Προγραµµατισµός Συστηµάτων Πραγµατικού Χρόνου

Transcript

1 Προγραµµατισµός Συστηµάτων Πραγµατικού Χρόνου Εφαρµογές σε µικρά ενσωµατωµένα συστήµατα Ιωάννης Καλόµοιρος Αναπληρωτής Καθηγητής Τµήµα Μηχανικών Πληροφορικής Μάθηµα 2ο

2 Περίληψη και σηµαντικά σηµεία Τα ενσωµατωµένα συστήµατα είναι παντού Ενσωµατωµένο σύστηµα είναι σχεδόν κάθε υπολογιστικό σύστηµα που δεν είναι επιτραπέζιος, φορητός ή mainframe υπολογιστής Τα ενσωµατωµένα συστήµατα περιέχονται σε ηλεκτρονικές συσκευές Παράγονται σε δισεκατοµµύρια µονάδες κάθε χρόνο, ενώ οι επιτραπέζιοι υπολογιστές µετριούνται σε εκατοµµύρια

3 Μια «µικρή λίστα» ενσωµατωµένων συστηµάτων

4 Παράδειγµα συνηθισµένου ΕΣ

5 Το πρόβληµα της σχεδίασης: Το ζητούµενο είναι να σχεδιάσουµε ένα σύστηµα σύµφωνα µε τις προδιαγραφές. Το σύστηµα πρέπει να υλοποιεί την επιθυµητή λειτουργικότητα... Όµως, πρέπει να βελτιστοποιεί και κάποιες σχεδιαστικές µετρικές Οι σχεδιαστικές µετρικές είναι µετρήσιµα χαρακτηριστικά του συστήµατος. Αν δεν βελτιστοποιηθούν το προϊόν καταδικάζεται σε αποτυχία...

6 Οι σχεδιαστικές µετρικές που πρέπει να βελτιστοποιηθούν NRE cost (Non-Recurrent Engineering cost): το κόστος της σχεδίασης και ανάπτυξης του συστήµατος Κόστος Μονάδας (Unit cost): το κόστος της κατασκευής µιας µονάδας µείον το κόστος NRE Μέγεθος (Size): το µέγεθος κάθε µονάδας Απόδοση (performance): ο χρόνος εκτέλεσης της µονάδας έργου (throughput) Ισχύς: Το ποσό της ισχύος που δαπανά το σύστηµα Ευελιξία: πόσο εύκολα το σύστηµα µπορεί να αλλάξει λειτουργικότητα

7 άλλες σχεδιαστικές µετρικές Χρόνος πρωτοτυποποίησης (time to prototype) Χρόνος πρόσβασης στην αγορά (time-to-market)

8 Τεχνολογίες-κλειδιά για τα ΕΣ Υπάρχουν τρεις τεχνολογίες-κλειδιά, που αφορούν στα ενσωµατωµένα συστήµατα: Τεχνολογία επεξεργαστών Τεχνολογία Ολοκληρωµένων κυκλωµάτων Τεχνολογία σχεδίασης Οι τεχνολογίες αυτές αλληλοεπικαλύπτονται: έαν ολοκληρωµένο κύκλωµα µπορεί να περιέχει επεξεργαστή της µιας ή της άλλης τεχνολογίας και να είναι σχεδιασµένο µε την µια ή την άλλη τεχνολογία σχεδίασης

9 Τεχνολογίες επεξεργαστών

10 Τεχνολογίες επεξεργαστών Επεξεργαστές γενικού σκοπού: Προγραµµατιζόµενες διατάξεις ικανές να ανταποκριθούν στις ανάγκες πολλών εφαρµογών. Έχουν δική τους µεγάλη RAM (εσωτερική ή εξωτερική), και συνήθως στηρίζονται σε αρχιτεκτονική Von-Neumann και ένα γενικό διάδροµο επεξεργασίας (data path) παράδειγµα: Pentium, 8088, µαθαίνουµε γι αυτούς σε εισαγωγικά µαθήµατα αρχιτεκτονικής υπολογιστών

11 Τεχνολογίες επεξεργαστών Εξειδικευµένοι επεξεργαστές (application-specific) κατηγορία προγραµµατιζόµενων επεξεργαστών που είναι βελτιστοποιηµένοι για συγκεκριµένη κατηγορία εφαρµογών Έχουν περιορισµένη RAM πάνω στο τσιπ, συνήθως υλοποιούν αρχιτεκτονική Harvard, η επεξεργασία τους είναι ειδικού σκοπού και έχουν ενσωµατωµένα πολλά περιφερειακά κυκλώµατα Έχουν µνήµη προγράµµατος παραδείγµατα: microcontrollers, DSP processors

12 Τεχνολογίες επεξεργαστών Επεξεργαστές µοναδικού σκοπού (single purpose): ψηφιακό κύκλωµα σχεδιασµένο να εκτελεί µόνον µια διεργασία Περιλαµβάνει µόνον τα απαραίτητα κυκλώµατα που χρειάζονται ώστε να εκτελέσουν ένα µοναδικό πρόγραµµα εν έχουν µνήµη προγράµµατος, αλλά σε ορισµένες περιπτώσεις χρειάζονται λίγη RAM. Παραδείγµατα: επιταχυντές υλικού, όπως video compressors, ψηφιακά φίλτρα, επεξεργαστές µηχανικής όρασης. Οι περιφερειακοί ελεγκτές (κυκλώµατα επικοινωνίας µε θύρες I/O και µε ICs) θεωρούνται επίσης επεξεργαστές µοναδικού σκοπού

13 SOFTWARE και HARDWARE στις τεχνολογίες επεξεργαστών Επεξεργαστές γενικού σκοπού και εξειδικευµένοι επεξεργαστές: Είναι προγραµµατιζόµενοι, άρα για να λειτουργήσουν πρέπει να γράψουµε κώδικα γι αυτούς. Από αυτή την άποψη αντιπροσωπεύουν το µέρος του συστήµατος που ταυτίζεται µε το ΛΟΓΙΣΜΙΚΟ. Επεξεργαστές µοναδικού σκοπού: το κύκλωµα «είναι» το πρόγραµµα, άρα δεν γράφουµε κώδικα γι αυτούς. Αντιπροσωπεύουν το ΥΛΙΚΟ µέρος του συστήµατος.

14 Τεχνολογίες ολοκληρωµένων κυκλωµάτων Πλήρως προσαρµοσµένα (Full custom/vlsi) All layers are designed from scratch, from tranzistors to routing wires Μερικώς προσαρµοσµένα (Semi-custom ASIC) Lower layers are partially built. Designers place blocks and route wires ιαµορφούµενες διατάξεις PLD (CPLDs/FPGAs) all layers already exist. We only configure LUT and interconnections between blocks

15 Τεχνολογίες ολοκληρωµένων κυκλωµάτων (πλεονεκτήµατα/µειονεκτήµατα)

16 Τεχνολογίες σχεδίασης Με ποια µέσα υλοποιούµε την επιθυµητή λειτουργικότητα; Για το σκοπό αυτό έχουµε εργαλεία σχεδίασης Για το λογισµικό διαθέτουµε ολοκληρωµένα περιβάλλοντα για ανάπτυξη λογισµικού, όπως assemblers, µεταγλωττιστές, προσοµοιωτές και προγραµµατιστές

17 Τεχνολογίες σχεδίασης Για το υλικό µέρος διαθέτουµε εργαλεία σχεδίασης τύπου CAD και Γλώσσες περιγραφής υλικού. Τα εργαλεία αυτά επιτρέπουν τη σχεδίαση σε διάφορα επίπεδα: στο επίπεδο του ολοκληρωµένου συστήµατος (system level) Στο επίπεδο της συµπεριφοράς του κυκλώµατος (behavioral level) Στο δοµικό επίπεδο της µεταφοράς σηµάτων ανάµεσα σε πύλες και καταχωρητές (Register-transfer level)