Hệ thống nhúng và ứng dụng

Phần phụ lục chứng minh tính đúng đắn của thiết k ế hệ thống điều hiển thang máy, chứng minh m ột định lý được sử dụng trong quá trình thiết :ế ứng dụng nhúng, và cài đặt một thuật toán

MỤC LỤC

Lri cả m ưn

L)i cam đ o an

IVục l ụ c 1

D in h m ụ c các ký hiệu, các c h ữ viết tắ t .3

D ỉnh m ụ c các h ìn h vẽ 4

Mở đ ầ u 5

C ìư ư n g 1 T ổ n g q u a n về hệ th ố n g n h ú n g 7

1.1 Giới thiệu về hệ thống n h ú n g 7

1.2 Phần mềm n h ú n g 11

1.3 Một số tính chất của phần mềm nhúng 12

1.3.1 Tính đúng đắn về thời gian 12

1.3.2 Tính tương t r a n h 12

1.3.3 Tính sống 13

1.3.4 Giao d i ệ n 13

1.3.5 Tính hỗn tạp 13

1.3.6 Tính phản ứng 14

1.4 Tinh hình và triển vọng của phát triển hệ thống n h ú ng 14

C iư ưn g 2 T ín h to án k h o ản g lặp và ứng d ụ n g 19

2 1 Mô hình lai g h é p 20

2.2 Tính toán khoảng lặp 20

2.2.1 Các khái niệm của Tính toán khoảng 20

2.2.2 Phép chứng minh 24

2.2.2.1 Các tiên đề và các luật của Logic khoảng .24

22.2.2 Các tiên đề và các luật của DC 25

2.2.2.3 Các tiên đề của DC* 25

2.2.3 Các công thức simple DC* 26

2.3 Các bước thiết kế sử dụng Tính toán khoảng lặp 27

2.4 Tiếp xúc liên tục - rời rạc trong mô hình lai ghép 28

2.5 Các luật kiểm chứng và làm t i n h 34

2.6 Phân tích và thiết k ế hệ thống điều khiển thang m á y 37

I

2.6.1 Mô tả vấn đ ề 37

2.6.2 Hình thức hoá yêu cầu của hệ th ố n g 39

2.6.3 Thiết kế liên tụ c 41

2.6.4 Thiết kế rời rạc 43

2.7 Kết luận chương 2 45

C hương 3 Đồ thị p h ầ n m ề m 46

3.1 s - graph 46

3.2 Sử dụng s - graph trong điều khiển và tính toán dữ liệu 50

3.3 Khởi tạo s - graph 52

3.4 Kết luận chương 3 54

Kết lu ận 55

Tài liệu th a m k h ả o 57

Phụ lụ c 60

Phụ lục A 60

Phụ lục B 60

Phụ lục c 63

Phu luc D 71

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DC* D u ra tio n C alcu lu s w ith Iteration

đ.v.t.g Đơn vị thời gian

3 Lượng từ tồn tại

h Ví dụ: A b B, có nghĩa là B suy diễn được từ A

1= Ví dụ: A 1= B, có nghĩa B là đồng nhất đúng với giả thiết là A

[A/B]ạ> Một công thức đạt được từ công thức (Ọ bằng cách thay công

thức B xuất hiện trong (Ọ bởi công thức A

DANH MỤC CAC HINH VÊ

Hìrh 2.1: Mô hình của một hệ thống điều khiển 28

Hìrh 2.2: Trạng thái s rời rạc đối với p và liên tục đối với p’ Trạng thái r liên tục đối với cả p và P' 29

Hìrh 2.3: Trạng thái 5 là ổ - stable 30

Hình 2.4: Trạng thái r ỏ - control trạng thái s 31

Hình 2.5: Trạng thái r ổ - observe trạng thái í 32

Hình 2.6: Trạng thái r là mẫu của trạng thái í 32

Hình 2.7: Trạng thái 5 thay đổi quá nhanh nên không quan sát được trong thời gian rời rạc 33

Hình 3.1: Một s - graph đơn giản 48

MỞ ĐẦU

Hệ thống nhúng (HTN), hay thực chất là “hệ thống có nhúng phần mềm” (software em bedded system), bao gồm những thành phần điện tử của các hệ thống vật lý nằm trong các phương tiện giao thông, nhà máy hoá chất,

hệ thống truyền thông, Các hệ thống này có nhiệm vụ giám sát các nhân tố trong môi trường vật lý (nhiệt độ, áp suất, các hợp chất hoá học, ), quản lý hoạt động điều khiển và tối ưu hoá hiệu suất hệ thống,

Trong công nghệ thông tin, khoa học về HTN là m ột lĩnh vực nghiên

;ứu khá mới và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, từ những ứng dụng đòi lỏi độ an toàn cao như các thiết bị tự động trong ngành hàng không, ngành ỉường sắt, ngành y tế, cho đến các thiết bị thông minh trong truyền thông,

‘thế giới di đ ộng” (mobile world), “thế giới điện tử” (e-world), Ngày nay, có lơn 98% các bộ xử lý đang được sử dụng dưới dạng HTN, và chúng “ẩn” với Ìgười dùng Các HTN đang được nghiên cứu và phát triển gắn với những hành tựu dựa trên các bộ xử lý (processor), cảm biến (sensor), thực hiện actuator), các thiết bị và cơ sở hạ tầng truyền thông, Những nghiên cứu này

tã góp phần đáng kể trong việc thúc đẩy xã hội phát triển nói chung cũng như Ìgàiìh Công nghệ Thông tin nói riêng

Tuy nhiên, các nghiên cứu liên quan tới HTN đang phải đối mặt với hữr.g thách thức như: sự tương tác theo ngôn ngữ tự nhiên; khả năng thích ghi động của các ứng dụng với môi trường và người dùng; truyền thông tự ộng, không dây; ứng dụng thời gian thực với ràng buộc chặt chẽ về thời gian;

Việc nghiên cứu HTN ở nước ta cũng đã được quan tâm, nhưng kết quả thu được còn hạn chế.

Luận văn “H ệ thống nhúng và ứng dụng■” định hướng vào việc xây dựng cơ sở phương pháp luận của việc nghiên cứu và triển khai các HTN

Nội dung chính của luận văn bao gồm 3 chương và phần phụ lục

Chương 1 Trình bày tổng quan về HTN: các khái niệm, phần m ềm ihúng, tình hình và triển vọng phát triển THN ở trong và ngoài nước,

Chương 2 Trình bày về tính toán khoảng lặp và thử nghiệm của tác giả rong ứng dụng Tính toán khoảng lặp vào việc thiết k ế m ột ứng dụng nhúng cụ

hể là hệ thống điều khiển thang máy

Chương 3 Trình bày kỹ thuật thể hiện hàm /ánh xạ từ input ra output lựa trên m ột cấu trúc dữ liệu đặc biệt là đồ thị phần m ềm (s-graph) dùng trong ổng hợp phần m ềm các ứng dụng điều khiển nhúng Đ óng góp của tác giả về

;hởi tạo s-graph cũng được trình bày trong chương này với kết quả nêu trong )hụ lục

Phần phụ lục chứng minh tính đúng đắn của thiết k ế hệ thống điều hiển thang máy, chứng minh m ột định lý được sử dụng trong quá trình thiết :ế ứng dụng nhúng, và cài đặt một thuật toán liên quan đến đồ thị phần mềm.Công trình nghiên cứu liên quan đến luận văn được trình bày trong các 'áo cáo [4] và [23],

Hiện nay, có nhiều hệ thống đòi hỏi phải tương tác trực tiếp với các sự kiện từ thế giới thực, thông qua các thiết bị như: processor (bộ xử lý), sensor (bộ cảm biến), actuator (cơ cấu chấp hành), detector (thiết bị phát hiện), switch (bộ chuyển mạch), interrupt (ngắt), Trong những hệ thống đó, người

ta sử dụng các thiết bị có cài đặt phần mềm cùng với cách ứng xử phù hợp để

có thể dễ dàng thay đổi theo điều kiện môi trường Các thiết bị đó là một hay một số máy tính, hoặc thiết bị giống máy tính có vai trò thực hiện những công việc đặc thù Chúng được nhúng trong các hộ thống khác Những hệ thống này không nhất thiết là máy tính và thường được gọi là HTN, hay còn gọi là “hệ thống lai”, mà thực chất là “hệ thống có nhúng phần mềm’'’ ([29], [31])

Do có mối tương tác với nhau như vậy nên việc phát triển HTN thường gắn với thành tựu nghiên cứu về processor, sensor, actuator, detector, switch, các thiết bị và cơ sở hạ tầng truyền thông,

C H Ư Ơ N G 1

Một số thiết bị được nhúng đôi khi đơn giản hơn nhiều so với máy tính Thiết bị đơn giản nhất chỉ bao gồm một bộ vi xử lý hay còn gọi là “chip”, và được ghép cùng với các bộ vi xử lý khác trong hệ thống hỗn tạp Dữ liệu vào của hệ thống được lấy thông qua detector hay sensor và dữ liệu ra được gửi tới switch hay actuator nhằm thực hiện thao tác nào đó, chẳng hạn như: bắt đầu hay kết thúc một quá trình, điều chỉnh van trong thiết bị điều khiển luồng chảy chất lỏng, Tùy theo độ phức tạp của HTN m à nó có thể được dùng cho chỉ một hay một tập hợp các mục đích nào đó Trong nhiều trường hợp, một

bộ vi xử lý được thiết k ế ra nhằm tích hợp phần m ềm ứng dụng dùng cho mục đích đặc thù và được coi như phần sụn (firmware) của hệ thống

Một số HTN được yêu cầu phải có phản ứng chính xác về mặt thời gian

và yếu tố này đóng vai trò quyết định đến thành công của chúng Các hệ thống này được gọi là HTN thời gian thực (em bedded real-time system), hay hệ thống thời gian thực ( [1 2], [26])

Ngày nay, có hơn 98% các bộ xử lý đang được sử dụng dưới dạng HTN,

và chúng “ẩn” với người dùng Tuy nhiên, trong các hộ thống lớn, “tính nhúng” lại thể hiện khá rõ

Các HTN được dùng trong nhiều lĩnh vực với các mục đích khác nhau:

từ những ứng dụng đòi hỏi độ an toàn cao như các thiết bị tự động trong ngành hàng không, ngành đường sắt, ngành y tế, cho đến các thiết bị thông minh trong truyền thông, “th ế giới di động” (mobile world), “ th ế giới điện tử” (e- worlcl), máy thông minh, Những hệ thống này có tác động đến nhiều mặt cùa đời sống xã hội như: sự an toàn, tính riêng tư, và cả phong cách sống, phong cách làm việc của mọi người

HTN có các đặc trưng chính như:

• Được thiết kế cho ứng dụng đặc thù

• Liên quan nhiều đến xử lý tín hiệu số

• Tương tác theo thời gian thực (có thể ở dạng đóng hay mở).

• Phân tán và hỗn tạp: có thể gồm m ột hay nhiều bộ xử lý, có thể điềukhiển nhiều thiết bị phân tán về m ặt vật lý với nhiều liên kết truyềnthông đồng thời

• Sử dụng mô hình toán học của hệ thống vật lý trong xử lý thông tin

• Quản lý hoạt động điểu khiển và tối ưu hoá hiệu suất hệ thống ([12], [ 3 2 ] )

Tuy nhiên có ba yêu cầu chính cho HTN:

• Yêu cầu về hoạt động: thu nhận dữ liệu (ví dụ như qua sensor), điều khiển (qua actuator), tương tác người máy

• Yêu cầu về thời gian: hạn thời gian, độ trễ tối thiểu,

• Yêu cầu về độ tin cậy: hệ thống không đổ vỡ, an toàn, bảo mật ([19]).Thành công của H TN đã góp phần đáng kể trong việc thúc đẩy xã hội phát triển nói chung và ngành Công nghệ Thông tin nói riêng Tuy nhiên, các nghiên cứu trong lĩnh vực này đang phải đối m ặt với những đòi hỏi mới như:

• Khả năng nhận biết về ngữ cảnh trong môi trường hỗn tạp: đó là sự nhận biết, định vị, tương tác với con người và các đối tượng theo cách thức không phụ thuộc không gian

• Tính thông minh: tích hợp môi trường số hoá vào trong đối tượng và con người di động, khả năng học và tương tác độc lập để hướng tới tạo

ra những dịch vụ mới hấp dẫn

• Tương tác tự nhiên: phối hợp các yếu tố ngôn ngữ, dáng điệu, cử chỉ, của con người

• Cá nhân hoá: thích nghi động, định hướng người dùng trong điều kiện thay đổi.

• Độ tin cậy: khả năng đáp ứng theo thời gian về các mặt như an toàn, bảo mật, tính sẩn sàng, khả năng bảo trì, tính m ạnh mẽ,

• Thực hiện trong điều kiện nguồn tài nguyên hạn chế: tốc độ xử lý, bộ nhớ, giao diện, khả năng quản lý, hạn ch ế (hay có chất lượng thấp)

• Truyền thông không dây, di động

• Những ứng dụng thời gian thực chặt chẽ: tự động hoá, thiết bị y tế, xe lửa, hàng không,

Những thách thức này chủ yếu do độ phức tạp của các HTN Điều này cũng chính là những động lực để các nhà khoa học nghiên cứu và phát triển HTN

Một số ứng dụng cơ bản của HTN có thể tìm thấy trong: Điều khiển quá trình gia công và ch ế tạo (nhà máy sản xuất, nhà m áy điện, hệ thống dẫn điện, ); Công nghiệp xây dựng (thiết bị khảo sát và định vị, nhà máy xây dựng, ); Giao thông (hệ thống đèn giao thông, ô tô, tàu hoả, ); Thiết bị nhà

ở (hệ thống giám sát điện sinh hoạt, hệ thống chống sét, ); Dịch vụ gia đình (hệ thống cung cấp thực phẩm, làm vệ sinh, ); Truyền thông (hệ thống điện thoại, thiết bị định vị toàn cầu, ); Tài chính, ngân hàng và thương mại (hệ thống hướng dẫn tự động bằng tiếng nói, hệ thống tín dụng thẻ, thiết bị bán hàng, ); Hỗ trợ trong giám sát và chẩn đoán (máy khử rung tim, máy giám sát cuộc đua, hệ thống giám sát người bệnh, máy đo năng lượng, ); Thiết bị văn phòng

Một thành phần rất quan trọng góp phần tạo ra sự thành công của HTN

c h í n h là phần mềm được sử dụng trong các ứng dụng hay còn gọi là phần mềm nhúng Phần trình bày dưới đây sẽ giải thích tại sao phần mềm nhúng

không đơn thuần chỉ là một phần mềm trong các máy tính thông thường ( [1 1]).

1 2 P h ầ n m ề m n h ú n g

Khác với bản chất các thao tác tính toán trong khoa học máy tính là thực hiện ánh xạ từ tập dữ liệu vào tới tập dữ liệu ra, phần mềm nhúng thực hiện vai trò cơ bản là tương tác với thế giới thực Phần mềm nhúng hoạt động trên các thiết bị không nhất thiết là máy tính, chẳng hạn: ô tô, máy bay, thang máy, hệ thống kiểm soát khí hậu, điện thoại, robot, đồ chơi, ti vi, máy in, máy quét, hệ thống bảo vệ, vũ khí,

Một phần mềm có vai trò tương tác với thế giới thực thì tất yếu phải có một số tính chất quan trọng của thế giới thực như: hoạt động theo thời gian thực, việc dừng hoạt động của nó phải được kiểm soát (trừ khi bị lỗi), Do đó, trong khoa học máy tính, người ta đã từng cho rằng phần mềm nhúng là “sự hỗn độn” Vì vậy, việc thiết kế phần mềm nhúng đã không thực sự tận dụng được những ưu thế phát triển của ngành khoa học máy tính ở thế kỷ 20 Các

kỹ sư thường viết mã máy trực tiếp cho các bộ xử lý tín hiệu số, mà không dùng ngay các hệ thống đa hình thái (polymorphic - type system), mô hình hướng đối tượng có sẵn,

Các kỹ sư viết phần mềm nhúng thường không phải là những nhà khoa học máy tính Họ là những chuyên gia trong các lĩnh vực ứng dụng khác nhau

và có hiểu biết sâu sắc về kiến trúc vật lý của hệ thống cần làm Do vậy, khó khăn của nhà khoa học máy tính là làm thế nào để đưa ra các mức trừu tượng hoá tốt hơn và thân thiện hơn với các chuyên gia này

Hiện nay, vì đa số phần mềm của các nhà khoa học máy tính đưa ra đều kém phù hợp với yêu cầu của HTN, nên các chuyên gia lĩnh vực cũng không hoàn toàn tin tưởng và ít cần tới sự giúp đỡ của nhà khoa học máy tính Nhưng chính các chuyên gia lĩnh vực lại phải đối mặt với khó khăn là độ phức tạp

trong các ứng dụng (kéo theo kích cỡ chương trình) của họ tăng lên rất nhanh Thiết bị của họ thường được kết nối qua mạng, với những bộ xử lý tín hiệu số

có khả năng lập trình, các ứng dụng với mã nguồn di trú Vì vậy, các chuẩn phần mềm nhúng đưa ra cần gắn với tính chất vật lý của ứng dụng nhúng và phương thức được sử dụng cho phần mềm nói chung phải có tính tương thích cao với phần mềm nhúng

1 3 M ộ t số t ín h c h ấ t c ủ a p h ầ n m ề m n h ú n g

Phần trình bày dưới đây sẽ cho thấy phần mềm nhúng không đơn thuần chỉ là phần mềm trên các máy tính thông thường Các yếu tố như tính đúng đắn về mặt thời gian, tương tranh, tính sống, phản ứng, sự hỗn tạp, phải được quan tâm để đảm bảo cho tính đúng đắn của chương trình

1.3.1 T ín h đ ú n g đ á n về thời gian

Các tính toán thuần tuý thường không gắn với yếu tố thời gian Quan niệm này tồn tại khá lâu và gần đây người ta thấy rằng cần phải có nhận thức lại khi rất nhiều vấn để trong thế giới thực được mô phỏng và thực hiện trên máy tính liên quan đến thời gian Nhiều kỹ thuật đã được đưa ra làm tăng hiệu suất của các bộ vi xử lý hiện đại đổng thời cũng góp phần đảm bảo độ tin cậy của HTN Tuy nhiên, để nhà thiết kế HTN sử dụng những bộ vi xử lý nhúng (bộ vi xử lý có cơ chế tăng hiệu suất của chúng) thì nhà thiết kế và xây dựng phần mềm cần phải đưa ra cơ chế kiểm soát thời gian trong các chương trình của mình

1.3.2 T ín h tư ơng tr a n h

Phần m ềm nhúng thường không tương tác với một thành phần vật lý duy nhất mà phản ứng liên tục với những kích thích từ môi trường mạng, từ sensor, và đồng thời điều khiển actuator Đó chính là tính tương tranh của phần mềm nhúng

Phần m ềm nhúng luôn gắn với thế giới vật lý, gắn với nhiều sự kiện xảy

ra đổng thời Dung hoà tính tuần tự của phần m ềm và tính tương tranh của thế giới thực là một thách thức của HTN

Lựa chọn hợp lý cho phần mềm nhúng là sử dụng ngôn ngữ đồng bộ hoá và có tính phản ứng, ví dụ Esterel, kết hợp với hệ điều hành thời gian thực

để xây dựng các ứng dụng thời gian thực đòi hỏi tính an toàn cao

1.3.3 T ín h sống

Tính sống trong HTN là một yếu tố rất quan trọng Các chương trình không được dừng (trừ khi bị lỗi) và hạn chế đón nhận những sự kiện không bao giò xảy ra Sự chấm dứt các chương trình ngoài dự kiến sẽ làm đổ vỡ hệ thông, vì vậy chúng nhất thiết cần được loại bỏ

Sự thành công của phần mềm nhúng không đơn giản chỉ là đạt được kết quả cuối cùng, mà nó còn phải làm thoả tất cả yêu cầu trong các giai đoạn trung gian

Để cho phần mềm nhúng có thể phát huy tối đa hiệu quả thì điều cần thiết là phải xây dựng giao diện hướng đối tượng với các tính chất động trong định nghĩa giao diện của nó

1.3.5 T ín h hỗ n tạ p

Tính hỗn tạp là một phần bản chất của HTN H TN là sự kết hợp giữa thiết kế phần cứng và phần mềm, trong đó có nhiều kiểu tính toán cùng với

nhiều công nghệ khác nhau Phần mềm nhúng được thiết kế để tương tác động liên tục với phần cứng trong HTN.

Trong HTN cũng có nhiều phương pháp điều khiển sự kiện hỗn tạp khác nhau Chúng tương tác với nhiều loại sự kiện, bao gồm sự kiện xuất hiện không theo quy luật như: lời cảnh báo, câu lệnh của người dùng, kích hoạt sensor, và các sự kiện xuất hiện có quy luật như: tín hiệu điều khiển actuator, dữ liệu được lấy từ sensor,

Các hệ thống phản ứng bị ràng buộc về mặt thời gian, tính bảo mật, tính

an toàn và không được dừng (trừ khi bị lỗi)

Các hệ thống phản ứng được tổ chức trên mạng phải có khả năng thích nghi với các yếu tố trong môi trường luôn thay đổi như: yêu cầu phục vụ và tài nguyên tính toán thay đổi, sensor xuất hiện hay biến mất,

1 4 T ì n h h ìn h v à t r i ể n v ọ n g c ủ a p h á t t r i ể n H T N

Ớ Việt Nam, việc nghiên cứu phát triển HTN trên công nghệ PC/104 đã mang lại nhiều kết quả ([1]) Công nghệ PC/104 có các chức năng tương thích như các máy tính nên tận dụng được thế mạnh về phần cứng và phần mềm của máy tính, nhưng được thiết k ế với cấu trúc cơ khí cực kỳ bền chắc, gọn nhẹ và đặc biệt là tốn ít năng lượng Công nghệ này đã được nghiên cứu tại Viện

Công nghệ Thông tin từ năm 1996 và đến nay đã được dùng vào việc thiết kế

và ch ế tạo nhiều bộ phận điều khiển với các kỹ thuật xử lý tính toán phức tạp theo đơn đặt hàng của một số đơn vị trong quân đội Khả năng phát triển các thiết bị đo và điều khiển thông minh trên công nghệ này rất nhiều hứa hẹn, do

nó có nhiều modul xử lý tín hiệu cảm biến hình ảnh, âm thanh, xử lý song song,

Dưới đây liệt kê một số sản phẩm phần m ềm được phát triển tại phòng Công nghệ Tự động hoá - Viện Công nghệ Thông tin và đã được đưa vào áp dụng trong thực tế trong mấy năm gần đây ([3]):

• Phần m ềm nhúng: Chương trình công cụ ICS, thư viện phần m ề m của các thiết bị điều khiển nhúng IC-LIB

• Các ứng dụng: Thiết bị điều khiển đa năng hoạt động trong môi trường công nghiệp và di động IC-MC1, máy vi tính nhúng cho các thiết bị đo

và điều khiển EPC, thiết bị điều khiển nhúng có giao diện với người vận hành IC-MC2, ứng dụng công nghệ điều khiển nhúng PC/104 vào xây dựng một số thiết bị và hệ thống cho quốc phòng

• Các hệ dựa trên công nghệ PC BA SED C O N TRO L: Chương trình đo

và điều khiển thời gian thực PR O CO N /PRO CO W IN , chương trình đo

và điều khiển trên mạng GPIB IEEE-488 và Bitlink, hệ thống đo tự động đặc trưng diot lade bán dẫn chạy trên m ạng GPIB IEEE-488,

• Hệ thống tự động mở cổng và quản lý nhân sự dùng thẻ không tiếp xúc GAC 2.0, chương trình kiểm soát thời gian tuần tra với thiết bị “De Prox”, hệ phát triển điều khiển Rôbốt trên cơ sở Camera VISCON, Hiện nay, chúng ta đang còn thiếu chuyên gia và tài liệu về lĩnh vựcHTN, bởi vì chúng ta chưa chú trọng lắm tới việc nghiên cứu và đào tạo các chuyên gia về lĩnh vực HTN nói chung cũng như về lĩnh vực hệ thống điều khiển thời gian thực nói riêng

Trên thế giới và đặc biệt là ở Châu Âu, công nghệ (cả phần cứng và phần mềm) về HTN đã phát triển rất mạnh, thậm chí một số tài liệu cho rằng

nó đã đạt tới mức hoàn thiện về công nghiệp. Nhiều nước ở Châu Âu đã sớm nhận ra tầm quan trọng của HTN Nhiều nhóm, trung tâm nghiên cứu về HTN

đã ra đời với những đầu tư rất lớn về vật chất và sức người ([29])

Đầu những năm 1980, một trong số nhiều ứng dụng nổi tiếng đầu tiên

là hệ thống FBW (Fly-By-Wire System) dùng cho máy bay quân sự, và máy bay chiến đấu E FA (European Fighter Aircraft) đã được phát triển với sự hợp tác giữa các nước Anh, Đức, Italia và Tây Ba Nha ([21])

Từ 1985, có nhiểu dự án nghiên cứu xây dựng và phát triển HTN thời gian thực ở Châu Âu ra đời Nhiều công cụ xây dựng HTN được tích hợp là kết quả hợp tác của nhiều quốc gia như: Pháp, Anh, Đức, Các công cụ hỗ trợ cho quá trình phân tích, mô tả, mô hình hoá, quản lý, cho phép phát triển những dự án đa quốc gia với nhiều thành phần hỗn tạp, phân tán ([2 1])

Nhiều ngôn ngữ lập trình thời gian thực ra đời: Ada, Hal/s, Pearl, PL/1, Euclid

Từ 1999, đã xuất hiện xu hướng chuẩn hoá phần mềm nhúng, nghiên cứu và phát triển các bộ vi xử lý nhúng cùng nhiều thiết bị ngoại vi chuyên dụng để đảm bảo tiêu chuẩn tích hợp cao nhất cho thiết k ế HTN ([19])

Từ cuối năm 2002, trên thế giới xuất hiện xu hướng kết hợp giữa kỹ thuật hình thức với cách tiếp cận định hướng đối tượng nhằm xây dựng những công cụ phát triển HTN ([16])

Hướng phát triển chủ yếu của Châu Âu trong các năm 2003 - 2004 là triển khai thế hệ mới về công nghệ và công cụ cho m ô hình hoá, thiết kế, cài đặt và triển khai các hệ thống phần cứng/phần mềm nhúng trong các thiết bị thông minh Viễn cảnh của họ là mong m uốn tạo ra những hệ thống hoàn

chỉnh với giá cả hợp lý, tối ưu về hiệu suất, có độ an toàn cao và được triển khai nhanh để đưa ra thị trường trong thời gian ngắn nhất ([31]) Nội dung tập trung vào những khía cạnh chủ yếu sau:

• Xây dựng các middleware (lớp trung gian) và các platform để kết nối

mạng các HTN, nhằm đạt mục tiêu cung cấp, phân phối các tài nguyên với chi phí rẻ, đồng thời “ẩn đi” toàn bộ sự phức tạp của những thao tác tính toán, điều khiển và truyền thông mức thấp Hiện nay, hướng nàychủ yếu tập trung vào thiết bị không dây cỡ nhỏ trong middleware.Chẳng hạn, điện thoại di động hay máy trợ giúp cá nhân kỹ thuật số cho phép thiết kế, lập trình, đặc tả và bảo dưỡng các hệ thống được dễ dàng hơn Ngoài ra, các cố gắng cũng được tập trung vào phát triển những platform khả cỡ và tự tổ chức (scalable and self-organising platform), để cung cấp dịch vụ cho các m ạng đặc biệt; mạng này bao gồm các thiết bị rất nhỏ nhằm hạn ch ế độ phức tạp, thông qua kỹ thuật perception (kỹ thuật dùng cho điều khiển, cho nhận dạng đối tượng và

sự kiện, cùng những tính toán cao cấp khác)

• Hợp nhất những mô hình tính toán hỗn tạp, xây dựng những công cụ đủ mạnh để xây dựng HTN độc lập và ổn định

• Điều khiển nâng cao cho những hệ thống thời gian thực và HTN trên mạng với các tính năng: khả năng thứ lỗi cao, điều khiển và quản lý theo cơ chế tự trị, có cơ chế giải thích, hiệu suất cao,

• Nghiên cứu một số vấn đề khác như: actuator và sensor thông minh; hardware/software co-design; quản lý tài nguyên hạn chế; tích hợp hệ thống, chuẩn hoá,

Hiện nay, nhóm nghiên cứu ER C IM (European Research Consortium for Informatics and Mathematics Working Group) đã và đang nghiên cứu tất

cả các lĩnh vực của HTN, bao gồm các chủ đề chính như: điều khiển thí

Ì - L ỡ l l l i

nghiệm khoa học từ xa, HTN trong các phương tiện giao thông, truyền thông không dây, kiến trúc hệ thống, ngôn ngữ, công cụ, ứng dụng nhúng trong giáo dục, ([31]).

Một số hoạt động ở Châu Âu liên quan đến HTN được ghi nhận nhưsau:

• Tập đoàn REDEST bao gồm 14 công ty của các nước Tây Ba Nha, Đức

và Hungari kết hợp với nhau để phát triển phần mềm nhúng

• Phòng thí nghiệm và giảng dạy về H TN cho sinh viên tại nhiều trường Đại học đã được xây dựng

• Có các khoá học thạc sỹ về xây dựng và thiết k ế HTN

• Dự án EEA (Embedded Electronic Architecture) được triển khai ở Pháp (1999-2001) với mục tiêu nghiên cứu giải pháp thiết k ế các phương tiện giao thông dạng nhúng Dự án đã được sự ủng hộ của Bộ công nghiệp Pháp, nhiều công ty phần mềm, nhiều hãng ô tô và m ột số trung tâm nghiên cứu

• Mạng của tổ chức IEE (Institute of Electrical Engineers - Website: www.iee.org/pn/embeddedrealtime) được xây dựng để phối hợp nghiên cứu và chuyển giao công nghệ với những chương trình dài hạn hướng tới cung cấp HTN thời gian thực Hiện nay, tổ chức này đã thu hút được hơn 130.000 thành viên

• Dự án DECOS (Dependable Em bedded Components and Systems - Website: www.decos.at) nghiên cứu rất nhiều vấn đề trong H TN và mục tiêu là tạo ra nhiều sản phẩm có sức cạnh tranh

TÍNH TOÁN KHOẢNG LẶP VÀ ỨNG DỤNG

Phương pháp hình thức dựa trên nền tảng là những lý thuyết toán học như: logic, đồ thị và ôtômat để mô tả, phân tích và thiết k ế hệ thống Sử dụng phương pháp hình thức cho phép đạt tới mức trừu tượng hoá cao trong quá trình thiết kế, tránh được sự hiểu sai về ngữ nghĩa nhờ những m ô tả chính xác

về mặt toán học Mục đích của phương pháp hình thức là làm tăng chất lượng, giảm thời gian thiết k ế và phát hiện sớm các lỗi hệ thống phần cứng và phần mềm

Có nhiều phương pháp hình thức khác nhau, mỗi phương pháp phù hợp cho những ứng dụng riêng

Chương này giới thiệu một công cụ logic là Tính toán khoảng lặp (Duration Calculus with Iteration - DC*), và cách sử dụng nó như một ngôn ngữ đặc tả để thiết kế hình thức ứng dụng nhúng Tiếp đó, một minh hoạ ứng dụng nhúng về thiết kế hệ thống điều khiển thang máy được trình bày

Trong thiết kế bằng DC*, chúng ta có tính đến độ trễ của phần cứng và

độ trễ của phần mềm nhúng nhằm lượng hoá việc khống ch ế độ trễ kỹ thuật của các bài toán đặt ra trước đây theo nghĩa sau: chỉ có những hộ có độ trễ được giả định là lớn hơn hoặc bằng tổng hai độ trễ vừa nói thì mới đảm bảo hệ hoạt động ổn định

C H Ư Ơ N G 2

2 1 M ô h ìn h la i g h é p

Các mô hình lai ghép (hybrid model) liên tục - rời rạc thường xuất hiện trong thiết k ế HTN

Mô hình liên tục (số thực) được coi là phù hợp để m ô phỏng cách ứng

xử liên tục của trạng thái môi trường và của thiết bị cho các hệ thống thời gian thực Các trạng thái này thay đổi liên tục theo những quy luật vật lý Tuy nhiên, trạng thái của chương trình máy chỉ thay đổi rời rạc theo nhịp của đổng

hồ máy tính, nên mô hình rời rạc (số tự nhiên) phù hợp với cài đặt hệ thống

Do đó, vấn đề quan trọng là nên kết hợp hai mô hình đó như thế nào để hệ thống ctược thiết kế chính xác và đúng đắn M ột cách tiếp cận để giải quyết vấn đề này trong thiết k ế hình thức là sử dụng phương pháp Tính toán khoảng lặp

Tính Toán khoảng lặp là một công cụ logic được tác giả Đặng Văn Hưng phát triển vào năm 1999 ([7]) dựa trên nền tảng của Tính toán khoảng

(DC) ([22]) Phương pháp này cho phép m ô hình hoá H TN thời gian thực

DC* là mở rộng của DC với toán tử lặp (*) Sử dụng DC* cho phép điều khiển

cả hai mô hình rời rạc và liên tục của hệ thống D C* đã được sử dụng thành công trong các case study như: Audio Control Protocol, Gas Burner, Water Lever Controller ([7], [13], [14]) Sử dụng DC* trong trường hợp hệ thống điều khiển thang máy sẽ được mô tả chi tiết ở cuối chương sẽ là một đóng góp của luận văn cho một case study mới

2 2 T í n h t o á n k h o ả n g lặ p

2.2.1 Các k h ái niệm củ a T ín h to á n k h o ả n g lặp

Ngôn ngữ của Tính toán khoảng lặp DC* được xây dựng trên tập ký hiệu sau đây: tập ký hiệu hằng (constant symbols) {a, b, c, }, tập biến riêng

(individual variables) [x, y, z, }, tập biến trạng thái (state variables) {p,

Q, }, tập biến thời gian (temporal variables) ịu, V, }, tập ký hiệu hàm

(function symbols) {/, tập ký hiệu quan hệ (relation symbols) [R, u, },

và tập ký tự mệnh đề thời gian (temporal propositional letters) {A, B, }.

Những tập này không giao nhau từng đôi và không giao với tập (0, - I , V , Y *,

3 , U ) I

Ngôn ngữ của DC* bao gồm ngôn ngữ của biểu thức trạng thái {state expression) s, term t và công thức (formula) (Ọ. Chúng được định nghĩa đệ quy như sau:

• 1 ( c ) , I(JC) e R với ký hiệu hằng c và biến riêng X,

với hàm n - nguyên/,

• I ( v ) : L —> R với biến thời gian V,

• Ĩ(R): R" —> {0 , 1} với quan hệ n - nguyên R,

• I(P): R —> {0,1} với biến trạng thái p,

• I(/4): L —» {0, 1 Ị với ký tự mệnh đề thời gian A.

Ví dụ: Nếu I(Vj) = 2 và I(v2) = 3 thì I(v, + v2) = I(Vị) + I(v2) = 2 + 3 = 5Điều kiện bắt buộc với mọi phép diễn dịch I là các trạng thái đểu phải

biến thiên hữu hạn trong một khoảng thời gian hữu hạn tuỳ ý

Định nghĩa 2.1 Cho trước phép diễn dịch I của ngôn ngữ DC* L, với mọi T G

R, ý nghĩa của biểu thức trạng thái s trong L ký hiệu là hàm Sị\ R -> {0, 1} và được định nghĩa đệ quy như sau:

• I^(v) - I(v )([r1,r2]) với biến thòi gian V,

• (1 ^ ) - j Sị{ĩ)dr với biểu thức trạng thái s,

• O ) - I(/)(I^ ơ i), , KÍ ( O ) với hàm n - nguyên/.

Định nghĩa 2.2 Cho trước ngôn ngữ DC* L và phép diễn dich I của các ký hiệu trong L Một công thức (p được coi là thoả mãn đối với I trong khoảng

[fl, r2] e L nếu giá trị của nó là đúng trên phép diễn dịch I và trong khoảng thời, gian [ r h r2], và được kỷ hiệu là I, [ Tị, r2] í= (Ọ Khi đó:

• I, [r,, r2] t= A khi và chỉ khi 1(A), [Tj, t2]= 1

• I, [Tị, t2] 1= tn) khi và chỉ khi I (/?)( VT\ (tị), , Yị (tn)) = 1

• I, [Ty, r2] t= —i(p khi và chỉ khi I, [ rl5 r2] ¥ <p

• I, [Tị, ĩ2] t= {(Ọ V ỉị/) khi và chỉ khi I, [ rl5 r2] t= (phoặc I, [r,, r2] f= y/

• I, [Tị, r-,] t= (p (Ọ khi và chỉ khi tồn tại r e [r,, r2] sao cho

I, [r„ r] 1= <p và I, [r, r2]

• I, I Tị, r2] t= (#>*) Ả7?/' và chỉ khi Tị = r2 hoặc tồn tại Tị’, , Tn’ sao cho

r , = Tị’, , r2 = r„’ v à i , [ĩ;.’, Ti+I’] N cp với i= ì , , n - ỉ

• 1, [r,, r2] í= 3(x)ç> Ấr/ỉ/ và chỉ khi J , [r,, r2] N (Ọ với phép diễn dịch J

nào đó x-tương đương với I Trong đó, I và J được gọi là là x-tương đương khi và chỉ khi I(y) = !(_>') với mọi y ^ x

cũng dược sử dụng theo ý nghĩa thông thường

Phép chứng minh của Tính toán khoảng lặp DC* bao gồm hệ thống chứng minh kiểu Hilbert (Hilbert-style proof system) cho logic tân từ cấp một ([5]), các tiên đề và các luật cho logic khoảng (interval logic), các tiên đề và các luật cho DC và DC*([7]) Để tiện theo dõi, các tiên đề và các luật vừa kể

sẽ được thống kê lại theo từng loại sau đây

2.2.2.I C ác tiên đề và các lu ậ t củ a Logic k h o ả n g

041,) (cp^xự) A ụ/) => ( ạ ) A ^ ^ ụ/)

(Al,.) { ( p ^ lị/) A ju) => ( c p ^ ự/A -nju)

042) (((p" l ị / ) " ệ ) <^> Ẹ))

{RỊ) ys)^> (Ọ nếu (Ọ là rigid

(Rr) (<'P ^ iỵ) => \ự nếu y/ là rigid

{Bi) (3a (p ^ y/ ) => 3x{(p ^ \ự) nếu X không xuất hiện tự do trong y/ (biến X

được gọi là xuất hiện tự do trong công thức Ị//nếu nó không xuất hiện ở cả haidạng \/x( ụ/) và 3a( I//), ngược lại thì X được gọi là xuất hiện lượng tử).

(/?,.) ((p^B xự /) => 3x(ạ>'~' ỈỊ/) nếu JC không xuất hiện tự do trong (Ọ

(Ll,) (C=x'~' (p) => —Iự = x ' ~ ' —I<p)

( L ì , ) { ( p ^ í = X ) => —i( - iộ 9 ^ í = X )

(L2) £ = x + ỵ<z>(£ = x '~ '£ = ỵ )

2.2.2 Phép chứng minh

(DC{*) í - 0 => (fỳ*

(.DC2*) (fj*) => (fp

(DC3*) ((p*/\(p' true) => {(ý/\í = 0 ^ true) V (((</9*A—lỹ?’ ^ (p) /\ (p ')^ true)

Phép chứng minh của DC* chỉ đầy đủ (complete) đối với các cấu trúc

m à thành phần lặp được thực hiện với lớp công thức được gọi là simple (đơn giản)

2.2.3 C ác công th ứ c sim ple £>c*

Định nghĩa 2.3 Các công thức simple DC* được định nghĩa đệ quy như sau

(Ọ ả i = 0 I [s] \a < t \ ( < a \ (ọ v ọ ) I {(Ọ /\(p) I { ( p ^ ọ ) I ợ*

Đinh nghĩa 2.4 Cho trước một công thức simple DC* (Ọ, một công thức simple

Từ định nghĩa trên, ta có mệnh đề:

Mệnh đ ề 2.1 (p => —1(—IPREF{ọỴ~" true).

Lớp các công thức simple DC* đóng vai trò quan trọng trong thiết kế ứng dụng nhúng như một minh hoạ được trình bày ở cuối chương.

Phần tiếp theo nói về các bước thiết k ế với DC*.

2.3 C á c b ư ớ c t h i ế t k ê s ử d ụ n g T í n h t o á n k h o ả n g l ặ p

Quá trình thiết kế bao gồm các bước sau đây:

• Định nghĩa về các biến trạng thái Các biến này bao gồm các biến trạng thái !iên tục (để mô hình hoá cách ứng xử của các thành phần liên tục)

và các biến trạng thái rời rạc (để mô hình hoá cách ứng xử của các thành phần rời rạc)

• Đặc tả hình thức yêu cầu của hệ thống bởi một công thức DC Req theo các biến trạng thái liên tục Hướng thiết k ế cần phải được thiết lập để đáp ứng yêu cầu của hệ thống Hướng thiết k ế này được thể hiện qua thiết kế chi tiết Des theo các biến trạng thái liên tục và thoả mãn công thức A b Des => Req, trong đó A là giả thiết về ứng xử của môi trường

và quan hệ giữa các biến trạng thái liên tục

• Rời rạc hoá thiết kế liên tục bằng cách xấp xỉ các biến trạng thái liên tục bởi các biến trạng thái rời rạc và hình thức hoá mối quan hệ giữa chúng dựa trên hoạt động của các sensor và các actuator Yêu cầu điều khiển được biểu diễn thông qua công thức simple DC* Cont theo các biến trạng thái rời rạc và thoả mãn công thức Ac. b Cont => Des, trong

dó Ac là giả thiết về cách ứng xử của môi trường, mối quan hệ giữa các biến trạng thái liên tục và mối quan hệ giữa các biến trạng thái liên tục với các biến trạng thái rời rạc Cont là đặc tả hình thức của controller (bộ điều khiển)

• Chứng minh tính đúng đắn c ủ a thiết kế

Mô hình hệ thống điều khiển thời gian rời rạc được cho trong Hình 2.1 Trong hình vẽ, plant biểu diễn các thành phần liên tục của hệ thống,

controller là thành phần rời rạc biểu diễn cho chương trình điều khiển,

actuator nhận chỉ thị từ controller và điều khiển plant theo các chỉ thị một cách phù hợp Các sensor và actuator tương ứng tạo các thành giao diện liên tục-rời rạc và rời rạc-liên tục.

2 4 T i ế p x ú c l i ê n t ụ c - r ò i r ạ c t r o n g m ô h ì n h l a i g h é p

T á c đ ộ n g

Hình 2.1: Mô hình của một hệ thống điều khiển

Hệ thống phân tán có thể chứa nhiều thành phần số (digital component) hoạt động độc lập theo nhịp của các đồng hồ cục bộ Do vậy, tính rời rạc của bất kỳ trạng thái nào cũng đều liên quan đến một đồng hồ cho trước Nếu p và

P ’ là hai tiến trình của hệ thống hoạt động không đồng bộ theo hai đổng hổ khác nhau thì một biến rời rạc có quan hệ với p (nghĩa là nó chỉ phụ thuộc vào nhịp đổng hồ của P ) có thể được coi là liên tục đối với p \ Trong Hình 2.2, trạng thái s được coi là rời rạc đối với tiến trình p , và liên tục đối với tiến trình

p \ nhưng trạng thái r lại liên tục đối với cả p v ầ P \

Hình 2.2: Trạng thái í rời rạc đối với p và liên tục đối với p’

Trạng thái r liên tục đối với cả p và P'

Các mối quan hệ giữa các biến trạng thái liên tục và các biến trạng thái rời rạc được thể hiện trong ba định nghĩa sau

Đinh nghĩa 2.5 (Tính ổn định) Cho trước biến trạng thái s và số nguyên dươníỊ ổ Khi đó, ta nói rằng s là ỏ - stable khi và chỉ khi công thức sau được thoả mãn với mọi khoảng.

ỏ -stable(s) = □( r —iS~| ^ IVI ^ r—iS~\ => r —iS~\ '~N( [ s l A f > £ ) ) ' ' _Nr’—tS~\)

Tính ổn định (stability) có ý nghĩa là m ột trạng thái không nên thay đổi quá nhanh để có thể quan sát được trong thế giới rời rạc Công thức ỏ - stưble(s) cho biết “mỗi khi trạng thái 5 có giá trị đúng (true) thì nó phải tồn tại lâu hơn ¿)đ.v.t.g” Hình 2.3 minh hoạ tính chất này

r = □( r /"1 A í > ổ=> ự < Ố ) ^ Í V 1

Khái niệm trạng thái điều khiển (control State) được sử dụng để hình thức hoá cách ứng xử của actuator Gọi r là biến trạng thái biểu diễn cho câu lệnh của chương trình, í là trạng thái của thiết bị Mối quan hệ có ý nghĩa là bất cứ khi nào controller đưa ra câu lệnh r, thì thiết bị chuyển vào trạng thái s sau khoảng thời gian nhiều nhất là ổđ.v.t.g (hay thời gian đáp ứng

là ổ đ.v.t.g) Khái niệm này được minh hoạ trong Hình 2.4, phần không gian

bỏ trống tương ứng với trạng thái 5 biểu diễn cách ứng xử không xác định của nó

5 0

1

th ờ i gian

Hình 2.4: Trạng thái r ổ - control trạng thái s

V í dụ: N ếu r >d.—\S thì bất kỳ sự xuất hiện nào của r đủ ổn định sẽ làm

í “mất đi” sau tối đa ổđ.v.t.g

Đinh nghĩa 2.7 ('Trạng thái quan sát) Cho trước hai biến trạnq thái r và s, một

sô thực không âm s Khi đó, r được gọi là ổ - observe 5 khi và chỉ khi cônẹ thức sau được thoả mãn với mọi khoảng.

r &ss = (,s> er) A ( - , 5 ^ - i r )

Khái niệm trạng thái quan sát (observation State) được sử dụng để hình thức hoá cách ứng xử của sensor Gọi r là biến trạng thái biểu diễn biến chương trình rời rạc, và 5 là trạng thái của m ôi trường Mối quan hệ r ~ s s có ýnghĩa là bất cứ thay đổi nào trong í ổn định trong ít nhất là ổ đ.v.t.g thì đều được quan sát bởi controller sau khoảng thời gian nhiều nhất là ổđ.v.t.g Công thức trên cho thấy r xấp xỉ í với độ trễ ố n ế u í và - 1s đều ổ - stable Hiển nhiên

r&gS khi và chỉ khi —¡r&g—iS. Chú ý rằng định nghĩa không nói gì về sự thay đổi không ổn định của s.

Với hai điểm thời gian gián đoạn kề nhau đối với trạng thái 5 (Hình 2.5), ta không thể biết được sự thay đổi của r trong hai khoảng [t, t + õ\ và

\ t \ t' + s\ (các khoảng này được minh hoạ bởi khoảng trắng)

Nếu s, —Is đều ổ - stable và r ố - observe s, thì mọi thay đổi trạng thái của s đều được quan sát bởi r sau nhiều nhất là ổ đ.v.t.g Khi đó, ta nói rằng r

là mẫu của £ với bước lấy mẫu nhỏ hơn hoặc bằng 3. Hình 2.6 minh hoạ tính chất này

Hình 2.6: Trạng thái r là mẫu của trạng thái s

Giả sử rằng các biến trạng thái liên tục đủ Ổn định để controller có thể quan sát được, còn ngược lại thì không có cách nào để quan sát được chúng trong các hệ thời gian rời rạc Trong Hình 2.7, trạng thái liên tục 5 thay đổi quá nhanh nên có những thay đổi của nó không quan sát được trong thời gianrời rạc.

- Với biến trạng thái liên tục s, ký hiệu sc là biến trạng thái rời rạc được

sử dụng bởi controller để quan sát í (qua sensor) Mối quan hệ giữa 5 và sc

được hình thức hoá bởi công thức sc~ ồs, với ổ là một số thực không âm

- Tương tự như vậy, với biến trạng thái t của thiết bị, ký hiệu tc là biến trạng thái rời rạc biểu diễn câu lệnh (qua actuator) yêu cầu thiết bị chuyển vào trạng thái t. Mối quan hệ giữa t và tc được hình thức hoá bởi công thức tc> rt,

với r là một số thực không âm

Các luật trong phần này được dùng cho kiểm chứng và làm tinh áp dụng trong thiết kế và chứng minh tính đúng đắn của thiết kế Đối với mỗi luật, cóng thức ở trên đường kẻ là “làm tinh” của công thức ở dưới đường kẻ, đồngthời công thức ở dưới đường kẻ là hệ quả của công thức ở trên đường kẻ.Trong những luật này, các ký hiệu r, s, t, u là các biến trạng thái, các ký hiệu

a, /?, (p, y/, ộ, X là các công thức, còn ỏ và r là các số thực không âm

K hoảng thời gian củ a tr ạ n g thái

L u ật 7 PREF( r r irl ^ ( [7 ] A t > đ )) * '~ ' r —irl )=> ố - stable(r)

L u ậ t 8 PREF{ M a £ <ổ) ^ ĩ-nr] ) * ^ ( M < ổ))

=> n ( rr~\ => £ < ổ)

Các luật này tương ứng có thể viết được dưới dạng khác như sau: