سرفصل درس سیستم های نهفته

سیستم های نهفته (شماره درس: ۴٠۴۶٢)

Embedded Systems

اهداف درس سیستم های نهفته

سیستم نهفته یک سیستم کامپیوتری است که درون سیستم دیگری که معمولا غیرکامپیوتری است تعبیه (نهفته) شده است و وظایفی از جمله مدیریت و کنترل سیستم بزرگتر را بر عهده دارد. آمارهای موجود از کاربرد کامپیوترها نشان می دهد که اکثریت کامپیوترها در دنیا (بیش از ٨٠ درصد) به شکل نهفته هستند. همچنین سیستم های نهفته پایه ی مفاهیم مهمی در مهندسی کامپیوتر مانند سیستم های سایبرفیزیکی و اینترنت اشیاء هستند. هدف از این درس آشنایی با طراحی و تحلیل سیستم های نهفته است. همچنین در این درس دانشجویان با معماری، ساختار سخت افزاری، نرم افزار، و چگونگی برنامه نویسی برای سیستم های نهفته آشنا می شوند.

سرفصل های درس سیستم های نهفته

1. مقدمه (١ جلسه)
   • معرفی سیستم های نهفته، مشخصات سامانه های نهفته، اهمیت سامانه های نهفته، کاربردهای سامانه های نهفته، حسگرها و فعال سازها، سیستم های Reactive
2. میکروکنترلرها به عنوان عنصر کلیدی سامانه های نهفته (٢ جلسه)
   • معرفی میکروکنترلر، دلایل اهمیت میکروکنترلر در سامانه های نهفته، معماری میکروکنترلر، تبدیل آنالوگ به دیجیتال، پورت ها، ارتباطات سریال در میکروکنترلرها، یک مثال از سیستم های کنترلی خودکار
3. مدیریت منابع و وظایف در میکروکنترلرها (٣ جلسه)
   • پیاده سازی نرم افزاری یک سیستم نهفته، نقش حلقه های نامحدود،Emulator، Remote ،Debugger، نحوه ی برقراری ارتباط با میکروکنترلر از محیط پیرامون، حافظه در میکروکنترلرها
4. مروری بر بسترهای سخت افزاری رایج سیستم های نهفته (۶ جلسه)
   • مروری بر بردهای سخت افزاری Arduino و Raspberry Pi به عنوان بسترهای سخت افزاری رایج کاربردهای نهفته، مقایسه و کاربردهای آن ها، مروری بر روش های توسعه ی نرم افزار برای این بسترها
5. برنامه نویسی مبتنی بر اتوماتا (۴ جلسه)
   • مفهوم برنامه ریزی مبتنی بر اتوماتا، کاربرد برنامه ریزی مبتنی بر اتوماتا در توصیف سیستم های Reactive، ساختار سلسله مراتبی در برنامه ریزی مبتنی بر اتوماتا، مزایای برنامه ریزی مبتنی بر اتوماتا برای طراحی سیستم های نهفته، توصیف واکنش به صورت Mealy و Moore در برنامه ریزی مبتنی بر اتوماتا
6. زبان StateCharts (٣ جلسه)
   • MoC در StateCharts، توصیف سلسله مراتبی در Or-Super-State،  StateCharts و AND-Supers-state طراحی پیمانه ای درStateChart ،مثال از توصیف یک سیستم نهفته با StateChate ( سیستم منشی تلفنی) Timer ها در stateChat اهمیت timer ها در توصیف بی درنگی، توصیف رخداد، شرط و واکنش درStateChat ،مراحل شبیه سازی(اجرا)کدStateChat
7. بی درنگی، انرژی مصرفی و قابلیت اطمینان در سیستم های نهفته (۴ جلسه)
   • روش های سطح سیستم کاهش انرژی مصرفی در سیستم های نهفته، روش های افزونگی زمانی بهبود قابلیت اطمینان در سیستم های نهفته، اهمیت بی درنگی در سیستم های نهفته، مروری بر مصالحه میان بی درنگی، انرژی مصرفی و قابلیت اطمینان در سیستم های نهفته
8. معرفی اینترنت اشیا و نقش تعیین کننده ی سامانه های نهفته در شکل گیری آن (٧ جلسه)
   • بررسی تعاریف ارائه شده برای اینترنت اشیاء، تفاوت اینترنت اشیا با سامانه های سایبرفیزیکی و شبکه های حسگر بی سیم، بررسی تاریخچه و خواستگاه اینترنت اشیا، کاربردها در دنیای نوین، معماری های اینترنت اشیا و تبیین جایگاه هر کدام از لایه ها با تأکید بر لایه ی شبکه، نقش و اهمیت ارتباطات در سامانه های اینترنت اشیا، معرفی ارتباطات D2D و چالش های پیرامون آن، اهمیت استفاده مناسب از پهنای باند در اینترنت اشیا، معرفی NBIOT، معرفی Flashlinq ،معرفی و بررسی جایگاه نسل پنجم ارتباطات (5G) در ارتباطات اینترنت اشیا، بررسی چالش های اینترنت اشیا، چالش انرژی و توان مصرفی در گره های موجود در زیرساخت، اشاره به مباحث مطرح در امنیت و حریم خصوصی در اینترنت اشیا، روش های ارزیابی انرژی مصرفی در کاربردهای اینترنت اشیاء

ارزیابی درس سیستم های نهفته

• تمرین ها: ٣ نمره
• پروژه: ٢ نمره
• آزمون های میان ترم و پایان ترم: ١٣ نمره
• آزمونک ها: ٢ نمره ی تشویقی

مراجع درس سیستم های نهفته

[1] Peter Marwedel. Embedded System Design. 1st edition, Springer, 2006.

[٢].1387احمد کاردان و سید امیر اصغری. “کاربرد سیستم های نهفته در اندازه گیری و کنترل”، کیان رایانه ی سبز

[3] Adrian McEwen and Hakim Cassimally. Designing the Internet of Things. 1st edition, Wiley, 2013.
[4] Online documents on Raspberry Pi and Arduino.