Érzékelők és beavatkozók I

Érzékelők és beavatkozók I. Mikrovezérlők, mikroszámítógépek (szoftver) Dr. Soumelidis Alexandros egyetemi docens

Dr. Soumelidis Alexandros 2015-16. I. félév

-1-

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Közlekedés- és Járműirányítási Tanszék

Beágyazott rendszerek programozása Beágyazott számítástechnikai rendszerek: • Általános architektúra. • A feladatspecifikus tartalmat nagyobb részt a program (programok, szoftver) képviseli.

• Kisebb részt jelentenek általában a speciális hardver komponensek.


-2-


Beágyazott szoftver Speciális vonások: • Általában egy fixen, nem törlődő memóriában elhelyezett, automatikusan induló, és a leállításáig folyamatosan működő program. • A programozás, programok letöltése, felújítása a működéstől külön álló folyamat, speciális szakértelmet és segédeszközöket követelhet meg.

• Interakció a kezelővel, külvilággal csak előre tervezett módon. Dr. Soumelidis Alexandros 2015-16. I. félév

-3-


Beágyazott szoftver Speciális követelmények: • A hardver bonyolultságától függően egyszerűbb vagy bonyolultabb programszerkezet. • Kis áramfogyasztás (elemes táplálású készülékek): speciális utasítások – a rendszer „elaltatása”, készenléti mód, a programok optimalizálása kis fogyasztásra. • Valós idejű (Real Time – RT) működés: kis válaszidő a külső eseményekre, párhuzamosan zajló konkurens folyamatok, ütemezés. Dr. Soumelidis Alexandros 2015-16. I. félév

-4-


A programozás folyamata Hagyományos programozás: • Programtervezés.

• A program megfogalmazása, kódolás. • Fordítás: letölthető kód előállítása. • Program letöltés. • Program tesztelés, hibakeresés, javítás. • A fenti lépések ismétlése a minél hibamentesebb állapot elérése érdekében. Dr. Soumelidis Alexandros 2015-16. I. félév

-5-


Programtervezés Feladatspecifikáció: • Szöveges, grafikus vagy logikai megfogalmazása a feladatnak. Hagyományos módszer:

• Szöveges specifikáció • Folyamatábra

Modern törekvések: • A specifikáció legyen maga a program, vagy legalább annak első (felső szintű) megfogalmazása – top-down megközelítés. • Specifikáció és programtervezés összefonódása. Dr. Soumelidis Alexandros 2015-16. I. félév

-6-


Programtervezési elvek • Top-down tervezés. • Moduláris tervezés: kisebb, egyszerűbb feladatokra bontás, már létező elemekre bontás. • Objektum orientált programozás: osztályok, objektumok.

• Újrafelhasználás: modulok, osztályok, „intellectual property” – IP • Szimbolikus, logikai, grafikus programozás

• Automatikus kódgenerálás. Dr. Soumelidis Alexandros 2015-16. I. félév

-7-


A program megfogalmazása • Gépi kódok: Bináris szekvenciák, emberi megértésre hexadecimális számokkal jelölik, pl. 1A 9C 55

• Assembly nyelv: Gépi kódok helyett emlékeztető kódok (mnemonic), szimbolikus nevek és címek, makrók.

• Magas szintű programozási nyelvek: Beágyazott rendszerekben ma: C, C++, Java, C#.

• Szimbolikus, logikai, grafikus programtervezési nyelvek: Példák: Matlab/Simulink (Mathworks), LabVIEW (NI). Dr. Soumelidis Alexandros 2015-16. I. félév

-8-


Gépi kód és assembly nyelv Gépi kódú Címek utasítások 392: 394: 396: 398: 39a: 39c: 39e: 3a0: 3a2: 3a4:

df cf cd de 64 0f f8 de 0f cd

93 93 b7 b7 97 b6 94 bf be bf


Assembly nyelvi forma Mnemonik-ok Operandusok Regiszterek, push push in in sbiw in cli out out out -9-

konstansok, címkék

r29 r28 r28, 0x3d r29, 0x3e r28, 0x14 r0, 0x3f

; ; ; ;

0x3e, r29 0x3f, r0 0x3d, r28

; 62 ; 63 ; 61

61 62 20 63


Gépi kód • Gépi kódban nem programozunk. • Hol találkozhatunk gépi (bináris, hexadecimális) kóddal?

Hibakeresés során


- 10 -


Assembly nyelv • Assembly nyelven ritkán programozunk. • Tipikus példák assembly alkalmazásra: • C (vagy más programozási nyelv) „startup”kódja • Biztonságkritikus programozás • Garantált időzítésű eszköz meghajtó eljárások, megszakítás kezelők • Gyors, tömör eljárások Dr. Soumelidis Alexandros 2015-16. I. félév

- 11 -


Magas szintű programozási nyelvek • Beágyazott rendszerek fejlesztésének standard programozási nyelve a C.

• Régebbi kísérletek: Pascal, Delphi. • Újabb próbálkozások: az objektum orientált programozás meghonosítása – C++, Java, C# A letölthető/futtatható program előállítása: • Editing • Szövegszerkesztés • Compilation • Fordítás • Linking • Összeállítás Dr. Soumelidis Alexandros 2015-16. I. félév

- 12 -


Programfejlesztési környezetek • Szövegszerkesztés - Editor • Fordítás – Compiler • Összeállítás – Linker • Letöltés – Loader • Tesztelés, hibajavítás - Debugger

Programfejlesztési környezet

A beágyazott rendszerek területén általában:

• Alapfunkciókat ellátó programfejleszési környezetet a gyártók ingyenesen biztosítanak. • Editor, Assembler, Loader, Debugger • Támogatja a cég hardver fejlesztőeszközeit Dr. Soumelidis Alexandros 2015-16. I. félév

- 13 -


Programfejlesztési környezetek Magas szintű nyelvi támogatás: általában külön kell beszerezni, lehetőségek: • Professzionális eszközök kereskedelmi forgalomban megvásárolhatók: IAR, Keil, Altium Tasking. • Szabad forráskódú (Open Source) eszközök: ingyenesen letölthetők és használhatók. Open Source: • Nem kereskedelmi alkalmazásokra ingyenes. • GNU licenc: közzétételi kötelezettség. • Csatlakozni lehet a fejlesztő közösséghez. Dr. Soumelidis Alexandros 2015-16. I. félév

- 14 -


Programfejlesztési környezetek A professzionális eszközök előnyei: • Általában kiterjedt könyvtárak (újrafelhasználható kód) tartoznak hozzájuk. • Kiépített terméktámogatás. • (Korlátozott) felelősségvállalás a gyártó részéről. Hátrányai: • Magas beszerzési ár. • Magas fenntartási költségek (terméktámogatás nem ingyenes). • Sok esetben „royalty” az előállított termékekre. • Kiszolgáltatottság Dr. Soumelidis Alexandros 2015-16. I. félév

- 15 -


Programfejlesztési környezetek Példa: Atmel Studio az Atmel AVR 8, 16 és 32bites, valamint ARM mikrovezérlőihez • Az Atmel cég weblapjáról ingyenesen letölthető programfejlesztő rendszer - assembly és C/C++. • Az Atmel teljes mikrovezérlő választékát lefedi. • Teljes körű támogatást ad az Atmel programozó és hibakereső hardvereihez. • Kiterjedt szoftver támogatás (Software Framework), könyvtárak, példaprogramok • Bővíthető professzionális fordítókkal (beépülnek a rendszerbe. Dr. Soumelidis Alexandros 2015-16. I. félév

- 16 -


Atmel Studio Ver. 6. (AVR 8-16-32-bites ARM 32-bites µC)


- 17 -


JTAG ICE USB

Hardver támogatás

JTAG ICE mkII

Házilag készült ISP letöltő AVR ONE

JTAGICE3

• ISP programozók: PP, RS232, USB • JTAG debuggerek Dr. Soumelidis Alexandros 2015-16. I. félév

- 18 -


Szimbolikus programfejlesztés • A programspecifikáció és a programfejlesztés egy egységben történik. • Magas szintű, öndokumentáló program kifejezés. • Automatikus programkód generálás akár több mikroszámítógép platformra is. Példák: • A Mathworks Matlab/Simulink rendszeréhez illeszkedő Real Time és Embedded Target toolbox-ok. • A National Instruments LabVIEW rendszere. • A Siemens Space rendszere biztonsági alkalmazásokra. Dr. Soumelidis Alexandros 2015-16. I. félév

- 19 -


Matlab/Simulink,Real Time Workshop, Embedded Target

• Grafikus programkifejezés, kiterjedt építőelem készlet. • Automatikus kódgenerálás különböző processzorokra. Dr. Soumelidis Alexandros 2015-16. I. félév

- 20 -


National Instruments LabVIEW

• Grafikus programozási nyelv, kiterjedt építőelem készlet. • Változatos vezérlési szerkezetek, real-time működés • Automatikus kódgenerálás. Dr. Soumelidis Alexandros 2015-16. I. félév

- 21 -


Siemens Space a Paksi Atomerőműben • Reaktorvédelmi Rendszer: a Siemens TelepermXS rendszerére épül • A programspecifikáció: több száz lap: grafikus sémák • Space rendszer: automatikus kódgenerálás a TelepermXS processzorokra • Biztonsági alkalmazásokra verifikált kód. Dr. Soumelidis Alexandros 2015-16. I. félév

- 22 -

REACTOR POWER LIMITING x1

N corr

N corr

N%

+ 1%

+

3x

3x

-

x1 x2 x2 y= _____ * 1000

3x

50 sec 0 t

1

3x

3x

3x

& 3x

- 1%

x1 0 1 1 Ta x1

x2 _

x3 _

1 0

0 1

yt

x1

y t-1 yt-1+1 yt-1-1

corr. yt

x2 x3

corr.

3x

Q

MCP

Q k x x2 y= Q * 1

x2 kQ

3x

N MCP

per

x1

3x

6 5 4 3 100 ____ 66 ____ 50 83 ____ ____ 28 26.3 24.5 30 (per. = permissible)

<3 0

3% +

N MCP per x1

6

N MCP per 100

3x

3x

-

EP302

5

4

3

<3

83

66

50

0

(per. = permissible)


Programozási eszközök A programozási környezeteken kívül: programcsomagok, toolkit-ek, software stack-ek, IP-k: • Matematikai eljárások (mátrix műveletek, FFT). • Méréstechnikai, irányítástechnikai csomagok (PID szabályozó). • Periféria kezelő csomagok (IDE, USB harddiszk, MMC/SD memóriakártya) • Hálózati kommunikációs csomagok (CAN, TCP/IP, Zigbee, USB stack)

Open-source és kereskedelmi célú Program „újrahasznosítás” - reusability Dr. Soumelidis Alexandros 2015-16. I. félév

- 23 -


Operációs rendszerek Beágyazott operációs rendszerek: • Linux – open source és professzionális realizációk, különböző disztibúciók. • Android – open source, a mobil eszközök révén nagyon elterjedt. • Microsoft WinCE – professzionális, programozók szűk köre fér hozzá. • Apple iOS – professzionális, de a programozók felé korlátokkal nyitott. • Valós idejű operációs rendszerek, pl. RTOS, MicroC/OS • Különböző gyártók saját termékeik számára kifejlesztett operációs rendszerei. Dr. Soumelidis Alexandros 2015-16. I. félév

- 24 -


Operációs rendszerek Operációs rendszerek alkalmazásának előnyei: • Standardizált programfuttatási környezetet biztosítanak, a programozónak csak saját feladatával kell törődnie. • Standardizált rendszerkezelés operációs rendszerhivásokon keresztül. • Egységesített hardver kezelés standard meghajtóprogramok (driver) API felületein keresztül. • Háttértárolók, kommunikációs hálózatok magas szintű standardizált kezelése. • Automatizált memóriakezelés, virtuális memóriakezelés háttértárolók igénybevételével. • Standard programok, programcsomagok a megoldandó feladatok széles skálájára. Dr. Soumelidis Alexandros 2015-16. I. félév

- 25 -


Operációs rendszerek Operációs rendszerek alkalmazásának feltételei: • Nagyobb számítási teljesítményű, általában 32-bites és a feletti mikroszámítógép. • Nagy dinamikus memória és MMU (Memory Management Unit). • Célszerű többszintű prioritásos megszakítás-rendszer, DMA (Direct Memory Access) és egyéb hardver támogatás.


- 26 -


Real-time programozás Valós idejű rendszerek: • Párhuzamosan futó, egymással és a külvilág eseményeivel kapcsolatban álló folyamatok. • Egymással és a külvilág eseményeivel való szinkronizáció. • Holtpontmentes működés.

Programeszközök: • Valós idejű magok (real-time kernel): a folyamatütemezés, szinkronizáció, információcsere eszközeit tömörítő program-mag, amely köré épül az alkalmazói program. • Valós idejű operációs rendszer: az operációs rendszer funkciókat valós idejű eszközök egészítik ki. Dr. Soumelidis Alexandros 2015-16. I. félév

- 27 -


Érzékelők és beavatkozók I

Recommend Documents