Express logic là công ty đứng đằng sau hệ điều hành thời gian thực hàng đầu THREADX RTOSMÔ tả PHÂN TÍCH ỨNG DỤNG hệ THỐNG có lợi THẾ

LỜI NÓI ĐẦU i MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 1.1 Giới thiệu Express Logic 1.2 Tổng quan Azure RTOS ThreadX 1.2.1 Dung lượng .1 1.2.2 Tốc độ thực thi 1.2.3 Công nghệ tiên tiến 1.2.4 Hỗ trợ đa lõi (AMP & SMP) 1.2.5 Bảo vệ nhớ thông qua Mô-đun 1.2.6 tuân thủ MIRSA .6 1.2.7 Hỗ trợ hầu hết công cụ phổ biến .6 1.3 Các đặc điểm độc ThreadX .6 1.3.1 Kiến trúc picokernel™ 1.3.2 Mã nguồn ANSI C 1.3.3 Công nghệ tiên tiến CHƯƠNG ƯU ĐIỂM & KHUYẾT ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG 2.1 Ưu điểm 2.2 Nhược điểm 11 CHƯƠNG MÔ TẢ & PHÂN TÍCH ỨNG DỤNG HỆ THỐNG CĨ LỢI THẾ.12 3.1 Thiết kế module lưu trữ liệu mã hóa sử dụng thi hành luật khai thác than đá 12 3.1.1 Giới thiệu module 12 3.1.2 thiết kế phần cứng 13 3.1.3 Thuật tốn mã hóa liệu dsa (Digital Signature Algorithm) 16 ii 3.1.4 Lập Trình phần mềm .16 3.2 Ứng dụng ThreadX dự án Deep Impact 18 3.2.1 Giới thiệu 18 3.2.2 Phần cứng .20 3.2.3 Tổng kết vai trò ThreadX Deep Impact 22 3.2.4 Kết quả: 22 3.3 Hệ thống giao thông thông minh tương tác phương tiện với sở hạ tầng (v2I - Vehicle to InfrASTRUCTURE) .22 3.3.1 ThreadX RTOS giao tiếp V2X 22 3.3.2 Giao tiếp V2I 24 3.3.3 Ứng dụng giao tiếp V2X 26 TÀI LIỆU THAM KHẢO i iii DANH MỤC HÌNH ẢNH iv DANH MỤC BẢNG v THUẬT NGỮ image xác nội dung thiết bị lưu trữ (ổ đĩa cứng CDROM chẳng hạn) lưu trữ thiết bị (storage device) thứ hai lưu trữ thứ hai kernel phần lõi hệ điều hành (operating system) Đây phần hệ điều hành tải nằm nhớ Kernel kết nối phần cứng hệ thống với phần mềm ứng dụng Nhiều thông báo kernel tạo xuất hình hiển thị máy tính khởi động cho biết thiết bị phần cứng mà kernel phát cho biết liệu định cấu hình chúng hay khơng Mutex viết tắt mutual exclusion object Nó mô tả đối tượng (object) cho phép nhiều luồng (thread) truy cập vào tài nguyên chia sẻ (shared resource), không lúc Tài nguyên chia sẻ thứ giống liệu nằm nhớ thiết bị đầu vào / đầu ra, chẳng hạn điều khiển đĩa (disk controller) Loại trừ lẫn (mutual exclusion) phần quan trọng để ngăn chặn race condition Semaphore biến bảo vệ (hay kiểu liệu trừu tượng), tạo thành phương pháp để hạn chế truy nhập tới tài nguyên dùng chung môi trường đa chương (multiprogramming) Service chương trình (background program) cung cấp chức quan trọng in ấn, chia sẻ tập tin, giao tiếp với thiết bị Bluetooth, kiểm tra cập nhật phần mềm vi CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 1.1 Giới thiệu Express Logic Express Logic công ty đứng đằng sau hệ điều hành thời gian thực hàng đầu THREADX RTOS – cho hệ điều hành thời gian thực (RTOS) phổ biến với 6,2 tỷ lượt triển khai VDC Research THREADX cung cấp tảng IoT X-WARE bao gồm FILEX, GUIX, NETX, NETX DUO (TLS, DTLS, IPsec, MQTT, CoAP, LwM2M, Thread), USBX Tất giải pháp Express Logic độc quyền hồn tồn khơng chứa mã nguồn mở 1.2 Tổng quan Azure RTOS ThreadX Azure RTOS ThreadX Hệ điều hành thời gian thực (RTOS) cấp cơng nghiệp nâng cao Microsoft Nó thiết kế đặc biệt cho ứng dụng nhúng sâu, thời gian thực IoT Azure RTOS ThreadX cung cấp phương tiện quản lý lịch, giao tiếp, đồng hóa, hẹn giờ, quản lý nhớ ngắt nâng cao Ngoài ra, Azure RTOS ThreadX có nhiều tính nâng cao: bao gồm kiến trúc picokernel™, lập lịch ngưỡng ưu tiên (preemption-threshold™), chuỗi kiện, lập hồ sơ thực thi, số liệu hiệu suất theo dõi kiện hệ thống Kết hợp với tính dễ sử dụng vượt trội, Azure RTOS ThreadX lựa chọn lý tưởng cho ứng dụng nhúng đòi hỏi khắt khe Azure RTOS ThreadX có hàng tỷ lượt triển khai nhiều loại sản phẩm, bao gồm thiết bị tiêu dùng, thiết bị điện tử y tế thiết bị điều khiển công nghiệp 1.2.1 Dung lượng ThreadX có vùng hướng dẫn nhỏ đáng kể KB dung lượng RAM nhỏ KB Dung lượng nhỏ đạt nhờ vào kiến trúc picokernel không phân lớp tự động thay đổi tỉ lệ Tự động thay đổi tỉ lệ có nghĩa service (và sở hạ tầng hỗ trợ) ứng dụng sử dụng đưa vào cuối thời điểm liên kết Bảng thông số dung lượng Azure RTOS ThreadX điển hình: Azure RTOS ThreadX Service Typical Size in Bytes Core Services (Require) 2,000 Queue Services 900 Event Flag Services 900 Semaphore Services 450 Mutex Services 1,200 Block Memory Services 550 Byte Memory Services 900 1.2.2 Tốc độ thực thi Azure RTOS ThreadX đạt chuyển đổi ngữ cảnh (context switch) micro giây hầu hết xử lý nhìn chung nhanh so với RTOS thương mại khác Ngồi tốc độ nhanh chóng, Azure RTOS ThreadX có tính định cao Nó đạt hiệu suất nhanh cho dù có 200 luồng sẵn sàng hay luồng Dưới số đặc điểm hiệu suất điển hình:  Khởi động nhanh: Azure RTOS ThreadX khởi động vòng chưa đầy 120 chu kỳ  Tùy chọn loại bỏ kiểm tra lỗi bản: Kiểm tra lỗi Azure RTOS ThreadX bỏ qua thời điểm biên dịch Điều hữu ích mã ứng dụng xác minh khơng cịn u cầu kiểm tra lỗi tham số Bỏ qua kiểm tra lỗi thực đơn vị biên dịch, thay tồn hệ thống  Thiết kế Picokernel: Các service không bị xếp lớp lẫn nhau, loại bỏ hao phí gọi lệnh chức không cần thiết  Xử lý ngắt tối ưu hóa: Chỉ ghi xước lưu / khôi phục vào / ISR, trừ cần ưu tiên trước  Xử lý API tối ưu hóa Bảng Số liệu hiệu suất dựa xử lí điển hình chạy tốc độ 200 MHz Azure RTOS ThreadX Service Service Time in Microseconds* Thread Suspend 0.6 Thread Resume 0.6 Queue Send 0.3 Queue Receive 0.3 Get Semaphore 0.2 Put Semaphore 0.2 Context Switch 0.4 Interrupt Response 0.0 – 0.6 1.2.3 Công nghệ tiên tiến Azure RTOS ThreadX đáng ý với khả lập lịch ngưỡng ưu tiên Tính cho Azure RTOS ThreadX chủ đề nghiên cứu học thuật mở rộng Các chức Azure RTOS ThreadX:  Cơ sở đa nhiệm hoàn chỉnh toàn diện o Luồng, Timer, hàng đợi tin nhắn, đếm semaphores, mutexes, cờ kiện, khối nhóm nhớ byte  Lập lịch ưu tiên dựa mức độ ưu tiên  Tính linh hoạt ưu tiên - Lên đến 1024 mức độ ưu tiên  Lập kế hoạch hợp tác  Ngưỡng ưu tiên - Chỉ dành riêng cho Azure RTOS ThreadX, giúp giảm chuyển đổi ngữ cảnh giúp đảm bảo khả phân chia (theo nghiên cứu học thuật)  Bảo vệ nhớ thông qua Mơ-đun ThreadX Azure RTOS  Xác định hồn tồn  Truy vết kiện – Ghi lại n sự kiện cuối hệ thống / ứng dụng  Chuỗi kiện – Truy cập ghi chức gọi lại "thông báo" dành riêng cho ứng dụng cho đối tượng đồng hóa giao tiếp  Mơ-đun Azure RTOS ThreadX với bảo vệ nhớ tùy chọn  Chỉ số hiệu suất thời gian chạy o Số lượng khởi động lại luồng o Số lượng gián đoạn luồng o Số lượng ưu tiên trước luồng o Số lượng ưu tiên trước ngắt luồng không đồng o Số lượng đảo ngược mức độ ưu tiên luồng o Số lượng ngừng hoạt động luồng  Execution Profile Kit (EPK)  Ngăn xếp ngắt riêng biệt  Phân tích ngăn xếp thời gian chạy  Xử lý ngắt Timer tối ưu hóa 1.2.4 Hỗ trợ đa lõi (AMP & SMP) 3.1.4.2 Thiết kế luồng khởi tạo hệ thống Hình 4.6 Sơ đồ khối khởi tạo hệ thống truyền nhận liệu mã hóa Sau nhận liệu âm thanh, video văn từ bo mạch chủ Android, môđun lưu trữ lấy thơng tin thời gian hệ thống vị trí tại thời điểm đó, mã hóa chữ ký số DSA, sau lưu trữ liệu mã hóa vào thẻ nhớ 3.2 Ứng dụng ThreadX dự án Deep Impact 3.2.1 Giới thiệu Vào ngày 12/1/2005, Nasa làm việc với kỹ sư phịng thí nghiệm Jet Propulsion Laboratory (JPL) trường đại học Maryland Đã phóng tàu thăm dị vũ trụ với ý định đâm vào Tempel (một chổi cách 80 triệu dặm) Các nhà khoa học hy 18 vọng thu thập hình ảnh mẫu dự liệu từ chổi để tiến hành nghiên cứu Hình Tàu vũ trụ Deep Impact Tàu vũ trụ gia công lắp ráp Ball Aerospace & Technologies (là nhà sản xuất tàu vũ trụ, linh kiện dụng cụ Mỹ cho ứng dụng quốc phòng, không gian dân dụng vũ trụ thương mại) Thách thức Ball Aerospace & Technologies thiết kế tàu vũ trụ hai phương tiện có khả mang thiết bị cần thiết vào không gian sau tách 19 thành tàu sống sót tàu va chạm với Tempel (nhằm mục đích khai quật mẫu vật từ trổi, gửi ảnh liệu liên quan Trái Đất) 3.2.2 Phần cứng Hệ thống bao gồm kết hợp:  Các hệ thống thực nhiệm vụ chụp ảnh thu thập mẫu vật  Hệ thống điều hướng  Bộ vi xử lí 32-bit  Bộ điều khiển camera Bộ điều khiển camera xử dụng vi xử lý SPARC TSC695F (là vi xử lý 32bit hãng Atmel, thường dùng dự án không gian) Ball Aerospace & Technologies chọn hệ điều hành thời gian thực ThreadX Express Logic để chạy vi xử lí SPARC, dựa yêu cầu nhớ nhỏ hỗ trợ kiến trúc SPARC Phần mềm bay ứng dụng nhúng FSW Deep Impact có tên AutoNav Các camera Deep Impact ghi lại hình ảnh mục tiêu chuyển chúng đến AutoNav để giải thích thực hành động cần thiết (Hình 5) Phần mềm AutoNav cung cấp khả kiểm soát thời gian thực thứ tàu vũ trụ Phần mềm có loạt điều khiển; cho động đẩy cần bắn, cho bánh xe phản ứng quay lên xuống, bật tắt radio, v.v AutoNav cung cấp diễn giải liệu hình ảnh truyền tới từ hệ thống thu thập liệu cảm biến (SDA) ThreadX RTOS quản lý ThreadX quản lý hoạt động điều khiển máy ảnh Charge-Coupled Device (CCD) ba thiết bị hình ảnh –HRI, MRI ITS hai thiết bị thủ công Flyby Impactor Deep Impact 20 Hình …: Các camera Deep Impact ghi lại hình ảnh mục tiêu chuyển chúng đến AutoNav để giải thích hành động cần thiết Hình …: Hệ thống SDA bao gồm 19 luồng ứng dụng thực thi theo kiểu ưu tiên, ưu tiên, kiểm soát ThreadX xử lý Atmel Hệ thống SDA bao gồm 19 luồng ứng dụng thực thi theo kiểu ưu tiên, ưu tiên, kiểm soát ThreadX xử lý Atmel (xem Hình 6) “ThreadX… quản lý phần mềm ứng dụng chạy ba điều khiển công cụ, bao gồm xử lý ngắt, lập lịch luồng truyền thông báo.” Để xác định vị trí tàu vũ trụ tính tốn hiệu chỉnh cần thiết, AutoNav hồn tồn phụ thuộc vào liệu hình ảnh từ cảm biến Deep Impact, 21 ứng dụng SDA điều khiển ThreadX, từ tính tốn vị trí quỹ đạo tàu vũ trụ Với liệu đó, AutoNav cho phép điều hướng hồn tồn tự động Vì phần mềm phân tích hình ảnh thủ cơng, AutoNav, lấy hình ảnh máy ảnh chụp, diễn giải liệu, thực số tính phát cạnh tăng cường, tìm vị trí trung tâm khối lượng trung tâm độ sáng chổi điều chỉnh quỹ đạo cho phù hợp AutoNav cho phép tàu vũ trụ Deep Impact trở thành “robot” hoàn toàn tự chủ 3.2.3 Tổng kết vai trò ThreadX Deep Impact Trong AutoNav “bộ não” Deep Impact mắt Deep Impact máy ảnh HRI, MRI ITS ThreadX có nhiệm vụ kiểm sốt mắt Ngồi ThreadX cịn quản lý phần mềm ứng dụng chay ba điều khiển bao gồm xử lý ngắt, Thread Schedule truyền thông báo Các cơng cụ ThreadX quản lý, sau truyền liệu thô trở lại AutoNav 3.2.4 Kết quả: Nhiệm vụ Deep Impact hoàn thành xuất sắc Kết dự án Deep Impact thành công đến mức Ball Aerospace & Technologies chọn ThreadX Express Logic để triển khai dự án họ cho Nasa JPL – dự án tàu quỹ đạo trinh sát Hỏa (MRO) phóng vào tháng năm 2005 3.3 Giao tiếp V2X (Vehicle-to-Everything) 3.3.1 ThreadX RTOS giao tiếp V2X ThreadX RTOS sử dụng thiết bị On-Board Unit, On-Board Equipment, Chipset… chúng thiết bị thu phát DSRC (Dedicated Short Range Communication) thường trang bị xe, tạo thành hệ thống giao tiếp thông minh phương tiện với yếu tố xung quanh phương tiện với phương tiện (Vehicle-to-vehicle V2V), phương tiện với kết nối mạng (Vehicle-to-network V2N), phương tiện với người (Vehicle-to-pedestrian V2P), phương tiện với sở hạ 22 tầng (Vehicle-to-infrastructure V2I) với vai trò hệ điều hành ThreadX RTOS đáp ứng nguyên tắc mã hóa MISRA chứng nhận SGS-TUV SAAR sử dụng hệ thống quan trọng an toàn, theo IEC-61508 IEC-62304 Thiết bị ứng dụng ThreadX RTOS giao tiếp V2X: Hình V2X On-Board-Unit Model: OBU-201U, OS: ThreadX RTOS Hình Hệ thống DSRC VTX-201 OBU 23 Cấu trúc OBU: Hình Cấu trúc OBU Ứng dụng Chipset SECTON Autotalks V2X: ThreadX RTOS sử dụng làm hệ điều hành phần mềm Autotalks V2X, hiệu suất thời gian thực ThreadX Autotalks đánh giá tốt Hình Chip SECTON Autotalks V2X, OS: ThreadX RTOS Chipset SECTON tiện ích bổ sung phần cứng Hệ thống V2X Toàn cầu, kiến trúc cho phương tiện tự hành Cung cấp tích hợp đơn giản với CPU SECTON chipset đủ tiêu chuẩn dành cho tơ tối ưu hóa phạm vi di 24 động tích hợp truyền thơng trực tiếp IEEE802.11p DSRC C-V2X (PC5) Rel.14/Rel.15 Mô-đun bảo mật phần cứng V2X có độ trễ cực thấp cơng cụ xác minh phần cứng nhanh nhẹn Crypto-Agility Hỗ trợ IEEE 802.11a/b/g/n/ac để kết nối Wi-Fi bên cho dịch vụ tiện ích bổ sung 3.3.2 Hệ thống V2X Hệ thống giao tiếp V2X (Vehicle-to-Everything) giao tiếp phương tiện với thứ xung quanh công nghệ giao tiếp không dây Hệ thống V2X nhằm cải thiện an toàn, thoải mái tiện lợi xe cách cho phép chúng giao tiếp với hầu hết thứ kết nối Trong trường hợp V2X, phương tiện nhận truyền khơng dây từ phương tiện di chuyển khác, từ tín hiệu giao thông, từ mạng báo cáo thời tiết chí từ người xe đạp người để hiểu rõ tương tác với giới xung quanh V2X kết hợp thuật toán sử dụng liệu trao đổi phương tiện yếu tố xung quanh để thực tính tốn tiên đốn tình gây rủi ro cao, qua cảnh báo người dùng thơng qua hành động cụ thể 25 Hình Hệ thống giao tiếp không giây V2X Hệ thóng V2X bao gồm: Vehicle-to-Vehicle: Các phương tiện trang bị cơng nghệ V2V xác định tốc độ, vị trí hướng phương tiện khác phạm vi khoảng 300 mét, giúp họ tránh tai nạn thông qua cải thiện nhận thức tình điểm mù giao lộ, giao thơng đơng đúc tình khác mà người lái xe khơng nhận thức nguy hiểm xảy vật cản, thời tiết địa hình Vehicle-to-Infrastructure: Cơng nghệ kết nối phương tiện với sở hạ tầng từ tín hiệu giao thơng đến giao, điểm giao với đường sắt cảnh báo điều kiện đường cơng trình xây dựng, tắt nghẽn giao thơng… V2I ứng dụng để xác định chỗ đậu xe, xác định tuyến đường an tồn, thơng thốn, phân luồng giao thơng… Vehicle-to-Network: Hệ thống V2N kết nối phương tiện với mạng dựa đám mây cung cấp dịch vụ cập nhật giao thông thời tiết theo thời gian thực Hệ thống V2N sử dụng thơng tin tuyến đường người lái xe để điều chỉnh nhanh chóng 26 Vehicle-to-Pedestrian: V2P cho phép giao tiếp trực tiếp xe người phạm vi gần Trong trường hợp này, người có ứng dụng điện thoại thông minh họ để giao tiếp với phương tiện Cảnh báo hai hướng; ứng dụng người gửi cảnh báo âm đến người lái xe hệ thống người lái xe gửi cảnh báo tương tự đến điện thoại người hai cảm nhận tình nguy hiểm Hình Hệ thống giao tiếp thời gian thực V2X Nhìn chung, hệ thống tích hợp truyền thơng V2X có thành phần cấu trúc giống nhau, tối thiểu gồm phần sau: - Vehilce On-Board Unit/Equipment (OBU OBE) - Roadside Unit or Equipment (RSU or RSE) - Kênh Safe Communication Trong đó, thiết bị OBU đặt phương tiện OBU cấu tạo hợp lý bao gồm thu phát vô tuyến (DSRC), hệ thống GPS, xử lý ứng dụng giao diện giao diện hệ thống giao diện người dùng phương tiện (HMI interface) OBU cung cấp thông tin liên lạc OBU phương tiện khác RSU vị trí hạ tầng giao thơng Các OBU truyền thơng báo trạng thái đến OBU khác 27 để hỗ trợ ứng dụng an toàn phương tiện, thu thập liệu để hỗ trợ ứng dụng cơng cộng dự đốn tuyến đường Các OBU cung cấp khả lưu trữ nhiều liệu ảnh chụp nhanh cách tối ưu, tùy thuộc vào nhớ dung lượng truyền thông Hình Minh họa cấu trúc hệ thống V2X1 3.3.3 Ứng dụng hệ thống giao tiếp V2X ITS Joint Program Office, USDOT 28 Hình Giao tiếp kết hợp V2X, phương tiện xung quanh với sở hạ tầng thông qua thiết bị thu phát OBU Hình thể tổng quan kiến trúc giao tiếp V2X Tất phương tiện tích hợp công nghệ V2X qua thiết bị OBU để cung cấp khả giao tiếp không dây với Tạo nên hệ thống giao thơng thơng minh có tương tác, chia liệu cho góp phần làm giảm khả rủi ro gây an toàn nâng cao hiệu tham gia giao thông, tiện lợi, thoải mái cho người tham gia giao thông 3.3.3.1 Đảm bảo an toàn Các ứng dụng an toàn nhằm mục đích giảm thiểu số vụ tai nạn cách dự đốn thơng báo cho người lái xe thông tin thu thông qua liên lạc phương tiện cảm biến lắp đặt đường 29 Hình Minh họa ứng dụng an tồn với tích hợp DSRC cảm biến bên đường Các ứng dụng đảm bảo an tồn mà hệ thống giao tiếp tích hợp OBU mang lại: - Cảnh báo cho tình nguy hiểm (chẳng hạn tắc nghẽn, tai nạn, chướng ngại vật, v.v.) - Hỗ trợ giao lộ an toàn - Quản lý tốc độ - Quản lý hoạt động đường sắt cắt ngang - Phân công ưu tiên cho xe cấp cứu 3.3.3.2 Đảm bảo điều khiển phương tiện thuận lợi, hiệu Ứng dụng hỗ trợ việc điều khiển phương tiện thuận tiện đường giao lộ Các chức hoạt động cục giao lộ đoạn đường định, trường hợp tối ưu mạng lưới giao thông lớn, chẳng hạn khu trung tâm sầm uất - Thông tin tuyến tắt đường - Dự báo tuyến có nguy tắt nghẽn giao thơng - Điều khiển tín hiệu đèn giao thơng cách linh hoạt - Điều hướng, kiểm sốt giao thơng 30 Hình Điều hướng, kiểm sốt giao thơng động DSRC 31 TÀI LIỆU THAM KHẢO https://www.synopsys.com/dw/ipdir.php?ds=arc-access-member-express- logic&fbclid=IwAR1WG6foY0_gcMgGKiicUIkPAZfE_S656SgmeZxZD7PTUAQjwi cG8sI-sqg https://learn.microsoft.com/en-us/azure/rtos/threadx/chapter1 Autotalks: https://auto-talks.com/applications/ Karolis Kiela, Vaidotas Barzdenas, Review of V2X–IoT Standards and Frameworks for ITS Applications, Appl doi:10.3390/app10124314 32 Sci 2020, 10, 4314; ... CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 1.1 Giới thiệu Express Logic Express Logic công ty ? ?ứng đằng sau hệ điều hành thời gian thực hàng đầu THREADX RTOS – cho hệ điều hành thời gian thực (RTOS) phổ biến... theo thời gian thực Nó có yêu cầu cao thời gian thực bảo mật Trong mô-đun lưu trữ này, hệ điều hành thời gian thực ThreadX sử dụng để lên kế hoạch quản lý tác vụ ThreadX hệ điều hành thời gian thực. .. phịng, chuỗi kiện, phân tích hiệu suất thời gian chạy, báo hiệu suất theo dõi kiện hệ thống Hệ điều hành thời gian thực ThreadX có phần mềm trung gian hồn hảo, bao gồm hệ thống tệp Filex, ngăn