Chương 1.Trong chương này , chúng tôi hệ thống hóa , giới thiệu một số khái niệm cơ bản về hệ thống nhúng, phần mềm nhúng, xu hướng phát triển, khó khăn và thách thức, một số hướng tiếp cận tối ưu trong hệ thống nhúng nhằm định hướng nghiên cứu cho phù hợp.Các phương pháp giảm thiểu năng lượng.Trong chương này, chúng tôi trình bày về tổng quan các phương pháp để giảm thiểu năng lượng, khái niệm và mục đích của việc giảm thiểu năng lượng nói chung và của hệ thống nhúng nói riêng, tổng hợp và hệ thống hóa lại các kết quả tối ưu năng lượng trong hệ thống nhúng thời gian gần đây.Phương pháp tối ưu điện năng tiêu thụ của hệ thống nhúng dựa trên kỹ nghệ ngược và tái cấu hình.Nội dung chương này được mô tả chi tiết phương pháp tối ưu điện năng, đưa ra mô hình tổng quát, giải thích và triển khai phương pháp. Chương này sẽ mô tả công cụ được sử dụng để mô phỏng, xây dựng mô hình thực nghiệm, từ các bài toán thông dụng sẽ được thử nghiệm dựa trên công cụ và mô hình mô phỏng từ đó đưa ra sự so LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 10 sánh về các kết quả thực thi và chúng ta có thể đánh giá được sự tối ưu dựa trên phương pháp mà chúng ta đang sử dụng.Chương này tổng hơ ̣p , đánh giá các nội dung nghiên cứu và thực nghiệm về phương pháp tối ưu đã trình bày trong các chương trước. Trong mỗi giai đoạn, chúng tôi tóm lược về ý tưởng, triển khai và đánh giá các phương pháp tối ưu cũng như các đóng góp chính của luận án về lý thuyết và thực tiễn. Đồng thời, chúng tôi cũng trình bày các kết quả nghiên cứu đã công bố trong các hội nghị, tạp chí về các phương pháp tối ưu.
Cuối cùng, trong mỗi giai đoạn, chúng tôi cũng tóm lược về hạn chế và phạm vi áp dụng của mỗi phương pháp, các vấn đề chưa giải quyết và đưa ra một số hướng nghiên cứu tiếp theo. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 11 Chƣơng 1.1 Giới thiệu về hệ thống nhúng Sau giai đoạn phát triển của máy tính lớn từ 1960-1980, và sự phát triển của PC-Internet giai đọan 1980-2000. Giai đoạn hậu PC- Internet này được dự đoán từ năm 2000 đến 2020 là giai đoạn của môi trường thông minh mà hệ thống nhúng là cốt lõi và đang làm nên làn sóng đổi mới thứ 3 [2]. Hệ thống nhúng là phần cốt lõi tạo lên các sản phẩm nhúng và các môi trường thông minh.Theo thống kê trong [1], trên 95% phầ n mề m phát triể n trên thế giới liên quan đế n phầ n mề m nhúng .Các sản phẩm nhúng có hầu hết trong đời sống xã hội từ các thiết bị giải trí đến các ứng dụng trong khoa học kỹ thuật, công nghiệp, quân sự,… Trên thế giới, phần mềm nhúng đã trở thành lĩnh vực then chốt của nền kinh tế, hầu hết các nước phát triển như Mỹ, Nhật bản, Hàn quốc, Trung Quốc đều được đầu tư và phát triển.
Những quốc gia này đã thành lập nhiều viện nghiên cứu, trung tâm nghiên cứu, nhà nước thì ban hành nhiều chính sách hỗ trợ để phát triển hệ thống và phần mềm nhúng. Một số sản phẩm của quá trình nghiên cứu như: Ngôi nhà thông minh, xe hơi tự lái,… Ở Việt Nam, các hệ thống nhúng và phần mềm nhúng còn chưa được nghiên cứu nhiều.Các sản phẩm về hệ thống nhúng và phần mềm nhúng còn ít.Công việc chủ yếu vẫn chỉ là gia công phần mềm cho nước ngoài. Bên cạnh đó chúng ta còn đối mặt một số khó khăn thử thách như để đào tạo được một chuyên viên có trình độ trong môi trường công nghệ cao đòi hỏi mất khoảng thời gian ít nhất là 6 tháng đến 1 năm, để có được một sản phẩm nhúng đúng nghĩa đòi hỏi phải có kiến thức cơ bản, chuyên sâu, giao tiếp chặt chẽ được với khác hàng,. Như vậy, để chúng ta có thể phát triển được lĩnh vực nhúng ở Việt Nam cần định hướng chiến lược và đầu tư hợp lý, đào tạo cơ bản và chuyên sâu, đẩy mạnh nghiên cứu và phát triển cho ngành hệ thống nhúng ngay từ các trường và các trung tâm, viện nghiên cứu.1 Hệ thống nhúng Hệ thống nhúng (Embedded system) là một hệ thống tính toán có khả năng tự trị được nhúng vào trong một môi trường hay một hệ thống lớn hơn.
Đó là các hệ thống tích hợp cả phần cứng và phần mềm phục vụ các bài toán LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 12 chuyên dụng.Một hệ thống được nhúng có thể chứa nhiều hệ thống nhúng khác. Hệ thống nhúng thường được thiết kế để thực hiện một chức năng chuyên biệt nào đó.Trong khi máy tính đa năng thực hiện được các chức năng khác nhau thì hệ thống nhúng chỉ thực hiện một hoặc vài chức năng nhất định.Hệ thống nhúng thường được thiết kế đi kèm với các yêu cầu cụ thể với các thiết bị máy móc và phần cứng chuyên dụng.2 Phần mềm nhúng Phần mềm nhúng là phần mềm tích hợp trong các hệ thống nhúng.Mục đích của phần mềm nhúng nhằm điều khiển phần cứng, cho phép đáp ứng tương tác người dùng hoặc cung cấp môi trường để phát triển các phần mềm nhúng tích hợp khác. Phần mềm nhúng tạo nên phần hồn, phần trí tuệ của các sản phẩm nhúng.Phần mềm nhúng ngày càng có tỷ lệ giá trị cao trong giá trị của các sản phẩm nhúng. Hiện nay phần lớn các phần mềm nhúng nằm trong các sản phẩm truyền thông và các sản phẩm điện tử tiêu dùng (consumer electronics), tiếp đến là trong các sản phẩm ô tô, phương tiện vận chuyển, máy móc thiết bị y tế, các thiết bị năng lượng, các thiết bị cảnh báo bảo vệ và các sản phẩm đo và điều khiển.
Phần mềm nhúng có thể có các mức kiến trúc khác nhau tuỳ theo yêu cầu cụ thể của hệ thống. Dưới đây là một số kiến trúc phần mềm nhúng với độ phức tạp tăng dần [2]: Kiến trúc xoay vòng RR (Round-Robin). Kiến trúc xoay vòng kết hợp với ngắt. Kiến trúc lập lịch hàng đợi chức năng.
Kiến trúc hệ điều hành thời gian thực: là kiến trúc phức tạp đóng vai trò trung gian giao tiếp với phần cứng và làm môi trường cung cấp các dịch vụ để tích hợp các phần mềm nhúng khác.3 Hệ thống nhúng thời gian thực Hệ thống thời gian thực: là hệ thống phải đáp ứng công việc trong một giới hạn thời gian nào đó, việc vượt quá thời gian có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng hoặc kết quả công việc không có ý nghĩa. Do đó tính đúng đắn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 13 của toàn bộ hệ thống phụ thuộc cả vào tính đúng đắn về chức năng và tính đúng đắn về thời gian. Ở dạng đơn giản, các hệ thống thời gian thực có thể được định nghĩa là hệ thống đáp ứng các sự kiện bên ngoài trong một khoảng thời gian nào đó, và thời gian đáp ứng phải được đảm bảo. Các sự kiện bên ngoài có thể là sự kiện đồng thời hoặc không đồng thời.
Việc đáp ứng các sự kiện bên ngoài bao gồm: phát hiện sự kiện, xử lý sự kiện và đưa ra các kết quả cần thiết trong một ràng buộc thời gian cho trước. Các ràng buộc thời gian bao gồm thời gian kết thúc hoặc cả thời gian bắt đầu và kết thúc. Hệ thời gian thực còn được gọi là hệ thống xác định bởi vì thời gian đáp ứng cho một sự kiện được giới hạn.Các tác vụ đáp ứng cho sự kiện còn được gắn với một độ ưu tiên cho trước.Hơn nữa, hệ thống thời gian thực có khả năng khả chuyển kém khi thay đổi môi trường. Phân loại hệ thống thời gian thực [29]: Trong hệ thời gian thực, mọi công việc tính toán đều phải hoàn thành trước thời gian cho phép (deadline), xác định và nhỏ nhất có thể chấp nhận được gọi là deadline.
Nói cách khác, hệ thống thời gian thực bị ràng buộc về thời gian và được điều khiển bởi các deadline. Về mặt này, hệ thời gian thực có thể được chia thành hệ thời gian thực mềm và hệ thời gian thực cứng. Hệ thống thời gian thực cứng: chỉ cho phép chênh lệch với deadline trong một mức độ dao động gần như bằng không. Nếu không hoàn thành đúng so với deadline thảm họa có thể xảy ra và không còn cách nào có thể khôi phục được hệ thống, trong trường hợp đó có nghĩa là toàn bộ hệ thống sẽ bị phá hủy.
Ví dụ như lò phản ứng hạt nhân, hệ thống nhúng trong điều khiển máy bay là hệ thời gian thực cứng, nếu chậm quyết định có thể dẫn tới thảm họa. Hệ thống thời gian thực mềm: là khi hệ thống hoạt động với yêu cầu thỏa mãn sự ràng buộc trong khung thời gian mềm. Nếu vi phạm và sai lệch trong khoảng cho phép thì hệ thống vẫn có thể hoạt động và chấp nhận được. Như vậy hệ thống thời gian thực mềm cho phép một mức độ chênh lệch nhất định.
Ví dụ đầu đọc DVD là hệ thời gian thực mềm hay hệ thống phát thanh truyền hình, nếu thông tin truyền đi từ trạm LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 14 phát đến người nghe vài giây thì không ảnh hưởng đến tính thời sự của tin truyền đi và người nghe có thể chấp nhận được. Hệthống nhúng thời gian thực: là một hệ thống nhúng đáp ứng được tính thời gian thực. Có thể hiểu hệ thống nhúng thời gian thực là phần giao nhau giữa hệ thống nhúng và hệ thống thời gian thực.Môi trường của hệ thống tạo ra sự khác biệt bên ngoài. Một số hệ điều hành nhúng thời gian thực điển hình như: ART Linux, Windows CE, ITRON, Linux, RedHawk,… 1.2 Đặc điểm khác biệt giữa phần mềm nhúng và phần mềm thông thƣờng Phạm vi ứng dụng của phần mềm nhúng đa dạng hơn nhiều so với các ứng dụng trên các máy tính đa dụng thông thường.
Phần mềm nhúng tồn tại hầu hết trong các lĩnh vực trong đời sống, trong khi phần mềm thông thường chỉ tồn tại ở một số lĩnh vực.Đặc thù phần mềm nhúng có các kiến trúc phức tạp khác nhau, đồng thời chạy rất nhiều kiến trúc phần cứng khác nhau. Sự khác biệt giữa phần mềm nhúng và phần mềm thông thường có thể đưa ra một số điểm so sánh sau: Hệ thống nhúng được thiết kế cho các tác vụ đặc biệt, trong khi các máy tính là các nền tảng tính toán và xử lý chung. Một số phần mềm nhúng đơn giản được lập trình chỉ để thực hiện một vài tác vụ. Thay đổi các tác vụ có thể đòi hỏi phải thiết kế lại hệ thống và thay đổi toàn bộ hệ thống.