کتاب Embedded System Design

کتاب Embedded System Design, 3rd Edition (طراحی سیستم جاسازی شده، ویرایش سوم) مفاهیم مربوط به سیستم حاسازی شده و نکات مرتبط به آن را در 13 فصل مختلف شرح می‌دهد.

در ادامه مقدمه‌ای از کتاب The Future of Sales را از زبان نویسنده شرح خواهیم داد.

مقدمه‌ای بر کتاب Embedded System Design:

ویرایش سوم کتاب شامل دو فصل جدید – حسگر‌ها و محرک‌ها و امنیت در سیستم‌های جاسازی شده است. همانطور که سیستم‌های تعبیه شده بیشتر و بیشتر با محیط تعامل دارند، انواع مختلفی از حسگر‌ها توسط آن‌ها برای دریافت پارامتر‌های ورودی استفاده می‌شود.

یک متخصص سیستم تعبیه شده باید دانش خوبی در مورد انواع این حسگر‌ها، اصول کار، هزینه و غیره داشته باشد و باید بتواند از بین گزینه‌های مختلف موجود – برای طراحی برنامه کاربردی مناسب را انتخاب کند. در این نسخه جدید یک فصل کامل به همین موضوع اختصاص یافته است.

با پارامتر‌های سنسور‌ها و طبقه‌بندی آن‌ها شروع می‌شود و سپس در مورد سنسور‌های موقعیت خطی و چرخشی، سنسور‌های کرنش، سنسور‌های دما، سنسور‌های شتاب، حسگر‌های مجاورت، سنسور‌های اثر هال و غیره بحث می‌شود. چندین نوع عملگر نیز برشمرده شده است.

فصل ۱۲ این کتاب نگرانی‌های امنیتی برای طراحی سیستم‌های جاسازی شده را مورد بحث قرار می‌دهد. از آنجایی که سیستم‌های تعبیه‌شده با باتری کار می‌کنند و فناوری باتری با سرعت فناوری محاسباتی پیشرفت نمی‌کند، شکاف باتری به طور فزاینده‌ای توسط طراحان سیستم احساس می‌شود.

از آنجایی که سیستم‌های تعبیه‌شده عمدتاً دارای محدودیت منابع هستند، بر خلاف سایر سیستم‌های محاسباتی، اجرای پروتکل‌های امنیتی دقیق در آن‌ها اغلب دشوار است.

از سوی دیگر، افزایش استفاده از سیستم‌های تعبیه شده در عملیات حیاتی ایمنی، که اغلب با اطلاعات محرمانه سروکار دارند، امنیت را به یک جنبه بسیار مهم تبدیل کرده است. این فصل آسیب‌پذیری‌هایی را که چنین سیستمی با آن مواجه است، مورد بحث قرار می‌دهد.

سطوح مختلف طراحی و استفاده از سیستم ممکن است نگرانی‌های امنیتی متفاوتی داشته باشد. چالش‌های طراحی یک سیستم جاسازی شده ایمن برشمرده شده است.

انواع مختلفی از حملات امنیتی که ممکن است بر روی یک سیستم تعبیه شده رخ دهد و استراتژی‌های احتمالی پیشگیری از آن‌ها نیز به تفصیل بیان شده است. یک مطالعه موردی در مورد نگرانی‌های امنیتی کارت هوشمند برای درک بهتر موضوع گنجانده شده است.

با گنجاندن این دو فصل، کتاب Embedded System Design ویرایش سوم در حال حاضر شامل سیزده فصل است که کتاب را کاملتر و آموزنده‌تر می‌کند. من معتقدم که نسخه جدید برای دانشجویان و متخصصان شاغل در حوزه سیستم‌های جاسازی شده ارزش زیادی خواهد داشت. انتظار می‌رود مانند نسخه‌های قبلی، نسخه حاضر نیز مورد استقبال گسترده‌ای در دنیای آکادمیک و حرفه‌ای قرار گیرد.

پیشگفتار چاپ اول کتاب Embedded System Design

پیش‌بینی می‌شود که سیستم‌های جاسازی شده تقریباً در هر سیستم الکتریکی/الکترونیکی، به شکل موتور محاسباتی که درون آن‌ها گنجانده شده‌اند، وجود داشته باشند، که اغلب توسط کاربران سیستم‌ها مورد توجه قرار نمی‌گیرد.

به همین دلیل، مهندسان الکترونیک آینده باید به روش‌شناسی طراحی چنین سیستم‌هایی مجهز شوند. تخصص فقط در یک یا چند حوزه، مانند سخت‌افزار، نرم‌افزار، شبکه و غیره ممکن است برای این که طراح را قادر به تصمیم‌گیری عاقلانه در مورد پلت فرم‌های پیاده‌سازی و تکنیک‌های طراحی برای راه حل‌های مقرون به صرفه برای مشکلات طراحی کند، کافی نباشد.

دانش کلی از تمام زمینه‌ها با مزایا و معایب جایگزین‌های طراحی برای طراحی چنین سیستم‌هایی ضروری است. به عنوان یک موضوع، سیستم تعبیه شده تلفیقی از زمینه‌هایی مانند معماری کامپیوتر، سیستم‌های عامل، مدل‌سازی محیط واقعی، استاندارد‌های رابط، شبکه، الگوریتم‌ها و غیره است.

کتاب Embedded System Design تلاشی است برای دربرگرفتن ملزومات همه این زمینه‌ها به ویژه در رابطه با طراحی سیستم‌های جاسازی شده بلادرنگ. حجم کتاب در حد معقول نگه داشته شده است تا بتوان مطالب را در یک ترم پوشش داد. کتاب در ده فصل تنظیم شده است.

فصل ۱ کتاب Embedded System Design، مفهوم سیستم تعبیه شده را معرفی می‌کند و ویژگی‌های آن را برای تمایز آن از دسکتاپ و سایر پلت فرم‌های محاسباتی برمی شمارد.

ویژگی‌های چنین سیستمی و معیار‌های رایج طراحی را به دقت بررسی می‌کند. جریان طراحی چنین سیستمی توضیح داده می‌شود و فهرست ابزار‌ها و کتابخانه‌هایی را که در مراحل مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد، نشان می‌دهد.

فصل ۲ کتاب Embedded System Design، یکی از پرکاربردترین پلتفرم‌ها را برای تحقق سیستم تعبیه‌شده ارائه می‌کند – میکروکنترلر‌ها. پس از معرفی ویژگی‌های اولیه میکروکنترلر‌ها، به تفصیل یکی از پیشرفته‌ترین پردازنده‌های تعبیه‌شده یعنی پردازنده ARM را مورد بحث قرار می‌دهد. ابتدا تاریخچه آن ارائه شده است.

به دنبال آن ویژگی‌های مختلف معماری جذاب حسابداری ARM برای محبوبیت آن وجود دارد. مجموعه دستورالعمل آن به تفصیل مورد بحث قرار گرفته است. هر دو مجموعه دستورالعمل ARM و THUMB ارائه شده‌اند. برخی از نمونه برنامه‌های زبان اسمبلی نیز به عنوان مثال آورده شده است.

فصل ۳ کتاب Embedded System Design، مروری بر سایر پلتفرم‌های سخت‌افزاری برای تحقق سیستم تعبیه شده ارائه می‌کند. این‌ها عبارتند از FPGA، DSP، ASIC، و غیره. بحث بسیار مفصل در مورد آن‌ها خارج از محدوده کتاب Embedded System Design است. از این رو، ویژگی‌های مهمی برای FPGA و DSP ارائه شده است که طراح را قادر می‌سازد تا در مورد پلت فرم طراحی تصمیم‌گیری کند.

فصل ۴ کتاب Embedded System Design، استاندارد‌های رابط را که معمولاً در طراحی سیستم‌های جاسازی شده مورد استفاده قرار می‌گیرند، برمی شمرد. این با بحث در مورد استراتژی‌های ساده، مانند رابط‌های محیطی سریال (SPI)، مدار‌های یکپارچه (IIC)، RS-۲۳۲C، و غیره آغاز می‌شود.

نسخه‌های پیشرفته، مانند RS-۴۲۲ و RS-۴۸۵ نیز ارائه شده است. به دنبال آن بحث مفصلی در مورد USB وجود دارد. استاندارد‌های فیزیکی، الکتریکی و ارتباطی USB ارائه شده است.

در مرحله بعد، به تکنیک‌های ارتباط بی‌سیم، مانند IrDA و بلوتوث پرداخته شده است. بسیاری از برنامه‌های کاربردی تعبیه شده، به ویژه در خودرو‌ها، از شبکه کنترل‌کننده منطقه (CAN) برای تبادل اطلاعات بین زیرسیستم‌ها استفاده می‌کنند. نیز مطرح شده است.

فصل ۵ کتاب Embedded System Design، در مورد تکنیک‌های مشخصات سیستم‌های تعبیه شده است. این خوانندگان را قادر می‌سازد تا با تکنیک‌های مدل‌سازی برای سیستم‌های دنیای واقعی آشنا شوند.

این با بحث در StateChart، یک نسخه اصلاح شده از ماشین‌های حالت محدود آغاز می‌شود. چندین مثال برای نشان دادن روش مشخصات گنجانده شده است. استراتژی دیگری به نام SDL دنبال می‌شود که مخصوصاً برای توصیف سیستم‌های توزیع شده مناسب است.

یک تکنیک ریاضی بسیار قدرتمند برای توصیف رفتار سیستم‌های ناهمزمان، PetriNets است. ساختار اصلی PetriNet نیز به روش‌های مختلفی برای مدیریت سیستم‌های بلادرنگ توسعه یافته است.

همه این‌ها با تعداد زیادی تصویر مورد بحث قرار گرفته است. یک روش شی گرا گرافیکی برای مشخصات سیستم تعبیه شده UML است. این شامل مجموعه‌ای از نمودار‌ها است که می‌توان از آن‌ها برای توصیف یک سیستم به صورت سلسله مراتبی استفاده کرد. تصاویر مناسب برای نشان دادن فرآیند مشخصات گنجانده شده است.

فصل ۶ کتاب Embedded System Design، به سیستم عامل‌های بلادرنگ می‌پردازد. این هسته هر سیستم جاسازی شده در زمان واقعی با اندازه متوسط بزرگ را تشکیل می‌دهد. اول، وظایف به چندین دسته، مانند وظایف نرم، محکم و سخت در زمان واقعی طبقه‌بندی شده‌اند.

الگوریتم‌های زمان‌بندی متفاوتی ارائه شده‌اند که از الگوریتم‌های بسیار ساده مبتنی بر جدول شروع می‌شود تا الگوریتم‌های پیچیده، مانند زمان‌بندی نرخ یکنواخت، اولین زمان‌بندی در اولین مهلت، و غیره.

شرایط زمان‌بندی برای مجموعه‌ای از وظایف شرح داده شده است. مزایا و معایب استراتژی‌های برنامه‌ریزی عمده مورد بحث قرار گرفته است. مشکلات مربوط به الگوریتم‌های زمان‌بندی مبتنی بر اولویت ارائه شده است. این‌ها شامل وارونگی اولویت و مشکلات بن بست مرتبط است. راه حل‌های این موارد نیز بررسی شده است.

سایر ویژگی‌های کلی سیستم عامل‌های بلادرنگ برشمرده شده است. تعدادی از این سیستم عامل‌های بلادرنگ مطالعه شده و ویژگی‌های آن‌ها مقایسه شده است.

فصل ۷ کتاب Embedded System Design، جزئیات شبیه‌سازی مشترک سخت‌افزار-نرم‌افزار را ارائه می‌کند. مشکل تأیید صحت سیستم در هر مرحله از توسعه را برطرف می‌کند. مفهوم هم‌شبیه‌سازی ارائه شده است – مقوله‌های آن مورد بحث قرار می‌گیرد.

تکنیک‌های شبیه‌سازی همگن و ناهمگن ارائه شده‌اند. همچنین موضوع مهم تولید رابط خودکار را مورد بحث قرار می‌دهد که امکان تکمیل ترکیب سخت‌افزار-نرم‌افزار را فراهم می‌کند.

فصل ۸ به مسائل مربوط به پارتیشن‌بندی سخت‌افزاری-نرم‌افزاری وظایف مربوط به یک یا چند برنامه کاربردی برای تحقق یک سیستم می‌پردازد.

مشکل پارتیشن‌بندی به عنوان ورودی یک مشخصات را می‌گیرد که به راحتی به عنوان یک نمودار وظیفه با گره‌هایی که وظایف فردی را نشان می‌دهند و یال‌ها نشان دهنده میزان تعاملات و وابستگی‌ها بین وظایف نشان داده می‌شود. تعداد زیادی الگوریتم برای حل این مشکل پارتیشن‌بندی با هدف معماری وجود دارد.

این‌ها شامل تکنیک‌های مبتنی بر برنامه‌ریزی خطی عدد صحیح (ILP)، رویکرد‌های اکتشافی (مانند الگوریتم Kernighan-Lin)، تکنیک‌های متاجستجو (مانند الگوریتم ژنتیک، بهینه‌سازی ازدحام ذرات و غیره) است.

هر یک از این دسته‌بندی‌ها مورد بحث قرار گرفته است. این مشکل برای ترکیب با زمان‌بندی و انتخاب bin پیاده‌سازی (برای انتخاب از میان گزینه‌های سخت‌افزاری برای گره‌های نگاشت شده روی سخت‌افزار و به‌طور مشابه برای نرم‌افزار) گسترش یافته است.

یکی دیگر از جنبه‌های مهم طراحی سیستم امروزی رعایت محدودیت‌های قدرت است. برخی از راه حل‌های نگاشت محدود توان نیز ارائه شده است.

فصل ۹ کتاب Embedded System Design، پارتیشن‌بندی عملکردی و بهینه‌سازی نمودار وظیفه برای یک برنامه کاربردی را مورد بحث قرار می‌دهد.

مشکل پارتیشن‌بندی عملکردی این است که یک مشخصات داده شده را بازنگری کرده و به گروه‌بندی یا اصلاح رویه‌های درون آن بهتر دست یابیم به طوری که نمودار وظیفه بهبود یافته می‌تواند به عنوان ورودی به فرآیند پارتیشن‌بندی تغذیه شود تا به راه حل‌های بهتری منجر شود.

این شامل مراحلی مانند انتخاب دانه‌بندی، پیش خوشه‌بندی و تخصیص N-way است. در سمت بهینه‌سازی، این فصل از کتاب Embedded System Design، تکنیک‌های مختلف بهینه‌سازی حلقه، الگوریتم‌های تبدیل شناور به نقطه ثابت و غیره را برمی‌شمارد. ‌ایده کلی این است که مشخصات دستی را به شکلی اصلاح کنیم که بتواند به اجرای نهایی بهتر منجر شود.

فصل ۱۰ کتاب Embedded System Design، مباحثی را در مورد تکنیک‌های کم مصرف که معمولاً در طراحی سیستم جاسازی شده دنبال می‌شوند، ارائه می‌کند. پس از ارائه تکنیک‌های اولیه اتلاف توان در یک سیستم الکترونیکی، رویکرد‌های کاهش توان را مورد بحث قرار می‌دهد. توان را می‌توان در سطوح مختلف ذخیره کرد – الگوریتم، معماری، منطق، دستگاه، و غیره.

از این رو، این‌ها به تفصیل مورد بحث قرار گرفته است. مسائل مربوط به مدیریت توان پویا برشمرده شده است. مکانیسم‌های پیش‌بینی خاموشی برای کار‌های زمان واقعی دوره‌ای ارائه شده‌اند. استاندارد‌های ACPI برای مدیریت توان نیز مورد بحث قرار گرفته است.

کتاب Embedded System Design تلاشی برای پل زدن حوزه‌های مختلف دانش مورد نیاز یک طراح سیستم تعبیه شده است. تخمین‌زده می‌شود که در یک ترم دوره کارشناسی / کارشناسی ارشد در سیستم‌های جاسازی شده پوشش داده شود.

سرفصل‌های کتاب Embedded System Design:

• Embedded System Design, THIRD EDITION
• Copyright
• Dedication
• Contents
• Preface
• Preface to the First Edition
• Acknowledgements
• 1. Introduction
• 2. ARM: An Advanced Microcontroller
• 3. Digital Signal Processors
• 4. Field Programmable Gate Arrays
• 5. Interfacing
• 6. Sensors and Actuators
• 7. Real-time Operating System
• 8. Specification Techniques
• 9. Hardware-Software Cosimulation
• 10. Hardware-Software Partitioning
• 11. Functional Partitioning and Optimization
• 12. Security in Embedded Systems
• 13. Low Power Embedded System Design
• Bibliography
• Index
• Back cover

جهت دانلود کتاب Embedded System Design می‌توانید پس از پرداخت، دریافت کنید.