Nội dung chương 2
Chương 2: Quy trình phát triển hệ thống nhúng 2.1. Tìm hiểu phân tích yêu cầu 2.2. Thiết kế hệ thống nhúng 2.3. Thực thi hệ thống nhúng 2.4. Kiểm thử hệ thống nhúng 2.5. Triển khai bảo trì hệ thống nhúng
35
Hệ nhúng
Điều gì xảy ra nếu không có qui trình phát triển
hệ thống hoặc qui trình không tốt?
Hệ nhúng
2. Qui trình phát triển hệ thống nhúng
Hệ nhúng
2.1. Tìm hiểu phân tích yêu cầu
Giống như quá trình tìm hiểu phân tích yêu cầu
đối với phần mềm
Tuy nhiên, đối với hệ nhúng thường chú trọng
nhiều hơn đến performance • Tốc độ CPU • Bộ nhớ hỗ trợ • Realtime?
Hệ nhúng
2.1. Tìm hiểu phân tích yêu cầu
Đầu vào
• Yêu cầu của người sử dụng (khách hàng)
Theo cách nhìn của người sử dụng Chưa rõ ràng, chi tiết (đôi khi là mập mờ)
Đầu ra
• Bản đặc tả yêu cầu người dùng
Yêu cầu hệ thống dưới góc nhìn của người thiết
kế, phát triển hệ thống
Chi tiết, rõ ràng tất cả các yêu cầu của người sử
dụng
Hệ nhúng
2.2. Thiết kế hệ thống nhúng
Mô hình vòng đời thiết kế và phát triển hệ thống
nhúng
Quá trình tạo bản thiết kế hệ thống nhúng
Hệ nhúng
Mô hình vòng đời thiết kế và phát triển
Hệ nhúng
Mô hình vòng đời thiết kế và phát triển
Nhận xét
• Quá trình thiết kế và phát triển hệ thống gồm 4 giai đoạn: Tạo bản thiết kế, thực thi hệ thống, kiểm thử hệ thống, và bảo trì hệ thống
• Giai đoạn tạo bản thiết kế là giai đoạn quan trọng nhất và quyết định đến thành công dự án
Hệ nhúng
Quá trình tạo bản thiết kế hệ nhúng
Quá trình thiết kế cần trải qua 6 giai đoạn chính
sau đây: • Giai đoạn 1: Nắm vững kiến thức nền tảng • Giai đoạn 2: Hiểu được vòng đời thương mại của
sản phẩm (architecture business cycle - ABC)
• Giai đoạn 3: Xây dựng thiết kế tổng quan • Giai đoạn 4: Thiết kế chi tiết • Giai đoạn 5: Tài liệu hóa các thiết kế • Giai đoạn 6: Phân tích và đánh giá thiết kế
Hệ nhúng
Giai đoạn 1: Nắm vững kiến thức nền tảng
Cần nắm vững các kiến thức nền tảng cả phần
cứng lẫn phần mềm
Hiểu tổng quan về toàn bộ hệ thống mình tham
gia
Hệ nhúng
Giai đoạn 2: Nắm được ABC của sản phẩm
Hệ nhúng
Giai đoạn 2: Nắm được ABC của sản phẩm
Từ Architecture Business Cycle của hệ nhúng có
thể suy ra: • Hệ nhúng không chỉ được thiết kế trên cơ sở các yêu cầu về mặt kỹ thuật mà còn phụ thuộc rất nhiều yếu tố khác
• Ví dụ: Cùng là thiết kế một chiếc TV
Technical requirement là hoàn toàn giống nhau Tuy nhiên mỗi hãng khác nhau lại cho ra một thiết
kế riêng của mình
lý do tại sao?
Hệ nhúng
Giai đoạn 2: Nắm được ABC của sản phẩm
Giai đoạn 2 gồm các bước nhỏ sau đây
• Bước 1: Liệt kê tất cả các ảnh hưởng có thể tác
động đến yêu cầu của hệ thống (không chỉ có các yếu tố kỹ thuật)
• Bước 2: Phân loại các yếu tố ảnh hưởng: yếu tố nào là kỹ thuật, yếu tố nào là yếu tố kinh doanh, yếu tố con người…
• Bước 3: Từ 2 bước trên thu thập yêu cầu cho
hệ thống
• Bước 4: Xác định các thành phần phần cứng, phần mềm có thể thỏa mãn yêu cầu hệ thống
Hệ nhúng
Giai đoạn 2: Nắm được ABC của sản phẩm
Tính thương mại của sản phẩm
Thời gian phát triển sản phẩm
Time-to- Market
Trên thực tế, hầu hết các hệ nhúng đều dùng các đặc trưng chung của ABCs là tiêu chí đầu Mô tả Đặc trưng Các Ảnh hưởng tiên để thu thập requirement Sellability Business [Sales, Marketing, Management …]
Cost Giá thành của sản phẩm
Device lifetime Vòng đời của sản phẩm ngoài thị
trường, vòng đời của sản phẩm thực tế…
Schedule, Capability, Risks Lịch trình từng bước để phát triển sản phẩm, khả năng của sản phẩm, các rủi ro có thể phát sinh
Hệ nhúng
Giai đoạn 2: Nắm được ABC của sản phẩm
Đặc trưng Mô tả
Các Ảnh hưởng
Technical Performance Tốc độ, khả năng lưu trữ, độ chính xác…
User- friendliness Dễ sử dụng, giao diện thân thiện đẹp mắt…
Modifiability Khả năng dễ dàng sửa đổi, nâng cấp
Security
Tính bảo mật của hệ thống, khả năng chống bẻ khóa, chống hacker…
Reliability
Hệ thống có bị hỏng hóc, ngừng hoạt động đột ngột? Khi có sự cố xảy ra hệ thống phản ứng thế nào…
Portability
Khả năng phần mềm có thể chạy trên nhiều phần cứng khác nhau, hay phần cứng có tương thích với nhiều nền tảng phần mềm khác nhau
Hệ nhúng
Giai đoạn 2: Hiểu ABCs của hệ nhúng
Đặc trưng Mô tả
Các Ảnh hưởng
Technical Testability
Hệ thống có dễ kiểm tra, phát hiện lỗi không
Availability Tính sẵn sàng
Standards Các tiêu chuẩn cần tuân thủ
Schedule
Hệ nhúng
Giai đoạn 2: Hiểu ABCs của hệ nhúng
Đặc trưng Mô tả
Các Ảnh hưởng
Industry Standards
Các chuẩn công nghiệp, có thể do thị trường qui định (Ví dụ: chuẩn TV, chuẩn cho các thiết bị y tế, chuẩn mạng…)
Testability Xem trong phần technical ở trên
Quality Assurance
Availability
Khi nào thì hệ thống sẵn sàng cho việc test
Schedule Xem trong phần business ở trên
QA standards ISO 9000, ISO 9001…
Customer Cost Giá của thiết bị, giá vận hành bảo trì…
Xem trong phần bussiness ở trên
User friendliness
Performance Xem trong phần technical ở trên
Hệ nhúng
Xác định các thành phần phần cứng, mềm
Để xác định các thành phần phần cứng phần
mềm thỏa mãn requirements • Liệt kê các kịch bản thỏa mãn mỗi yêu cầu • Đưa ra các chiến lược (cách giải quyết) cho mỗi
kịch bản ở trên
• Dựa vào các chiến lược ở trên đưa ra các chức năng cần thiết phải có trong hệ thống, từ đó liệt kê các phần cứng và phần mềm
Hệ nhúng
Liệt kê các kịch bản thỏa mãn yêu cầu
Ví dụ kịch bản thõa mãn yêu cầu về performance
Hệ nhúng
Liệt kê các kịch bản thỏa mãn yêu cầu
Ví dụ kịch bản thỏa mãn yêu cầu về tính
testability của hệ thống
Hệ nhúng
Đưa ra các chiến lược giải quyết các kịch bản
Ví dụ chiến lược giải quyết kịch bản thỏa mãn
yêu cầu performance
Hệ nhúng
Đưa ra các chiến lược giải quyết các kịch bản
Ví dụ chiến lược giải quyết kịch bản thỏa mãn
yêu cầu testability
Hệ nhúng
Giai đoạn 3: Xây dựng thiết kế tổng quan
Đưa ra danh sách các thành phần phần cứng và
phần mềm mà hệ thống cần có
Mối quan hệ giữa các thành phần với nhau Thường tiến hành thiết kế theo kiểu top-down và
đưa ra mô hình phân tầng • Phân rã hệ thống thành các chức năng con • Phân rã các chức năng con thành các chức năng
nhỏ hơn nữa
Hệ nhúng
Giai đoạn 3: Xây dựng thiết kế tổng quan (basic design)
Ví dụ: Thiết kế TV set-top box
Hệ nhúng
Giai đoạn 3: Xây dựng thiết kế tổng quan
Sau khi có mô hình phân tầng, tiến hành chọn lựa các thành phần phần cứng và phần mềm
Các tiêu chí để lựa chọn
• Giá thành • Time-to-market • Performance • Môi trường phát triển, các tools debugs
Hệ nhúng
Chọn lựa các thành phần phần cứng và phần mềm
Cách phổ biến nhất để tiến hành lựa chọn các
thành phần phần cứng và phần mềm là lập bảng phân tích đặc trưng cho mỗi yêu cầu của từng sản phẩm
Hệ nhúng
Ví dụ: Chọn ngôn ngữ lập trình
MHP: Multimedia home platform
ATVEF: Advanced Television Enhancement Forum
Hệ nhúng
Ví dụ: Chọn hệ điều hành
Các tiêu chí có thể đưa ra để chọn lựa
• Giá thành • Môi trường phát triển, tool debug • Size • None kernel libraries: device driver, file system,
networking stack…
• Standard support • Performance • Portability • …
Hệ nhúng
Ví dụ: Chọn hệ điều hành được sử dụng cho hệ nhúng
OS Tools Portability Non-kernel Processo …
Scheduling time r
vxWork BSP …
Hard real-time, priority based
x86, MIPS, ARM, PPC
Tornado IDE, Singer step debugger…
Device driver, graphics, networking …
Linux
Depend on vendor, some with no BSP Depend on vendor (x86, ARM…)
Depend on vendor for developme nt IDE, gcc… Depend on vendor, some are hard real- time, some are soft Device driver, graphics, networking …
BSP Real time …
Window CE Visual studio x86, ARM…
Device driver, graphics, networking …
Hệ nhúng
Giai đoạn 4: Thiết kế chi tiết
Có nhiều kỹ thuật thiết kế kiến trúc hệ thống Kỹ thuật thông dụng và được ưa dùng nhất là
mô hình “4+1”
Hệ nhúng
Mô hình cấu trúc “4+1”
“4”: Đưa ra thiết kế cấu trúc hệ thống từ 4 góc
nhìn khác nhau
Thành phần “+1”: đóng vai trò đánh giá và đảm
bảo 4 cấu trúc trên đồng nhất
Hệ nhúng
Mô hình cấu trúc “4+1”
Cấu trúc 1: logical structure là cấu trúc module của hệ thống (sơ đồ khối) đưa ra các thành phần phần cứng phần mềm, mối quan hệ giữa thành phần
Cấu trúc 2: process structure đối với các hệ thống có hệ điều hành, cấu trúc process giải quyết các yêu cầu phi chức năng như performance, system integrity, resource availability…
Hệ nhúng
Mô hình cấu trúc “4+1”
Cấu trúc 3: development structure đưa ra môi trường phát triển hệ thống: IDE, debugger, ngôn ngữ lập trình… Cấu trúc này đưa ra cách mapping hệ thống phần cứng và phần mềm vào trong môi trường phát triển
Cấu trúc 4: deployment/physical structure đưa
ra cách đồng bộ hệ thống phần mềm với hệ thống phần cứng
Hệ nhúng
Giai đoạn 5: Tài liệu hóa các thiết kế
Các chuẩn để viết các tài liệu thiết kế rất đa dạng tùy thuộc vào từng ngành công nghiệp, từng công ty hay các nhóm phát triển…
Thông thường quá trình tài liệu hóa thường có 2 bước • Bước 1: Viết overview về hệ thống, gồm có các cấu trúc
nào, các mối quan hệ giữa các cấu trúc
• Bước 2: Viết chi tiết cho từng cấu trúc cụ thể
Không có template chuẩn để viết các tài liệu cho hệ
thống embedded, tuy nhiên có thể dùng các ngôn ngữ mô hình hóa thông dụng • UML • ADD • …
Hệ nhúng
Giai đoạn 5: Tài liệu hóa các thiết kế
Ví dụ UML
Hệ nhúng
Giai đoạn 6: Phân tích và đánh giá thiết kế
Thông thường bản thiết kế cần được đánh giá
bởi một nhóm
Trong nhóm đánh giá cần có người không thuộc nhóm thiết kế, phát triển để đảm bảo tính khách quan và tránh bị tư duy theo lối mòn
…
Hệ nhúng
2.3. Thực thi hệ thống nhúng
Quá trình thực thi hệ thống nhúng thường trải
qua các giai đoạn sau Giai đoạn 1: Cài đặt môi trường phát triển Giai đoạn 2: Thiết kế mạch phần cứng Giai đoạn 3: Porting hệ điều hành, viết firmware Giai đoạn 4: Viết phần mềm điều khiển, giao tiếp
trên PC
Hệ nhúng
Giai đoạn 1: Cài đặt môi trường phát triển
Cài đặt IDE Cài đặt SDK Compiler, cross compiler Thiết lập kết nối host-target …
Hệ nhúng
Giai đoạn 2: Thiết kế mạch phần cứng
Thiết kế sơ đồ nguyên lý Thiết kế sơ đồ mạch in Đặt mạch, hàn thiết bị lên mạch
Hệ nhúng
Giai đoạn 3: Porting hệ điều hành, viết firmware
Đối với các hệ nhúng có hệ điều hành
• Porting hệ điều hành • Cài đặt các driver cần thiết
Đối với các hệ không có hệ điều hành
• Viết firmware
Giao tiếp với các ngoại vi Giao tiếp với máy tính
Hệ nhúng
Giai đoạn 4: Viết phần mềm điều khiển giao tiếp trên PC
Phần mềm trên PC đóng vai trò điều khiển, hoặc
cập nhật dữ liệu cho board mạch cứng
Ngay cả với các hệ nhúng hoạt động độc lập,
thường vẫn cần viết phần mềm trên PC để giao tiếp với board mạch cứng • Test các chức năng mạch • Giả lập các môi trường thực tế • …
Hệ nhúng
2.4. Kiểm thử hệ thống nhúng
Về cơ bản cũng giống như qui trình kiểm thử phần
mềm
Gồm các bước sau • Lập test plan • Viết các test case • Tiến hành test, và phản hồi tới đội phát triển
Các mức kiểm thử
• Unit test • Integration test • System test • Acceptance test • Regression test
Hệ nhúng
2.4. Kiểm thử hệ thống nhúng
Ở đây xin đưa ra một số lưu ý và trình tự kiểm
thử thông dụng 1) Sau khi thiết kế xong mạch phần cứng, kiểm tra thông mạch đảm bảo mạch phần cứng không có vấn đề như bị đứt dây ngầm, chập các điểm…
2) Kiểm tra module nguồn Đảm bảo module nguồn cấp đúng mong muốn, không bị quá dòng, quá áp…
3) Kiểm tra IC chính (IC sẽ được nạp firmware)
Hệ nhúng
2.4. Kiểm thử hệ thống nhúng
3) Kiểm tra IC chính
• Kiểm tra nguồn cấp đến chân nguồn, chân GND
của IC
• Nạp thử chương trình để kiểm tra mạch nạp có
nhận đúng IC 4) Kiểm tra các ngoại vi 5) Kiểm tra firmware và phần mềm trên PC
Hệ nhúng
2.5. Triển khai bảo trì hệ thống nhúng
Qui trình triển khai bảo trì bao gồm các bước sau
• Lập kế hoạch triển khai • Cung cấp tài liệu hướng dẫn vận hành, sử dụng,
tổ chức đào tạo vận hành hệ thống
• Ghi nhận các lỗi phát sinh • Tiến hành sửa chữa đảm bảo hệ thống vận hành
đúng theo yêu cầu thực tế
Hệ nhúng
Bài tập thảo luận
Phân nhóm thực hiện hai công đoạn trong quy
trình phát triển hệ nhúng: bắt yêu cầu và thiết kế tổng quan.
80
