Podstawowe pojecia:

1
Systemy wbudowane w ukladach sterowaniaWyklad
1dr inz. Andrzej PrzybylKatedra Inzynierii
KomputerowejWydzial Inzynierii Mechanicznej i
InformatykiPolitechnika Czestochowska

• Podstawowe pojecia
• System wbudowany (embedded), system
  mikroprocesorowy, mikrokontroler
• System On a Chip (SOC)
• Uklad sterowania
• Architektura i elementy skladowe typowego systemu
  mikroprocesorowego

2
Systemy wbudowane (ang. embedded systems)

• Systemy wbudowane
• systemy mikroprocesorowe/mikrokomputerowedo
  zastosowan wbudowanych
• System wbudowany
• Kompletny, kompaktowy system komputerowy zawarty
  na jednej plycie bazowej.
• Zawiera wszystkie niezbedne uklady peryferyjne,
  niezbedne do pracy w dedykowanym obszarze
  zastosowan, zawarte na plytce elektronicznej.
  Wymaga tylko zasilania i ew. klawiatury, myszy i
  monitora, itp.
• Najczesciej pozbawiony jest gotowej obudowy
  przeznaczony do wbudowania w sterowane urzadzenie

3
Systemy wbudowane i ich oprogramowanie

• ) Systemy wbudowane to platformy sprzetowe i
  programowe dedykowane do wykonywania scisle
  okreslonych zadan (ich przeciwienstwo stanowia
  komputery ogólnego zastosowania, np. klasy PC).
  Niektóre z nich musza dodatkowo spelniac wymogi
  systemów czasu rzeczywistego, inne moga miec
  mniej restrykcyjne wymagania odnosnie wydajnosci,
  co ma przelozenie na prostote konstrukcji i dalej
  koszt produkcji.
• Oprogramowanie (firmware) dla urzadzen
  wbudowanych stanowi specyficzna galaz
  programowania narzucajaca restrykcyjne
  ograniczenia na rozmiar, budowe oraz szybkosc
  dzialania programu (oprogramowanie czasu
  rzeczywistego, tworzenie sterowników dla urzadzen
  oraz systemów operacyjnych dedykowanych dla
  konkretnych platform sprzetowych, przetwarzanie
  sygnalów - DSP).
• ) definicje znalezione, za pomoca wyszukiwarki
  google, na stronie internetowej
  http//www.codeconcept.pl/pl/Services_FW_Embedded.
  php
• Inne ciekawe informacje ze stron www
• http//www.sterowniki.pl/index.php?optionArticles
  taskviewarticleartid13
• http//www.guru.com.pl/

4
Przykladowe systemy mikroprocesorowe do
wbudowania
5
Przykladowy procesor sygnalowy wyposazony w
liczne peryferia.ADSP21992 firmy Analog Devices
6
System On a Chip (SOC) Zawiera wiekszosc
elementów niezbednych do pracy systemu zawarte w
strukturze krzemowej ukladu scalonego. W tym
czesto uklady o róznej technologii cyfrowe
analogowe. Typowy obszar zastosowan to systemy
wbudowane.
CMOS Intelligent Vision System-on-Chip
Full-frame CMOS active-pixel grey level image
High dynamic range logarithmic response to light
Non integrating continuos current reading pixels
320 x 256 pixel resolution, 8-µm pitch square
pixels, array size 2.560 x 2.048 mm2 Zródlo
www.neuricam.com
7
Przykladowe systemy wbudowane

• -Klawiatura i mysz komputera PC
• -Drukarka, skaner, dysk twardy ...
• -Telefon GSM, fax, magnetofon cyfrowy, odtwarzacz
  MP3,

Procesory z rodziny ARM
telefon UMTS z procesorem ARM 104MHz
8
Klawiatura PC
1 - mikroprzelaczniki, 2 - mikroprocesor

• -lacznosc z PC szeregowa synchroniczna
  (22przewody)

9
Mysz PC
1. Kulka pokryta guma 2. Mikroprocesor
odbierajacy impulsy z rolek 3. Rolki - mierzace
ruch w pionie i w poziomie

• -lacznosc z PC szeregowa asynchroniczna
  (22przewody)

10
Dysk twardy, stacje dyskietek

• -sterowanie silnikami naped talerzy, przesuwanie
  glowicy
• przetwarzanie danych z glowicy, komunikacja z PC

11
Podstawowe elementy Systemu Komputerowego sygnal
zerujacy (RESET) na przykladzie SAB80C537
12
Sygnal taktujacy (zegar)
13
Pamieci - rodzaje
Ulotne (volatile) Pamieci RAM (Random Access
Memories) statyczne/dynamiczne Nieulotne
(nonvolatile) wiele technologii, np.FLASH,
EPROM/EEPROM/FRAM, NVRAMOperacyjne/Masowe O
dostepie równoleglym/O dostepie
szergowymAsynchroniczna FPM DRAM (Fast Page
Mode), EDO RAM Synchroniczna SDRAM dominuje
w PCPodwójnej wydajnosci Dual Data Rate (DDR),
DDR2/DDR3 - transmisja na obu zboczach zegara
taktujacego. Specjalne np. dwuportowe, FIFO
14
Podlaczenie pamieci do systemu komputerowego
15
Pamiec dynamiczna Dynamic RAM (DRAM)tania i
bardzo szybka - pamiec wymagajaca cyklicznego
odswiezania zawartosci (poprzez odczytywanie),
uzywana w duzych systemach, np. PC
16
Pamiec dynamiczna RAM
17
Pamiec dynamiczna RAM
18
Pamiec dynamiczna RAM
19
Przykladowy system komputerowy z podlaczona
pamiecia dynamiczna (SDRAM)

• Widoczny jest sposób podlaczenia kilku ukladów
  scalonych pamieci dynamicznej, w celu
  rozszerzenia slowa z 4 do 16 bitów
• Magistrala adresowa ma szerokosc slowa 15-bitów
  (A14..0), co teoretycznie pozwala na
  zaadresowanie tylko 32768 lokacji (215). Jednak
  stosowany mechanizm adresowania RAS i CAS pozwala
  na adresowanie w obszarze 1GB (230 1 giga)
• Mozliwe jest podlaczenie 8 zamiast 4 ukladów
  scalonych w celu uzyskania slowa 32-bitowego.
• Procesor sterujacy musi posiadac specjalna
  magistrale, z wszystkimi niezbednymi mechanizmami
  do komunikacji z pamiecia synchroniczna
  dynamiczna.

20
Przykladowy cykl odczytu systemu ADSP21369 z
pamieci dynamicznej

• Widoczne sa kolejne synchroniczne cykle taktujace
  pamiec
• Adresowanie ROW (RAS)
• Adresowanie COL (CAS)
• puste cykle oczekiwania (NOP) zwiazane z
  szybkoscia pamieci
• Po szesciu cyklach od zainicjowania odczytu
  pamiec wystawia dane na magistrale danych

21
Przykladowy cykl zapisu systemu ADSP21369 do
pamieci dynamicznej

• Widoczne sa kolejne synchroniczne cykle taktujace
  pamiec
• Adresowanie ROW (RAS)
• Adresowanie COL (CAS)
• puste cykle oczekiwania (NOP) zwiazane z
  szybkoscia pamieci
• Po dwu cyklach od zainicjowania zapisu procesor
  musi wystawic dane na magistrale danych, aby
  pamiec mogla je zapisac w czasie kolejnych 4 cykli

22
Pamiec statyczna Static RAM (sRAM)

• Szybka, dosc droga typowa pamiec uzywana jako
  pamiec operacyjna w malych systemach
  mikroprocesorowych,
• Sluzy tez jako pamiec buforujaca miedzy duza
  pamiecia operacyjna komputerów typu PC
  (zrealizowana w postaci pamieci dynamicznej) i
  procesorem (tzw. pamiec cache - poziomu /level/
  I, II, III)
• Rozsadna granica stosowania pamieci statycznej
  jest zapotrzebowanie systemu komputerowego na
  pamiec ponizej jednego megabajta (MB)

Rys. Budowa pojedynczego bitu pamieci statycznej
23
Pamiec statyczna RAMpamiec statyczna typu
IS62C256 32K x 8 LOW POWER CMOS STATIC RAM,
producent ISSI
24
Pamiec statyczna magistrale
25
Cykl dostepu do pamieci statycznej
asynchronicznej odczyt pamieci (cykl odczytu)
CS CHIP SELECT (podobna nazwa CE CHIP
ENABLE) OE OUTPUT ENABLE (podobna nazwa RD
READ) Brak cykli zegarowych znanych z pamieci
synchronicznej operacje dostepu musza sie
odbywac w scisle okreslonych przedzialach
czasowych.
26
Cykl dostepu do pamieci statycznej
asynchronicznejzapis do pamieci (cykl zapisu)
WE WRITE ENABLE (lub WR)
27
Przykladowy system z procesorem DSP
wspólpracujacy z pamieciami StaticRAM i DynamicRAM
28
Pamieci RAM - moduly

• Szeroka magistrala danych
• duza szybkosc duza liczba wyprowadzen (pinów)

29
Dysk twardy, stacje dyskietek

• -sterowanie silnikami naped talerzy, przesuwanie
  glowicy
• przetwarzanie danych z glowicy, komunikacja z PC

30
Wstepne wnioski

• Ze wzgledu na bardzo róznorodne wymagania i
  funkcje systemów wbudowanych nie jest mozliwe
  zbudowanie jednej uniwersalnej platformy
  sprzetowej dla wszystkich zastosowan
• Z technicznego punktu widzenia najlepszym
  rozwiazaniem jest zaprojektowanie dedykowanego
  sprzetu na potrzeby konkretnego zastosowania.
• Jednak w przypadku produkcji maloseryjnej nie
  jest to ekonomicznie uzasadnione. Dlatego, w
  takim przypadku dobrze jest zastosowac gotowe
  platformy sprzetowe do zastosowan wbudowanych.

31
Okreslenie warunków jakie musi spelniac system
sterowania

• Warunek konieczny w kazdym systemie sterowania
  zapewnienie determinizmu. Reakcja systemu za
  zdarzenie nie moze zajsc pózniej niz w odgórnie
  okreslonym limicie czasu.
• Jest to tzw. system czasu rzeczywistego.
  Praktycznie kazdy system sterowania musi byc
  systemem czasu rzeczywistego.
• Istnieje tzw. miekkie i twarde systemy czasu
  rzeczywistego (Soft Real Time Systems i Hard Real
  Time Systems) rózniace sie tym jak rygorystyczne
  sa warunki dotyczace determinizmu.
• W systemach Hard Real Time rygor czasu
  rzeczywistego jest najwyzszy, co czesto
  dyskwalifikuje mozliwosc uzycia jakiegokolwiek
  systemu operacyjnego. Nawet tzw. Systemy
  Operacyjne Czasu Rzeczywistego (Real Time
  Operating Systems RTOS) nie sa w stanie czesto
  spelnic wymaganego rezimu czasowego.
• Uzycie systemu operacyjnego ulatwia prace
  programiscie, gdyz udostepnia wiele gotowych i
  przydatnych funkcji, takich jak konfiguracja
  startowa systemu (zainicjowanie urzadzen do
  pracy), obsluga pamieci masowej (system plików na
  dyskach), zarzadzanie pamiecia wirtualna, obsluga
  urzadzen interfejsu uzytkownika (ekran, mysz,
  klawiatura, dzwiek) itp.

32
Dobór platformy sprzetowej, do wykorzystania w
systemach sterowania

• Okreslenie algorytmu i programu, jaki ma byc
  uzywany w projektowanym systemie. W szczególnosci
  oszacowanie zapotrzebowania na
• Koniecznosc stosowania systemu operacyjnego czasu
  rzeczywistego lub brak koniecznosci stosowania
  jakiegokolwiek systemu operacyjnego
• Pamiec operacyjna (pojemnosc)
• Pamiec nieulotna/masowa pamiec flash, dysk
  twardy itp.
• Moc obliczeniowa procesora
• Specyficzne wlasciwosci procesora DSP,
  specjalizowane koprocesory, jednostki FPGA, itp..
• Okreslenie wymaganych interfejsów I/O
  (Input/Output) uzytkownika
• Ekran graficzny, alfanumeryczny, proste
  wyswietlacze LED, glosnik, klawiatura, mysz,
  joystick, dodatkowe przyciski i czujniki
• Okreslenie wymaganych interfejsów I/O do
  komunikacji z urzadzeniem sterowanym oraz innymi
  elementami systemu
• linie wejsciowo-wyjsciowe (tzw. porty)
• generatory czasowo-licznikowe, sterowniki
  impulsowe PWM
• wejscia lub wyjscia analogowe
• specjalizowane lub uniwersalne interfejsy
  komunikacyjne Ethernet, RS 232/485, CAN, USB,
  Fire Wire, Bluetooth, WiFi, itp.

33
Przykladowe platformy sprzetowe

• Moduly komputerowe w postaci kanapkowej PC/104
  oraz kilka przykladowych kart rozszerzen

34
Przykladowe platformy sprzetowe

• Przykladowe komputery przemyslowe PC do
  zastosowan wbudowanych

35
Przykladowe platformy sprzetowe

• Moduly z mikrokontrolerami lub ukladami FPGA
• Zdjecia modulu FPGA do serwonapedów (prawa strona
  slajdu) pobrano ze strony autora wykladu
• http//kik.pcz.czest.pl/ap/projekt/index.php?opt
  ioncom_contenttaskviewid106Itemid36

36
Przykladowe pytania testowe

• Czym róznia sie od siebie pamieci statyczne i
  dynamiczne?
• Czym rózni sie praca synchroniczna i
  asynchroniczna pamieci operacyjnej?
• Co to sa pamieci ulotne i nieulotne?
• Jak pod wzgledem logicznym adresowana jest pamiec
  systemu komputerowego? (szerokosc magistral
  adresowej i danych a dostepny dla programisty
  obszar pamieci)?
• Co dzieje sie w systemie komputerowym po podaniu
  sygnalu RESET?
• Do czego sluzy sygnal zegarowy w systemie
  komputerowym?