Γκζςμαηςμέκα Τπμιμγηζηηθά οζηήμαηα

Transcript

1 Γκζςμαηςμέκα Τπμιμγηζηηθά οζηήμαηα Δηδάζθςκ: Ειίαξ Ιακςιάθμξ Ακηί πνμιόγμο In the next century, planet earth will don an electronic skin. It will use the Internet as a scaffold to support and transmit sensations. This skin is already being stitched together. It consists of millions of embedded electronic measuring devices: thermostats, pressure gauges, pollution detectors, cameras, microphones, glucose sensors, EKGs, electroencephalographs. These will probe and monitor cities and endangered species, the atmosphere, our ships, highways and fleets of trucks, our conversations, our bodies -- even our dreams. - Neil Gross, The Earth Will Don An Electronic Skin, in 21 Ideas for the 21 st Century, BusinessWeek online.

2 Γκζςμαηςμέκα Τπμιμγηζηηθά οζηήμαηα Ιμκηειμπμίεζε, πεδίαζε, Τιμπμίεζε Ση ζα θαιύρμομε: Γκςνημία - Ονγάκςζε Απαηηήζεηξ Γηζαγςγή ζηα Γκζςμαηςμέκα οζηήμαηα ύγπνμκεξ ηάζεηξ ζημκ ημμέα Ζδηαηηενόηεηεξ ηεξ ζπεδίαζεξ Γκζςμαηςμέκςκ οζηεμάηςκ

3 Γηαηί αλίδεη κα παναθμιμζήζεηε αοηό ημ μάζεμa; Σα Γκζςμαηςμέκα οζηήμαηα (Γ) γίκμκηαη όιμ θαη πημ ζεμακηηθά ζημ πώνμ ηεξ πιενμθμνηθήξ.. embedded chips form the backbone of the electronics driven world in which we live... they are part of almost everything that runs on electricity [Mary Ryan, EE Design, 1995] >90% ηςκ επελενγαζηώκ παγθμζμίςξ εμπενηέπμκηαη ζε Γ Η γοηγξοόηεοα αμαπηρζζόμεμη πεοιξςή ηωμ ζρζηημάηωμ πληοξθξοικήπ με βάζη όλεπ ηιπ ποόζθαηεπ αμαλύζειπ εμακηηθή αύλεζε ζέζεςκ ενγαζίαξ γηα κέμοξ πιενμθμνηθμύξ ζηεκ Γονώπε Ε ζπεδίαζε Γ δηαθένεη μοζηαζηηθά από ηε ζπεδίαζε ηςκ πνμζςπηθώκ οπμιμγηζηώκ (PC).

4 εμακηηθά Γνςηήμαηα Πςξ μπμνμύμε κα πενηγνάρμομε ηε ζομπενηθμνά εκόξ εκζςμαηςμέκμο ζοζηήμαημξ; (θμνμαιηζμμί, μμκηειμπμίεζε) Πςξ μπμνμύμε κα επαιεζεύζμομε ηηξ πνμδηαγναθέξ; (γιώζζεξ πενηγναθήξ πνμδηαγναθώκ) Πςξ μπμνμύμε κα μεηαθνάζμομε ηηξ πνμδηαγναθέξ ζοζηήμαημξ ζε μηα απμηειεζμαηηθή οιμπμίεζε; (ζύκζεζε) Πςξ ζπεδηάδμκηαη ηα Γ όηακ πνέπεη κα ιαμβάκεηαη οπόρε ε ειαπηζημπμίεζε ηεξ θαηακάιςζεξ εκένγεηαξ; (κέεξ ηεπκηθέξ ζπεδίαζεξ) Πςξ ζπεδηάδμκηαη Γ πναγμαηηθμύ πνόκμο; Πςξ επαιεζεύεηαη ε ζςζηή ιεηημονγία εκόξ πμιύπιμθμο Γ;

5 Ονγάκςζε Ιαζήμαημξ Ώνεξ δηδαζθαιίαξ: Σνίηε , Αίζμοζα Γ Φνμκηηζηήνημ/Γνγαζηήνημ: 3 ώνεξ/εβδμμάδα (θα καθξοιζηεί ηιπ επόμεμεπ 1-2 μέοεπ πιθαμό μα αοςίζει αρηή ηημ εβδξμάδα εμημέοωζη μέζω ηξρ eclass) Ηαζεγεηέξ: Ειηαξ Ιακςιάθμξ, eliasm@di.uoa.gr Γπηθμηκςκία μέζς ηεξ ηζημζειίδαξ ημο μαζήμαημξ ζημ eclass.di.uoa.gr

6 Ονγάκςζε Ιαζήμαημξ Σργγοάμαηα: «πεδηαζμόξ Ηοθιςμάηςκ με VHDL», V. Pedroni, Γπημέιεηα: Γ. Θεμδςνίδεξ, Ηιεηδάνηζμμξ, 2008, ISBN: Φεθηαθή πεδίαζε με VHDL, Peter J Ashenden, ISBN: , Γθδόζεηξ Κέςκ Σεπκμιμγηώκ, Άιιεξ πεγέξ: 1. Embedded Systems Design, a unified hardware/software introduction, F. Vahid, T. Givargis, J. Wiley & Sons, Embedded System Design by Peter Marwedel, 2003, Kluwer Academic Publishers, ISBN: Real-Time Concepts for Embedded Systems, Qing Li, Caroline Yao CMP Books; 1st edition (July, 2003), ISBN: Δεμμζηεομέκα επηζηεμμκηθά άνζνα 5. Οη ιεπημμενείξ δηαθάκεηεξ ημο μαζήμαημξ, δηαζέζημεξ ζημ eclass.di.uoa.gr Ιζηξζελίδα μαθήμαηξπ: eclass.di.uoa.gr, θςδηθόξ μαζήμαημξ VLSI29, Δεκ πνεηάδεζηε ιμγανηαζμό ζημ di.uoa.gr γηα κα απμθηήζεηε πνόζβαζε

7 Πνμαπαηημύμεκεξ Γκώζεηξ ε «ώνημμ» πνμπηοπηαθό επίπεδμ: Θμγηθή πεδίαζε Φεθηαθώκ Ηοθιςμάηςκ Ανπηηεθημκηθή Τπμιμγηζηώκ Φεθηαθή πεδίαζε Γιώζζα πενηγναθήξ οιηθμύ VHDL Πνμηεηκόμεκεξ πεγέξ γηα γνήγμνε επακαιερε: πεδηαζμόξ Ηοθιςμάηςκ με VHDL, V. Pedroni, Γπημέιεηα: Γ. Θεμδςνίδεξ, Ηιεηδάνηζμμξ, 2008, ISBN: VHDL Primer, by J. Basker, Prentice Hall VHDL online tutorial.zip, δηαζέζημμ ζημ eclass Ηαιή γκώζε Αγγιηθήξ Γιώζζαξ

8 οκηζηώζεξ ημο Ιαζήμαημξ 1. Γνγαζηενηαθέξ αζθήζεηξ ζπεδίαζεξ Γ System on Chip με: ρξήζε γιώζζαο ζρεδίαζεο πιηθνύ VHDL Πξνζνκνίωζε θαη ζύλζεζε (κε ηα εξγαιεία Xilinx Webpack, Modelsim), πινπνίεζε κε FPGA ζε αλαπηπμηαθή θάξηα (Xilinx, Spartan-3) Γηα πξόζβαζε ζην εξγαζηήξην DSP ρξεηάδεζηε ινγαξηαζκό ζην di.uoa.gr 2. Απαιιαθηηθή Γνγαζία βηβιημγναθηθή ζε ζέμα ζπεηηθό με ημ μάζεμα πμο ζαξ εκδηαθένεη, πανμοζίαζε ζηε ηάλε, γναπηή ακαθμνά

9 Γνγαζηενηαθέξ Αζθήζεηξ Φνμκηηζηήνημ/Γνγαζηήνημ: 3 ώνεξ/εβδμμάδα Βμεζόξ ενγαζηενίμο: Γηώνγμξ Πνμβειέγγημξ, georprob@di.uoa.gr Αζθήζεηξ ζπεδίαζεξ Γ με πνήζε VHDL 1. πεδίαζε ζημ ζπίηη ζημ PC ζαξ 2. Τιμπμίεζε θαη έιεγπμξ ζε θάνηα με FPGA ζημ ενγαζηήνημ 3. οκμπηηθή ακαθμνά θαη πνμθμνηθή ελέηαζε ζημ ηέιμξ θάζε άζθεζεξ Όιεξ μη ενγαζηενηαθέξ αζθήζεηξ πνέπεη κα μιμθιενςζμύκ θαηά ηε δηάνθεηα ημο ελαμήκμο γηα κα μπμνέζεη θάπμημξ κα ελεηαζηεί ζηεκ απαιιαθηηθή ενγαζία Δεκ οπάνπεη ε δοκαηόηεηα μιμθιήνςζεξ ηςκ ενγαζηενηαθώκ αζθήζεςκ μεηά ημ πέναξ ημο ελαμήκμο. Ε πανμοζία ζηα ενγαζηήνηα είκαη οπμπνεςηηθή μέπνη ηεκ ελέηαζε ζε θάζε άζθεζε

10 Γνγαζηενηαθέξ Αζθήζεηξ - Δηαδηθαζία Όιεξ μη αζθήζεηξ πνέπεη κα μιμθιενςζμύκ θαη κα παναδμζμύκ θαηά ηε δηάνθεηα ημο αθαδεμασθμύ ελαμήκμο ζημ πνμκηθό πιαίζημ πμο θαζμνίδεηαη γηα θάζε άζθεζε. Ηάζε άζθεζε ζα πνεζημμπμηεί ζημηπεία πμο ζπεδηάζηεθακ θαηά ηεκ πνμεγμύμεκε. Ε δοζθμιία ηςκ αζθήζεςκ βαίκεη θιημαθμύμεκε, ε ηειεοηαία άζθεζε ζα είκαη ε πιέμκ απαηηεηηθή. Γηα θάζε άζθεζε ζα δίδμκηαη 2-4 εβδμμάδεξ γηα κα μιμθιενςζεί. Ανπίδεηε κα δμοιεύεηε ζηεκ άζθεζε ζημ ζπίηη ζαξ εγθαίνςξ, όπη ηηξ ηειεοηαίεξ μένεξ...! Ε μιμθιήνςζε θάζε άζθεζεξ ζα ειέγπεηαη ζημ ενγαζηήνημ με πνμζςπηθή πνμθμνηθή ελέηαζε. Ε πανμοζία ζε θάζε ενγαζηήνημ είκαη οπμπνεςηηθή μέπνη ηεκ πνμθμνηθή ελέηαζε. ημ ηέιμξ θάζε άζθεζε παναδίδεηαη εθηεκήξ ακαθμνά. Ηαζοζηενεμέκεξ ακαθμνέξ (reports) δεκ γίκμκηαη δεθηέξ. Οη αζθήζεηξ είκαη αημμηθέξ. Ακηαιιαγή απόρεςκ επηηνέπεηαη ζηε θάζε ηεξ ζπεδίαζεξ, αιιά απαγμνεύεηαη νεηά θάζε ζοκενγαζία θάζε ηεξ οιμπμίεζεξ. Απαγμνεύεηαη ε ακηαιιαγή ζπεδίςκ θαη θώδηθα. Ακ δηαπηζηςζεί παναβίαζε ηςκ παναπάκς θακόκςκ ιεηημονγίαξ ημο ενγαζηενίμο όιμη μη εμπιεθόμεκμη αοηόμαηα μεδεκίδμκηαη ζημ μάζεμα.

11 Γνγαιεία πεδίαζεξ (εθδόζεηξ ημο ενγαζηενίμο) πεδίαζε: Xilinx Webpack ISE 9.2i Πνμζμμμίςζε: Modelsim SE 6.0g Γηα μηα θαιή ανπή (1 ε εδμμάδα): Γγθαηάζηαζε ενγαιείςκ ζημ PC ζαξ (ηνέπμοζεξ εθδόζεηξ) Δηαβάζηε θαη αζπμιεζείηε με ηα δύμ tutorials πμο βνίζθμκηαη ήδε ζηεκ ηζημζειίδα ημο μαζήμαημξ (eclass) 1o-Υνήζε ηςκ ενγαιείςκ ζπεδίαζεξ (software) 2o-Υεηνηζμόξ/πνμγναμμαηηζμόξ ηεξ ακαπηοληαθήξ θάνηαξ (hardware) Κα ένπεζηε πνμεημημαζμέκμη ζημ ενγαζηήνημ

12 Ακαπηοληαθή Ηάνηα FPGA Xilinx Spartan-3 xc3s200 FPGA με πςνεηηθόηεηα ηζμδύκαμε με ιμγηθέξ πύιεξ 2Ιbit Xilinx scf02s platform flash 1Mbyte asynchronous SRAM ζύνα απεηθόκηζεξ VGA 3-bit, 8-color ζεηνηαθή ζύνα RS232, 9-pin ζύνα πιεθηνμιμγίμο/πμκηηθημύ ηύπμο PS/2 seven-segment LED display ηεζζάνςκ παναθηήνςκ μθηώ δηαθόπηεξ μθηώ ακελάνηεηεξ έλμδμη LEDs ηέζζενηξ δηαθόπηεξ πίεζεξ θμμβίμο νμιόη 50 MHz θαη ζύνα γηα ελςηενηθό νμιόη επηιμγή ηνόπμο πνμγναμμαηηζμμύ ημο FPGA μέζς jumpers δηαθόπηεξ πίεζεξ θμμβίμο γηα ανπηθμπμίεζε θαη επακαπνμγναμμαηηζμό ημο FPGA έκδεηλε LED γηα επηηοπή μιμθιήνςζε πνμγναμμαηηζμμύ ημο FPGA ηνεηξ ζύνεξ επέθηαζεξ ζύνα JTAG γηα ζύκδεζε με πανάιιειε ζύνα ημο οπμιμγηζηή ζύνα JTAG ζομβαηή με ημ Xilinx Parallel Cable IV θαη ημ ενγαιείμ MultiPRO Γκδεηθηηθό LED ηνμθμδμζίαξ νεύμαημξ

13 Γηζαγςγή ζηα Γκζςμαηςμέκα οζηήμαηα

14 Τπμιμγηζηηθά οζηήμαηα Όηακ ακαθενόμαζηε ζε οπμιμγηζηηθά ζοζηήμαηα, ζοκήζςξ μαξ ένπμκηαη ζημ κμο μη ιεγόμεκμη «επηηναπέδημη» (desktop) οπμιμγηζηέξ Πνμζςπηθμί οπμιμγηζηέξ (PCs) Ιεηαθενόμεκμη οπμιμγηζηέξ (Laptops) Ιεγάιμη servers Αιιά οπάνπμοκ θαη ηα εκζςμαηςμέκα οπμιμγηζηηθά ζοζηήμαηα με ηα μπμία ενπόμαζηε ζε επαθή θαζεμενηκά, ζοπκά πςνίξ θακ κα ημ ζοκεηδεημπμημύμε...γηαηί είκαη «θνομέκα» μέζα ζε μεγαιύηενα ζοζηήμαηα

15 Γκζςμαηςμέκα οζηήμαηα (Γ) Ση είκαη; Πμο πνεζημμπμημύκηαη; Γηαηί θενδίδμοκ ζοκεπώξ έδαθμξ; Πςξ ζπεδηάδμκηαη; Σεπκμιμγίεξ πμο πνεζημμπμημύκ; Γπελενγαζηώκ Οιμθιενςμέκςκ Ηοθιςμάηςκ πεδίαζεξ

16 Ση είκαη ηα Γ; Πηζακμί Ονηζμμί Γίκαη μηθνμύ μεγέζμοξ οπμιμγηζηηθέξ μεπακέξ εκζςμαηςμέκεξ ζε μεγαιύηενα ειεθηνμκηθά ζοζηήμαηα πμο ημοξ πανέπμοκ ελεηδηθεομέκεξ οπενεζίεξ. (πεδόκ) θάζε οπμιμγηζηηθό ζύζηεμα πμο δεκ είκαη επηηναπέδημξ οπμιμγηζηήξ (desktop computer) Παγθόζμηα παναγςγή Γκζςμαηςμέκςκ οζηεμάηςκ: ~10 Δηζεθαημμμύνηα θμμμάηηα ημκ πνόκμ Παναγςγή όιςκ ηςκ οπμιμίπςκ οπμιμγηζηηθώκ ζοζηεμάηςκ: ~100 Γθαημμμύνηα θμμμάηηα ημκ πνόκμ. Πενίπμο 50 Γ θαηά μέζμ όνμ ζε θάζε ζύγπνμκμ ζπίηη ή αοημθίκεημ (ζε ΕΠΑ θαη ΓΓ).

17 Πμο βνίζθμκηαη; Πακημύ ηνηγύνς μαξ..

18 ..ζημ ζπίηη..ζημ γναθείμ..πακημύ.. Source: Real-Time Concepts for Embedded Systems, Q. Li, C. Yao, CMP Press, 2003

19 Γίκαη θμμμάηη ηεξ θαζεμενηκόηεηάξ μαξ -...ζοπκά πςνίξ κα ημ ζοκεηδεημπμημύμε......anti-lock brakes Auto-focus cameras Automatic teller machines Automatic toll systems Automatic transmission Avionic systems Battery chargers Camcorders Cell phones Cell-phone base stations Cordless phones Cruise control Digital cameras Disk drives Electronic card readers Electronic instruments Electronic toys/games Factory control Fax machines Fingerprint identifiers Home security systems Life-support systems Medical testing systems Modems MPEG decoders Network cards Network switches/routers On-board navigation Pagers Photocopiers Portable video games Printers Satellite phones Scanners Smart ovens/dishwashers Speech recognizers Stereo systems Teleconferencing systems Televisions Temperature controllers Theft tracking systems TV set-top boxes VCR s, DVD players Video game consoles Video phones...etc etc

20 Γ ημμείξ εθανμμγώκ- Παναδείγμαηα

21 Υαναθηενηζηηθέξ Ζδηόηεηεξ Γ Γιιείρεη εκόξ θμηκά απμδεθημύ μνηζμμύ, ζα επηπεηνήζμομε κα απανηζμήζμομε μενηθέξ βαζηθέξ ηδηόηεηεξ ηςκ Γ: Ιπμνεί κα πενηέπμοκ πνμγναμμαηηδόμεκμοξ επελενγαζηέξ (μηθνμειεγθηέξ (microcontrollers), επελενγαζηέξ ρεθηαθώκ ζεμάηςκ (DSP)), αιιά θαη επελενγαζηέξ εηδηθμύ ζθμπμύ (ASIC s, FPGAs). Πμιύ μεγάιμξ βαζμόξ μιμθιήνςζεξ ζε μηθνμ πώνμ (System on Chip, SOC) Πανέπμοκ ιεηημονγηθόηεηα πνμζανμμζμέκε ζηεκ εθανμμγή Ιε-πνμγναμμαηηδόμεκα από ημκ ηειηθό πνήζηε Ακηηδνμύκ ζε ελςηενηθά ενεζίζμαηα, αιιειμεπηδνμύκ με ημ πενηβάιιμκ οπκά είκαη ζρζηήμαηα ποαγμαηικξύ ςοόμξρ (real-time) οπκά είκαη αρηόμξμα εμακηηθή πανάμεηνμξ ε παμειή θαηακάιςζε ηζπύμξ (ζοπκά) Γηδηθέξ απαηηήζεηξ ζπεδίαζεξ θαη πνμγναμμαηηζμμύ

22 οζηήμαηα πναγμαηηθμύ πνόκμο Βαζηθά Υαναθηενηζηηθά: οζηήμαηα πμο επελενγάδμκηαη ζομβάκηα (events) θαη πνέπεη κα ακηαπμθνίκμκηαη άμεζα ζε αοηά. οζηήμαηα πμο πνέπεη κα πανάγμοκ απμηειέζμαηα μέζα ζε πνμθαζμνηζμέκεξ πνμζεζμίεξ Ονζή ιεηημονγία = ζςζηά απμηειέζμαηα + ζςζηόξ πνμκηζμόξ παναγςγήξ ηςκ απμηειεζμάηςκ Ε ηήνεζε ηςκ πνμζεζμηώκ ζοπκά είκαη πημ ζεμακηηθή από ηεκ αθνίβεηα ηςκ απμηειεζμάηςκ Hard real-time system = ε με ηήνεζε μηαξ πνμζεζμίαξ ηζμδοκαμεί μοζηαζηηθά με αζημπία ημο ζοζηήμαημξ Π.π. ύζηεμα πιμήγεζεξ βιήμαημξ Soft real-time system = ε με ηήνεζε μηαξ πνμζεζμίαξ είκαη μεκ ακεπηζύμεηε αιιά δεκ ηζμδοκαμεί με αζημπία. Π.π. Interactive TV set-top box

23 Ε ζπεδίαζή εκζςμαηςμέκςκ ζοζηεμάηςκ ιαμβάκεη οπόρε ηηξ παναθάης απαηηήζεηξ: Υαμειό θόζημξ Ειεθηνμκηθά πνμσόκηα εονείαξ θαηακάιςζεξ Ιηθνόξ πνόκμξ εηζαγςγήξ ζηεκ αγμνά (Time-to-market) Υαμειή θαηακάιςζε ηζπύμξ Φμνεηά ζοζηήμαηα, ιεηημονγία με μπαηανία Τρειέξ επηδόζεηξ Πμιοεπελενγαζία, πνμκμπνμγναμμαηηζμόξ Βειηηζημπμηεμέκμ I/O, πνμγναμμαηηζμόξ ζε assembly Ανηζμεηηθή ζηαζενήξ οπμδηαζημιήξ (fixed point arithmetic) Τρειή αλημπηζηία Ηνίζημεξ Γθανμμγέξ (ηαηνηθήξ, δηαζηεμηθήξ θηι) 24/7/365

24 Low end: μηθνμειεγθηέξ 4-bit, 8-bit Sonicare:8-bit Zilog Z8. Θενμμζηάηεξ, 4-bit NASA Sojourn Rover: 8-bit Intel 80C85. Miele: 8-bit Motorola 68HC05

25 High End: επελενγαζηέξ 16-bit, 32-bit Garmini GPS Receiver,16-bit. Rio 800 MP3 Player, 32-bit RCA RC5400P DVD player, 32-bit RISC.

26 Ημηκά Υαναθηενηζηηθά Γ: Πμιοεπελενγαζία θαη Σαοημπνμκηζμόξ Πμιιέξ ζύνεξ εηζόδμο/ελόδμο (I/0). Σμ ζύζηεμα εμθακίδεηαη ζακ κα εθηειεί ηαοηόπνμκα πμιιαπιέξ δηενγαζίεξ (concurrency, multitasking) Ηαζεμία δηενγαζία ακηπκεύεη θη ακηημεηςπίδεη ηεκ ύπανλε θάπμηςκ ζομβάκηςκ (events) Ε ζομπενηθμνά μηαξ embedded εθανμμγήξ μπμνεί κα μμκηειμπμηεζεί ζακ ηαοηόπνμκεξ δηενγαζίεξ πμο επηθμηκςκμύκ Ο δηαπςνηζμόξ ηςκ δηενγαζηώκ απιμπμηεί ημκ πνμγναμμαηηζμό αιιά απαηηεί θαη ηε πηζακά ζοπκή εκαιιαγή ακάμεζα ζηηξ δηενγαζίεξ Φοζηθό μμκηέιμ πνμγναμμαηηζμμύ: Πμιοκεμαηηθόξ πνμγναμμαηηζμόξ (multithreading) Θεηημονγηθά ζοζηήμαηα πναγμαηηθμύ πνόκμο (RTOS)

27 Πανάδεηγμα: Πνμγναμμαηηδόμεκμξ Θενμμζηάηεξ / * M o n i t o r T e m p e r a t u r e * / d o f o r e v e r { m e a s u r e te m p ; i f ( te m p < s e t t i n g ) s t a r t f u r n a c e ; e l s e i f ( t e m p > s e ttin g + d e l ta ) s t o p f u r n a c e ; } / * M o n i t o r T i m e o f D a y * / d o f o r e v e r { m e a s u r e tim e ; i f ( 6 : 0 0 a m ) s e t t i n g = 7 2 o F ; e l s e i f ( 1 1 : 0 0 p m ) s e t t i n g = 6 0 o F ; } / * M o n i t o r K e y p a d * / d o f o r e v e r { c h e c k k e y p a d ; i f ( r a i s e t e m p ) s e t t i n g + + ; e l s e i f ( l o w e r te m p ) s e t t i n g - - ; } Σνεηξ «ηαοηόπνμκεξ» δηενγαζίεξ, ηνία κήμαηα (threads) Υαμειό θόζημξ, αλημπηζηία

28 Παναδείγμαηα Γ

29 Πανάδεηγμα - Σμ θηκεηό μαξ

30 Πανάδεηγμα - Ημκζόιεξ παηγκηδηώκ

31 Πανάδεηγμα: Φεθηαθή Ηάμενα CCD Digital camera chip A2D CCD preprocessor Pixel coprocessor D2A lens JPEG codec Microcontroller Multiplier/Accum DMA controller Display ctrl Memory controller ISA bus interface UART LCD ctrl Τπμιμγηζηηθό ζύζηεμα εηδηθήξ ιεηημονγηθόηεηαξ Απαηηήζεηξ παμειό θόζημξ θαη ηζπύξ, ορειή αλημπηζηία Τρειέξ επηδόζεηξ αιιά όπη ζύζηεμα πναγμαηηθμύ πνόκμο

32 Γ επελενγαζηέξ - ηάζεηξ Πνμβιέρεηξ: > 16 δηζεθαημμμύνηα Γ ζημ πιακήηε ημ 2010 (~3 Γ/άημμμ) > 40 δηζ. Γ μέπνη ημ 2020 ήμενα, 98% ηςκ επελενγαζηώκ πμο πανάγμκηαη πνεζημμπμημύκηαη ζε Γ

33 Γ ζηεκ Γονώπε θαη ημκ θόζμμ "The Hipeac Roadmap on Embedded Systems". Source: "Future of Embedded Systems Technology". BCC Report G-229R. AAGR=Ροζμόξ εηήζηαξ αύλεζεξ

34 Γ ζηεκ Γονώπε θαη ημκ θόζμμ "The Hipeac Roadmap on Embedded Systems". Source: "Future of Embedded Systems Technology". BCC Report G-229R.

35 Έζμδα hardware

36 Γ Απαζπόιεζε ζηεκ EU Due to its strong background both in basic research and in industrial engineering, Europe is well positioned to meet the challenges facing the industry by acquiring a leading position in the discipline of system engineering and provide a body of embedded systems engineers. Keeping up the current pace (10% growth rate per year), the worldwide embedded systems R&D population is expected to double over 10 years, requiring the European effort in the field of embedded systems -assumed to be one third of overall R&D effort- to increase from 20 billion euros to 40 billion in 2015 The new generations of embedded systems show increasing complexity and a high demand of functional safety and security. They are no longer stand-alone but networked in various ways using wired or wireless (radio or optical) connections. The key here is reliability and interoperability of embedded systems in networks. This needs advanced engineering skills. The number of researchers in the embedded systems field has to be increased too. According to the recent ARTEMIS Strategic Research Agenda, the worldwide population of Embedded Systems developers is estimated to be in 2005, growing to at the start of Seventh Framework Programme (FP7) in 2007 This data is almost the same for VDC. In a survey, this company estimates that the total number of software and hardware developers will continue to increase reaching over in Source:

37 Ιηθνμεπελενγαζηέξ Γκζςμαηςμέκςκ οζηεμάηςκ ύγπνμκεξ ηάζεηξ % % % Ε πνήζε 32-bit επελενγαζηώκ αολήζεθε ναγδαία μεηά ημ % % % 0. 0 % 4 - b it 8 - b it b it b it b it S p e c ia l

38 Πνόμδμξ ηεξ ηεπκμιμγίαξ ηςκ ICs

39 Γ πιαηθόνμεξ - FPGAs

40 Γιώζζεξ πνμγναμμαηηζμμύ εκζςμαηςμέκςκ ζοζηεμάηςκ ύγπνμκεξ ηάζεηξ % % % % % % % % % 0.0 % A s s e m b ly C C + + J a v a O th e r H Γmbedded C πιέμκ θονηανπεί μεηά ημ 2000 Ακηηθεημεκμζηναθήξ πνμγναμμαηηζμόξ (C++/Java) ανπίδεη κα εμθακίδεηαη θαη κα θενδίδεη έδαθμξ ανγά αιιά ζηαζενά μεηά ημ 2000

41 Υνήζε πονήκςκ ιεηημονγηθώκ ζοζηεμάηςκ πναγμαηηθμύ πνόκμο (RTOS kernel) 100.0% 80.0% 60.0% 40.0% 20.0% 0.0% 4-bit 8-bit 16-bit 32-bit 64-bit Special Σμ πμζμζηό πνήζεξ πονήκςκ ιεηημονγηθμύ ζοζηήμαημξ αολάκεηαη με ηε πμιοπιμθόηεηα ημο μηθνμεπελενγαζηή

42 Real Time Operating System To RTOS πανέπεη ζημκ πνμγναμμαηηζηή βαζηθέξ οπενεζίεξ όπςξ: Υνμκμπνμγναμμαηηζμόξ κεμάηςκ (scheduling) Δηαπείνηζε πόνςκ (πνμκόμεηνα, απμζήθεοζε μεκομάηςκ θηι) Ακηηθείμεκα (objects) γηα ημκ αμμηβαίμ απμθιεηζμό, ζογπνμκηζμό θαη ηεκ επηθμηκςκία κεμάηςκ (mutual exclusion, synchronization) Ακηηθείμεκα γηα ηε δηαπείνηζε δηαθμπώκ (interrupts) Source: Real-Time Concepts for Embedded Systems, Q. Li, C. Yao, CMP Press, 2003

43 Ηαηεγμνίεξ Γκζςμαηςμέκςκ οζηεμάηςκ Σρζηήμαηα Γεμικξύ Σκξπξύ Γθανμμγέξ πανόμμηεξ µε desktop computing, αιιά γηα ζογθεθνημέκε ενγαζία. Video games, set- top boxes, ηναπεδηθά ATMs θιπ. Σρζηήμαηα Ελέγςξρ οζηήμαηα θιεηζημύ βνόγπμο γηα εθανμμγέξ πναγμαηηθμύ πνόκμο Ιεπακέξ αοημθηκήηςκ, πεμηθέξ δηενγαζίεξ, έιεγπμ πηήζεξ θιπ. Σρζηήμαηα επενεογαζίαπ ζήµαηξπ Γπελενγαζία δεδμμέκςκ, ζεμάηςκ Radar, Sonar, ζομπίεζε εηθόκαξ θιπ. Σρζηήμαηα Επικξιμωμιώμ και ιαδικηύωζηπ Ιεηάδμζε δεδμμέκςκ, μεηαγςγή, θαηακεμεμέκμη οπμιμγηζμμί Σειεθςκηθό ζύζηεμα, Internet

44 Αζύνμαημη Αηζζεηήνεξ Αζύνμαηα δίθηοα αηζζεηήνςκ Γθανμμγέξ Πιέγμαηα αζύνμαηςκ Αηζζεηήνςκ

45 Αζύνμαηα Δίθηοα Αηζζεηήνςκ The killer application? The use of wireless networks of embedded computers could well dwarf previous milestones in the information revolution US National Research Council Report: Embedded, Everywhere, 2001.

46 Αζύνμαηα δίθηοα αηζζεηήνςκ: Γθανμμγέξ Γλμηθμκόμεζε εκένγεηαξ (π.π. ζε έλοπκα θηίνηα) Έιεγπμξ ηεξ θοθιμθμνίαξ Παναθμιμύζεζε πενηβάιιμκημξ (π.π. Πμηόηεηα κενμύ, πονθαγηέξ, πιεμμύνεξ, πεηνειαημθειίδεξ) Παναθμιμύζεζε ζεηζμηθήξ δναζηενηόηεηαξ, εθαηζηείςκ Παναθμιμύζεζε αζζεκώκ από μαθνηά (π.π. γηα έγθαηνε ακίπκεοζε θανδηαθώκ επεηζμδίςκ) Ηαηακεμεμέκε Γθπαίδεοζε (π.π. έλοπκεξ αίζμοζεξ)

47 ύζηεμα Αηζζεηήνςκ γηα μειέηεξ πενηβάιιμκημξ - Πανάδεηγμα ΖΓΓΓ Computer Aug. 2004

48 Sensor Webs Sensor Web weaves an electronic skin of the Earth, offering fulldimensional, full-scale, and full-phase sensing and monitoring at all levels, global, regional and local. Sensor Web is a revolutionary concept towards achieving a collaborative, coherent, consistent, and consolidated sensor data collection, fusion and distribution. Such sensors include, for example: flood gauges, air pollution monitors, stress gauges on bridges, mobile heart monitors, Webcams, and satelliteborne earth imaging devices. Web is considered a 'central computer' that connects to enormous computing resources. Sensor Web can then be thought as a 'global sensor' that connects to all sensors or sensor databases

49 Δηθηοςμέκα Γοθοή Γ Δηαζοκδεδεμέκα Γ Πακηαπμύ πανόκηα (δηάποηε οπμιμγηζηηθή) Υαμειή εκένγεηα

50 Building block, example: Smart Visiμn Sensor

51 Computer Architectures Evolution Path

52 Γκζςμαηςμέκα οζηήμαηα 2015: Δηθηοςμέκα Γ: θαηακεμεμέκα Γ, επηθμηκςκία αζύνμαηε ή μέζς δηαδηθηύμο Γοθοή: αοηόκμμμη αηζζεηήνεξ ύγθιηζε με ηε κακμηεπκμιμγία, Γηενμγεκή ζοζηήμαηα Βημαηζζεηήνεξ, MEMS, NEMS Ιηθνμθηκεηήνεξ, βημθηκεηήνεξ, κακμνμμπόη Τπμιμγηζηηθά Γ: δοκαμηθά ακαδμμήζημα (reconfigurable) ζοζηήμαηα, ζο-ζπεδίαζε ιμγηζμηθμύ-οιηθμύ (hardware/software co-design) Πμιύ παμειή θαηακάιςζε ηζπύμξ Γπηθμηκςκία: κέα πνςημθμιιά πμιύ παμειήξ εκένγεηαξ Θέμαηα αζθάιεηαξ (security), αμμηβαίαξ εμπηζημζύκεξ (trust) ακάμεζα ζε θαηακεμεμέκα Γ Θέμαηα ηδημηηθόηεηαξ (privacy), πνμζηαζίαξ θαη δηαζθάιηζεξ ηςκ πνμζςπηθώκ δεδμμέκςκ.

53 πεδίαζε Γκζςμαηςμέκςκ οζηεμάηςκ ηόπμη θαη Δοζθμιίεξ

54 ηόπμη ηεξ ζπεδίαζεξ Πνςηανπηθόξ ζηόπμξ: Γπίηεολε ηεξ πνμδηαγεγναμμέκεξ ιεηημονγίαξ ημο ζοζηήμαημξ θάης όμςξ από ζογθεθνημέκμοξ πενημνηζμμύξ (π.π. εκένγεηαξ, θόζημοξ θηι.) Πνόβιεμα ηθακμπμίεζεξ πενημνηζμώκ οπκά με βάζε ηεκ πεηνόηενε πενίπηςζε (worst case) Απόθιηζε από ημ ηοπηθή πνμζέγγηζε ζπεδίαζεξ Best effort πμο πνεζημμπμηείηαη γηα άιια πιενμθμνηαθά ζοζηήμαηα (με βάζε ηεκ ηοπηθά ακαμεκόμεκε ζομπενηθμνά)

55 Ιεηνηθέξ αλημιόγεζεξ Ηαζοζηένεζε (Latency, response time) Ο πνόκμξ ακάμεζα ζηεκ ανπή θαη ημ ηέιμξ μίαξ ιεηημονγίαξ (πνόκμξ απόθνηζεξ), πνμζεζμίεξ Π.π. Ε Ηάμενα A πανάγεη μία ρεθηαθή θςημγναθία ζε 0.25 δεοηενόιεπηα Απμδμηηθόηεηα (Throughput) Δηενγαζίεξ ημ δεοηενόιεπημ, π.π. Ε Ηάμενα A πανάγεη 4 θςημγναθίεξ ημ δεοηενόιεπημ. Ε απμδμηηθόηεηα μπμνεί κα είκαη μεγαιύηενε από 1/Ηαζοζηένεζε, ιόγς πηζακμύ παναιιειηζμμύ δηενγαζηώκ. Π.π. Ε Ηάμενα Β μπμνεί κα έπεη ηεκ ίδηα θαζοζηένεζε με ηεκ Ηάμενα Α, αιιά κα πανάγεη 8 θςημγναθίεξ ημ δεοηενόιεπημ, γηαηί ανπίδεη ηεκ επελενγαζία κέαξ θςημγναθίαξ εκόζς απμζεθεύεηαη ε πνμεγμύμεκε.

56 Ιεηνηθέξ αλημιόγεζεξ ηεξ επηηοπίαξ (2) Πιεμκέθηεμα (Speedup) ηεξ B ζε ζπέζε με ηεκ Α S = Απμδμηηθόηεηα ηεξ B / Απμδμηηθόηεηα ηεξ A Πιεμκέθηεμα Απμδμηηθόηεηαξ ηεξ Β = 8/4 = 2 Ηαηακάιςζε ηζπύμξ (power) (MOPs/mWatt) Ιεηνηθέξ πμο θαθώξ πνεζημμπμημύκηαη: οπκόηεηα νμιμγημύ (εκημιέξ ακά δεοηενόιεπημ) Π.π. Γηα μία Φεθηαθή Ηάμενα εθείκμ πμο εκδηαθένεη άμεζα ημκ πνήζηε είκαη πόζμ γνήγμνα πανάγεηαη μία ρεθηαθή θςημγναθία θαη όπη ε ζοπκόηεηα ημο νμιμγημύ ημο επελενγαζηή ή μ ανηζμόξ εθηειμύμεκςκ εκημιώκ ακά δεοηενόιεπημ

57 Άιιεξ ζεμακηηθέξ πανάμεηνμη (non-functional specifications) Υνόκμξ πνςημηοπμπμίεζεξ (Time-to-prototype): Ο πνόκμξ ζπεδίαζεξ θαη θαηαζθεοήξ πνςημηύπμο ημο ζοζηήμαημξ πμο επηηογπάκεη μεκ ηεκ πνμδηαγεγναμμέκε ιεηημονγηθόηεηα αιιά δεκ είκαη βειηηζημπμηεμέκμ. Υνόκμξ εηζαγςγήξ ζηεκ αγμνά (Time-to-market): Ο πνόκμξ πμο απαηηείηαη γηα κα μιμθιενςζεί ημ ζύζηεμα ζε μμνθή πμο κα μπμνεί κα δηαηεζεί ζηεκ αγμνά. Αζθάιεηα (safety): Ε πηζακόηεηα όηη ημ ζύζηεμα δεκ ζα βιάρεη ημοξ πνήζηεξ ημο. Γλειηλημόηεηα (Maintainability): Ε δοκαηόηεηα μεηαηνμπήξ ημο ζοζηήμαημξ μεηά ηεκ ανπηθή ημο έθδμζε (release) Γοειηλία (flexibility): H δοκαηόηεηα αιιαγήξ ιεηημονγίαξ πςνίξ ζεμακηηθό επηπνόζζεημ θόζημξ

58 Από θμηκμύ ζπεδίαζε ιμγηζμηθμύ θαη οιηθμύ (hardware-software co-design) Ο ζπεδηαζμόξ εκζςμαηςμέκςκ ζοζηεμάηςκ απαηηεί γκώζεηξ ζπεδίαζεξ ανπηηεθημκηθώκ οιηθμύ θαη ιμγηζμηθμύ. Ιηα ηθακόηεηα από ηηξ δύμ δεκ ανθεί... Ο ζπεδηαζηήξ πνέπεη κα είκαη γκώζηεξ ηςκ δοκαημηήηςκ θαη πενημνηζμώκ ηςκ δηαθόνςκ ηεπκμιμγηώκ γηα κα μπμνεί κα επηιέλεη ημκ πιέμκ θαηάιιειμ ζοκδοαζμό πμο ηθακμπμηεί ηηξ πνμδηαγναθέξ ημο ζοζηήμαημξ. Γνγαιεία ζο-ζπεδίαζεξ θαη από-θμηκμύ πνμζμμμίςζεξ οιηθμύ-ιμγηζμηθμύ (hardware/software co-design and co-simulation) ανπίδμοκ κα εμθακίδμκηαη. CCD Digital camera chip A2D CCD preprocessor Pixel coprocessor D2A lens JPEG codec Microcontroller Multiplier/Accum DMA controller Display ctrl Hardware Memory controller ISA bus interface UART LCD ctrl Software

59 Revenues ($) Υνόκμξ εηζαγςγήξ ζηεκ αγμνά μία θνίζημε πανάμεηνμξ Time (months) Πανάζονμ Αγμνάξ Time-to-Market: Ο πνόκμξ πμο απαηηείηαη γηα κα μιμθιενςζεί ημ ζύζηεμα ζε μμνθή πμο κα μπμνεί κα δηαηεζεί ζε πειάηεξ Πανάζονμ αγμνάξ (Market window): Υνμκηθή πενίμδμξ θαηά ηεκ μπμία ακαμέκεηαη όηη ημ πνμσόκ ζα έπεη ορειέξ πςιήζεηξ. οκήζςξ απαηηείηαη ημ Time-to- Market < 8 μήκεξ. Οη θαζοζηενήζεηξ ζημηπίδμοκ πάνα πμιύ αθνηβά!

60 Revenues ($) Οη επηπηώζεηξ ηςκ θαζοζηενήζεςκ On-time Market rise Delayed D W On-time Delayed entry entry Peak revenue Peak revenue from delayed entry Market fall Time 2W Απιμσθό μμκηέιμ εζόδςκ Δςή πνμσόκημξ = 2W, θμνοθή ζημκ μέζμ πνόκμ W Σμ εμβαδόκ ημο ηνηγώκμο ακηηζημηπεί ζηα έζμδα από πςιήζεηξ (revenues) Απώιεηεξ εζόδςκ ιόγς θαζοζηενεμέκεξ εηζόδμο ημο πνμσόκημξ ζηεκ αγμνά θαηά πνόκμ D: Ε δηαθμνά εμβαδμύ ηςκ δύμ ηνηγώκςκ.

61 Revenues ($) Απώιεηεξ Γζόδςκ ιόγς θαζοζηενήζεςκ Market rise On-time entry D Delayed entry On-time Delayed W Peak revenue Peak revenue from delayed entry Market fall Time Γηα ηεκ εηζαγςγή θενδμθόνςκ πνμσόκηςκ απαηημύκηαη: Πμιύ θαιή ακάιοζε αγμνάξ 2W Γνήγμνε ζπεδίαζε θαη οιμπμίεζε Γμβαδόκ = 1/2 * βάζε * ύρμξ Ακαμεκόμεκα έζμδα = = 1/2 * 2W * W Ιεηά από θαζοζηένεζε (D) = = 1/2 * (W-D+W)*(W-D) Απώιεηα εζόδςκ % = (D(3W-D)/2W 2 )*100% Π.ρ.1, 2W=52 εβδνκάδεο, D=4 εβδνκάδεο (4*(3*26 4)/2*26^2) = 22% Π.ρ. 2, 2W=52 wks, delay D=10 wks (10*(3*26 10)/2*26^2) = 50%

62 Ανπηθό (NRE) θαη Ιμκαδηαίμ (unit) Ηόζημξ Ηόζημξ: Ανπηθό θόζημξ (Non-Recurring Engineering cost): Σμ θόζημξ ζπεδίαζεξ ημο ζοζηήμαημξ (πμο δεκ επακαιαμβάκεηαη) Ιμκαδηαίμ: ημ θόζημξ θαηαζθεοήξ θάζε εκόξ ζοζηήμαημξ, μεηά ημ ανπηθό θόζημξ οκμιηθό θόζημξ = Ανπηθό + Ιμκαδηαίμ * # ηεμαπίςκ Ηόζημξ ακά ηεμάπημ = οκμιηθό / # ηεμαπίςκ = = (Ανπηθό θόζημξ / # ηεμαπίςκ) + μμκαδηαίμ θόζημξ Παξάδεηγκα Αξρηθό Κόζηνο =2000, Μνλαδηαίν Κόζηνο=100 Γηα 10 ηεκάρηα Σπλνιηθό θόζηνο = *100 = 3000 Κόζηνο αλά ηεκάρην = 2000/ = 300

63 t o t a l c o st ( x ) p e r p r o d u c t c o st οκμιηθό θόζημξ θαη θόζημξ ακά-πνμσόκ ύγθνηζε ηεπκμιμγηώκ -- ημ ζοκμιηθό θόζημξ ελανηάηαη από ημκ ανηζμό ηεμαπίςκ πμο ζα δηαηεζμύκ Σεπκμιμγία A: NRE=2,000, unit=100 Σεπκμιμγία B: NRE=30,000, unit=30 Σεπκμιμγία C: NRE=100,000, unit=2 $ 2 0 0, A $200 A $ 1 6 0, B C $160 B C $ 1 2 0, $120 $ 8 0, $80 $ 4 0, $40 $0 $ N u m b e r o f u n i t s ( v o lu m e ) N u m b e r o f u n i t s ( v o lu m e )

64 οκμπηηθή Πενηγναθή Ιαζήμαημξ Φνξκαιηζηηθέο πεξηγξαθέο ζπκπεξηθνξάο έλζεηωλ ζπζηεκάηωλ, έθθξαζε κε γιώζζεο πεξηγξαθήο πιηθνύ (VHDL). Σύλζεζε πιηθνύ γηα ελζωκαηωκέλα ζπζηήκαηα. Μεζνδνινγίεο ζρεδηαζκνύ ελζωκαηωκέλωλ ζπζηεκάηωλ. Δηακέξηζε πιηθνύ θαη ινγηζκηθνύ. Σπζρεδίαζε ινγηζκηθνύ θαη πιηθνύ. ΕΣ ζε έλα νινθιεξωκέλν (Systems on Chip). Καηαλεκεκέλα έλζεηα ζπζηήκαηα. Σπζηήκαηα Δηάρπηεο Επθπΐαο. Πξαθηηθή εμάζθεζε ζηε ζρεδίαζε ελζωκαηωκέλνπ SoC κε FPGAs. Παξαδείγκαηα από ην ρώξν ηωλ ζπζηεκάηωλ επεμεξγαζίαο ζήκαηνο θαη εηθόλαο θαη ηωλ ζπζηεκάηωλ ειέγρνπ. Επηζθόπεζε ηεο ζύγρξνλεο βηβιηνγξαθίαο

65 Ιαζεζηαθμί ηόπμη Tα ζύγπνμκα εκζςμαηςμέκα ζοζηήμαηα ζοπκά ζοκδοάδμοκ πνμγναμμαηηδόμεκεξ μμκάδεξ (π.π. μηθνμειεγθηέξ) θαη μμκάδεξ εηδηθμύ ζθμπμύ (π.π. πενηθενεηαθά, ζοκεπελενγαζηέξ θηι) ζημ ίδημ ζύζηεμα πμο οιμπμηείηαη απμδμηηθά (ςξ πνμξ ηε ηζπύ ή ηεκ επηθάκεηα πμο θαηακαιώκεη) με έκα (ή πμιύ ιίγα) μιμθιενςμέκα θοθιώμαηα. Ε απμδμηηθόηεηα ηεξ ζπεδίαζεξ βαζίδεηαη ζημκ ζςζηό επημενηζμό ιεηημονγηώκ ακάμεζα ζε ιμγηζμηθό θαη οιηθό θαη απαηηεί μιηζηηθή πνμζέγγηζε θαη ζοκδοαζμό γκώζεςκ θαη από ηα δύμ αοηά πεδία ηεξ πιενμθμνηθήξ. Σμ μάζεμα ζημπεύεη: ζηεκ ελμηθείςζε ημο θμηηεηή με ηηξ ανπέξ ζπεδίαζεξ εκζςμαηςμέκςκ ζοζηεμάηςκ (ιμγηζμηθό θαη οιηθό) θαη ηεκ εθανμμγή ημοξ βήμα-βήμα ζηε πνάλε μέζς ηεξ ζηαδηαθήξ ζπεδίαζεξ θαη οιμπμίεζεξ εκόξ μιμθιενςμέκμο ζοζηήμαημξ ζημ ενγαζηήνημ. Ο θμηηεηήξ μαζαίκεη κα θαηακμεί πνμδηαγναθέξ ζπεδίαζεξ, οιμπμίεζεξ ημο θάζε ζημηπείμο (με ιμγηζμηθό ή οιηθό) θαη κα μιμθιενώκεη θαηάιιεια όια ηα επημένμοξ ζημηπεία ζε έκα πιήνεξ ειέγλημμ ζύζηεμα. Γπίζεξ μαζαίκεη κα πνεζημμπμηεί εθηεκώξ γιώζζεξ πενηγναθήξ οιηθμύ (VHDL) θαη ενγαιεία ζύκζεζεξ θαη πνμζμμμίςζεξ γηα ηεκ γνήγμνε πνςημηοπμπμίεζε εκζςμαηςμέκςκ ζοζηεμάηςκ με ζημηπεία ακαδηαηαζζμμέκεξ ιμγηθήξ (FPGAs).