Ενσωματωμένα Συστήματα Ι (Θ) (ECE_ELE810 )
Νικόλαος Βώρος, Χρήστος Αντωνόπουλος
Βασικός στόχος του μαθήματος είναι να εισάγει τους φοιτητές στις βασικές έννοιες των ενσωματωμένων συστημάτων και στα πρακτικά θέματα σχεδιασμού τους. Στα πλαίσια αυτά θα παρουσιαστούν και αναλυθούν σε βάθος τα βασικά δομικά στοιχεία των σύγχρονων ενσωματωμένων συστημάτων και οι αρχιτεκτονικές στις οποίες βασίζονται. Παράλληλα θα γίνει εκπαίδευση στη χρήση αλλά και στον προγραμματισμό αναπτυξιακών πλακετών μέσω των οποίων οι φοιτητές θα έχουν την ευκαιρία να εστιάσουν σε πρακτικά θέματα σχεδίασης ενσωματωμένων συστημάτων.
Λέξεις Κλειδιά: Ενσωματωμένα συστήματα, σχεδίαση ενσωματωμένων συστημάτων, αρχιτεκτονικές ενσωματωμένων συστημάτων
Οι γνώσεις και οι δεξιότητες που θα αποκτηθούν θα αποτελέσουν τη βάση για μαθήματα μεγαλύτερων εξαμήνων όπως για παράδειγμα το μάθημα Ενσωματωμένα Συστήματα IΙ.
ΛιγότεραΒασικός στόχος του μαθήματος είναι να εισάγει τους φοιτητές στις βασικές έννοιες των ενσωματωμένων συστημάτων και στα πρακτικά θέματα σχεδιασμού τους. Στα πλαίσια αυτά θα παρουσιαστούν και αναλυθούν σε βάθος τα βασικά δομικά στοιχεία των σύγχρονων ενσωματωμένων συστημάτων και οι αρχιτεκτονικές στις οποίες βασίζονται. Παράλληλα θα γίνει εκπαίδευση στη χρήση αλλά και στον προγραμματισμό αναπτυξιακών πλακετών μέσω των οποίων οι φοιτητές θα έχουν την ευκαιρία να εστιάσουν σε πρακτικά θέματα σχεδίασης ενσωματωμένων συστημάτων.
Λέξεις Κλειδιά: Ενσωματωμένα συστήματα, σχεδίαση ενσωματωμένων συστημάτων, αρχιτεκτονικές ενσωματωμένων συστημάτων
Οι γνώσεις και οι δεξιότητες που θα αποκτηθούν θα αποτελέσουν τη βάση για μαθήματα μεγαλύτερων εξαμήνων όπως για παράδειγμα το μάθημα Ενσωματωμένα Συστήματα IΙ.
Βασικός στόχος του μαθήματος είναι να εισάγει τους φοιτητές στις βασικές έννοιες των ενσωματωμένων συστημάτων και στα πρακτικά θέματα σχεδιασμού τους. Στα πλαίσια αυτά θα παρουσιαστούν και αναλυθούν σε βάθος τα βασικά δομικά στοιχεία των σύγχρονων ενσωματωμένων συστημάτων και οι αρχιτεκτονικές στις οποίες βασίζονται. Παράλληλα θα γίνει εκπαίδευση στη χρήση αλλά και στον προγραμματισμό αναπτυξιακών πλακετών μέσω των οποίων οι φοιτητές θα έχουν την ευκαιρία να εστιάσουν σε πρακτικά θέματα σχεδίασης ενσωματωμένων συστημάτων.
Λέξεις Κλειδιά: Ενσωματωμένα συστήματα, σχεδίαση ενσωματωμένων συστημάτων, αρχιτεκτονικές ενσωματωμένων συστημάτων
Οι γνώσεις και οι δεξιότητες που θα αποκτηθούν θα αποτελέσουν τη βάση για μαθήματα μεγαλύτερων εξαμήνων όπως για παράδειγμα το μάθημα Ενσωματωμένα Συστήματα IΙ.
Πληροφορίες
Διδάσκοντες
Νικόλαος Βώρος, Καθηγητής
Χρήστος Αντωνόπουλος, Επίκουρος Καθηγητής
Περιεχόμενο μαθήματος
Γιατί ενσωματώνουμε μικροεπεξεργαστές στα συστήματα. Ποιες είναι οι δυσκολίες σχετικά με την ενσωμάτωση των μικροεπεξεργαστών. Περιγραφή σχεδίασης ενσωματωμένου συστήματος με τη UML. Ανασκόπηση της ταξινόμησης της αρχιτεκτονικής υπολογιστών και της συμβολικής γλώσσας. Μηχανισμοί Εισόδου και Εξόδου. Κατάσταση λειτουργίας επιβλέποντος. εξαιρέσεις και παγίδες. Διαχείριση μνήμης και μετάφραση διεύθυνσης. Κρυφές Μνήμες. Με ποιο τρόπο επηρεάζει η αρχιτεκτονική την απόδοση ενός προγράμματος. Με ποιο τρόπο επηρεάζει η αρχιτεκτονική την κατανάλωση ισχύος ενός προγράμματος. Δίαυλοι της CPU. Συσκευές Εισόδου/Εξόδου και διασύνδεση. Το σύστημα της CPU ως πλαίσιο για την κατανόηση της μεθοδολογίας σχεδιασμού. Περιβάλλοντα ανάπτυξης και αποσφαλμάτωση.
Ομάδα στόχος
Φοιτητές που έχουν επιλέξει τον Κύκλο Σπουδών 3: Ηλεκτρονικής, Υπολογιστών και Συστημάτων, του προπτυχιακου προγράμματος σπουδών του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Υπολογιστών.
Προαπαιτούμενα
Δεν υπάρχουν προαπαιτούμενα μαθήματα.
Μαθησιακοί στόχοι
Με την επιτυχή ολοκλήρωση του μαθήματος, οι φοιτητές θα μπορούν:
Σε επίπεδο Γνώσεων:
- Να περιγράφουν τα βασικά δομικά στοιχεία ενός σύγχρονου ενσωματωμένου συστήματος
- Να κατανοούν την αρχιτεκτονική και το τρόπο λειτουργίας ενός ενσωματωμένου συστήματος
- Να γνωρίζουν τις δυνατότητες διασύνδεσης μεταξύ των συστατικών στοιχείων ενός ενσωματωμένου συστήματος
- Δυνατότητα ανάλυσης απόδοσης ενός ενσωματωμένου συστήματος
Σε επίπεδο Δεξιοτήτων:
- Εξοικείωση με περιβάλλοντα ανάπτυξης ενσωματωμένων συστημάτων
- Εκπαίδευση στον προγραμματισμό ενσωματωμένων συστημάτων με χρήση σύγχρονων πλατφορμών ανάπτυξης
- Εκπαίδευση στη χρήση εξειδικευμένου λογισμικού για το σχεδιασμό ενσωματωμένων συστημάτων
Σε επίπεδο Ικανοτήτων:
- Να επιλέγουν τα κατάλληλα συστατικά στοιχεία κατά το σχεδιασμό ενός ενσωματωμένου συστήματος με βάση τις απαιτήσεις χρήσης (λειτουργικές και μη λειτουργικές)
- Να επιλύσουν πρακτικά προβλήματα που ανακύπτουν κατά το σχεδιασμό ενσωματωμένων συστημάτων
- Να αξιολογούν τις ιδιότητες, δυνατότητες και χαρακτηριστικά ενός ενσωματωμένου συστήματος
- Να προγραμματίζουν αντίστοιχα συστήματα με βάση συγκεκριμένες προδιαγραφές και στόχους
Γενικές Ικανότητες:
- Αναζήτηση, ανάλυση και σύνθεση δεδομένων και πληροφοριών με τη χρήση και των απαραίτητων τεχνολογιών
- Αυτόνομη εργασία
- Ομαδική εργασία
- Εργασία σε διεθνές περιβάλλον
- Προαγωγή της ελεύθερης, δημιουργικής και επαγωγικής σκέψης
- Παραγωγή νέων ερευνητικών ιδεών
Διδακτικές και μαθησιακές μέθοδοι
Τρόπος Παράδοσης
Το μάθημα διδάσκεται με δια ζώσης διαλέξεις.
Χρήση Τεχνολογιών Πληροφοφικής & Επικοινωνιών
Στα πλαίσια του μαθήματος γίνεται χρήση Τεχνολογιών Πληροφοφικής & Επικοικοινωνιών και παρέχονται:
- Διαφάνειες για τη διδασκαλία του θεωρητικού μέρους, οι οποίες έχουν αναρτηθεί από την αρχή του εξαμήνου στο eClass.
- Επιλύσεις των ασκήσεων (δίνονται στους φοιτητές μετά την διεξαγωγή κάθε άσκησης).
- Υποστήριξη μαθησιακής διαδικασίας μέσω της πλατφόρμας eClass (για γνωστοποίηση του κανονισμού λειτουργίας μαθήματος, για διανομή διαφανειών, συμπληρωματικού υλικού, ανακοινώσεων, συνδέσμων και βιβλιογραφίας).
- Εξειδικευμένο λογισμικό και υλικό σχετικό με το μάθημα.
Οργάνωση Διδασκαλίας
Η διδασκαλία του μαθήματος, οργανώνεται ως εξής:
- Διαλέξιες. Φόρτος Εργασίας Εξαμήνου: 39
- Ασκήσεις Πράξης – Φροντιστήριο, που εστιάζουν στην επίλυση παραδειγμάτων και ασκήσεων. Φόρτος Εργασίας Εξαμήνου: 13
- Αυτοτελής μελέτη διαλέξεων και βιβλιογραφίας. Φόρτος Εργασίας Εξαμήνου: 53
- Εκπόνηση εργασιών (project). Φόρτος Εργασίας Εξαμήνου: 20
- Συνολικός Φόρτος Εργασίας Μαθήματος: 125 ώρες (5 ECTS)
Μέθοδοι αξιολόγησης
Α. Αξιολόγηση Θεωρητικού Μέρους
Γραπτή τελική εξέταση που περιλαμβάνει:
- Επίλυση ασκήσεων
- Ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής
- Συγκριτική αξιολόγηση στοιχείων θεωρίας
Β. Αξιολόγηση Ασκήσεων/Εργασιών
Γραπτές εξετάσεις που λαμβάνουν χώρα καθ’ όλη τη διάρκεια του ακαδημαϊκού εξαμήνου και περιλαμβάνουν:
- Επίλυση ασκήσεων
- Ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής
Παρατηρήσεις
- Τελικός βαθμός προκύπτει από την στάθμιση των βαθμών θεωρίας και των εργασιών με συντελεστές που καθορίζονται στην αρχή του εξαμήνου και ανακοινώνονται στους φοιτητές μέσω του eClass.
- Η αξιολόγηση γίνεται στην ελληνική γλώσσα.
- Η διαδικασία αξιολόγησης και τα κριτήρια αξιολόγησης είναι δημοσιευμένα στην ιστοσελίδα του μαθήματος στο eClass.
Βιβλιογραφία
Προτεινόμενη βιβλιογραφία (Suggested bibliography):
-
Wayne Wolf, «High Performance Embedded Computing”, 2nd edition, Morgan Kaufman, 2014
-
Κωνσταντίνος Καλοβρέκτης, «Βασικές Δομές Ενσωματωμένων Συστημάτων», Εκδόσεις Βαρβαρήγου, 2012
-
Peter Marwedel, «Embedded System Design», Springer, 2011
-
Wayne Wolf, «Οι Υπολογιστές ως Συστατικά Στοιχεία», Εκδόσεις Ελληνικών Τεχνολογιών, 2008
Συναφή επιστημονικά περιοδικά (Related academic journals):
- ACM Transactions on Embedded Computing Systems
- ACM Transactions on Design Automation of Electronic Systems
Νικόλαος Βώρος, Καθηγητής
Χρήστος Αντωνόπουλος, Επίκουρος Καθηγητής
Γιατί ενσωματώνουμε μικροεπεξεργαστές στα συστήματα. Ποιες είναι οι δυσκολίες σχετικά με την ενσωμάτωση των μικροεπεξεργαστών. Περιγραφή σχεδίασης ενσωματωμένου συστήματος με τη UML. Ανασκόπηση της ταξινόμησης της αρχιτεκτονικής υπολογιστών και της συμβολικής γλώσσας. Μηχανισμοί Εισόδου και Εξόδου. Κατάσταση λειτουργίας επιβλέποντος. εξαιρέσεις και παγίδες. Διαχείριση μνήμης και μετάφραση διεύθυνσης. Κρυφές Μνήμες. Με ποιο τρόπο επηρεάζει η αρχιτεκτονική την απόδοση ενός προγράμματος. Με ποιο τρόπο επηρεάζει η αρχιτεκτονική την κατανάλωση ισχύος ενός προγράμματος. Δίαυλοι της CPU. Συσκευές Εισόδου/Εξόδου και διασύνδεση. Το σύστημα της CPU ως πλαίσιο για την κατανόηση της μεθοδολογίας σχεδιασμού. Περιβάλλοντα ανάπτυξης και αποσφαλμάτωση.
Φοιτητές που έχουν επιλέξει τον Κύκλο Σπουδών 3: Ηλεκτρονικής, Υπολογιστών και Συστημάτων, του προπτυχιακου προγράμματος σπουδών του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Υπολογιστών.
Δεν υπάρχουν προαπαιτούμενα μαθήματα.
Με την επιτυχή ολοκλήρωση του μαθήματος, οι φοιτητές θα μπορούν:
Σε επίπεδο Γνώσεων:
- Να περιγράφουν τα βασικά δομικά στοιχεία ενός σύγχρονου ενσωματωμένου συστήματος
- Να κατανοούν την αρχιτεκτονική και το τρόπο λειτουργίας ενός ενσωματωμένου συστήματος
- Να γνωρίζουν τις δυνατότητες διασύνδεσης μεταξύ των συστατικών στοιχείων ενός ενσωματωμένου συστήματος
- Δυνατότητα ανάλυσης απόδοσης ενός ενσωματωμένου συστήματος
Σε επίπεδο Δεξιοτήτων:
- Εξοικείωση με περιβάλλοντα ανάπτυξης ενσωματωμένων συστημάτων
- Εκπαίδευση στον προγραμματισμό ενσωματωμένων συστημάτων με χρήση σύγχρονων πλατφορμών ανάπτυξης
- Εκπαίδευση στη χρήση εξειδικευμένου λογισμικού για το σχεδιασμό ενσωματωμένων συστημάτων
Σε επίπεδο Ικανοτήτων:
- Να επιλέγουν τα κατάλληλα συστατικά στοιχεία κατά το σχεδιασμό ενός ενσωματωμένου συστήματος με βάση τις απαιτήσεις χρήσης (λειτουργικές και μη λειτουργικές)
- Να επιλύσουν πρακτικά προβλήματα που ανακύπτουν κατά το σχεδιασμό ενσωματωμένων συστημάτων
- Να αξιολογούν τις ιδιότητες, δυνατότητες και χαρακτηριστικά ενός ενσωματωμένου συστήματος
- Να προγραμματίζουν αντίστοιχα συστήματα με βάση συγκεκριμένες προδιαγραφές και στόχους
Γενικές Ικανότητες:
- Αναζήτηση, ανάλυση και σύνθεση δεδομένων και πληροφοριών με τη χρήση και των απαραίτητων τεχνολογιών
- Αυτόνομη εργασία
- Ομαδική εργασία
- Εργασία σε διεθνές περιβάλλον
- Προαγωγή της ελεύθερης, δημιουργικής και επαγωγικής σκέψης
- Παραγωγή νέων ερευνητικών ιδεών
Τρόπος Παράδοσης
Το μάθημα διδάσκεται με δια ζώσης διαλέξεις.
Χρήση Τεχνολογιών Πληροφοφικής & Επικοινωνιών
Στα πλαίσια του μαθήματος γίνεται χρήση Τεχνολογιών Πληροφοφικής & Επικοικοινωνιών και παρέχονται:
- Διαφάνειες για τη διδασκαλία του θεωρητικού μέρους, οι οποίες έχουν αναρτηθεί από την αρχή του εξαμήνου στο eClass.
- Επιλύσεις των ασκήσεων (δίνονται στους φοιτητές μετά την διεξαγωγή κάθε άσκησης).
- Υποστήριξη μαθησιακής διαδικασίας μέσω της πλατφόρμας eClass (για γνωστοποίηση του κανονισμού λειτουργίας μαθήματος, για διανομή διαφανειών, συμπληρωματικού υλικού, ανακοινώσεων, συνδέσμων και βιβλιογραφίας).
- Εξειδικευμένο λογισμικό και υλικό σχετικό με το μάθημα.
Οργάνωση Διδασκαλίας
Η διδασκαλία του μαθήματος, οργανώνεται ως εξής:
- Διαλέξιες. Φόρτος Εργασίας Εξαμήνου: 39
- Ασκήσεις Πράξης – Φροντιστήριο, που εστιάζουν στην επίλυση παραδειγμάτων και ασκήσεων. Φόρτος Εργασίας Εξαμήνου: 13
- Αυτοτελής μελέτη διαλέξεων και βιβλιογραφίας. Φόρτος Εργασίας Εξαμήνου: 53
- Εκπόνηση εργασιών (project). Φόρτος Εργασίας Εξαμήνου: 20
- Συνολικός Φόρτος Εργασίας Μαθήματος: 125 ώρες (5 ECTS)
Α. Αξιολόγηση Θεωρητικού Μέρους
Γραπτή τελική εξέταση που περιλαμβάνει:
- Επίλυση ασκήσεων
- Ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής
- Συγκριτική αξιολόγηση στοιχείων θεωρίας
Β. Αξιολόγηση Ασκήσεων/Εργασιών
Γραπτές εξετάσεις που λαμβάνουν χώρα καθ’ όλη τη διάρκεια του ακαδημαϊκού εξαμήνου και περιλαμβάνουν:
- Επίλυση ασκήσεων
- Ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής
Παρατηρήσεις
- Τελικός βαθμός προκύπτει από την στάθμιση των βαθμών θεωρίας και των εργασιών με συντελεστές που καθορίζονται στην αρχή του εξαμήνου και ανακοινώνονται στους φοιτητές μέσω του eClass.
- Η αξιολόγηση γίνεται στην ελληνική γλώσσα.
- Η διαδικασία αξιολόγησης και τα κριτήρια αξιολόγησης είναι δημοσιευμένα στην ιστοσελίδα του μαθήματος στο eClass.
Προτεινόμενη βιβλιογραφία (Suggested bibliography):
-
Wayne Wolf, «High Performance Embedded Computing”, 2nd edition, Morgan Kaufman, 2014
-
Κωνσταντίνος Καλοβρέκτης, «Βασικές Δομές Ενσωματωμένων Συστημάτων», Εκδόσεις Βαρβαρήγου, 2012
-
Peter Marwedel, «Embedded System Design», Springer, 2011
-
Wayne Wolf, «Οι Υπολογιστές ως Συστατικά Στοιχεία», Εκδόσεις Ελληνικών Τεχνολογιών, 2008
Συναφή επιστημονικά περιοδικά (Related academic journals):
- ACM Transactions on Embedded Computing Systems
- ACM Transactions on Design Automation of Electronic Systems
Ενσωμάτωση υπολογιστών. Χαρακτηριστικά Εφαρμογών Ενσωματωμένης Υπολογιστικής. Γιατί Χρησιμοποιούμε Μικροεπεξεργαστές; Προκλήσεις στη Σχεδίαση Συστημάτων Ενσωματωμένης Υπολογιστικής.
Απαιτήσεις. Προδιαγραφές. Σχεδίαση αρχιτεκτονικής. Σχεδίαση συστατικών υλικού και λογισμικού. Ολοκλήρωση συστήματος. Φορμαλισμοί για τη σχεδίαση Συστήματος. Παράδειγμα σχεδίασης.
Ταξινόμηση αρχιτεκτονικής υπολογιστών. Ο επεξεργαστής ARM: Οργάνωση Μνήμης, Λειτουργίες Δεδομένων, Ροή Ελέγχου.
Συσκευές εισόδου και εξόδου. Θεμελιώδη στοιχεία εισόδου και εξόδου. Είσοδος/έξοδος με αναμονή λόγω απασχόλησης.
Διακοπές. Προτεραιότητες και διανύσματα. Διακοπές στον επεξεργαστή ARM. Κατάσταση λειτουργίας επιβλέποντος, εξαιρέσεις, και παγίδες.
Κρυφές Μνήμες. Μονάδες διαχείρισης μνήμης και μετάφραση διεύθυνσης.
Διοχέτευση. Υπερβαθμωτή εκτέλεση. Χρήση κρυφής μνήμης. Κατανάλωση Ισχύος CPU. Παραδείγματα απόδοσης ενσωματωμένων συστημάτων.
Πρωτόκολλα διαύλων. Άμεση προσπέλαση μνήμης. Ρυθμίσεις του διαύλου συστήματος. Ο δίαυλος του ARM.
Οργάνωση συσκευών μνήμης. Μνήμες τυχαίας προσπέλασης. Μνήμες μόνο για ανάγνωση.
Χρονόμετρα και μετρητές. Μετατροπείς A/D και D/A. Πληκτρολόγια. Φωτοεκπέμπουσες δίοδοι. Οθόνες. Οθόνες αφής. Διασυνδέσεις συστατικών: Διασυνδέσεις μνήμης, Διασύνδεση συσκευών.
Αρχιτεκτονική συστήματος. Σχεδίαση υλικού. Ο προσωπικός υπολογιστής σαν πλατφόρμα. Ανάπτυξη και αποσφαλμάτωση. Περιβάλλοντα ανάπτυξης. Τεχνικές αποσφαλμάτωσης. Οι προκλήσεις της αποσφαλμάτωσης. Δοκιμή Κατασκευής. Παραδείγματα σχεδιασμού ενσωματωμένων συστημάτων με χρήση μικροεπεξεργαστών.
Για Ποιο λόγο χρειαζόμαστε μεθοδολογίες σχεδίασης. Ροές σχεδίασης. Προδιαγραφές: Γλώσσες Προδιαγραφών Προσανατολισμένες στον έλεγχο, Εξελιγμένες προδιαγραφές. Ανάλυση Συστήματος και Σχεδίαση Αρχιτεκτονικής.
Συστήματα σε ολοκληρωμένο κύκλωμα/τσιπ. Προκλήσεις σχεδίασης. Εργαλεία ανάλυσης. Εργαλεία σύνθεσης. Εργαλεία συν-προσομοίωσης.
