Tổng quan Azure RTOS ThreadX
Dung lượng
ThreadX có vùng hướng dẫn nhỏ đáng kể 2 KB và dung lượng RAM rất nhỏ 1
Dung lượng nhỏ của KB được đạt được nhờ kiến trúc picokernel không phân lớp và tính năng tự động thay đổi tỉ lệ Tính năng này đảm bảo rằng chỉ các dịch vụ và cơ sở hạ tầng hỗ trợ mà ứng dụng sử dụng mới được đưa vào bản sao cuối cùng tại thời điểm liên kết.
Bảng thông số dung lượng của Azure RTOS ThreadX điển hình:
Azure RTOS ThreadX Service Typical Size in Bytes
Tốc độ thực thi
Azure RTOS ThreadX nổi bật với khả năng chuyển đổi ngữ cảnh dưới một micro giây trên hầu hết các bộ xử lý, nhanh hơn so với nhiều RTOS thương mại khác Bên cạnh tốc độ ấn tượng, Azure RTOS ThreadX còn mang lại tính quyết định cao, đảm bảo hiệu suất ổn định cho cả 200 luồng sẵn sàng hoặc chỉ một luồng.
Dưới đây là một số đặc điểm hiệu suất điển hình:
Khởi động nhanh: Azure RTOS ThreadX khởi động trong vòng chưa đầy 120 chu kỳ.
Tùy chọn loại bỏ kiểm tra lỗi cơ bản trong Azure RTOS ThreadX cho phép bỏ qua kiểm tra lỗi tại thời điểm biên dịch, điều này hữu ích khi mã ứng dụng đã được xác minh và không còn cần kiểm tra lỗi cho mỗi tham số Việc bỏ qua kiểm tra lỗi có thể thực hiện trên một đơn vị biên dịch thay vì toàn hệ thống.
Thiết kế Picokernel: Các service không bị xếp lớp lẫn nhau nhau, loại bỏ hao phí gọi lệnh chức năng không cần thiết.
Xử lý ngắt được tối ưu hóa: Chỉ các thanh ghi xước mới được lưu / khôi phục khi vào / ra ISR, trừ khi cần ưu tiên trước.
Xử lý API được tối ưu hóa Bảng Số liệu hiệu suất dựa trên bộ xử lí điển hình chạy ở tốc độ 200 MHz
Azure RTOS ThreadX Service Service Time in
Công nghệ tiên tiến
Azure RTOS ThreadX nổi bật với khả năng lập lịch ngưỡng ưu tiên, một tính năng độc đáo đã thu hút sự chú ý trong các nghiên cứu học thuật.
Các chức năng chính của Azure RTOS ThreadX:
Cơ sở đa nhiệm hoàn chỉnh và toàn diện o Luồng, Timer, hàng đợi tin nhắn, đếm semaphores, mutexes, cờ sự kiện, khối và nhóm bộ nhớ byte
Lập lịch ưu tiên dựa trên 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 và giúp đảm bảo khả năng phân chia (theo nghiên cứu học thuật)
Bảo vệ bộ nhớ thông qua Mô-đun ThreadX Azure RTOS
Truy vết sự kiện – Ghi lại n sự kiện cuối cùng của hệ thống / ứng dụng
Chuỗi sự kiện – Truy cập thanh ghi chức năng gọi lại "thông báo" dành riêng cho ứng dụng cho từng đối tượng đồng bộ hóa hoặc giao tiếp
Mô-đun Azure RTOS ThreadX với bảo vệ bộ nhớ tùy chọn
Chỉ số hiệu suất thời gian chạy bao gồm các yếu tố quan trọng như số lượng khởi động lại luồng, số lượng gián đoạn luồng, và số lượng ưu tiên trước của luồng Ngoài ra, cần chú ý đến số lượng ưu tiên trước của ngắt luồng không đồng bộ, số lượng đảo ngược mức độ ưu tiên luồng, cũng như số lượng ngừng hoạt động luồng Những chỉ số này giúp đánh giá hiệu quả và độ ổn định của hệ thống trong quá trình vận hành.
Ngăn xếp ngắt riêng biệt
Phân tích ngăn xếp thời gian chạy
Xử lý ngắt Timer được tối ưu hóa
Hỗ trợ đa lõi (AMP & SMP)
Azure RTOS ThreadX thường được triển khai theo kiểu Asymmetric Multiprocessing (AMP), với mỗi lõi chạy một bản sao riêng biệt của ThreadX và ứng dụng Các lõi này giao tiếp với nhau thông qua bộ nhớ dùng chung hoặc các cơ chế giao tiếp giữa các bộ xử lý như OpenAMP, mà Azure RTOS ThreadX hỗ trợ.
Trong môi trường mà bộ xử lý tải có tính động lực học cao, Azure RTOS ThreadX Symmetric Multiprocessing (SMP) có sẵn cho các dòng bộ xử lý sau:
Azure RTOS ThreadX SMP cung cấp khả năng cân bằng tải động trên nhiều bộ xử lý, cho phép mọi tài nguyên như hàng đợi, semaphores, cờ sự kiện và nhóm bộ nhớ được truy cập bởi bất kỳ luồng nào trên bất kỳ lõi nào Với Azure RTOS ThreadX SMP, API hoàn chỉnh của Azure RTOS ThreadX có thể hoạt động trên tất cả các lõi, đồng thời giới thiệu các API mới nhằm tối ưu hóa hoạt động SMP.
Bảo vệ bộ nhớ thông qua Mô-đun
Mô-đun ThreadX Azure RTOS là một sản phẩm bổ trợ cho phép đóng gói một hoặc nhiều luồng ứng dụng vào một "Mô-đun" có thể được tải động và thực thi tại chỗ trên thiết bị mục tiêu.
Các mô-đun giúp nâng cấp trường, sửa lỗi và phân vùng chương trình, cho phép các ứng dụng lớn chỉ sử dụng bộ nhớ cần thiết cho các luồng hoạt động.
Các mô-đun trong Azure RTOS ThreadX có không gian địa chỉ riêng biệt, cho phép thiết lập bảo vệ bộ nhớ thông qua Memory Protection Unit (MPU) hoặc Memory Management Unit (MMU) Điều này đảm bảo rằng việc truy cập ngẫu nhiên từ bên ngoài vào mô-đun sẽ không gây hại cho bất kỳ thành phần phần mềm nào khác.
tuân thủ MIRSA
MISRA C là bộ hướng dẫn lập trình dành cho hệ thống quan trọng sử dụng ngôn ngữ C, ban đầu tập trung vào ứng dụng ô tô nhưng hiện nay được áp dụng cho mọi ứng dụng an toàn Azure RTOS ThreadX tuân thủ đầy đủ các quy tắc bắt buộc của MISRA C: 2004 và MISRA C: 2012.
Hỗ trợ hầu hết các công cụ phổ biến
Azure RTOS ThreadX is compatible with a wide range of popular embedded development tools, including IAR's Embedded Workbench, which offers comprehensive awareness of the ThreadX kernel Additional integration support is provided for tools such as GNU (GCC), ARM DS-5/uVision®, Green Hills MULTI®, Wind River Workbench, Imagination Codescape, Renesas e2studio, Metaware SeeCode, NXP CodeWarrior, Lauterbach TRACE32®, TI Code Composer Studio, CrossCore, and other similar devices.
Các đặc điểm độc nhất của ThreadX
Kiến trúc picokernel™
Thay vì sử dụng kiến trúc microkernel truyền thống với các chức năng phân lớp, ThreadX tích hợp các service trực tiếp vào lõi, giúp tăng tốc độ chuyển đổi ngữ cảnh và tối ưu hóa hiệu suất gọi service Thiết kế này được gọi là kiến trúc picokernel.
Mã nguồn ANSI C
ThreadX chủ yếu được phát triển bằng ngôn ngữ ANSI C, với một phần nhỏ sử dụng assembly để tối ưu hóa nhân cho các bộ xử lý mục tiêu Thiết kế này cho phép ThreadX dễ dàng chuyển đổi sang các dòng bộ xử lý mới trong thời gian ngắn.
— thường là trong vòng vài tuần.
Công nghệ tiên tiến
Sau đây là những điểm nổi bật của công nghệ tiên tiến ThreadX.
Kiến trúc picokernel đơn giản
Tự động thay đổi quy mô (dung lượng nhỏ)
Hiệu suất thời gian thực nhanh chóng
Lập kế hoạch ưu tiên và liên kết
Hỗ trợ ưu tiên luồng linh hoạt
Tạo đối tượng hệ thống động
Không giới hạn số lượng đối tượng hệ thống
Xử lý ngắt được tối ưu hóa
Ngưỡng ưu tiên (Preemption-threshold™)
Chuỗi sự kiện (Event-chaining™)
Bộ hẹn giờ phần mềm nhanh
Quản lý bộ nhớ thời gian chạy
Giám sát hiệu suất thời gian chạy
Phân tích ngăn xếp thời gian chạy
Tích hợp theo dõi hệ thống
Hỗ trợ bộ xử lý rộng lớn
Hỗ trợ công cụ phát triển rộng lớn
Hoàn toàn endian trung tính
ƯU ĐIỂM & KHUYẾT ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG
Ưu điểm
Cải thiện khả năng phản hồi:
Hầu hết các ứng dụng nhúng sử dụng vòng điều khiển đơn giản để phân bổ thời gian xử lý, thường từ hàm C main, phương pháp này phù hợp cho các ứng dụng nhỏ hoặc đơn giản Tuy nhiên, trong các ứng dụng lớn hoặc phức tạp, cách tiếp cận này trở nên không thực tế, vì thời gian phản hồi cho các sự kiện phụ thuộc vào thời gian xử lý trong trường hợp xấu nhất của một lần đi qua vòng điều khiển.
Các đặc tính thời gian của ứng dụng sẽ thay đổi mỗi khi có sửa đổi được thực hiện đối với vòng điều khiển, dẫn đến tình trạng ứng dụng không ổn định Điều này gây khó khăn trong việc bảo trì và cải thiện ứng dụng.
ThreadX cung cấp thời gian phản hồi nhanh chóng và xác định cho các sự kiện quan trọng bên ngoài nhờ vào thuật toán lập lịch ưu tiên Thuật toán này cho phép luồng có mức độ ưu tiên cao hơn thực hiện chức năng của luồng có mức độ ưu tiên thấp hơn, đảm bảo thời gian phản hồi trong trường hợp xấu nhất đạt mức cần thiết để thực hiện chuyển đổi ngữ cảnh Kết quả là, ThreadX không chỉ mang tính xác định mà còn rất nhanh chóng.
ThreadX giúp các nhà phát triển ứng dụng tập trung vào các yêu cầu riêng biệt của từng luồng ứng dụng mà không cần lo lắng về ảnh hưởng đến thời gian thực thi của các phần khác trong ứng dụng Điều này không chỉ nâng cao hiệu suất mà còn làm cho việc sửa chữa và cải tiến ứng dụng sử dụng ThreadX trở nên đơn giản hơn rất nhiều.
Chi phí liên quan đến các nhân đa luồng phụ thuộc vào thời gian chuyển đổi ngữ cảnh Nếu thời gian chuyển đổi ngữ cảnh ngắn hơn quá trình thăm dò, ThreadX mang lại giải pháp tiềm năng với chi phí thấp hơn và hiệu suất cao hơn Điều này khiến ThreadX trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng có độ phức tạp và kích thước đa dạng.
ThreadX cung cấp một giao diện mạnh mẽ độc lập với bộ xử lý, giúp các nhà phát triển tập trung vào việc phát triển ứng dụng mà không phải mất nhiều thời gian tìm hiểu về phần cứng.
Trong các ứng dụng sử dụng vòng điều khiển, các nhà phát triển cần hiểu rõ hành vi và yêu cầu của toàn bộ thời gian chạy ứng dụng Điều này là cần thiết vì logic phân bổ bộ xử lý được phân tán trên toàn ứng dụng Khi ứng dụng trở nên lớn hơn hoặc phức tạp hơn, việc ghi nhớ các yêu cầu xử lý của toàn bộ hệ thống trở nên khó khăn cho các nhà phát triển.
ThreadX giúp các nhà phát triển yên tâm hơn về việc phân bổ bộ xử lý, cho phép họ tập trung vào các khía cạnh cụ thể của ứng dụng nhúng Hệ thống này yêu cầu các ứng dụng được chia thành các chủ đề rõ ràng, từ đó đơn giản hóa quá trình phát triển bằng cách phân chia ứng dụng thành các luồng.
ThreadX được phát triển đặc biệt cho các nhà lập trình ứng dụng, với kiến trúc và giao diện gọi dịch vụ rõ ràng và dễ hiểu Nhờ vào thiết kế này, các nhà phát triển có thể nhanh chóng tận dụng các tính năng nâng cao của ThreadX.
Cải thiện thời gian đưa ra thị trường.
ThreadX mang lại nhiều lợi ích giúp tăng tốc quá trình phát triển phần mềm Nó xử lý hầu hết các vấn đề liên quan đến bộ xử lý và các chứng nhận an toàn phổ biến, giúp giảm bớt gánh nặng cho đội ngũ phát triển Nhờ đó, thời gian đưa sản phẩm ra thị trường được rút ngắn đáng kể.
Bảo vệ đầu tư phần mềm:
Với thiết kế linh hoạt, ThreadX cho phép chuyển giao dễ dàng sang các môi trường bộ xử lý và công cụ phát triển mới Điều này, kết hợp với khả năng cách ly các ứng dụng khỏi các chi tiết của bộ xử lý, mang lại tính di động cao cho ứng dụng ThreadX Nhờ đó, lộ trình di chuyển ứng dụng được đảm bảo và bảo vệ đầu tư phát triển ban đầu.
Nhược điểm
ThreadX là hệ điều hành thương mại độc quyền, yêu cầu người dùng phải trả phí để sử dụng Mặc dù một số phần cứng có thể tích hợp một ít chức năng, nhưng điều này không đáng kể Vì vậy, phạm vi người dùng của ThreadX bị hạn chế, không phù hợp cho sinh viên học tập.
MÔ TẢ & PHÂN TÍCH ỨNG DỤNG HỆ THỐNG CÓ LỢI THẾ.12 3.1 Thiết kế module lưu trữ dữ liệu mã hóa sử dụng trong thi hành luật khai thác than đá
Giới thiệu module
Cổng lưu trữ dữ liệu thi hành pháp luật với các chức năng như chụp ảnh, ghi âm và đăng tải dữ liệu, đóng vai trò quan trọng trong an ninh công cộng và phòng cháy Nó giúp ghi lại quá trình thực thi, thu thập bằng chứng và chuẩn hóa các hoạt động thi hành pháp luật Đây là tài liệu tham khảo hữu ích cho các cơ quan giám sát an toàn mỏ than quốc gia trong việc sử dụng thiết bị này để đảm bảo an toàn và thực thi pháp luật hiệu quả.
Hệ thống Android cho phép tương tác giữa người và máy tính thông qua các chức năng như ghi âm, ghi hình và nhập văn bản, và được sử dụng phổ biến trong thiết bị thông minh di động, đặc biệt là trong lĩnh vực lưu trữ dữ liệu cho thực thi pháp luật Tuy nhiên, do tính năng nguồn mở và thiếu cơ chế kiểm tra nghiêm ngặt, Android gặp phải các lỗ hổng và mã độc, gây ra rủi ro lớn cho bảo mật dữ liệu Để bảo vệ dữ liệu ghi lại từ các hoạt động thực thi pháp luật khỏi việc giả mạo hoặc xóa, cần thiết phải thiết kế một mô-đun lưu trữ mã hóa, chỉ cho phép quyền đọc hoặc ghi mà không cho phép sửa đổi hoặc xóa dữ liệu sau khi đã được ghi.
Hệ thống Android cho phép ghi lại video, âm thanh, hình ảnh, văn bản và dữ liệu khác vào mô-đun lưu trữ được mã hóa thông qua giao diện đặc biệt Mô-đun này tích hợp và mã hóa dữ liệu với dấu thời gian, thông tin vị trí, nguồn điện, người dùng và các dữ liệu đặc trưng khác Việc sử dụng mô-đun lưu trữ được mã hóa giúp bảo vệ dữ liệu khỏi các lỗ hổng bảo mật và mã độc, đồng thời ngăn chặn hiệu quả việc giả mạo hoặc xóa dữ liệu Chế độ kết nối giữa mô-đun lưu trữ và bo mạch chủ Android được thể hiện trong Hình 1.1.
Hình 1.1 Kết nối giữa module mã hóa dữ liệu và bo mạch chủ Android
thiết kế phần cứng
Module lưu trữ mã hóa dữ liệu bao gồm các thành phần chính như mạch cấp nguồn, khối điều khiển chính, mạch lưu trữ và mạch giao tiếp với bo mạch chủ của hệ thống Android.
LTM8045 tích hợp nhiều thiết bị nguồn, cuộn cảm công suất, mạch điều khiển và linh kiện thụ động, với thiết kế ngoại vi đơn giản chỉ cần cấu hình tụ điện đầu vào và đầu ra cùng một số điện trở để điều chỉnh điện áp đầu ra và tần số chuyển mạch Đặc biệt, chức năng khởi động mềm của LTM8045 được kích hoạt để giảm dòng tăng khi bật nguồn.
Trong ứng dụng này, vi điều khiển i.MX RT1021 của NXP, với nhân ARM Cortex-M7 hoạt động ở tần số 500MHz, cung cấp đầy đủ chức năng Floating Point Unit (FPU) và kiến trúc VFPv5 Ngoài ra, i.MX RT1021 còn hỗ trợ nhiều giao diện bộ nhớ khác nhau như SDRAM, RAW NAND flash và NOR flash.
SD/eMMC, SPI bốn kênh và nhiều giao diện kết nối khác như UART, SPI, I2C, USB và CAN được tích hợp Ngoài ra, bộ điều khiển Ethernet 10/100M hỗ trợ IEEE1588 cũng được tích hợp, đáp ứng đầy đủ các yêu cầu của ứng dụng.
Chip i.MX RT1021 tích hợp bộ điều khiển máy chủ uSDHC, cho phép quản lý thẻ SD/SDIO/MMC Các tính năng nổi bật của uSDHC trên i.MX RT1021 bao gồm khả năng tương thích và hiệu suất cao trong việc xử lý dữ liệu.
Hỗ trợ đặc điểm kỹ thuật SD/SDIO, lên đến phiên bản 3.0;
Đặc tính hệ thống MMC được hỗ trợ, lên đến phiên bản 4.5.
Thẻ SDXC hỗ trợ chế độ SD và SDIO 1 bit/4 bit, cũng như chế độ MMC 1 bit/4 bit/8 bit Ở chế độ SDR, thẻ sử dụng 4 đường dữ liệu song song, cho phép tốc độ truyền dữ liệu lên đến 800Mbps Nhờ vào các đặc điểm này, thẻ SDXC có thể được sử dụng như một phương tiện lưu trữ hiệu quả, cho phép mã hóa và lưu trữ toàn bộ dữ liệu video, âm thanh, hình ảnh và văn bản được truyền từ máy chủ Android trong thời gian thực.
Sơ đồ kết nối của thẻ SDXC và chip điều khiển chính i.MX RT1021 được thể hiện trong
Hình 2.3 Sơ đồ kết nối giữa i.MX RT1021 và SDXC Card
3.1.2.4 Giao tiếp với hệ thống máy chủ Android
Máy chủ lưu trữ hệ thống Android ghi lại dữ liệu video, âm thanh, hình ảnh, văn bản và các tệp khác với dung lượng lớn và thời gian lưu trữ lâu dài Để đáp ứng yêu cầu này, giao tiếp Ethernet được sử dụng thay cho cổng nối tiếp thông thường hoặc chế độ giao tiếp SPI Trong ứng dụng này, mô-đun mã hóa lưu trữ hoạt động như máy chủ, trong khi máy chủ Android đóng vai trò là máy khách Chip Ethernet PHY LAN8720A được kết nối với MAC bên trong i.MX RT1021 thông qua giao diện RMII, với i.MX RT1021 cung cấp nguồn xung nhịp 50MHz cho LAN8720A.
Hình 2.4 Mạch giao tiếp với máy chủ Android
Thuật toán mã hóa dữ liệu dsa (Digital Signature Algorithm)
Tạo thông báo kỹ thuật số: sender sử dụng thuật toán tóm tắt thông tin để mã hóa dữ liệu được gửi, để tạo thông tin kỹ thuật số.
Hình thành chữ ký điện tử (digital signature): sender mã hóa lại thông báo bằng private key của mình để tạo thành chữ ký điện tử.
Truyền dữ liệu: sender truyền văn bản gốc và bản tóm tắt được mã hóa đến người nhận cùng một lúc.
Sau khi nhận dữ liệu, receiver sẽ giải mã thông báo bằng public key của người gửi Quá trình này cho phép tái tạo lại thông tin thông qua thuật toán sử dụng các dữ liệu đã nhận.
Receiver sẽ so sánh bản tóm tắt đã giải mã với bản tóm tắt được mã hóa lại sau khi nhận dữ liệu Nếu hai bản tóm tắt này nhất quán, điều đó cho thấy thông tin đã được truyền tải mà không bị hư hỏng hay giả mạo Ngược lại, nếu không nhất quán, tính bảo mật và bí mật của thông tin sẽ bị ảnh hưởng.
Hình 3.5 Sơ đồ khối nguyên lý của DSA
3.1.4.1 ThreadX SMP (Symmetric Multiprocessing) RTOS
Mô-đun lưu trữ này yêu cầu xử lý một lượng lớn dữ liệu qua cổng mạng và mã hóa lưu trữ theo thời gian thực, với tiêu chí cao về thời gian thực và bảo mật Hệ điều hành thời gian thực ThreadX được sử dụng để quản lý tác vụ trong mô-đun này, nổi bật với thiết kế cho các ứng dụng nhúng sâu, thời gian thực và IoT Với kiến trúc microkernel không phân cấp, ThreadX chỉ cần 2KB không gian Flash và 1KB không gian RAM Nó cung cấp các chức năng như lập kế hoạch, giao tiếp, đồng bộ hóa, hẹn giờ, quản lý bộ nhớ và quản lý ngắt nâng cao, cùng với các tính năng như kiến trúc kênh vi mô, lập lịch ngưỡng dự phòng, chuỗi sự kiện, phân tích hiệu suất thời gian chạy, chỉ báo hiệu suất và theo dõi sự kiện hệ thống.
Hệ điều hành thời gian thực ThreadX cung cấp phần mềm trung gian hoàn hảo, bao gồm hệ thống tệp Filex, ngăn xếp giao thức mạng NetX, và ngăn xếp giao thức USB USBX Tất cả phần mềm này đã đạt chứng nhận bảo mật cao trong các lĩnh vực như y tế, công nghiệp, ô tô và hàng không vũ trụ, đáp ứng đầy đủ yêu cầu ứng dụng Mô-đun lưu trữ được mã hóa giao tiếp với bo mạch chủ Android qua giao diện Ethernet, với ngăn xếp giao thức TCP/IP sử dụng NetX NetX hỗ trợ nhiều giao thức truyền thông như HTTP, MQTT, SNMP, FTP và TFTP Trong ứng dụng này, dữ liệu giữa mô-đun lưu trữ và bo mạch chủ Android được truyền qua giao thức FTP.
3.1.4.2 Thiết kế luồng khởi tạo hệ thống
Hình 4.6 Sơ đồ khối khởi tạo hệ thống và truyền nhận dữ liệu mã hóa
Sau khi tiếp nhận dữ liệu âm thanh, video và văn bản từ bo mạch chủ Android, mô-đun lưu trữ sẽ ngay lập tức thu thập thông tin về thời gian hệ thống và vị trí hiện tại Thông tin này sau đó được mã hóa bằng chữ ký số DSA và lưu trữ vào thẻ nhớ.
3.2 Ứng dụng ThreadX trong dự án Deep Impact 3.2.1 Giới thiệu
Vào ngày 12/1/2005, NASA đã hợp tác với các kỹ sư tại phòng thí nghiệm Jet Propulsion Laboratory (JPL) và trường đại học Maryland để phóng tàu thăm dò vũ trụ, nhằm đâm vào sao chổi Tempel 1, cách Trái Đất 80 triệu dặm Mục tiêu của các nhà khoa học là thu thập hình ảnh và mẫu dữ liệu từ sao chổi này để phục vụ cho nghiên cứu.
Hình 1 Tàu vũ trụ Deep Impact
Tàu vũ trụ được chế tạo và lắp ráp tại Ball Aerospace & Technologies, một nhà sản xuất hàng đầu của Mỹ chuyên cung cấp tàu vũ trụ, linh kiện và thiết bị cho các lĩnh vực quốc phòng, không gian dân dụng và thương mại vũ trụ.
Ball Aerospace & Technologies đang đối mặt với thách thức thiết kế một tàu vũ trụ hai phương tiện, có khả năng mang thiết bị cần thiết vào không gian Tàu vũ trụ này sẽ tách thành hai phần: một tàu sống sót và một tàu va chạm với sao chổi Tempel, nhằm khai thác mẫu vật và gửi ảnh cùng dữ liệu về Trái Đất.
Phần cứng
Hệ thống bao gồm sự kết hợp:
Các hệ thống thực hiện các nhiệm vụ chụp ảnh và thu thập mẫu vật.
Bộ vi xử lí 32-bit
Bộ điều khiển camera sử dụng vi xử lý SPARC TSC695F 32-bit của Atmel, thường được áp dụng trong các dự án không gian Ball Aerospace & Technologies đã lựa chọn hệ điều hành thời gian thực ThreadX của Express Logic để vận hành vi xử lý SPARC, nhờ vào yêu cầu về bộ nhớ nhỏ và sự tương thích với kiến trúc SPARC.
Phần mềm bay ứng dụng FSW của Deep Impact, mang tên AutoNav, thực hiện việc ghi lại hình ảnh mục tiêu từ các camera và chuyển chúng để giải thích, từ đó thực hiện các hành động cần thiết AutoNav cung cấp khả năng kiểm soát thời gian thực cho tất cả các thiết bị trên tàu vũ trụ, điều khiển động cơ đẩy, bánh xe phản ứng và hệ thống radio Phần mềm này nhận và xử lý dữ liệu hình ảnh từ hệ thống thu thập dữ liệu cảm biến (SDA) được quản lý bởi ThreadX RTOS, điều khiển hoạt động của bộ điều khiển máy ảnh CCD cho các thiết bị hình ảnh HRI, MRI và ITS trên cả hai thiết bị Flyby và Impactor của Deep Impact.
Hình …: Các camera trên Deep Impact ghi lại hình ảnh mục tiêu và chuyển chúng đến AutoNav để giải thích và hành động cần thiết
Hình …: Hệ thống con SDA bao gồm 19 luồng ứng dụng thực thi theo kiểu ưu tiên, ưu tiên, dưới sự kiểm soát của ThreadX trên bộ xử lý Atmel
Hệ thống con SDA được thiết kế với 19 luồng ứng dụng thực thi theo kiểu ưu tiên, được quản lý bởi ThreadX trên bộ xử lý Atmel.
ThreadX quản lý phần mềm ứng dụng trên ba bộ điều khiển công cụ, bao gồm xử lý ngắt, lập lịch luồng và truyền thông báo AutoNav hoàn toàn dựa vào dữ liệu hình ảnh từ cảm biến Deep Impact, được điều khiển bởi SDA qua ThreadX, để xác định vị trí và quỹ đạo của tàu vũ trụ Nhờ vào dữ liệu này, AutoNav cho phép điều hướng tự động hoàn toàn Phần mềm phân tích hình ảnh của AutoNav lấy hình ảnh từ máy ảnh, diễn giải dữ liệu, thực hiện các tính năng phát hiện cạnh và tìm ra vị trí trung tâm khối lượng cùng trung tâm độ sáng của sao chổi, từ đó điều chỉnh quỹ đạo cho phù hợp AutoNav đã biến tàu vũ trụ Deep Impact thành một "robot" hoàn toàn tự chủ.
Tổng kết vai trò của ThreadX trong Deep Impact
AutoNav là “bộ não” của Deep Impact, trong khi các máy ảnh HRI, MRI và ITS đóng vai trò là “con mắt” của hệ thống ThreadX chịu trách nhiệm kiểm soát các máy ảnh này và quản lý phần mềm ứng dụng chạy trên ba bộ điều khiển, bao gồm xử lý ngắt, lịch trình luồng và truyền thông báo Các công cụ được ThreadX quản lý sẽ truyền dữ liệu thô trở lại AutoNav, đảm bảo sự hoạt động hiệu quả của hệ thống.
Hệ thống giao thông thông minh và tương tác giữa phương tiện với cơ sở hạ tầng (v2I - Vehicle to InfrASTRUCTURE)
nó cho phù hợp AutoNav đã cho phép tàu vũ trụ Deep Impact trở thành một “robot” hoàn toàn tự chủ.
3.2.3 Tổng kết vai trò của ThreadX trong Deep Impact
AutoNav đóng vai trò là "bộ não" của Deep Impact, trong khi các máy ảnh HRI, MRI và ITS là "đôi mắt" của nó ThreadX chịu trách nhiệm kiểm soát các máy ảnh này và quản lý phần mềm ứng dụng chạy trên ba bộ điều khiển, bao gồm xử lý ngắt, lập lịch tác vụ và truyền thông báo Các công cụ do ThreadX quản lý sau đó truyền dữ liệu thô trở lại AutoNav.
Dự án Deep Impact đã hoàn thành xuất sắc, mang lại thành công lớn đến mức Ball Aerospace & Technologies quyết định sử dụng ThreadX của Express Logic cho dự án mới nhất của họ với NASA và JPL, đó là tàu quỹ đạo trinh sát sao Hỏa (MRO) được phóng vào tháng 8 năm 2005.
3.3 Giao tiếp V2X (Vehicle-to-Everything) 3.3.1 ThreadX RTOS và giao tiếp V2X
ThreadX RTOS is utilized in On-Board Units, On-Board Equipment, and chipsets, serving as a crucial operating system for Dedicated Short Range Communication (DSRC) devices commonly found in vehicles These systems enable intelligent communication between vehicles and their surroundings, facilitating Vehicle-to-Vehicle (V2V), Vehicle-to-Network (V2N), Vehicle-to-Pedestrian (V2P), and Vehicle-to-Infrastructure (V2I) interactions ThreadX RTOS adheres to MISRA coding standards and has received certification from SGS-TUV SAAR for its use in safety-critical systems, compliant with IEC-61508 and IEC-62304 standards.
Hình 1 V2X On-Board-Unit Model: OBU-201U, OS: ThreadX RTOS
Hình 2 Hệ thống con DSRC VTX-201 trong OBU.
Cấu trúc cơ bản của OBU:
Hình 3 Cấu trúc cơ bản của OBU. Ứng dụng trong Chipset SECTON Autotalks V2X:
ThreadX RTOS được sử dụng làm hệ điều hành trong phần mềm Autotalks V2X, hiệu suất thời gian thực của ThreadX được Autotalks đánh giá là rất tốt.
Hình 1 Chip SECTON Autotalks V2X, OS: ThreadX RTOS
Chipset SECTON là một phần cứng bổ sung cho hệ thống V2X toàn cầu, được thiết kế cho các phương tiện tự hành và cho phép tích hợp dễ dàng với bất kỳ CPU nào Chipset này đạt tiêu chuẩn ô tô, tối ưu hóa phạm vi di động và tích hợp truyền thông trực tiếp IEEE802.11p DSRC cùng C-V2X (PC5) Rel.14/Rel.15 Nó còn có mô-đun bảo mật phần cứng V2X với độ trễ cực thấp và các công cụ xác minh phần cứng nhanh nhạy nhờ vào tính năng Crypto-Agility Ngoài ra, SECTON hỗ trợ các chuẩn kết nối Wi-Fi như IEEE 802.11a/b/g/n/ac, phục vụ cho các dịch vụ tiện ích bổ sung.
Hệ thống giao tiếp V2X (Vehicle-to-Everything) sử dụng công nghệ không dây để kết nối phương tiện với môi trường xung quanh, nhằm nâng cao an toàn, thoải mái và tiện lợi cho người lái V2X cho phép xe nhận tín hiệu từ các phương tiện khác, tín hiệu giao thông, mạng báo cáo thời tiết, cũng như từ người đi bộ và xe đạp, giúp xe hiểu và tương tác hiệu quả với thế giới xung quanh Hệ thống này áp dụng các thuật toán phân tích dữ liệu để dự đoán tình huống rủi ro cao, từ đó cảnh báo người dùng qua các hành động cụ thể.
Hình 2 Hệ thống giao tiếp không giây V2X
Công nghệ Vehicle-to-Vehicle (V2V) cho phép các phương tiện xác định tốc độ, vị trí và hướng của các xe khác trong khoảng cách 300 mét, từ đó nâng cao nhận thức tình huống và giúp tránh tai nạn Điều này đặc biệt hữu ích tại các điểm mù, giao lộ, trong tình huống giao thông đông đúc, cũng như khi người lái có thể không nhận thấy nguy hiểm do vật cản, điều kiện thời tiết hoặc địa hình.
Công nghệ Vehicle-to-Infrastructure (V2I) kết nối phương tiện với cơ sở hạ tầng, bao gồm tín hiệu giao thông, giao điểm với đường sắt, và cảnh báo về các điều kiện đường như công trình xây dựng và tắc nghẽn giao thông V2I giúp xác định chỗ đậu xe, tìm kiếm tuyến đường an toàn, thông thoáng và phân luồng giao thông hiệu quả.
Hệ thống Vehicle-to-Network (V2N) kết nối các phương tiện với mạng dựa trên đám mây, mang đến dịch vụ cập nhật giao thông và thời tiết theo thời gian thực V2N giúp cải thiện an toàn và hiệu suất di chuyển bằng cách cung cấp thông tin cần thiết cho người lái, từ đó nâng cao trải nghiệm lái xe.
Hệ thống V2N có thể sử dụng thông tin về tuyến đường của người lái xe để điều chỉnh nhanh chóng.
V2P (Vehicle-to-Pedestrian) cho phép giao tiếp trực tiếp giữa xe và người đi bộ trong khoảng cách gần Người đi bộ sử dụng ứng dụng trên điện thoại thông minh để tương tác với các phương tiện Hệ thống cảnh báo hoạt động hai chiều: ứng dụng của người đi bộ có thể phát tín hiệu âm thanh đến tài xế, trong khi hệ thống trên xe cũng có thể gửi cảnh báo tương tự đến điện thoại của người đi bộ nếu phát hiện tình huống nguy hiểm.
Hình 3 Hệ thống giao tiếp thời gian thực V2X
Nhìn chung, các hệ thống tích hợp truyền thông V2X có các thành phần cấu trúc chính giống nhau, trong đó tối thiểu gồm các phần sau:
- Vehilce On-Board Unit/Equipment (OBU hoặc OBE).
- Roadside Unit or Equipment (RSU or RSE).
Thiết bị OBU, được lắp đặt trong phương tiện, bao gồm bộ thu phát vô tuyến (DSRC), hệ thống GPS, bộ xử lý ứng dụng và giao diện người dùng (HMI) OBU đóng vai trò quan trọng trong việc truyền thông tin giữa các OBU và RSU tại các vị trí hạ tầng giao thông Chúng có khả năng gửi thông báo trạng thái để hỗ trợ các ứng dụng an toàn giữa các phương tiện và thu thập dữ liệu phục vụ cho các ứng dụng công cộng như dự đoán tuyến đường Hơn nữa, OBU còn cung cấp khả năng lưu trữ dữ liệu ảnh chụp nhanh một cách tối ưu, tùy thuộc vào dung lượng bộ nhớ và truyền thông của thiết bị.
Hình 4 Minh họa cấu trúc của hệ thống V2X 1
3.3.3 Ứng dụng hệ thống giao tiếp V2X
1 ITS Joint Program Office, USDOT
Hình 5 Giao tiếp kết hợp V2X, giữa phương tiện xung quanh với cơ sở hạ tầng thông qua thiết bị thu phát OBU
Kiến trúc giao tiếp V2X được thể hiện qua hình ảnh tổng quan, trong đó tất cả các phương tiện đều tích hợp công nghệ V2X thông qua thiết bị OBU Công nghệ này cho phép các phương tiện giao tiếp không dây, tạo ra một hệ thống giao thông thông minh với khả năng tương tác và chia sẻ dữ liệu Điều này góp phần giảm thiểu rủi ro mất an toàn và nâng cao hiệu quả tham gia giao thông, mang lại sự tiện lợi và thoải mái cho người tham gia.
Các ứng dụng an toàn được thiết kế để giảm thiểu tai nạn giao thông bằng cách dự đoán và thông báo cho người lái xe Chúng sử dụng thông tin thu được từ việc liên lạc giữa các phương tiện và các cảm biến lắp đặt trên đường.
Hình 6 Minh họa về các ứng dụng an toàn với sự tích hợp của DSRC và cảm biến bên đường
Các ứng dụng về đảm bảo an toàn mà hệ thống giao tiếp tích hợp OBU mang lại:
- Cảnh báo cho các tình huống nguy hiểm (chẳng hạn như tắc nghẽn, tai nạn, chướng ngại vật, v.v.)
- Hỗ trợ giao lộ an toàn.
- 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 quả Ứng dụng hỗ trợ việc điều khiển phương tiện thuận tiện trên các con đường và giao lộ Các chức năng này có thể hoạt động cục bộ tại một giao lộ hoặc một đoạn đường nhất định, hoặc trong trường hợp tối ưu trên một mạng lưới giao thông lớn, chẳng hạn như khu trung tâm sầm uất.
- Thông tin các tuyến tắt đường.
- Dự báo các tuyến có nguy cơ tắt nghẽn giao thông.
- Điều khiển tín hiệu đèn giao thông một cách linh hoạt.
- Điều hướng, kiểm soát giao thông.
Hình 7 Điều hướng, kiểm soát giao thông động bằng DSRC.