Yleistä Sulautetut järjestelmät 1

Transkriptio

1 Yleistä Luennot tiistaisin 8-10, TB111, I periodi ei harjoituksia harjoitustyö (auto) II periodilla harjoitustyön esittely I periodin lopussa erikseen ilmoitettavana aikana Sulautetut järjestelmät 1

2 Mikä on sulautettu järjestelmä? hiiri? näppäimistö? DVD-soitin? ipod? XBox? Mitä erityistä siinä on? Sulautetut järjestelmät 2

3 Sulautettu järjestelmä Erikoistunut, sovitettu käyttötarkoitukseen sekä ohjelmiston että laitteiston osalta Usein osa laajempaa järjestelmää tai hierarkkinen Suljettu/staattinen järjestelmä Vika/virhesietoinen järjestelmä Sulautetut järjestelmät 3

4 Suunnittelu Järjestelmä koostuu yleensä sekä laitteistosta että ohjelmistosta Jos toimitaan standardi laitteistoilla, puhutaan usein reaaliaikajärjestelmistä Sovellus ja osa laitteistosta dedikoitua Toimitaan perinteisen kj:n alaisuudessa tai rinnalla Kurssilla lähinnä puhumme täysin dedikoiduista järjestelmistä Sulautetut järjestelmät 4

5 Esimerkkejä laitteistoista Pieni järjestelmä ( microchip ) Keskisuuri ( atmel ) Sulautettu Linux ( Axis ) Fpga pohjainen ( xilinx ) Dynaaminen ( tensilica ) Perinteinen ( freescale ) Sulautetut järjestelmät 5

6 Erityispiirteitä Rajatut resurssit Kiinteät tehtävät Sovellus ei terminoidu Ei pakotietä Sulautetut järjestelmät 6

7 Ohjelmointi Suljettu, erikostunut järjestelmä ei sisällä ohjelmointityökaluja eikä laitteistoresursseja Ohjelmistot kehitetään muussa ympäristössä -> ristikäännös Sulautetut järjestelmät 7

8 Ohjelmointityökalut Ristikääntäjä Gcc tai muu kääntäjä Muut työkalut Assembler, yhdistelijä, yms Ajoajan kirjastot, esim C-kielessä kielen tuki C-standardikirjasto IO-kirjasto käyttöjärjestelmätuki Sulautetut järjestelmät 8

9 Kielentuki Suorituksen kannalta välttämättömät rutiinit, C-kielessä esim. kertolasku arkkitehtuureille joissa ei käskynä Käynnistysrutiinit, joilla kontrolli siirtyy ohjelmaan Sulautetut järjestelmät 9

10 C-standardikirjasto Ohjelmoijalle tutut rutiinit, joita C-kielessä käytetään (malloc, printf, strlen,... ) Jakautuu kolmeen ryhmään laiteriippumattomat (strlen, strcpy,... ) yleinen IO (printf, sprintf,... ) käyttöjärjestelmä rajapinta ( fopen, signal,... ) Sulautetut järjestelmät 10

11 IO-kirjasto laitekohtainen IO-toiminto, useimmiten merkki-io (getchar, putchar,... ) käytetään joko suoraan tai standardikirjaston kautta Sulautetut järjestelmät 11

12 Muuta Newlib on kirjastopaketti, joka sisältää C- standardikirjaston kevennetyn version. kirjaston vaatima käyttöjärjestelmätuki on minimoitu tavoitteena helpottaa sovellusten siirtoa sulautettuihin (tai muihin pieniin) järjestelmiin Sulautetut järjestelmät 12

13 Käyttöjärjestelmätuki laitteisto- tai sovelluskohtaiset rutiinit käyttöjärjestelmän emulointiin C-standardikirjasto odottaa joidenkin käyttöjärjestelmärutiinien olemassaoloa esim. fopen open emulointi tai kj (jos sellainen on) tarpeen yhteensopivuuden nimissä, jos halutaan sovittaa standardisovelluksia sulautettuun ympäristöön Sulautetut järjestelmät 13

14 Ohjelmointityökalut Kääntäjä (C, C++, Java, tms. ) assembler (gas,... ) yhdistelijä (gld,... ) muut työkalut nm, ar, objdump, objcopy,... Debuggeri (gdb, ) Sulautetut järjestelmät 14

15 Kääntäjä useimmiten gcc (tai sen variantti) tuottaa symbolista konekoodia (.s) Sulautetut järjestelmät 15

16 assembler arkkitehtuurikohtainen symbolisen konekoodin kääntäjä objektikoodiksi (.o) usein näkymätön vaihe käännöksessä objektikoodi paikastariippumatonta Sulautetut järjestelmät 16

17 yhdistelijä yhdistelee objektikoodit erilähteistä (ohjelmoija, kirjastot) valmiiksi tulostiedostoksi sitoo ohjelman sijoittelun muistiin poimii koodialueet yhteen läjään dataalueet toiseen, jne Sulautetut järjestelmät 17

18 Ohjelmointityökalut *.c *.s *.o exe? käännös, assembly, yhdistely, entä sitten? Miten sulautetussa järjestelmässä koodi saadaan muistiin? Sulautetut järjestelmät 18

19 Muistinkäyttö sulautettu järjestelmä staattinen ohjelma sijoitetaan suoraan muistiin, ei massamuistia ohjelmoijan kerrottava eri tarkoituksiin käytettävissä olevat muistialueet (Flash)ROM, RAM, etc... lisäksi koodi on saatava muistiin oikeaan paikkaan ja käynnistettyä Sulautetut järjestelmät 19

20 Ohjelman lataus jos järjestelmä aivan tyhjä, erillisellä ohjelmointilaitteella luodaan ohjelmarom yleensä laitteistoissa on jonkinlainen ohjelma valmiina ( bootrom, bios, etc... ) AVR-prosessori: muistissa valmiina flashohjelmointi (vrt: PC-bios päivitys) tämä osaa ladata/käynnistää koodin Sulautetut järjestelmät 20

21 Ohjelman lataus pelkkä sovellus kaikki tehtävä itse bios olemassa bios tekee perus alustuksen, käynnistää sitten sovelluksen sovellus flashmuistissa, josta bios sen tunnistaa ja osaa käynnistää tai configuraatio eeprom (vrt. PC-bios) joka kertoo, mistä sovellus löytyy Sulautetut järjestelmät 21

22 Ohjelman lataus aina koodia ei haluta ajaa ROM pohjalta, silloin siirto RAM-muistiin ja suoritus sieltä testausvaiheessa käynnistys usein eri tavalla kuin lopullisessa järjestelmässä Sulautetut järjestelmät 22

23 Muistettavaa koodi läsnäolevaa (resident), ei erillistä latausta käynnistyksessä mitä mahdollinen bios alustaa, mikä jää sovelluksen tehtäväksi lopullinen vs. testaus, onko tilanteessa eroja Sulautetut järjestelmät 23

24 Ohjelmointityökalut gnu binutils sisältää edustavan joukon erilaisia ohjelmia, joita saattaa sulautettua järjestelmää ohjelmoidessa tarvita miten saat ohjelmasi kohdejärjestelmään? download-mekanismit, tiedostomuodot bootstrap Sulautetut järjestelmät 24

25 Ohjelmistotestaus Simulaattori olisi kiva, ettei tarvitse aina ajaa testiä kohdelaitteistossa Onko kohdelaitteisto olemassa ohjelmaa tehtäessä? Tarvitaanko laitteistoon tukea testaukselle debug-portti tms Sulautetut järjestelmät 25

26 Testaustyökalut Logiikka-analysaattori Oskilloskooppi Emulaattorit prosessorille eprom-emulaattori Sulautetut järjestelmät 26

27 Ohjelmistoarkkitehtuurit Silmukka Keskeytysohjattu Prosessipohjainen Sulautetut järjestelmät 27

28 Silmukka pienten järjestelmien ydin yksinkertainen vaikkapa näppäimistö voisi olla tällainen Sulautetut järjestelmät 28

29 Silmukka Sopii järjestelmiin, joissa ei ajoitusvaatimuksia tehdään vai yhtä asiaa tai pieniä peräkkäin pyörii prosessorin sallimalla vauhdilla Start: jsr _Init clra loop: out a,scanreg in ScanReg,b and #1,b beq nokey jsr SendCode nokey: add #2,a jmp loop Sulautetut järjestelmät 29

30 Silmukka jos tarvitsee tehdä montaa asiaa lomitettuna ja ajoitettuna, hankaluudet alkavat loop: JSR eka JSR tokan_alku JSR eka JSR tokan_loppu JMP loop Sulautetut järjestelmät 30

31 Silmukka jos ajoitus silmukan keston avulla laske syklejä, silmukka oikean kestoinen if:n eri haarat saman kestoisiksi Sulautetut järjestelmät 31

32 Keskeytysohjattu ydin Keskeytys, mikä se on? Asynkroninen aliohjelmakutsu Keskeytysmekanismia käytetään Oheislaitteiden palvelupyyntöihin Poikkeustilanteiden käsittelyyn Käyttöjärjestelmäkutsujen tekemiseen Sulautetut järjestelmät 32

33 Keskeytysmekanismeja Suora, siirry osoitteeseen X Vektoroitu, Siirry osoitteeseen, joka löytyy keskeytysvektorin alkiosta N N on keskeytyksen tyypin mukaan määräytyvä tai oheislaitteen antama tunniste Suorita käsky, jonka oheislaite antaa (8085) Sulautetut järjestelmät 33

34 Toiminto keskeytyksen tullessa Talletetaan prosessorin tila yleensä PC + tilarekisteri, useimmiten myös keskeytykset kielletään talletus pinoon tai erikoisrekistereihin myös muuta voidaan tallettaa Pino talletuspaikkana sallii sisäkkäiset keskeytykset, eli keskeytys voidaan keskeyttää Rekisteriä käyttävissä arkkitehtuureissa tarvitaan lisätoimenpiteitä, mikäli näin tällaista halutaan Sulautetut järjestelmät 34

35 Toiminta keskeytyksen tullessa tilajaollisissa arkkitehtuureissa tilanvaihto USER -> SUPERVISOR paluuta varten oma käsky (RTI) Sulautetut järjestelmät 35

36 mc680x0 Tallettaa ohjelmalaskurin ja tilarekisterin pinoon Kysyy keskeytysvektorin oheislaitteelta Tai käyttää kiinteää vektoria (exceptions tai autovector) Nostaa suoritusprioriteetin keskeytyspyynnön tasolle (siis ei suoraan kiellä kaikkia keskeytyksiä) Siirtyy etuoikeutettuun tilaan Kontrolli vektorin osoittamaan paikkaan Sulautetut järjestelmät 36

37 sparc Tallettaa tilan keskeytyspinoon (kovossa) Pc:t, cwp, asi, ccr, pstate, traptype Siirtyy etuoikeutettuun tilaan Kieltää keskeytykset Siirtyy käyttämään alternate globals rekistereitä Traptype ohjaa kontrollin vektorin kautta Sulautetut järjestelmät 37

38 arm Siirtyy käyttämään pyynnön mukaisia rekistereitä Tallettaa ohjelmalaskurin R14 rekisteriin Tilarekisteri ohjelmalaskurissa Kieltää keskeytykset Neljä tilaa (user, firq, irq, svc) Kontrolli pyynnön mukaiseen osoitteeseen Sulautetut järjestelmät 38

39 Toiminto keskeytyksen tullessa Kovo tallettaa (yleensä) vain tärkeimmän, ohjelmoijan huolehdittava lopusta itse Keskeytys voi tulla koska tahansa, mikäli keskeytykset sallittu Yleensä vain käskyjen välissä (tai seurauksena) Löytyy arkkitehtuureja, joissa keskeytyksiä käsitellään myös kesken käskyn Sulautetut järjestelmät 39

40 Keskeytys Asynkroninen aliohjelmakutsu Esittelee rinnakkaisuuden prosessoriarkkitehtuureihin Tämä huomioitava sovelluksissa yleensä rekisterien arvojen säilyttävä ennallaan keskeytyksen yli yhteisten muuttujien käsittely Keskeytys vs. tausta Keskeytys vs. keskeytys Sulautetut järjestelmät 40

41 Keskeytysohjattu ydin koostuu taustasilmukasta ja keskeytyspalveluista silmukassa tehdään jotain kiireetöntä varsinainen toiminta keskeytyspalveluissa Sulautetut järjestelmät 41

42 Keskeytysohjattu ydin ajoitetut toiminnot kellokeskeytykseen tapahtumaohjatut toiminnot omiin laitekeskeytyksiin taustasilmukka voidaan ymmärtää silmukkaytimeksi paljoa ei kuitenkaan saa yrittää tehdä samaan aikaan priorisointi, päällekkäiset keskeytykset Sulautetut järjestelmät 42

43 Keskeytysydin prosessorin rekisterit voidaan jakaa kiinteästi eri keskeytyspalveluiden kesken vaatii paljon rekistereitä/vähän tehtäviä Sulautetut järjestelmät 43

44 Keskeytysohjattu ydin ongelma: keskeytyspalvelu ei saa olla pitkä tai keskeytyslatenssi kasvaa keskeytyslatenssi: kauanko aikaa menee palvelupyynnöstä (keskeytys) homman valmistumiseen Sulautetut järjestelmät 44

45 Keskeytysohjattu ydin Ongelma: miten keskeytyspalveluiden välinen prioriteetti määräytyy? Keskeytyspalvelu periaatteessa atominen toiminto Kun se on käynnistynyt, se suoritetaan loppuun, ennen kuin seuraava keskeytys käsitellään Vähemmän tärkeä käsittely voi viivästyttää kiireisempää Sulautetut järjestelmät 45

46 Keskeytys ohjattu ydin Sisäkkäiset keskeytykset voidaan sallia Ohjelmallisesti Laitteistossa Huomioita kontekstit tallettuvat pinomaisesti Ensiksi tulleen keskeytyksen käsittely viivästyy eniten Saattaa johtaa liian pitkiin latensseihin Sulautetut järjestelmät 46

47 Huomioita Ongelma pinomainen (keskeytys)kontekstien talletus Kontekstit puretaan käänteisessä saapumisjärjestyksessä Usein kuitenkin saapumisjärjestys haluttaisiin säilyttää Ratkaisu: Irrotetaan kontekstit pinosta Sijoitetaan ne erilliseen taulukkoon, josta kiireisin valitaan suoritukseen Näin on keksitty prosessiydin Sulautetut järjestelmät 47

48 Prosessiydin ongelma jaetaan joukoksi tehtäviä (funktioita) nämä priorisoidaan ja liipaistaan suoritukseen keskeytyksistä Sulautetut järjestelmät 48

49 Prosessi funktio ja sen konteksti konteksti -> prosessorin tila funktion suoritusaikana konteksti voidaan tallettaa ja ladata Sulautetut järjestelmät 49

50 Prosessiydin periaate joku konteksti ladattuna ja suorituksessa muut odottavat saapuva keskeytys tallettaa aktiivisen kontekstin aktivoi muita konteksteja kiireellisin ladataan suoritukseen Sulautetut järjestelmät 50

51 Prosessiydin prioriteetit voivat olla dynaamisia sulautetuissa järjestelmissä usein staattinen prosessijako kaikki prosessit luodaan alustuksessa yksikään prosessi ei terminoidu Sulautetut järjestelmät 51

52 Prosessiydin valmiita ytimiä saatavilla kaupallisesti reaaliaikakäyttöjärjestelmät VRTX OS-9 psos QNX yms Sulautetut järjestelmät 52

53 Prosessiydin tukee modulaarisia sovelluksia helpottaa ohjelmistokehitystä keskeytysten kautta rinnakkaisuus tulee esiin, käytännön sulautetut järjestelmät kooperatiivisia mekanismit yhteisten muuttujien käsittelyyn Sulautetut järjestelmät 53

54 Rinnakkaisuudesta yksinkertainen tapaus taustaprosessi <> keskeytyspalvelu monimutkaisemmat tapaukset prosessi <> prosessi Sulautetut järjestelmät 54

55 Rinnakkaisuudesta missä mahdolliset ongelmat ovat? yhteiset muuttujat Laiterekisterit Latenssin tuomat ajoitusongelmat koodin vapaakäyntisyys Globaalit muuttujat ovat potentiaalisesti yhteisiä kirjastojen vapaakäyntisyys? Sulautetut järjestelmät 55

56 Rinnakkaisuudesta Ongelmat muuttujien atomisuus 8/16/32-bittiset luvut <> 8/16/32 bittinen arkkitehtuuri muuttujaryhmien konsistenssi kaksi muuttujaa pitää olla synkronisoitu esim. puskurin indeksit vs. merkkien määrä Sulautetut järjestelmät 56

57 Rinnakkaisuudesta Yksinkertainen tapaus lähetyskeskeytys <> (tausta)prosessi keskeytysytimen tyypillinen tilanne keskeytyspalvelu atominen, vain prosessi tarvitsee erillistä huomiota Myös käyttöjärjestelmissä, joissa prosesseilla erilliset muistiavaruudet Sulautetut järjestelmät 57

58 Rinnakkaisuudesta char buf[buflen]; int count = 0; int in = 0; int out = 0; char *TX = TX_REG_ADDR; /* keskeytyspalvelu, kutsutaan keskeytysvektorin kautta */ void OutIntr() { if( count ) { *TX = buffer[out]; out = (out+1) % BUFLEN; count--; } else { DisableOutIntr(); } } /* Tulostusrutiinit, sovellus kutsuu tulostaessaan merkin */ void Putchar( char c ) { DisableInts(); IO_Putc( c ); EnableInts(); } void IO_Putc( char c ) { if( count < BUFLEN ) { buffer[in] = c; in = (in+1) % BUFLEN; count++; EnableOutIntr(); } } Sulautetut järjestelmät 58

59 Rinnakkaisuudesta Keskeytysten oikea-aikainen kielto ratkaisee Sopivilla algoritmeilla tarve voidaan välttää Mikäli arkkitehtuuri sallii Mikäli tilanne sallii Sulautetut järjestelmät 59

60 Rinnakkaisuudesta Monimutkaisempi tapaus lukija-kirjoittaja kahden prosessin välillä eroaa edellisestä sillä, että kumpi tahansa osallistuja on keskeytettävissä yhteisen muistin omaavilla prosesseilla sulautetut järjestelmät, käyttöjärjestelmissä, jotka tuntevat säikeet tuttu kj-kurssilta Sulautetut järjestelmät 60

61 Harjoitustyöstä laitteistona auto, jossa linux-kortti ja sillä apuna 2 AVR-mikrokontrolleria tehtävänä ohjelmoida linux-sovellus ja sille avuksi toiseen AVR:ään apu-sovellus Sulautetut järjestelmät 61

62 Lohkokaavio Sulautetut järjestelmät 62

63 Ohjelmointitekniikoita Ytimien piirteitä Oheislaitteiden käsittelystä Muistinhallinnasta Perustekniikoita Säätöalgoritmeista Sulautetut järjestelmät 63

64 Ytimien piirteitä Silmukkaydin pieniin yksinkertaisiin järjestelmiin ajoitusten tai prioriteettien hallinta hankalaa monoliittinen, hankala modularisoida Sulautetut järjestelmät 64

65 Ytimien piirteitä keskeytysydin jos ei paljoa tekemistä, mutta kovat vasteaikavaatimukset Hankala paljon prosessointia vaativissa tehtävissä Sulautetut järjestelmät 65

66 Ytimien piirteitä Prosessiydin Joustava ja skaalautuva, helpottaa sovelluksen modularisointia pienissä tehtävissä voi kuormittaa liikaa muistettavaa irrottava <> ei-irrottava kiinteä prioriteetit, round-robin vai dynaaminen skedulointi? Sulautetut järjestelmät 66

67 Reaaliaikatehtävä Yleinen muoto task() { init(); for(;;) { do_work(); } } Sulautetut järjestelmät 67

68 Reaaliaikatehtävä Vaihtoehtoinen muoto func() { if(!initialized ) { init(); } else { do_work(); } return; } Sulautetut järjestelmät 68

69 Reaaliaikatehtävät Yleinen muoto prosessiytimissä Vaihtoehtoinen muoto käytössä eiirroittavaa skedulointia käytettäessä, erityisen käyttökelpoinen pienillä prosessoreilla pienissä tehtävissä Sulautetut järjestelmät 69

70 Oheislaitteiden käsittelystä Kyselläänkö vai keskeyttääkö? miten keskeytyksiä hallitaan? keskeytyksen kuittaus tasoherkkä <> reunaherkkä Synkroninen vai asynkroninen muista volatile C-kielessä readonly/writeonly rekisterit päällekkäiset rekisterit varjorekisteri tekniikka Sulautetut järjestelmät 70

71 Muistinhallinnasta paikalliset vs. yhteiset muuttujat pysyvät vs. automaattiset muuttujat Kiinteä vs. dynaaminen varaus Sulautetut järjestelmät 71

72 Muistin käyttö Kiinteät varaukset Pysyvä dynaaminen varaus Dynaaminen varaus/omat muistialtaat Dynaaminen varaus/yhteinen muistiallas Prosessiytimessä pohdittava myös pinon käyttö Sulautetut järjestelmät 72

73 Muistin käyttö int a; main() { int b; int *cp; } cp = malloc(n); Globaali muuttuja Data alueella Funktio Koodi alueella Paikalliset muuttujat Pinossa Dynaaminen muuttuja Varataan data-alueen loppuun (yleensä siellä on ns. heap) Sulautetut järjestelmät 73

74 Koodialue.text Data-alue.data Data-alue.bss Vapaa alue Keko, eli dynaaminen varaus täyttää vasemmalta Pinoalue - stack Pino täyttää oikealta Sulautetut järjestelmät 74

75 Perustekniikoita perinteisesti paljon ohjelmamuistia, vähän datamuistia Aika vs. tila Taulukointi laskennan sijaan Lasketaan etukäteen taulukkoon, esim funktiot kuten sin(), cos(), tan() sopivia uhreja Sulautetut järjestelmät 75

76 Perustekniikoita Puskurointi Kiertävä puskuri tavallinen tekniikka Yksinkertaista muistin uudelleen käyttöä In pointer Out pointer Sulautetut järjestelmät 76

77 Säätöalgoritmeista Peruskäsitteet asetusarvo eli haluttu arvo oloarvo eli mitattu arvo erosuure, edellisten erotus ohjausarvo, mitä laitteelle kerrotaan, jotta erosuure pienenisi Sulautetut järjestelmät 77

78 Säätöalgoritmeista kolme perussäätäjää P-säätäjä I-säätäjä D-säätäjä ja yhdistelmät PI, PD, PID Sulautetut järjestelmät 78

79 P-säätäjä yksikertaisin säätäjä u = K*e + M u, ohjausarvo e, eroarvo K, kerroin M, ohjauksen nolla-arvo Sulautetut järjestelmät 79

80 P-säätäjä Mitä isompi ero, sitä suurempi ohjaus jättää aina pienen virheen sopivilla kertoimilla voi alkaa värähdellä Sulautetut järjestelmät 80

81 I-säätäjä Integroiva säätäjä, perustaa ohjauksen useampaan kuin yhteen eroarvoon u = K * average( e(1) e(k) ) u, ohjausarvo e( n ), eroarvot k, montako huomioidaan K, kerroin Sulautetut järjestelmät 81

82 I-säätäjä ei reagoi pieniin muutoksiin ei asentovirhettä hidas käytetää harvoin yksin Sulautetut järjestelmät 82

83 D-säätäjä Derivoiva säätäjä, perustaa ohjauksen erosuureiden derivaattaan u = K * ( e(n) e(n-1) ) nopea herkkä värähtelemään ei yksinään käyttökelpoinen Sulautetut järjestelmät 83

84 PID-säätäjä Yleissäätäjä P osa huolehtii perussäädöstä D osa tuo nopeutta I osa vaimentaa värähtelytaipumusta saavuttaa asetusarvon, ei virhettä Sulautetut järjestelmät 84

85 Esimerkki Pieni sovellus (worms) Laitteisto MVME133 Mc Mb Ram sarjaportti Valmiina debug rom, joka initialisoi prosessorin ja osaa ladata koodin rammuistiin RAM pohjainen suoritus Sulautetut järjestelmät 85

86 Esimerkki Yksinkertainen ydin Synkroninen vuorottelu, 4 prosessia, ei keskeytyksiä Sulautetut järjestelmät 86

87 Esimerkki Rakenne Initialisointi IO-rutiinit glue -rutiinit, eli liityntä DEBUG-ROMiin Ydin sovellus Sulautetut järjestelmät 87