ĐẶT VẤN ĐỀ Kỷ nguyên công nghệ mới ñã và ñang tiếp tục phát triển không ngừng nhằm thông minh hoá hiện ñại hoá thông suốt các hệ thống. Có thể nói ñánh dấu sự ra ñời và phát triển của hệ nhúng trước tiên phải kể ñến sự ra ñời của các bộ vi xử lý, vi ñiều khiển. Thập kỷ 80 có thể ñược coi là khởi ñiểm bắt ñầu kỷ nguyên của sự bùng nổ về phát triển các hệ nhúng. Từ ñó khởi nguồn cho làn sóng ra ñời của hàng loạt các chủng loại vi xử lý và máy tính nhúng.
Gắn liền với sự phát triển phần cứng, phần mềm cũng ñã phát triển với tốc ñộ nhanh không thua kém thậm chí sẽ tăng nhanh hơn rất nhiều theo sự phát triển hệ nhúng. Ở nước ta, vấn ñề giao thông là một trong những vấn ñề lớn ñược xã hội quan tâm. Đặc biệt là trong các thành phố lớn, càng ngày càng có nhiều phương tiện và người tham gia giao thông, trong khi ñó cơ sở hạ tầng mặc dù ñã ñược cải thiện ñáng kể song cũng không thể ñáp ứng ñược yêu cầu ñi lại quá cao như hiện nay. An toàn giao thông ñược xem là một quốc sách.
Vì vậy việc quản lý giao thông là vô cùng quan trọng. Hệ thống giao thông thông minh ITS (Intelligent Transportation Systems), áp dụng những kỹ thuật tiên tiến vào hệ thống vận tải ñường bộ ñược nhìn nhận rộng rãi như là một giải pháp cho bài toán vận tải mà xã hội chúng ta ñang phải ñối mặt. Ở những khía cạnh khác, một nhu cầu ngày càng tăng về tính lưu ñộng ñang phải ñối mặt với những ràng buộc về kinh tế, xã hội và vật lý trên cơ sở hạ tầng vận tải sẵn có. Những sự ràng buộc này bao gồm sự giảm bớt chi phí cho những dự án vận tải, những mối quan tâm tới môi trường và sự thiếu không gian vật lý cho những dự án cải thiện hạ tầng.
Những ứng dụng của ITS, mà ở ñó khoa học ứng dụng ñược sử dụng ñể tăng hiệu suất hoạt ñộng và khả năng của cơ sở hạ tầng vận tải, có thể phụ thêm vào hay thậm chí thay thế sự phát triển của cơ sở hạ tầng, cung cấp những giải pháp lưu ñộng có hiệu quả hơn mà lại giảm chi phí cho xã hội. 2 Trên thế giới hiện nay hệ thống ñiều khiển giao thông cũng ñã ñược phát triển trải qua rất nhiều giai ñoạn. Từ các bộ ñiều khiển cơ ñiện tử ñến các bộ ñiều khiển sử dụng vi ñiện tử kết hợp với phần mềm ñiều khiển linh hoạt. TỔNG QUAN VỀ HỆ NHÚNG 1.
Các khái niệm về hệ nhúng Hệ thống nhúng Trong thế giới thực của chúng ta bất kỳ một thiết bị hay hệ thống ñiện/ñiện tử có khả năng xử lý thông tin và ñiều khiển ñều có thể tiềm ẩn trong ñó một thiết bị hay hệ nhúng, ví dụ như các thiết bị truyền thông, thiết bị ño lường ñiều khiển, các thiết bị phục vụ sinh hoạt hàng ngày như lò vi sóng, máy giặt, camera…Rất dễ dàng ñể có thể kể ra hàng loạt các thiết bị hay hệ thống như vậy ñang tồn tại quanh ta, chúng là hệ nhúng. Hiện nay cũng chưa có một ñịnh nghĩa nào thực sự thoả ñáng ñể ñược chuẩn hoá và thừa nhận rộng rãi cho hệ nhúng mà vẫn chỉ là những khái niệm diễn tả về chúng thông qua những ñặc thù chung. Tuy nhiên chúng ta có thể hiểu hệ nhúng là một phần hệ thống xử lý thông tin nhúng trong các hệ thống lớn, phức hợp và ñộc lập ví dụ như trong ôtô, các thiết bị ño lường, ñiều khiển, truyền thông và thiết bị thông minh nói chung. Chúng là những tổ hợp của phần cứng và phần mềm ñể thực hiện một hoặc một nhóm chức năng chuyên biệt, cụ thể.
Hình 1-1: Một vài hình ảnh về hệ nhúng 3 Hệ thời gian thực Trong các bài toán ñiều khiển và ứng dụng chúng ta rất hay gặp thuật ngữ “thời gian thực”. Thực chất, theo cách hiểu nếu nói trong các hệ thống kỹ thuật ñặc biệt các hệ thống yêu cầu khắt khe về sự ràng buộc thời gian, thời gian thực ñược hiểu là yêu cầu của hệ thống phải ñảm bảo thoả mãn về tính tiền ñịnh trong hoạt ñộng của hệ thống. Tính tiền ñịnh nói lên hành vi của hệ thống thực hiện ñúng trong một khung thời gian cho trước hoàn toàn xác ñịnh. Ở ñây chúng ta phân biệt yếu tố thời gian gắn liền với khái niệm về thời gian thực.
Không phải hệ thống thực hiện rất nhanh là sẽ ñảm bảo ñược tính thời gian thực vì nhanh hay chậm hoàn toàn là phép so sánh có tính tương ñối vì mili giây có thể là nhanh với hệ thống ñiều khiển nhiệt nhưng lại là chậm ñối với các ñối tượng ñiều khiển ñiện như dòng, áp…. Hơn thế nữa nếu chỉ nhanh không thì chưa ñủ mà phải ñảm bảo duy trì ổn ñịnh bằng một cơ chế hoạt ñộng tin cậy. Thực tế thấy rằng hầu hết hệ nhúng là các hệ thời gian thực và hầu hết các hệ thời gian thực là hệ nhúng. Điều này phản ánh mối quan hệ mật thiết giữa hệ nhúng và thời gian thực và tính thời gian thực ñã trở thành như một thuộc tính tiêu biểu của hệ nhúng.
Vì vậy hiện nay khi ñề cập tới các hệ nhúng người ta ñều nói tới ñặc tính cơ bản của nó là tính thời gian thực. Hình 1-2: Phân bố và quan hệ giữa hệ nhúng và thời gian thực 4 1.2 Lĩnh vực ứng dụng của hệ nhúng Chúng ta có thể kể ra ñược rất nhiều các ứng dụng của hệ thống nhúng ñang ñược sử dụng hiện nay, và xu thể sẽ còn tiếp tục tăng nhanh. Một số các lĩnh vực và sản phẩm thị trường rộng lớn của các hệ nhúng có thể ñược nhóm như sau: • Các thiết bị ñiều khiển • Ôtô, tàu ñiện • Truyền thông • Thiết bị y tế • Hệ thống ño lường thẩm ñịnh • Toà nhà thông minh • Thiết bị trong các dây truyền sản xuất • Rôbốt • .3 Đặc ñiểm công nghệ và xu thế phát triển của hệ nhúng 1.1 Đặc ñiểm công nghệ Các hệ thống như vậy ñều có chung một số ñặc ñiểm như yêu cầu về khả năng thời gian thực, ñộ tin cậy, tính ñộc lập và hiệu quả. Một câu hỏi ñặt ra là tại sao hệ thống nhúng lại phát triển và ñược phổ cập một cách nhanh chóng như hiện nay.
Câu trả lời thực ra nằm ở các yêu cầu tăng lên không ngừng trong các ứng dụng công nghệ hiện nay. Các yêu cầu cơ bản ñó là: Khả năng ñộc lập và thông minh hoá: Điều này ñược chỉ rõ hơn thông qua một số các thuộc tính yêu cầu, cụ thể như: - Độ tin cậy - Khả năng bảo trì và nâng cấp 5 - Sự phổ cập và tiện sử dụng - Độ an toàn - Tính bảo mật Hiệu quả: Yêu cầu này ñược thể hiện thông qua một số các ñặc ñiểm của hệ thống như sau: - Năng lượng tiêu thụ - Kích thước về phần cứng và phần mềm - Hiệu quả về thời gian thực hiện - Kích thước và khối lượng - Giá thành Phân hoạch tác vụ và chức năng hoá: Các bộ vi xử lý trong các hệ nhúng thường ñược sử dụng ñể ñảm nhiệm và thực hiện một hoặc một nhóm chức năng rất ñộc lập và cũng ñặc thù cho từng phần chức năng của hệ thống lớn mà nó ñược nhúng vào. Khả năng này làm tăng thêm sự chuyên biệt hoá về chức năng của một hệ thống lớn và dễ dàng hơn cho quá trính xây dựng, vận hành và bảo trì. Khả năng thời gian thực: Các hệ thống ñều gắn liền với việc ñảm nhiệm một chức năng chính và phải ñược thực hiện ñúng theo một khung thời gian qui ñịnh.
Tuỳ thuộc vào từng bài toán và yêu cầu của hệ thống mà yêu cầu về khả năng thời gian thực cũng rất khác nhau. Tuy nhiên, trong thực tế không phải hệ nhúng nào cũng ñều có thể thoả mãn tất cả những yêu cầu nêu trên, vì chúng là kết quả của sự thoả hiệp của nhiều yêu cầu và ñiều kiện nhằm ưu tiên cho chức năng cụ thể mà chúng ñược thiết kế. Chính ñiều này lại càng làm tăng thêm tính chuyên biệt hoá của các hệ/thiết bị nhúng mà các thiết bị ña năng không thể cạnh tranh ñược.2 Xu thế phát triển và sự tăng trưởng của hệ nhúng Vì sự phát triển hệ nhúng là sự kết hợp nhuần nhuyễn giữa phần cứng và phần mềm nên công nghệ gắn liền với nó cũng chính là công nghệ kết hợp giữa các 6 giải pháp cho phần cứng và mềm. Vì tính chuyên biệt của các thiết bị / hệ nhúng như ñã giới thiệu nên các nền phần cứng cũng ñược chế tạo ñể ưu tiên ñáp ứng cho chức năng hay nhiệm vụ cụ thể của yêu cầu thiết kế ñặt ra.
Lớp hệ nhúng ưu tiên phát triển theo tiêu chí về kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ năng lượng ít, giá thành thấp. Các chíp xử lý nhúng cho lớp hệ thống ứng dụng ñó thường yêu cầu về khả năng tính toán ít hoặc vừa phải nên hầu hết ñược xây dựng trên cở sở bộ ñồng xử lý 8 bít 16 bit hoặc cùng lắm là 32 bit và không hỗ trợ dấu phảy ñộng do sự hạn chế về dung lượng và khả năng tính toán. Lớp hệ nhúng ưu tiên thực thi khả năng xử lý tính toán với tốc ñộ thực hiện nhanh. Các chíp xử lý nhúng cho các hệ thống ñó cũng sẽ là các Chip áp dụng các công nghệ cao cấp với kiến trúc xử lý song song ñể ñáp ứng ñược cường ñộ tính toán lớn và tốc ñộ mà các Chip xử lý ña chức năng thông thường không ñạt tới ñược.
Lớp hệ thống ưu tiên cả hai tiêu chí phát triển của hai lớp trên, tức là kích thước nhỏ gọn, mức tiêu thụ năng lượng thấp, tốc ñộ tính toán nhanh. Tuỳ theo sự thoả hiệp giữa các yêu cầu và xu thế phát triển chính vì vậy cũng không có gì ngạc nhiên khi chúng ta thấy sự tồn tại song song của rất nhiều các Chip vi xử lý nhúng, vi ñiều khiển nhúng 8 bit, 16 bit hay 32 bit cùng với các Chíp siêu xử lý khác vẫn ñang ñược ứng dụng rộng rãi cho hệ nhúng. Trong xu thế phát triển không ngừng và nhằm thoả mãn ñược nhu cầu phát triển nhanh và hiệu quả có rất nhiều các công nghệ cho phép thực thi các giải pháp hệ nhúng. Đứng sau sự phổ cập rộng rãi của các Chip vi xử lý vi ñiều khiển nhúng, DSP phải kể ñến các công nghệ cũng ñang rất ñược quan tâm hiện nay như ASIC, CPLD, FPGA, PSOC và sự tổ hợp của chúng.