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組込みシステム　講義

組込みシステム　講義. （第６巻）. ３年次後期２単位選択 担当：　玉野　和保. 単元1 1 （1/5 3 ）. 第1 1 単元　 組込みネットワーク. 講義の意味と位置づけ インタフェースの役割 インタフェースの分類 インタフェースの実装法 講義で解説すること Parallel I/O Serial I/O I/O LSI GP-IB Ether Net RS-232・422 USB. 単元1 1 （ 2 /5 3 ）. 組込みプロセッサと ネットワークシステム. Interface. 組込みプロセッサ. Race-track Network.

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組込みシステム　講義

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Presentation Transcript

  1. 組込みシステム　講義 （第６巻） ３年次後期２単位選択 担当：　玉野　和保

  2. 単元11（1/53） 第11単元　組込みネットワーク • 講義の意味と位置づけ • インタフェースの役割 • インタフェースの分類 • インタフェースの実装法 • 講義で解説すること • Parallel I/O • Serial I/O • I/O LSI • GP-IB • Ether Net • RS-232・422 • USB

  3. 単元11（2/53） 組込みプロセッサとネットワークシステム Interface 組込みプロセッサ Race-track Network Sensor 通信機能や記憶なども含む Interface 組込みプロセッサ Actuator

  4. 単元11（3/53） インタフェースの役割 情報処理装置と外部機器・装置間のデータ伝送 • 情報処理装置間へのデータ伝送 • 周辺機器（Peripheral）の制御　ex．Printerの制御 • データの獲得　ex．A/D Converter ネットワーク構成・制御 • 複数の情報機器の協調による高度情報処理の実現 　多階層処理、分散処理　ex．Grid Computer • 統合化された複合情報処理 • データ伝送線路（BUS）制御

  5. 単元11（4/53） インタフェースの基本構成 Parallel　Interface • 並列データ線を用いて同期させデータを並列一括伝送 • 高速伝送用 • 伝送線が複雑 • 比較的近距離伝送に適用 GPIB、Ethernet、SCSIなど Serial Interface • １本の伝送線に時系列でデータを伝送 • Prallel伝送に比べて伝送速度は遅い • 配線が単純 • 電流を基準に伝送できるので比較的遠距離にも適用可 RS-232・422、USBなど

  6. 単元11（5/53） 主な工業用インタフェース

  7. 単元11（6/53） 装置構成を基本とする伝送方式の種類 Parallel　Interface i-8255、i-8155・8156、Z80-PIO、m-6820など ＰＩＯ(Parallel Input/Output Controller) 主な実装例 • GP-IB（General Purpose Interface Bus ）:IEEE-488、HP-IB • Ethernet • Centronics • SCSI

  8. 単元11（14/53） GP-IB(IEEE-488)HP-IB GP-IB：　General Purpose Interface Bus HP-IB:Hewlett-Packard Instrument Busとも呼ばれる 主な特徴 • 短距離デジタル通信バス仕様 • 計測機器や自動制御機器との通信用として使用 • デイジーチェイン接続 • 8bitパラレルバスを15個のデバイスまで共有可 • 最も低速のデバイスが制御に参加するので、 • データ転送速度は、IEEE-488.1-2003(HS-488)で、8MByte/s • 16本の信号線を使用。 8本：双方向データ通信用 3本：ハンドシェイク用 5本：バス管理用 8本：GND

  9. 単元11（15/53） GP-IBのバス構成

  10. 単元11（19/53） Ethernet LAN（Local Area Network）で利用される伝送方式 802.3, IEEE 802.3とも呼ばれる 主な特徴 • エーテル(ether)とネットワークの合成語 • Xerox社とDEC社(現在はHewlett Packard社の一部門)が考案 • 接続法：　　BUS型：　1本の回線を複数の機器で共有 STAR型：集線装置(HUB)を介して各機器を接続 • 通信速度： 　10BASE-2：細同軸利用、最大伝送距離185m、最大接続数30 10BASE-5：太同軸利用、最大伝送距離500m、最大接続数100 　10BASE-T：より対線利用、最大伝送距離100m、 ハブの多段接続は3段階

  11. 単元11（20/53） UDP/IPプロトコルのしくみ UDP：　User Datagram Protocol 非コネクション型プロトコル：　TCPより低信頼性、 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 IPデータ直接利用で、高速通信可

  12. 単元11（26/53） Ethernet利用の利点

  13. 単元11（31/53） 装置構成を基本とする伝送方式の種類 Ｓｅｒｉａｌ　Interface ＵＳＡＲＴ(universal　Synchronous　and　Asynchronous　Receiver-Transmitter) i-8251、Z80-SIO、m-6850ACIAなど 主な実装例 • RS-232:TIA/EIA-232-F、Bluetooth • RS-422、RS-423、RS-485、LVDS • IEEE-1395 • USB1/2 • Microwire、１-Wire Interface、I2C、SPI

  14. 単元11（34/53） RS-232、４２２ RS-232：　Recommended Standard - 232 TIA/EIA-232-Fとも呼ばれる 主な特徴 • DTE(Data Terminal Equipment)とDCE(Date Circuit　termi-　nating Equipment)を結ぶSerial interface • 接続ケーブルの最大長：　約15m 　最大伝送速度：20kbps以上

  15. 単元11（35/53） RS-232とRS-422/485の比較

  16. 単元11（38/53） RS-232の結線法 Full Handshakeと呼ぶ

  17. 単元11（39/53） Bluetooth 携帯情報機器などで数m程度の機器間接続用 短距離無線通信シリアル伝送方式 主な特徴 • Ericsson社、IBM社、Intel社、Nokia社、東芝の5社が中心で開発 • ノートパソコンやPDA、携帯電話などをケーブルなしで10m以内を接続 • 免許不要の2.45GHz帯の電波を利用 • 1Mbps、やがて2Mbpsの速度で通信可能 • 赤外線利用のIrDAに対し、障害物があっても利用可 • 0.5cm２の小型のトランシーバを用い、IrDAより消費電力が少ない • Bluetooth＝RS-232アダプター使用で既存システムをそのまま利用可

  18. 単元11（41/53） USB1/2 USB：　Universal Serial Bus 主な特徴 • Compaq、Intel、Microsoft、NECが開発 • ホットプラグ方式で、Windows95、Mac OS 8.1で正式サポート • プレイステーション2、Xboxなど、ゲーム機やデジタル家電にも採用 • シリアルポート (RS-232) やパラレルバス（パラレルポート）、 　PS/2（マウス、キーボード）端子などの置き換えを目的 • 電源はパソコンから供給可能（バスパワー方式） • USBハブを介して最大で127台接続可能 • 規格： USB1.0：最大12Mbps USB1.1：USB1.0の仕様書を電源管理等について改善 USB2.0：IEEE1394（最大400Mbps）超えるHigh Speed 　モード（最大480Mbps）を追加 Wireless USB：Hewlett-Packard、Intel、Microsoftなど、 　　　　　7社で開発

  19. 単元11（42/53） USB-1.0・1.1とUSB2.0の比較

  20. 単元11（43/53） USBの結線法（コネクター）

  21. 単元11（50/53） I2C（Inter Integrated Circuit）とその実装例 主な特徴 • Fillipsが提唱 • 3線式シリアルインタフェース 　WP:Int-Req、SCL：Clock、SDA：Data入出力 • Serial EEPROM、CPU ROMとして利用

  22. 単元11（52/53） SPI（Serial Peripheral Interface） 主な特徴 • Free Scale Semiconductorが提唱 • ４線式シリアルインタフェース • 数Mbpsの通信速度の伝送に対応 • 大容量のSerial EEPROMやデバイスの入出力用に応用 　８ビットアクセス Softwareは、MicroWireに類似

  23. 単元11（53/53） SPIの実装例

  24. 第12単元　組込みシステムのソフトウェア開発技法の概要第12単元　組込みシステムのソフトウェア開発技法の概要 • 講義の意味と位置づけ • 組込みソフトウェアの必要条件 • システム開発 • Modelingに必要なこと • UMLとシステム開発 • Object指向Modeling • 講義で解説すること • システム開発の必要条件 • 品質管理 • Modeling • UML • Objectの考え方 • Softwareの開発姿勢

  25. 単元12（1/14） 組込みソフトウェアの必要条件 • 多様なハードウェアへの対応 • 利用形態や提供サービスの多様性 • リアルタイム対応機能

  26. 単元12（2/14） システム開発の要件 設計の基本 仕様 機能・特性・通信プロトコルなど、充たすべき条件 実現方式の選択 設計の実施 インフラ ＣＰＵ機能・周辺機器・通信系など、 開発ツール

  27. 単元12（3/14） 設計の規格化・品質 ＩＳＯ/ＩＥＣ　9126：2001

  28. 単元12（4/14） 組込みソフトウェア手戻りの原因

  29. 単元12（5/14） Modeling手法 • 対象の抽象化：本質的部分を捉える • モデリングの形式性：記法を揃え、標準化 具体的手法 • データーフロー図の描画 • UML利用：構造化、オブジェクト化

  30. 単元12（6/14） UML Unified Modeling Language ・統一モデリング言語 ・オブジェクト指向モデリングのための標準化モデリング手法 ・グラフィカルな記述の汎用モデリング言語 ・1994年：Rational社（2003年にIBMに吸収）のJames Rumbaugh 　オブジェクトモデル化技法（OMT）、オブジェクト指向分析（OOA）を開発 ・その後、Grady BoochによるBooch法のオブジェクト指向設計（OOD） 　両者を統一 ・1996年：国際コンソーシアムによりUML仕様が完成

  31. 単元12（7/14） プログラム開発手法 Structured Prog.：ＧＯＴＯを使わない （構造化プログラミング）動作内容と作業手順を明確 Water Fall型プログラミング Object Oriented Prog.： （オブジェクト指向プログラミング）ＩＦを使わない Ｉｆの代わり＝“Ｗｈｅｎ” “Ｗｈｅｎ”＝イベントの発生 オブジェクト間関係の明確化

  32. 単元12（8/14） Object　とは？ Object • 目的を持って認識された「モノ」 • 物理的な「モノ」：tangible（可触）　　　　例：本 • 概念的な「モノ」：intangible（不可触）　 例：注文 Objectと定義する要件

  33. 単元12（9/14） Model　とは？ 論理モデル 機能モデル：処理内容をActorとUseの関係を示す ＝Use Case Model 静的モデル： Class関係を示す 動的モデル： Object間のMessageによる協調動作 ＝相互作用Model 構成モデル ServerのようなComponentの配置を示す

  34. 単元12（10/14） OOMによるシステム Class Objectの集合 Instance Classの要素 Class:猫 Subclass：和猫 Subclass：洋猫 シャム ミケ ペルシャ トラ アンゴラ キジ Instance Object Instance:個性を持ったObject

  35. 単元12（11/14） UMLによる表記 記号 Class 多重度の例 多重度 * * 1 1 1 * 1..* 1.. 1対1 多対多 多対多 1対多 会社 国 国 国 都市 人 言語 首都 Objects 会社：A社 人：山田 会社：B社 人：中村 会社：C社 人：鈴木

  36. 単元12（12/14） UML記述例 事例1 事例2 Class Class 親 0..1 1 * 営業本部 営業部 組織 子 子 Objects Objects 組織3a A営業部 親 子 組織2a 営業本部 B営業部 親 親 組織1 組織3ｂ 子 C営業部 親 組織2ｂ 子

  37. 単元12（13/14） Softwareの開発 • Diagramを利用して分かり良く記述 • 設計からSource Codeまで一貫作業 • BugのないCleanな開発 開発システム 統合開発環境（IDE）：　Integrated Development Environment CASE：　Computer Aided SoftwareEngineering

  38. 単元12（14/14） プログラム開発のコツ • プログラム単体のリストは表示画面内で止めること プログラム単位をモジュール化する 関数化、オブジェクト化、一般化しクラス化 • 構造化すること JUM（GOTO）は使用しない まして、構造化したブロック途中で飛び出、入り込みしない • ＩＦ文は構造化したブロック内では最大３個 ＩＦを使わないようにすればオブジェクト化が容易 • バグが出るのは仕方がないし、むしろフェールセーフに有効だが、バグがとれないプログラムは捨てる勇気を持つこと

  39. 単元12（14/14） プログラム開発のコツ プログラム作成のコツは身体で覚えないとダメ つまり、 「泣かないと、コツは分からない」 • プログラム単体のリストは表示画面内で止めること プログラム単位をモジュール化する 関数化、オブジェクト化、一般化しクラス化 • 構造化すること JUM（GOTO）は使用しない まして、構造化したブロック途中で飛び出、入り込みしない • ＩＦ文は構造化したブロック内では最大３個 ＩＦを使わないようにすればオブジェクト化が容易 • バグが出るのは仕方がないし、むしろフェールセーフに有効だが、バグがとれないプログラムは捨てる勇気を持つこと

  40. 謝　辞 第11、第12単元のコンテンツ作成にあたり、授業の効果的進展のため 以下の文献からの写真図表説明などを多大に引用させて頂いた。厚く感謝申し上げる。 • 　特集「付録基板で始めるマイコン入門」：トランジスタ技術、４月号（2004） • 　「中小企業技術者のためのマイコン応用Q＆A」：トランジスタ技術、 　　10月号（1980）～10月号（1981） • 　特集「マイコンによるイーサーネット活用入門」：トランジスタ技術、３月号（2006） • 　特集「保存版H8マイコン高揚回路集」：トランジスタ技術、５月号（2004） • 　特集「マZ80周辺LSIの徹底活用法」：トランジスタ技術、９月号（1982） • 　16ビット・マイクロプロセッサの基礎：トランジスタ技術、８月号（１９８４） • 　特集「保存版8086の徹底研究」：トランジスタ技術、10月号（1984） • 　湯田幸八、伊藤彰：Z80アセンブラプログラミング入門、オーム社 • 　特集「作るオリジナルUSBアダプタ」：トランジスタ技術、６月号（2000） • 　特集「マイコンによるイーサーネット活用入門」：トランジスタ技術、３月号（2006） • 　特集「マイコン・シリアル通信ハンドブック」：トランジスタ技術、６月号（2006） • 　須田健二、下田祐起夫：「マイコン制御によるメカトロニクス入門」、共立出版 • 　河合昭男：最新UMLがわかる、技術評論社（2002） • 　酒井博敬、堀内　一：オブジェクト指向入門、オーム社(1989）

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