Giới thiệu giáo trình mới “Giáo trình thiết kế hệ thống nhúng”

15/09/2022 - 03:48

Giáo trình thiết kế hệ thống nhúng được tác giả TS. Đoàn Duy, ThS. Lê Hoài Nghĩa soạn thảo.

Ngày nay, máy tính đã không còn xa lạ với cuộc sống của con người. Các hệ thống máy tính được ứng dụng rộng khắp trong các lĩnh vực khoa học, y tế, giáo dục, giao thông, ứng dụng đời sống, sản xuất công nghiệp cho đến các hệ thống có mức độ phức tạp cao nhưng hàng không, vũ trụ và quân sự quốc phòng. Cuộc sống hiện đại gắn liền với các hệ thống máy tính, các hệ thống tự động và hơn hết là các hệ thống thông minh giúp con người xử lý hầu hết các nhu cầu của cuộc sống. Từ những nhu cầu đơn giản như đánh thức mỗi sáng thức dậy bằng chế độ định giờ trên điện thoại; xem tin tức qua truyền hình; chuẩn bị thức ăn với các thiết bị hiện đại như tủ lạnh, lò vi sóng, điện thoại, xe hơi… Tất cả các hệ thống tính toán nói trên đều là các hệ thống nhúng hoặc một phần là hệ thống nhúng.

Trong những năm gần đây, hệ thống nhúng phải giải quyết nhiều thử thách hơn để đáp ứng sự thay đổi của nhu cầu sử dụng, từ việc tương tác với thế giới vật lý nhiều hơn, tiếp cận công nghệ mới, sự bùng nổ của internet và những nhu cầu ứng dụng mới. Thuật ngữ “Vạn vật kết nối” hay “thiết bị thông minh” dần trở nên phổ biến. Là nền tảng cơ sở để phát triển các thiết bị thông minh, thiết bị sử dụng cho vạn vật kết nối, hệ thống nhúng được tích hợp các cơ chế tính toán mạnh mẽ hơn và cung cấp nhiều cơ chế điều khiển các quá trình vật lý với những cơ chế phản hồi, tinh chỉnh một cách tinh vi. Các hệ thống nhúng cũng được hỗ trợ công nghệ mạng kết nối, kỹ thuật tổ chức dữ liệu, phần mềm và những cơ cấu vật lý phần cứng phức tạp.

Với vai trò quan trọng đó, giáo trình này được xây dựng để mang đến cho người đọc những kiến thức và kỹ thuật cơ bản để xây dựng các hệ thống nhúng. Giáo trình giúp người đọc tiếp cận với thiết kế hệ thống nhúng với góc nhìn từ hệ thống đến chi tiết các thành phần. Chúng ta sẽ tìm hiểu qua các khái niệm liên quan, sự kết nối của hệ thống nhúng với các xu hướng công nghệ và ứng dụng. Giáo trình được tổ chức thành 8 chương với những ví dụ cụ thể và bài tập đi kèm trong từng chương giúp người đọc dễ tiếp cận với các khái niệm và thiết kế.

Chương 1 là phần giới thiệu tổng quan về thiết kế hệ thống nhúng. Trong chương này, chúng ta sẽ thấy được mối liên hệ của hệ thống nhúng với các khái niệm công nghệ và xu thế phát triển ứng dụng. Sau đó, giáo trình sẽ cung cấp góc nhìn hệ thống để người đọc nắm bắt được các thành phần chính và nguyên lý hoạt động cơ bản của một hệ thống nhúng. Trong các chương tiếp theo, chúng ta sẽ tìm hiểu về từng thành phần cụ thể và cách thiết kế.

Chương 2 giới thiệu tổng quan các vi xử lý nhúng và vi điều khiển được sử dụng trong phát triển các hệ thống nhúng. Bộ vi xử lý nhúng được xem là bộ não của cả hệ thống, là nơi thực thi các tính toán và xử lý dữ liệu. Chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu về kiến trúc các dòng vi xử lý nhúng từ cổ điển đến hiện đại với các tính năng quan trọng được cập nhật.

Chương 3 sẽ mô tả các kiến trúc bộ nhớ, bao gồm khái quát mô hình bộ nhớ trong lập trình, thuộc tính vật lý (công nghệ chế tạo, kích thước…) và thuộc tính kiến trúc của bộ nhớ (kiến trúc phân tần theo cache, bộ nhớ chính…) và nhấn mạnh vào hiểu biết về ảnh hưởng của kiến trúc bộ nhớ lên tính động của hệ thống. Bộ nhớ là một thành phần quan trọng không thể thiếu trong mọi hệ thống nhúng, bên cạnh bộ vi xử lý.

Chương 4 sẽ trình bày về các giao tiếp giữa thành phần phần mềm và thành phần phần cứng trong hệ thống. Chương này sẽ thảo luận các cơ chế nhập xuất trong kiến trúc phần mềm và kiến trúc máy tính và giao tiếp giữa thế giới tín hiệu số và thế giới tín hiệu tương tự. Các thành phần nhập xuất là cơ sở để bộ vi xử lý có thể tương tác được với thế giới bên ngoài.

Chương 5 giới thiệu về cảm biến và các cơ cấu chấp hành được sử dụng trong thiết kế hệ thống nhúng. Không đi sâu trình bày một cách chi tiết yếu tố kỹ thuật, chúng ta xem xét ở khía cạnh mô hình hoạt động của các thành phần này để hướng đến một phương thức thiết kế tổng thể cho hệ thống.

Chương 6 và Chương 7 sẽ tập trung vào kiến trúc thượng tầng của hệ thống nhúng để giới thiệu về hệ điều hành và các cơ chế liên quan. Trong đó, giáo trình sẽ giới thiệu các khái niệm liên quan đến hệ thống đa nhiệm và các cơ chế xử lý song song. Chương này chỉ ra các khó khăn khi sử dụng các cơ cấu mức thấp như luồng (thread) để giúp người đọc hiểu được giá trị thực sự của việc sử dụng mô hình hóa trong thiết kế. Các kỹ thuật mô hình hóa giúp người kỹ sư tự tin trong thiết kế hệ thống. Giáo trình cũng giới thiệu về cơ chế định thời thời gian thực và các giải thuật định thời cơ bản được sử dụng.

Bên cạnh giới thiệu các thành phần cơ bản của hệ thống nhúng phục vụ cho quá trình thiết kế, giáo trình này cũng giới thiệu một hướng tiếp cận mới trong quá trình thiết kế: thiết kế hướng mô hình hóa. Mô hình hóa giúp xây dựng hệ thống tổng quan, phân tích đánh giá và phát triển hệ thống một cách toàn diện và thuận tiện. Chương 8 mô tả các khái niệm liên quan đến mô hình hệ thống, máy trạng thái và cách thức mô tả hệ thống dựa trên mô hình.

Để có thể sử dụng hiệu quả giáo trình này, yêu cầu cần có kiến thức cơ bản về kiến trúc máy tính và hệ điều hành máy tính. Trong quá trình nghiên cứu tài liệu, cần kết hợp kiến thức lý thuyết vào vận dụng giải các bài tập, kết hợp việc hiểu các nội dung với quan sát đối chiếu với các vấn đề tồn tại ngoài thực tế. Nhóm biên soạn cũng mong muốn nhận được phản hồi từ người đọc để có đánh giá, cập nhật cần thiết cho giáo trình tốt hơn.

Giáo trình đang được xử lý kỹ thuật và sẽ phục vụ mượn trả trong thời gian sớm nhất.