Embedded System Design - Cyber-Physical Systems and IoT (4th Edition)

Sách Embedded System Design phiên bản 4 của Peter Marwedel về thiết kế hệ thống nhúng, hệ thống vật lý mạng CPS và IoT. Tài liệu chuyên sâu cho kỹ sư.

• Tác giả: Peter Marwedel
• Người hướng dẫn: Nikil D. Dutt
• Trường học: TU Dortmund
• Chuyên ngành: Computer Science and Engineering
• Đề tài: Embedded System Design - Embedded Systems Foundations of Cyber-Physical Systems, and the Internet of Things
• Loại tài liệu: Textbook
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Cham

Tóm tắt

I. Cách Thiết Kế Hệ Thống Nhúng Hiệu Quả Theo Peter Marwedel 4th Edition

Cuốn sách Embedded System Design của Peter Marwedel (ấn bản thứ 4) là tài liệu nền tảng cho sinh viên, kỹ sư và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực hệ thống nhúng. Tác phẩm này không chỉ trình bày các khái niệm cơ bản mà còn tích hợp các xu hướng hiện đại như hệ thống mạng vật lý ảo (Cyber-Physical Systems - CPS) và Internet of Things (IoT). Với cấu trúc rõ ràng và nội dung cập nhật đến năm 2020, sách cung cấp nền tảng vững chắc cho việc thiết kế hệ thống nhúng an toàn, hiệu quả và thời gian thực. Một điểm nổi bật là phiên bản này được xuất bản dưới giấy phép Creative Commons Attribution 4.0, cho phép chia sẻ và tái sử dụng rộng rãi. Các chương trong sách bao gồm phân tích thời gian thực, quản lý tài nguyên, kiểm thử phần cứng và phần mềm, cũng như tối ưu hóa hiệu năng năng lượng – những yếu tố then chốt trong thiết kế hệ thống nhúng hiện đại.

1.1. Tổng quan về Embedded System Design và vai trò trong CPS

Hệ thống nhúng ngày nay không còn là các thiết bị đơn lẻ mà là thành phần cốt lõi của Cyber-Physical Systems. Peter Marwedel nhấn mạnh rằng CPS kết hợp chặt chẽ giữa phần cứng, phần mềm và môi trường vật lý. Ví dụ điển hình là xe tự hành, lưới điện thông minh và nhà thông minh. Cuốn sách phân tích cách các hệ thống này phải đáp ứng các ràng buộc về thời gian thực, độ tin cậy và tiêu thụ năng lượng. Đặc biệt, tác giả đề cập đến khái niệm timeliness (tính đúng hạn) như một tiêu chí thiết kế then chốt, không thể tách rời khỏi chức năng hệ thống.

1.2. Cấu trúc và nội dung chính của ấn bản thứ 4

Ấn bản thứ 4 được mở rộng đáng kể so với các phiên bản trước, bao gồm các chương mới về IoT, an ninh phần cứng và quản lý nhiệt. Sách được chia thành các phần: mô hình hóa hệ thống, thiết kế phần mềm, phân tích thời gian thực, kiểm thử và xác minh. Các kỹ thuật như Transaction Level Modeling (TLM), Worst-Case Execution Time (WCET) và Resource Access Protocols được trình bày chi tiết với ví dụ minh họa. Ngoài ra, sách còn tích hợp các công cụ mô phỏng và ngôn ngữ mô hình hóa như VHDL, UML và StateCharts để hỗ trợ thiết kế hệ thống phức tạp.

II. Những Thách Thức Chính Trong Thiết Kế Hệ Thống Nhúng Hiện Đại

Thiết kế hệ thống nhúng ngày càng phức tạp do yêu cầu cao về hiệu năng, tiêu thụ năng lượng thấp và độ tin cậy tuyệt đối. Peter Marwedel chỉ ra rằng thách thức lớn nhất đến từ sự xung đột giữa các ràng buộc: thời gian thực, tài nguyên phần cứng hạn chế và tính mở rộng. Ví dụ, trong các ứng dụng y tế hoặc hàng không, lỗi hệ thống có thể dẫn đến hậu quả nghiêm trọng. Ngoài ra, sự bùng nổ của Internet of Things làm gia tăng số lượng thiết bị nhúng cần được kết nối, bảo mật và quản lý đồng thời. Một vấn đề nổi cộm khác là quản lý nhiệt – khi mật độ linh kiện tăng, nhiệt sinh ra ảnh hưởng trực tiếp đến độ ổn định và tuổi thọ hệ thống. Cuốn sách phân tích sâu các phương pháp kiểm soát nhiệt thông qua thermal modeling và thermal-aware scheduling.

2.1. Xung đột giữa thời gian thực và tài nguyên phần cứng

Hệ thống nhúng thời gian thực phải đảm bảo hoàn thành tác vụ trong khung thời gian cho phép. Tuy nhiên, tài nguyên như CPU, bộ nhớ và băng thông I/O thường bị giới hạn. Peter Marwedel đề xuất sử dụng các kỹ thuật như static scheduling và uniprocessor scheduling để tối ưu hóa việc phân bổ tài nguyên. Ngoài ra, khái niệm schedulability analysis giúp xác định liệu một tập hợp tác vụ có thể được lên lịch thành công hay không – yếu tố then chốt trong thiết kế hệ thống an toàn.

2.2. Bảo mật và độ tin cậy trong môi trường IoT

Với hàng tỷ thiết bị IoT được triển khai, secure hardware và reliability analysis trở thành yêu cầu bắt buộc. Sách đề cập đến các kỹ thuật như signature analysis, self-test program và test pattern generation (TPG) để phát hiện lỗi phần cứng. Đồng thời, các giao thức truy cập tài nguyên như Stack Resource Protocol giúp ngăn chặn tranh chấp và đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu trong hệ thống đa luồng.

III. Phương Pháp Thiết Kế Hệ Thống Nhúng Từ Cơ Bản Đến Nâng Cao

Peter Marwedel đề xuất một quy trình thiết kế có cấu trúc, bắt đầu từ mô hình hóa hệ thống đến tối ưu hóa phần cứng/phần mềm. Quy trình này bao gồm các bước: đặc tả yêu cầu, phân tích kiến trúc, phân vùng phần cứng-phần mềm, lập lịch và kiểm thử. Một điểm then chốt là việc sử dụng Unified Modeling Language (UML) và StateCharts để mô tả hành vi hệ thống trước khi triển khai. Ngoài ra, sách giới thiệu các kỹ thuật WCET-aware compilation giúp ước lượng thời gian thực thi tệ nhất – yếu tố quyết định trong hệ thống thời gian thực. Các phương pháp như tiling/blocking và scratchpads cũng được trình bày để tối ưu hóa truy cập bộ nhớ và giảm tiêu thụ năng lượng.

3.1. Mô hình hóa hệ thống với UML và StateCharts

Việc mô hình hóa sớm giúp phát hiện lỗi thiết kế trước khi triển khai phần cứng tốn kém. UML và StateCharts cho phép biểu diễn trạng thái, luồng dữ liệu và tương tác giữa các thành phần một cách trực quan. Peter Marwedel nhấn mạnh rằng mô hình hóa không chỉ hỗ trợ giao tiếp giữa các nhóm phát triển mà còn là cơ sở cho simulation và verification tự động.

3.2. Tối ưu hóa phần cứng phần mềm và quản lý tài nguyên

Phân vùng phần cứng-phần mềm (hardware/software partitioning) là bước then chốt để cân bằng giữa hiệu năng và chi phí. Sách trình bày các thuật toán phân vùng dựa trên phân tích chi phí-thời gian. Đồng thời, resource access protocols như priority inheritance và stack resource protocol được sử dụng để giải quyết tranh chấp tài nguyên trong hệ thống đa nhiệm, đảm bảo tính timeliness và safety.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Embedded System Design Trong IoT và CPS

Các nguyên lý trong Embedded System Design được áp dụng rộng rãi trong các hệ thống thông minh như xe tự hành, nhà máy thông minh và thiết bị y tế. Peter Marwedel minh họa cách hệ thống nhúng đóng vai trò trung tâm trong Cyber-Physical Systems, nơi dữ liệu cảm biến được xử lý thời gian thực để ra quyết định điều khiển. Ví dụ, trong lưới điện thông minh, các thiết bị nhúng thu thập dữ liệu tiêu thụ, phân tích và điều chỉnh phân phối điện năng để tối ưu hiệu quả. Trong IoT, các nút cảm biến phải hoạt động với mức tiêu thụ năng lượng cực thấp, đòi hỏi thiết kế phần mềm và phần cứng được tối ưu đồng thời. Sách cũng đề cập đến các case study về time-triggered systems – kiến trúc phổ biến trong hàng không và ô tô do tính dự đoán cao.

4.1. Hệ thống nhúng trong xe tự hành và giao thông thông minh

Xe tự hành dựa vào mạng lưới cảm biến và bộ xử lý nhúng để nhận diện môi trường và ra quyết định. Peter Marwedel phân tích yêu cầu về safety và real-time response – hai yếu tố không thể thỏa hiệp. Các hệ thống này thường sử dụng kiến trúc time-triggered để đảm bảo tính đồng bộ và dự đoán được hành vi hệ thống dưới mọi điều kiện.

4.2. Thiết bị y tế và lưới điện thông minh Yêu cầu về độ tin cậy

Trong thiết bị y tế như máy tạo nhịp tim, lỗi hệ thống có thể đe dọa tính mạng. Do đó, reliability analysis và fault tolerance là trọng tâm thiết kế. Tương tự, lưới điện thông minh cần hệ thống nhúng có khả năng tự phục hồi và chống tấn công mạng. Cuốn sách cung cấp các phương pháp kiểm thử như test of finite state machines (FSMs) để đảm bảo hành vi hệ thống luôn đúng theo đặc tả.

V. Tương Lai Của Thiết Kế Hệ Thống Nhúng Từ AI đến 6G

Peter Marwedel dự báo rằng tương lai của hệ thống nhúng sẽ gắn liền với trí tuệ nhân tạo tại biên (edge AI), ảo hóa (virtualization) và mạng 6G. Các thiết bị nhúng sẽ không chỉ thu thập và truyền dữ liệu mà còn thực hiện suy luận AI tại chỗ, giảm độ trễ và tăng tính riêng tư. Đồng thời, virtualization cho phép chạy nhiều hệ điều hành thời gian thực trên cùng một nền tảng phần cứng – xu hướng đang nổi trong ô tô và hàng không. Sách cũng đề cập đến nhu cầu phát triển các công cụ thiết kế tự động (design automation) để đối phó với độ phức tạp ngày càng tăng. Cuối cùng, tác giả kêu gọi cộng đồng nghiên cứu chú trọng đến tính bền vững và đạo đức trong thiết kế hệ thống nhúng.

5.1. Edge AI và vai trò của hệ thống nhúng trong xử lý tại biên

Với sự phát triển của edge computing, hệ thống nhúng ngày càng được tích hợp khả năng học máy. Điều này đòi hỏi kiến trúc phần cứng hỗ trợ VLIW processors hoặc accelerators chuyên dụng. Peter Marwedel nhấn mạnh rằng thiết kế phải cân bằng giữa độ chính xác AI và giới hạn năng lượng – thách thức lớn cho các nhà thiết kế.

5.2. Ảo hóa và tự động hóa thiết kế hệ thống nhúng

Ảo hóa giúp cô lập các ứng dụng quan trọng trên cùng phần cứng, tăng tính linh hoạt và bảo mật. Đồng thời, design automation sử dụng AI để đề xuất kiến trúc tối ưu dựa trên đặc tả yêu cầu. Đây là hướng đi tất yếu khi độ phức tạp hệ thống vượt quá khả năng thiết kế thủ công của con người.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Embedded Systems Peter Marwedel Embedded System Design Embedded Systems Foundations of Cyber-Physical Systems, and the Internet of Things Fourth Edition Embedded Systems Series editors Nikil D. Dutt, Irvine, CA, USA Grant Martin, Santa Clara, CA, USA Peter Marwedel, Dortmund, Germany This Series addresses current and future challenges pertaining to embedded hard- ware, software, specifications and techniques. Titles in the Series cover a focused set of embedded topics relating to traditional computing devices as well as high- tech appliances used in newer, personal devices, and related topics. The material will vary by topic but in general most volumes will include fundamental material (when appropriate), methods, designs, and techniques.

More information about this series at http://www.com/series/8563 Peter Marwedel Embedded System Design Embedded Systems Foundations of Cyber-Physical Systems, and the Internet of Things Fourth Edition 123 Peter Marwedel TU Dortmund Dortmund, Germany ISSN 2193-0155 ISSN 2193-0163 (electronic) Embedded Systems ISBN 978-3-030-60909-2 ISBN 978-3-030-60910-8 (eBook) https://doi.1007/978-3-030-60910-8 1st edition: Springer US 2006 2nd edition: Springer Netherlands 2011 3rd edition: Springer International Publishing 2018 © The Editor(s) (if applicable) and The Author(s) 2021. This book is an open access publication. Open Access This book is licensed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International License (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/), which permits use, sharing, adaptation, distribution and reproduction in any medium or format, as long as you give appropriate credit to the original author(s) and the source, provide a link to the Creative Commons license and indicate if changes were made. The images or other third party material in this book are included in the book’s Creative Commons license, unless indicated otherwise in a credit line to the material.

If material is not included in the book’s Creative Commons license and your intended use is not permitted by statutory regulation or exceeds the permitted use, you will need to obtain permission directly from the copyright holder. The use of general descriptive names, registered names, trademarks, service marks, etc. in this publication does not imply, even in the absence of a specific statement, that such names are exempt from the relevant protective laws and regulations and therefore free for general use. The publisher, the authors, and the editors are safe to assume that the advice and information in this book are believed to be true and accurate at the date of publication.

Neither the publisher nor the authors or the editors give a warranty, expressed or implied, with respect to the material contained herein or for any errors or omissions that may have been made. The publisher remains neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations. This Springer imprint is published by the registered company Springer Nature Switzerland AG The registered company address is: Gewerbestrasse 11, 6330 Cham, Switzerland This book is dedicated to my family members Veronika, Malte, Gesine, and Ronja. Preface Why Should You Read This Book? While this book was written, i., in the year 2020, the so-called smart and intelligent systems were becoming available in increasing numbers.

Such systems use comput- ers and other forms of information and communication technology (ICT) to provide services to humans, partially employing various kinds of artificial intelligence (AI). For example, recently introduced cars are increasingly capable of driving autonomously. In avionics and rail-based transportation, driver-less transportation is already available or on the horizon. The power grid is becoming smarter and the same applies to buildings.

All these systems are based on a combination of ICT and physical systems called cyber-physical systems (CPS). Such systems can be defined as “engineered systems that are built from and depend upon the synergy of computational and physical components” [412]. Due to the direct interface between the physical and the cyber-world, cyber-physical systems have to be dependable. The physical world also plays a key role in the definition of the related term “Internet of Things” (IoT), referring to the physical world as “things.

a variety of devices. able to interact and cooperate with each other to reach common goals” [185]. Examples of IoT applications include sensor networks or E-bikes that can be recollected due to available GPS information. Both terms, CPS and IoT, are generalizing and extending the earlier term “embedded systems” (ES).

Embedded systems are information processing systems that are embedded into an enclosing product [371]. Compared to the term “embed- ded systems,” the terms CPS and IoT place more emphasis on physical objects, e., cars, airplanes, or smart devices. The steep rise in the availability of embedded and, correspondingly, also cyber- physical systems was already predicted in 2001: “Information technology (IT) is on the verge of another revolution. networked systems of embedded computers.

have the potential to change radically the way people interact with their environment by linking together a range of devices and sensors that will allow information to be collected, shared, and processed in unprecedented ways. The vii viii Preface use. throughout society could well dwarf previous milestones in the information revolution.” This citation from a report of the National Research Council in the USA [410] describes very nicely the dramatic impact of information technology in embedded systems. This revolution has already had a major impact and is still continuing.

Terms like pervasive and ubiquitous computing, ambient intelligence, and “Industry 4.0” are also referring to the dramatic impact of changes caused by information technology. This importance of embedded/cyber-physical systems and IoT is so far not well reflected in many of the current curricula. However, designing the mentioned systems requires interdisciplinary knowledge and skills beyond the traditional boundaries of disciplines. Obtaining an overview of such broad knowledge is very difficult, due to the wide range of relevant areas.

This book aims at facilitating the acquisition of knowledge from a kernel of relevant areas. It is already a challenge to identify the kernel of this knowledge. The book aims at being a remedy in this situation. It provides material for a first course on such systems and includes an overview of key concepts for the integration of ICT with physical objects.

It covers hardware as well as software aspects. This is in-line with the ARTIST1 guidelines for curricula of embedded systems: “The development of embedded systems cannot ignore the underlying hardware characteristics. Timing, memory usage, power consumption, and physical failures are important” [85]. This book has been designed as a textbook.

However, the book provides more references than typical textbooks do and also helps to structure the area. Hence, this book should also be useful for faculty members and engineers. For students, the inclusion of a rich set of references facilitates access to relevant sources of information. The book focuses on the fundamental bases of software and hardware.

Specific products and tools are mentioned only if they have outstanding characteristics. Again, this is in-line with the ARTIST guidelines: “It seems that fundamental bases are really difficult to acquire during continuous training if they haven’t been initially learned, and we must focus on them” [85]. As a consequence, this book goes beyond teaching embedded system design by programming micro-controllers. The book presents the fundamentals of embedded systems design, which are needed for the design of CPS and IoT systems.

With this approach, we would like to make sure that the material taught would not be outdated too soon. The concepts covered in this book should be relevant for a number of years to come. The proposed positioning of the current textbook in engineering curricula related to ICT is explained in a paper [372]. We want to relate the most important topics in this area to each other.

This way, we avoid a problem mentioned in the ARTIST guidelines: “The lack of maturity of the domain results in a large variety of industrial practices, often due to cultural habits. concentrate on one technique 1 ARTIST is the acronym of an European network of excellence for embedded systems (see http:// www.org and http://www. Preface ix and do not present a sufficiently wide perspective. As a result, industry has difficulty finding adequately trained engineers, fully aware of design choices” [85].

The book should also help to bridge the gap between practical experiences with programming micro-controllers and more theoretical issues. Furthermore, it should help to motivate students and teachers to look at more details. While the book covers a number of topics in detail, others are covered only briefly. These brief sections have been included in order to put a number of related issues into perspective.

Furthermore, this approach allows lecturers to have appropriate links in the book for adding complementary material of their choice. Due to the rich set of references, the book can also be used as a comprehensive tutorial, providing pointers for additional reading. Such references can also stimulate taking benefit of the book during labs, projects, and independent studies as well as a starting point for research. The scope of this book includes specification techniques, system software, application mapping, evaluation and validation, hardware components, and the interface between the cyber- and the physical world (the cyphy-interface) as well as exemplary optimizations and test methods.

The book covers embedded systems and their interface to the physical environment from a wide perspective but cannot cover every related area. Legal and socio-economic aspects, human interfaces, data analysis, application-specific aspects, and a detailed presentation of physics and communication are beyond the scope of this book. The coverage of the Internet of Things is limited to areas linked to embedded systems. Who Should Read the Book? This book is intended for the following audience: • Computer science (CS), computer engineering (CE), and electrical engineering (EE) students as well as students in other information and communication technology (ICT)-related areas who would like to specialize in embedded/cyber- physical systems or IoT.

The book should be appropriate for third-year students who do have a basic knowledge of computer hardware and software. This means that the book primarily targets senior undergraduate students.2 However, it can also be used at the graduate level if embedded system design is not part of the undergraduate program or if the discussion of some topics is postponed. This book is intended to pave the way for more advanced topics that should be covered in follow-up courses. The book assumes a basic knowledge of computer science.

EE students may have to read some additional material in order to fully understand the topics of this book. This should be compensated by the fact that some material covered in this book may already be known to EE students. 2 This is consistent with the curriculum described by T. Abdelzaher in a report on CPS education [411].

x Preface • Engineers who have so far worked on system’s hardware and who have to move more toward software of embedded systems. This book should provide enough background to understand the relevant technical publications. • PhD students who would like to get a quick, broad overview of key concepts in embedded system technology before focusing on a specific research area. • Professors designing a new curriculum for the mentioned areas.

How Is This Book Different from Earlier Editions? The first edition of this book was published in 2003. The field of embedded systems is moving fast, and many new results became available. Also, there are areas for which the emphasis shifted. In some cases, a more detailed treatment of the topic became desirable.

These changes were considered when the first German edition of the book was published in 2007. Corresponding updates were also incorporated into the second English edition published in the late 2010/early 2011. In the last decade, more technological changes occurred. There was a clear shift from single core systems toward multi-core systems.

Cyber-physical systems (CPS) and the Internet of Things (IoT) gained more attention. Power consumption, thermal issues, safety, and security became more important. Overall, it became necessary to publish a third edition of this textbook. The changes just described had a major impact on several chapters of the third edition.

This edition included and linked those aspects of embedded systems that provide foundations for the design of CPS and IoT systems.