в итерационной манере. Во время проектных итераций прикладные задачи отображаются на исполнительную платформу, и генерируется новая проектная информация. Генерация включает в себя отображение операций на одновременные задачи, отображение операций или на аппаратуру или на программное обеспечение, компиляцию и планирование задач. В общем случае отображение выполняется на мультипроцессорную систему, принадлежащую к одному из двух классов.

Однородные (гомогенные) мультипроцессорные системы: все процессоры системы обеспечивают одинаковую функциональность. Это вариант многоядерной архитектуры персональных компьютеров. Совместимость программ различных процессоров – ключевое преимущество, которое используется планировщиком задач во время работы программ, а также при проектировании с целью достижения отказоустойчивости. Также упрощается разработка платформы и инструментов проектирования из-за однотипности процессоров.

Рис. 1. Упрощенная последовательность проектирования

Неоднородные (гетерогенные) мультипроцессорные системы: процессоры принадлежат к различным типам, что обеспечивает большую эффективность системы. Гистограмма, приведенная ниже, представляет долю различных процессорных компонент в реализации встроенных систем как мультипроцессорных систем.

    Задача отображения формулируется следующим образом.

Дано:

1. Множество прикладных задач.

2.  Примеры, описывающие, как эти задачи будут использоваться.

3.  Множество архитектур-кандидатов:

– процессоры (возможно неоднородные); 

–  архитектуры коммуникаций (возможно неоднородные);

–  возможные политики планирования выполнения задач.

     4. Технические требования:

–  сохранение времени выполнения задачи и/или максимизировать производительность.

–  минимизация цены, энергопотребления, …

Найти:

1. Отображение задач на процессоры.

2. Варианты планирования выполнения задач.

3. Архитектуру.

Проектные решения должны быть оценены(evaluation) по отношению к различным техническим требованиям, таким как производительность, энергосбережение, технологичность и т.д. Оценка проекта это процесс вычисления ключевых количественных характеристик системы.

При современном состоянии искусства проектирования ни один этап не гарантирует корректный результат. Следовательно, необходима валидация (validation)проекта, т.е. действия по проверке соответствует или нет проект его целям, удовлетворяет или нет всем ограничениям, и будет ли выполняться, как задумано. Валидацию, выполняемую с математической строгостью называют верификацией (формальной). 

Из-за важности такого качества встроенных систем как эффективность, значимой становится оптимизация проекта.

Генерация тестов и оценка конролепригодности может выполняться во время проектных итераций или в конце процесса проектирования.

          На следующей гистограмме приведены затраты времени на выполнение различных этапов проектирования.

Для снятия ограничений с доступных современных технологий проектирования встроенных систем необходимо  совершенствование:

          –   языков спецификации и моделирования;

–   инструментов генерации реализации систем из их спецификации;

–   средства временной верификации;

–   системное программное обеспечение;

          –   операционные системы реального времени.

Необходимо так же четко осознавать проблемы проектирования встроенных систем, связанные с их особенностями:

–  аппаратная сложность;

–  разнородная система, состоящая из аппаратной и программной частей;

–  разнородные компоненты (центральные процессорные узлы, процессоры цифровой обработки сигналов, специализированные интегральные схемы, шины и т.д.);

–  разнородные требования: производительность, стоимость, потребление энергии и т.д.

–  реализация в виде системы на кристалле;

–  укорочение цикла проектирования из-за ограничения на время вывода нового изделия на рынок.

Дисциплина «Встроенные микропроцессорные системы» относится к вариативной части цикла профессиональных дисциплин профиля подготовки магистра  16070051.68 «Информационные технологии в разработке двигателей летательных аппаратов». Ее трудоемкость составляет 180 часов, из них лекции 18 часов, лабораторный практикум 24 часа и самостоятельная работа 136 часов.

Цель изучения учебной дисциплинысостоит восвоение современных методов проектирования спецификаций систем управления авиационных двигателей для их последующего преобразования в прикладное программное обеспечение с учетом особенностей аппаратного обеспечения.

Учебное пособие призвано обеспечить формированию следующих частей профессиональных специальных компетенций относящихся к этой области деятельности магистров:

– Способность проводить анализ и выбор проектных решений систем управления двигателей летательных аппаратов (ПСК3).

– Готовность применять современные аппаратные средства и программное обеспечение для проектирования систем управления двигателями летательных (ПСК2).

Учебное пособие разбито на три модуля. Первые два модуля посвящены аппаратным средствам встроенных систем, а третий – программному обеспечению встроенных систем. Модули содержат примеры. После каждого модуля приведены вопросы для самоконтроля. Завершает учебное пособие набор заданий для поддержки формирования элементов компетенций «умеет».

 Задача первого модуля учебного пособия состоит в  формировании таких компонент компетенции ПСК3 как:

– Знать организацию современных аппаратных средств и элементы архитектуры процессоров встроенных систем, базовые устройства ввода-вывода и базовые последовательные интерфейсы ввода-вывода встроенных систем. 

– Уметь  использовать знания организации и архитектуры встроенной систем для проектирования ее функциональной схемы;

Задача  второго модуля учебного пособия состоит в формировании таких компонент компетенции ПСК3 как:

– Знать  методы проектирования элементов ввода-вывода встроенных систем на программируемой логике;  

– Уметь  использовать модель программно-управляемого автомата и язык VHDL для проектирования программ-спецификаций элементов ввода-вывода встроенных систем.

Задача  третьего модуля учебного пособия состоит в формировании компонент компетенции ПСК2:

 – Знает модели вычислений встроенной системы и  многопоточный механизм организации одновременного выполнения кода программы.

– Умеет использовать подход к разработке прикладного программного обеспечения основанный на модели для построения и реализации модели вычислений встроенной системы.

МОДУЛЬ 1

АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА ВСТРОЕННЫХ СИСТЕМ 

В учебном пособии рассматривается класс встроенных систем, разрабатываемых для выполнения функций устройств управления в системах управления. На рис. 2 приведена структура аппаратных средств систем управления.

Рис.2. Структура аппаратных средств систем управления

Сигналы о состоянии объекта управления поступает во встроенную систему в общем случае через аналоговые датчики. Преобразование этих сигналов в цифровую форму выполняет узел аналого-цифрового преобразования (АЦП или ADC), в состав которого входит устройство выборки-хранения (УВХ). Узел обработки информации в соответствии с целевой функцией формирует сигналы для устройства отображения информации и для воздействия на объект управления через узел цифро-аналогового преобразования (ЦАП или DAC) и исполнительные механизмы (в общем случае аналоговые устройства).  

Узел обработки информации является основным элементом встроенных систем. Наиболее важное ограничение для него  – это мощность, уменьшение потребления которой приводит к уменьшению размеров источника питания, регулятора напряжения, системы охлаждения и уменьшению потребления энергии. Уменьшение потребления энергии важно для мобильных устройств, т.к. технологии производства батарей совершенствуются очень медленно и, следовательно, стоимость энергии остается высокой. Также уменьшение потребления энергии уменьшает требования к охлаждению и увеличивает надежность (время жизни электронных устройств уменьшается при повышении температуры).

Узлы обработки информации могут быть реализованы с помощью специализированных схем, микропроцессорных систем и программируемой логики.

Для реализации задач, требующих высокой производительности и большого рынка сбыта могут быть разработаны специализированные схемы (Application-Specific Circuits – ASICs) или по-другому полностью заказные СБИС. Однако стоимость разработки и изготовления таких кристаллов может быть очень большой. Например, стоимость комплекта масок для формирования топологии на кристалле может достигать 100000 – 1000000 долларов. Остается фактом экспоненциальный рост в последние годы стоимости комплекта масок. Кроме того этот подход имеет длительный период проектирования при отсутствии гибкости: корректировка ошибок проекта обычно требует нового комплекта масок и нового запуска производства.

Следовательно, специализированные схемы подходят, только если требуется максимальная энергетическая эффективность и большое количество таких устройств. По этой причине они не рассматриваются в учебном пособии.

1.1. Организация аппаратных средств встроенных

микропроцессорных систем

Под микропроцессорной системой (МПС или MPS) будем понимать функционально  законченное изделие, содержащее хотя бы один процессор (часто говорят центральный процессорный узел ЦПУ или CPU), реализованный в виде БИС или СБИС. На рис.3 приведена структурная схема простой MPS. Эта схема является частью понятия организации MPS, которое включает состав программно-аппаратных средств, связи между ними и их функциональные характеристики. Кроме  CPU простая MPS содержит основную память (ОП или Main Memory – MM) для хранения программ и данных, устройства ввода-вывода (УВВ или I/O), связывающие MPS с внешним миром и магистраль (М или System Bus – SB), объединяющую эти три компонента в единое целое. Основная память в общем случае включает в себя два типа устройств: оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) и постоянные запоминающие устройства (ПЗУ).

Рис.3. Структурная схема простой микропроцессорной системы

CPU считывает из MM команды, образующие программу, декодирует их. Команда – это элементарное действие, которое определяется типом используемых данных, источником их получения, операцией над ними, приемником результата, а также источником получения следующей команды. По результату декодирования ПУ выполняет выборку данных из MM или I/O, выполняет их обработку и  пересылает результат обратно в MM или I/O – программно-управляемый обмен. Передача данных между MM и I/O, минуя CPU, выполняется по каналу прямого доступа в память.

С точки зрения CPU MM и I/O представляют собой линейно упорядоченный набор байт со своими номерами (адресами). Диапазон значений адресов памяти, которые может сформировать CPU для передачи по магистрали, называют логическим (линейным или исполнительным) адресным пространством. Диапазон адресов, реализованных в MM и I/O, называют физическим адресным пространством.

Для хранения программ и данных может использоваться одно пространство памяти. Такая организация получила название архитектуры Дж. фон Неймана – кодирование программ в формате, соответствующем формату данных. Программы и данные хранятся в едином пространстве, и нет никаких признаков, указывающих на тип информации в ячейке памяти.

Для хранения программ и данных может использоваться одно пространство для хранения программ, а другое для хранения данных. Такая организация получила название архитектуры Гарвардской лаборатории. Память программ и память данных разделены и имеют свои собственные адресные пространства и способы доступа к ним.

На рис.4 приведена обобщенная структурная схема CPU. Узел интерфейса (УИ) обеспечивает доступ к магистрали MPS.

                                           Рис.4. Структурная схема процессора

Кэш память предназначена для улучшения взаимодействия основной памяти и процессорного ядра.

    Узел управления памятью (УУП или MMU) в общем случае предназначен для организации виртуального адресного пространства.

Узел загрузки/сохранения (УЗС) выполняет команды загрузки и сохранения данных, обеспечивая пересылки данных между регистрами и памятью.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет операции целочисленной арифметики и логические операции над данными из внешней памяти или узла регистров (УР), а узел арифметики с плавающей запятой (УПЗ) выполняет операции над данными, представленными в одноименном формате.

Узел регистров предназначен для хранения данных и адресов внешней памяти процессора.

Среди регистров CPU выделяется счетчик команд (РС – Program Counter), находящийся в УВК и указывающий на адрес команды, которую необходимо выполнить. В УВК находится также регистр команд (IR – Instruction Register), содержащий команду, выполняемую в данный момент.