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.

Nội dung chính

{
  "document_type": "textbook",
  "confidence": 0.99,
  "reasoning": "Tài liệu là một cuốn giáo trình học thuật xuất bản bởi nhà xuất bản Springer Nature (Fourth Edition, 2021), có đầy đủ số hiệu ISBN/ISSN, bản quyền mở Open Access (CC BY 4.0), thuộc chuỗi ấn bản 'Embedded Systems Series' và được cấu trúc theo hệ thống chương mục, thuật ngữ, bài tập giảng dạy đại học."
}

---

THÔNG TIN THƯ MỤC VÀ NỘI DUNG GIÁO TRÌNH: EMBEDDED SYSTEM DESIGN (PETER MARWEDEL, 4TH EDITION)

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Embedded System Design: Embedded Systems Foundations of Cyber-Physical Systems, and the Internet of Things (Ấn bản lần thứ 4, năm 2021) do Giáo sư Peter Marwedel (Đại học Kỹ thuật Dortmund - TU Dortmund, Đức) biên soạn và xuất bản bởi Nhà xuất bản Springer Nature Switzerland AG thuộc chuỗi ấn phẩm học thuật Embedded Systems Series.

+-------------------------------------------------------------------------+
|                    THÔNG TIN XUẤT BẢN VÀ ĐẶC TẢ SÁCH                    |
+-------------------------------------------------------------------------+
| Tiêu đề: Embedded System Design (4th Edition)                           |
| Phụ đề: Embedded Systems Foundations of Cyber-Physical Systems, and IoT |
| Tác giả: Peter Marwedel (TU Dortmund, Đức)                              |
| Nhà xuất bản: Springer Nature Switzerland AG (Năm 2021)                 |
| Mã số tiêu chuẩn: ISBN 978-3-030-60909-2 | eBook: 978-3-030-60910-8     |
| Chỉ số định danh: ISSN 2193-0155 | ISSN 2193-0163 (electronic)          |
| Bản quyền: Giấy phép Open Access (Creative Commons CC BY 4.0)           |
+-------------------------------------------------------------------------+

Về vị trí trong chương trình đào tạo, tài liệu được thiết kế làm giáo trình giảng dạy cho học phần Hệ thống nhúng, Hệ thống mạng - vật lý (Cyber-Physical Systems - CPS) và Internet vạn vật (Internet of Things - IoT) ở bậc đại học năm thứ ba, năm thứ tư hoặc bậc sau đại học thuộc các ngành Khoa học Máy tính (CS), Kỹ thuật Máy tính (CE) và Kỹ thuật Điện - Điện tử (EE).

Mục tiêu học tập của giáo trình nhằm trang bị cho người học các nguyên lý nền tảng về thiết kế tích hợp phần cứng và phần mềm, đáp ứng các ràng buộc kỹ thuật nghiêm ngặt về thời gian thực (real-time constraints), hiệu quả năng lượng (energy efficiency), độ tin cậy (reliability), an toàn chức năng (safety) và bảo mật thông tin (security).

Về cấu trúc và cách tiếp cận, giáo trình bám sát hướng dẫn khung chương trình của mạng lưới ARTIST (European Network of Excellence for Embedded Systems), tập trung vào các khái niệm cốt lõi dài hạn thay vì phụ thuộc vào một công cụ hay dòng vi điều khiển thương mại cụ thể. Nội dung bao quát toàn bộ chu trình phát triển hệ thống từ giai đoạn mô hình hóa đặc tả (specifications), cấu trúc phần cứng, phần mềm hệ thống, kỹ thuật ánh xạ thực thi (mapping), đánh giá - kiểm chứng (evaluation & validation) đến các thuật toán tối ưu hóa (optimizations) và kỹ thuật kiểm thử (testing).

Điểm đặc sắc của giáo trình nằm ở việc kết nối chặt chẽ giữa hệ thống tính toán kỹ thuật số và môi trường vật lý liên tục, làm rõ sự chuyển dịch từ thuật ngữ hệ thống nhúng truyền thống (Embedded Systems - ES) sang các hệ thống mạng - vật lý (CPS = ES + Môi trường vật lý động) và mạng lưới vạn vật kết nối (IoT).

---

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương và chủ đề chính

Nội dung giáo trình được phân bổ qua 8 chương chuyên đề và 3 phụ lục toán học - kỹ thuật:

+--------------------------------------------------------------------------+
|                         CẤU TRÚC CHƯƠNG MỤC CỐT LÕI                      |
+--------------------------------------------------------------------------+
| Chương 1: Introduction (Tổng quan, lịch sử thuật ngữ, CPS, IoT, thách thức)
| Chương 2: Specifications and Modeling (Mô hình tính toán MoCs, StateCharts)
| Chương 3: Embedded System Hardware (Phần cứng, DSP, cảm biến, Cyphy-Interface)
| Chương 4: System Software (Hệ điều hành nhúng, RTOS, giao thức tài nguyên)
| Chương 5: Evaluation and Validation (WCET, giải tích thời gian thực RTC, nhiệt)
| Chương 6: Mapping to Execution Platforms (Lập lịch đơn/đa nhân, Pinedo)
| Chương 7: Optimizations (Biến đổi vòng lặp, tối ưu năng lượng DVS/DPM)
| Chương 8: Test of Embedded Systems (Mô hình lỗi, kiểm thử phần cứng, DfT)
| Phụ lục A: Integer Linear Programming (Quy hoạch tuyến tính nguyên)
| Phụ lục B: Kirchhoff's Laws and Operational Amplifiers (Định luật mạch & KĐTT)
| Phụ lục C: Paging and Memory Management Units (Quản lý bộ nhớ phân trang)
+--------------------------------------------------------------------------+

• Chương 1 (Introduction): Trình bày lịch sử phát triển của công nghệ tính toán từ máy tính lớn (mainframe), tính toán khắp nơi (ubiquitous computing - Mark Weiser), điện toán thâm nhập (pervasive computing) đến CPS và IoT. Định nghĩa hệ thống nhúng theo Marwedel (Định nghĩa 1.1), CPS theo Lee (Định nghĩa 1.2), và IoT theo Atzori (Định nghĩa 1.3). Phân tích các thách thức về độ tin cậy (dependability), sự bất tương thích giữa mô hình vật lý liên tục và mô hình số rời rạc, cùng các luồng thiết kế hệ thống như mô hình chữ V (V-model) và luồng SpecC.
• Chương 2 (Specifications and Modeling): Khảo sát các mô hình tính toán (Models of Computation - MoCs) bao gồm máy trạng thái hữu hạn truyền thông (Communicating Finite State Machines - StateCharts), mạng quy trình Kahn (Kahn Process Networks - KPN), mô hình dòng dữ liệu tĩnh (Static Data Flow - SDF), mạng Petri (Petri Nets), mô hình sự kiện rời rạc (Discrete Event Modeling) và mô hình hóa mức giao dịch (Transaction-Level Modeling - TLM). Chương này cũng giới thiệu các ngôn ngữ VHDL, SystemC, SpecC, Modelica và xử lý hiện tượng Zeno (Zeno effect) thông qua bài toán thực nghiệm quả bóng nảy (bouncing ball).
• Chương 3 (Embedded System Hardware & Cyphy-Interface): Phân tích kiến trúc phần cứng chuyên dụng như bộ xử lý tín hiệu số (DSP), bộ xử lý từ lệnh rất dài (VLIW), mảng phần tử logic lập trình được (FPGA), bộ xử lý đồ họa (GPU). Trình bày giao diện giữa phần tính toán và môi trường vật lý (cyphy-interface) gồm cảm biến (sensors), cơ cấu chấp hành (actuators), định lý lấy mẫu Shannon-Nyquist, bộ biến đổi tương tự - số (ADC), số - tương tự (DAC), điều chế độ rộng xung (PWM) và các kiến trúc bộ nhớ như bộ nhớ nháp (Scratchpad Memory - SPM).
• Chương 4 (System Software): Tập trung vào hệ điều hành thời gian thực (RTOS), hệ điều hành ERIKA, kiến trúc Embedded Linux, phân cấp phần mềm với lớp trừu tượng hóa phần cứng (HAL). Trình bày chi tiết các giao thức kiểm soát truy cập tài nguyên nhằm giải quyết hiện tượng nghịch đảo độ ưu tiên (priority inversion) như Giao thức kế thừa độ ưu tiên (Priority Inheritance Protocol), Giao thức trần độ ưu tiên (Priority Ceiling Protocol) và Giao thức tài nguyên ngăn xếp (Stack Resource Protocol).
• Chương 5 (Evaluation and Validation): Cung cấp phương pháp luận định lượng các chỉ số chất lượng: ước lượng thời gian thực thi trường hợp xấu nhất (Worst-Case Execution Time - WCET), giải tích thời gian thực (Real-Time Calculus - RTC), mô hình tiêu thụ công suất và năng lượng, mô hình nhiệt học vi mạch (hiện tượng dark silicon), phân tích độ tin cậy, phân tích cây lỗi (Fault Tree Analysis) và kiểm chứng hình thức (formal verification).
• Chương 6 (Mapping to Execution Platforms): Trình bày kỹ thuật ánh xạ tác vụ lên nền tảng phần cứng dựa trên phân loại bài toán lập lịch của Pinedo. Khảo sát các thuật toán lập lịch đơn vi xử lý như Rate Monotonic (RM), Earliest Deadline First (EDF), cùng các chiến lược lập lịch đa vi xử lý (đa nhân) gồm lập lịch phân vùng (partitioned scheduling), lập lịch toàn cục (global scheduling), lập lịch công bằng tỉ lệ (Pfair) và hiện tượng suy giảm hiệu năng Dhall (Dhall effect).
• Chương 7 (Optimizations): Phân tích các giải pháp tối ưu hóa mức cao như biến đổi vòng lặp (loop tiling, blocking, array folding), quản lý đồng thời mức tác vụ (task-level concurrency management), kỹ thuật biên dịch nhận biết bộ nhớ nháp (SPM allocation), điều chỉnh điện áp động (Dynamic Voltage Scaling - DVS) và quản lý công suất động (Dynamic Power Management - DPM).
• Chương 8 (Test of Embedded Systems): Nghiên cứu các phương pháp kiểm thử mạch số và máy trạng thái hữu hạn, mô hình lỗi stuck-at, kỹ thuật tự kiểm tra tích hợp (Built-In Self-Test - BIST), quét đường dẫn (Scan path), thanh ghi dịch phản hồi tuyến tính (LFSR) và thiết kế hỗ trợ kiểm thử (Design for Testability - DfT).

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình xây dựng hệ thống lý thuyết dựa trên ba trụ cột chính:

+--------------------------------------------------------------------------+
|                      BA TRỤ CỘT KIẾN THỨC NỀN TẢNG                       |
+--------------------------------------------------------------------------+
| 1. Lý thuyết hệ thống lai (Hybrid Systems):                              |
|    - Mô hình hóa toán học kết hợp phương trình vi phân và sự kiện rời rạc |
|    - Phân tích hiệu ứng Zeno qua chuỗi thời gian hội tụ vô hạn           |
|                                                                          |
| 2. Nguyên lý thời gian thực và độ tin cậy:                               |
|    - Phân định ràng buộc thời gian ngặt (hard) và thời gian mềm (soft)    |
|    - Định lý thời điểm tới hạn (Critical Instant Theorem)                |
|    - Chỉ số khả dụng (Availability), độ tin cậy (Reliability: R(t))       |
|                                                                          |
| 3. Khung tối ưu hóa đa mục tiêu (Multi-Objective Optimization):          |
|    - Phân tích biên Pareto (Pareto optimality) giữa các tham số nghịch    |
|    - Cân bằng giữa hiệu năng tính toán, diện tích chip, công suất, nhiệt |
+--------------------------------------------------------------------------+

Kỹ năng phát triển

Thông qua việc tiếp thu nội dung văn bản, người học phát triển các nhóm năng lực kỹ thuật:

• Kỹ năng phân tích và mô hình hóa: Khả năng chuyển đổi yêu cầu hệ thống vật lý sang các mô hình toán học chuẩn tắc (StateCharts, Petri nets, Kahn process networks, VHDL/SystemC).
• Kỹ năng phân tích khả năng lập lịch (Schedulability Analysis): Khả năng tính toán hệ số sử dụng bộ xử lý (processor utilization), xác định cận trên thời gian hoàn thành tác vụ và lựa chọn thuật toán điều phối phù hợp trên hệ thống đơn nhân và đa nhân.
• Kỹ năng tối ưu hóa tài nguyên: Kỹ năng phân bổ dữ liệu lên bộ nhớ SPM, thiết lập cấu hình quản lý công suất (DVS/DPM) và tối ưu hóa thời gian thực thi mã nguồn mức biên dịch.
• Kỹ năng đánh giá độ an toàn và kiểm thử: Năng lực xây dựng cây lỗi hệ thống, tính toán tỷ lệ hư hỏng ($\lambda$), và thiết lập mẫu kiểm thử cho mạch logic dựa trên mô hình lỗi chuẩn.

---

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình áp dụng mô hình sư phạm lớp học đảo ngược (Flipped Classroom Teaching) theo nghiên cứu của chính tác giả (Marwedel, 2014):

1. Chuẩn bị ngoài lớp học: Sinh viên tiếp cận kiến thức lý thuyết thông qua việc đọc các phần định nghĩa, định lý, ví dụ trong sách kết hợp theo dõi hệ sinh thái bài giảng video mở được tác giả phát hành trên nền tảng YouTube (youtube.com/user/cyphysystems).
2. Tương tác trên lớp: Giờ học trực tiếp được chuyển đổi hoàn toàn thành không gian giải quyết bài toán phức tạp, phân tích các ca nghiên cứu thực tế (case studies) như hệ thống kiểm soát đoàn tàu châu Âu (ETCS), phân tích rủi ro hàng không DO-178B, hoặc tối ưu hóa năng lượng cho thiết bị IoT.
3. Thực hành và mô phỏng: Giáo trình kết nối với hệ thống công cụ mô phỏng phần mềm Levi chuyên dụng (gồm Levi FlexRay, Levi KPN, Levi RTS, Levi TDD), nền tảng mô hình hóa SystemC, OpenModelica, Virtualizer™ và các bài thí nghiệm trên phần cứng thực tế (bo mạch ARM/DSP, Raspberry Pi, Arduino, Odroid, Lego Mindstorms).
4. Phương pháp đánh giá: Đánh giá năng lực dựa trên khả năng giải các bài toán quy hoạch tuyến tính nguyên (ILP) cho phân bổ bộ nhớ, tính toán phân tích thời gian thực (RTC Toolbox) và bài tập phân tích cây lỗi.

---

Điểm nổi bật và cập nhật

So với các lần xuất bản trước, ấn bản lần thứ 4 ghi nhận các cập nhật kỹ thuật và chuyển đổi phương thức phát hành quan trọng:

+--------------------------------------------------------------------------+
|                 BẢNG ĐỐI SOÁT CẬP NHẬT QUA CÁC ẤN BẢN                    |
+--------------------------------------------------------------------------+
| Tiêu chí       | Ấn bản 1 & 2 (2003, 2011) | Ấn bản 3 & 4 (2018, 2021)    |
+----------------+---------------------------+------------------------------+
| Bản quyền      | Thương mại (In ấn đóng)   | Open Access (CC BY 4.0)      |
| Cấu trúc xử lý | Tập trung Đơn lõi (Single)| Đa lõi (Multi-core / MPSoC)  |
| Trọng tâm      | Vi điều khiển nhúng (ES)  | Mở rộng CPS và IoT toàn diện |
| Mô hình hóa    | FSM, VHDL truyền thống    | Thêm PDE, TLM 2.0, Modelica  |
| Hệ điều hành   | Khái niệm RTOS cơ bản     | Bổ sung Embedded Linux, ERIKA|
| Tích hợp mới   | Tối ưu hóa tĩnh cơ bản    | Dark Silicon, AI biên (SFB876)|
| Phân định lệnh | Chưa phân tách chi tiết   | Làm rõ Job, Task, Thread, Process
+--------------------------------------------------------------------------+

• Phát hành truy cập mở (Open Access): Lần đầu tiên toàn bộ nội dung giáo trình được công bố miễn phí theo giấy phép Creative Commons Attribution 4.0 (CC BY 4.0), hỗ trợ tiếp cận bình đẳng nguồn tài liệu học thuật cho sinh viên và giảng viên toàn cầu.
• Cấu trúc lại nội dung an toàn và bảo mật: Phân định rõ ràng giữa an toàn chức năng (Safety - tuân thủ tiêu chuẩn IEC 61508, loại trừ rủi ro do lỗi nội tại phần cứng/phần mềm) và an toàn thông tin (Security - bảo vệ tính bí mật, toàn vẹn và khả dụng trước các tấn công bên ngoài).
• Mở rộng mô hình thực nghiệm: Chi tiết hóa bài toán thực nghiệm va chạm quả bóng (bouncing ball) để minh họa hiện tượng Zeno và sự tương tác giữa biến trạng thái liên tục và sự kiện rời rạc.
• Tích hợp kết quả nghiên cứu hiện đại: Bổ sung các nghiên cứu từ Trung tâm Nghiên cứu Hợp tác DFG SFB 876 về học máy và xử lý dữ liệu lớn trong điều kiện tài nguyên phần cứng bị giới hạn (Resource-Constrained Machine Learning).
• Chuẩn hóa thuật ngữ lập lịch: Phân định chính xác các đơn vị thực thi từ công việc (jobs), tác vụ (tasks), luồng (threads) đến quy trình (processes), cập nhật các thuật toán lập lịch cho bộ xử lý đa nhân không đồng nhất.

---

Đối tượng sử dụng giáo trình

Giáo trình được biên soạn phục vụ các nhóm đối tượng học thuật và công nghiệp:

+--------------------------------------------------------------------------+
|                  ĐỐI TƯỢNG VÀ ĐIỀU KIỆN TIÊN QUYẾT                       |
+--------------------------------------------------------------------------+
| 1. Sinh viên Đại học (Năm 3, 4): Ngành Khoa học Máy tính, Kỹ thuật       |
|    Máy tính, Kỹ thuật Điện - Điện tử định hướng CPS/IoT.                 |
| 2. Học viên Cao học & NCS (Master/PhD): Sử dụng làm khung tài liệu tổng   |
|    quan trước khi thực hiện các đề tài nghiên cứu chuyên sâu.             |
| 3. Giảng viên Đại học: Sử dụng làm đề cương chuẩn và tài liệu giảng dạy  |
|    cho các học phần 3 - 4 tín chỉ.                                       |
| 4. Kỹ sư Công nghiệp: Kỹ sư phần cứng cần chuyển đổi sang thiết kế       |
|    phần mềm nhúng và tiếp cận các tiêu chuẩn AUTOSAR, MISRA-C.           |
|                                                                          |
| KIẾN THỨC TIÊN QUYẾT (PREREQUISITES):                                    |
| - Lập trình máy tính & Cấu trúc dữ liệu - Giải thuật                     |
| - Tổ chức và Kiến trúc máy tính (tương đương giáo trình Patterson/Hennessy)|
| - Nguyên lý Hệ điều hành & Mạng máy tính cơ sở                           |
| - Toán học: Giải tích, Đại số tuyến tính, Mạch số & Cổng logic cơ bản   |
+--------------------------------------------------------------------------+

Đối với sinh viên ngành Kỹ thuật Điện chưa nắm vững một số khái niệm khoa học máy tính hoặc ngược lại, sinh viên Khoa học Máy tính thiếu kiến thức phần cứng, các Phụ lục A (Quy hoạch tuyến tính nguyên), Phụ lục B (Định luật Kirchhoff và Khuếch đại thuật toán) và Phụ lục C (Quản lý phân trang bộ nhớ MMU) cung cấp đầy đủ lý thuyết bổ trợ để tự học.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với đối tượng nào trong chương trình đào tạo?

Giáo trình được thiết kế chuẩn hóa cho sinh viên đại học năm thứ ba hoặc năm thứ tư thuộc các ngành Khoa học Máy tính, Kỹ thuật Máy tính, Điện tử - Viễn thông, đồng thời phù hợp làm tài liệu cơ sở cho học viên cao học và kỹ sư hệ thống nhúng trong công nghiệp.

2. Cần chuẩn bị kiến thức nền tảng nào trước khi học giáo trình này?

Người học cần hoàn thành các học phần cơ sở: Lập trình máy tính (C/C++), Cấu trúc dữ liệu và Giải thuật, Tổ chức máy tính, Nguyên lý hệ điều hành, Mạng máy tính, Toán vi tích phân, Đại số tuyến tính và kiến thức về mạch điện tử số cơ bản.

3. Điểm khác biệt lớn nhất giữa giáo trình này và các sách lập trình vi điều khiển thông thường là gì?

Sách không tập trung vào hướng dẫn lập trình cho một dòng chip vi điều khiển đơn lẻ, mà cung cấp khung phương pháp luận thiết kế hệ thống toàn diện: từ mô hình toán học (MoC), tối ưu hóa thời gian thực (WCET, RM, EDF), hiệu quả năng lượng, quản lý nhiệt đến độ tin cậy và kiểm thử phần cứng theo chuẩn ARTIST.

4. Người học có thể áp dụng phương pháp nào để tự học giáo trình hiệu quả?

Người học nên áp dụng mô hình lớp học đảo ngược: đọc các chương mục lý thuyết và chứng minh định lý trong sách, theo dõi chuỗi video bài giảng mở trên kênh YouTube của tác giả (cyphysystems), sau đó thực hành giải bài tập và chạy mô phỏng với các công cụ mã nguồn mở như SystemC, OpenModelica và bộ phần mềm Levi.

5. Có những tài liệu và công cụ bổ trợ nào đi kèm giáo trình?

Hệ sinh thái tài nguyên đi kèm gồm có website chính thức của tác giả (ls12-www.cs.tu-dortmund.de/~marwedel/es-book) chứa slide bài giảng, các bài tập mẫu, bộ phần mềm mô phỏng hệ thống Levi (FlexRay, KPN, RTS, TDD), các video bài giảng trên YouTube và ba phụ lục chuyên đề kỹ thuật (ILP, Định luật Kirchhoff, MMU).

---

Kết luận

Giáo trình Embedded System Design (Ấn bản lần thứ 4) của tác giả Peter Marwedel là tài liệu học thuật chuẩn tắc, hệ thống hóa toàn diện các nguyên lý cốt lõi của Hệ thống nhúng, Hệ thống mạng - vật lý (CPS) và Internet vạn vật (IoT).

Lộ trình tiếp cận kiến thức được định hình mạch lạc: bắt đầu từ các mô hình tính toán hình thức, đi qua kiến trúc phần cứng và phần mềm hệ thống, tiến đến các thuật toán lập lịch, tối ưu hóa đa mục tiêu và quy trình kiểm thử hoàn chỉnh. Với việc phát hành theo giấy phép truy cập mở (Open Access CC BY 4.0) cùng hệ sinh thái bài giảng video và phần mềm mô phỏng đi kèm, giáo trình là nguồn tư liệu học thuật quan trọng cho công tác giảng dạy, học tập và nghiên cứu trong lĩnh vực kỹ thuật máy tính hiện đại.

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.