Budapest University of Technology and Economics, Faculty of Electrical Engineering and Informatics

    Belépés
    címtáras azonosítással

    vissza a tantárgylistához   nyomtatható verzió    

    Beágyazott információs rendszerek

    A tantárgy angol neve: Embedded Information Systems

    Adatlap utolsó módosítása: 2018. április 27.

    Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
    Villamosmérnöki és Informatikai Kar
    Mérnök informatikus szak, BSc képzés
    Tantárgykód Szemeszter Követelmények Kredit Tantárgyfélév
    VIMIAD00 7 2/1/0/f 3  
    3. A tantárgyfelelős személy és tanszék Dr. Péceli Gábor, Méréstechnika és Információs Rendszerek Tanszék
    A tantárgy tanszéki weboldala http://www.mit.bme.hu/oktatas/targyak/VIMIAD00
    4. A tantárgy előadója Dr. Péceli Gábor egyetemi tanár, Méréstechnika és Információs Rendszerek Tanszék
    5. A tantárgy az alábbi témakörök ismeretére épít Elsősorban az operációs rendszerek, a szoftvertechnológia és a számítógép hálózatok témaköreinek ismeretére épít, de tájékozottságot feltételez a mesterséges intelligencia és az adatbázisok témaköreiben is.
    6. Előtanulmányi rend
    Kötelező:
    NEM ( TárgyEredmény( "BMEVIMIA359" , "jegy" , _ ) >= 2
    VAGY
    TárgyEredmény("BMEVIMIA359", "FELVETEL", AktualisFelev()) > 0)

    ÉS (Training.Code=("5N-A8") VAGY Training.Code=("5NAA8"))

    A fenti forma a Neptun sajátja, ezen technikai okokból nem változtattunk.

    A kötelező előtanulmányi rendek grafikus formában itt láthatók.

    Ajánlott:
    Nincs
    7. A tantárgy célkitűzése

    A tantárgy célja a fizikai, biológiai, kémiai környezetükkel aktív, valós-idejű információs kapcsolatban álló beágyazott rendszerek létrehozásához és működtetéséhez szükséges, az informatikai alapműveltségen túlmutató speciális tudás és készségek fejlesztése gyakorlati példákon keresztül. A tantárgy elsősorban azokra a vonatkozásokra mutat rá, amelyek - a környezetünk folytonos és párhuzamos jelenségei, valamint az azt befolyásolni igyekvő számítástechnika kifejezetten szekvenciális jellegéből adódóan - fokozott odafigyelést és alaposabb felkészültséget igényelnek. Ennek érdekében kiemelten szerepel a tartósan autonóm és valós-idejű működés, valamint a szolgáltatás-biztonság követelményeit figyelembe vevő tervezési elvek bemutatása.

    A tantárgy követelményeit eredményesen teljesítő hallgatóktól elvárható, hogy átfogó ismeretekkel rendelkezzenek a beágyazott információs rendszerekkel szemben támasztható és támasztandó követelményekről, ismerjék a valós idejű programvégrehajtás és feladat-szinkronizálás alapvető módszereit, az elosztott rendszerek kommunikációjának alapjait, továbbá biztonságos működtetésük legfontosabb szempontjait.

    Mindezek révén a hallgatók képessé válnak arra, hogy alkotó módon hozzájáruljanak olyan problémák megoldásához, amelyek tipikusan beágyazott számítógépek és hálózataik fizikai folyamatokkal történő integrációja kapcsán merülnek fel, nevezzék azokat akár mindenütt jelenlevő informatikának, akár tárgyak internetének, akár kiberfizikai rendszernek, akár életvitelt segítő információtechnológiának.

    8. A tantárgy részletes tematikája

    1. hét (2 óra előadás, 1 óra gyakorlat)

    Előadás: 1. Bevezetés: A jelen és a jövő beágyazott rendszerei: Befogadó környezetek-befogadott eszközök. Beágyazott rendszer funkciók. A beágyazott szoftver, mint univerzális rendszerépítő eszköz. A beágyazott eszközök együttműködése: rendszerek rendszerei. A beágyazott eszközök és az internet. Trendek és szóhasználatok. Európai kezdeményezések. Kihívások.

    Gyakorlat: Példák az időviszonyok sajátosságaira beágyazott rendszerekben. Relativisztikus hatás, ET-TT, HRT-SRT rendszerek jellemzése.

    2. hét (2 óra előadás, 1 óra gyakorlat)

    Előadás: Bevezetés folyt.: Megegyezés protokollok jelentősége. A válaszidő elvárások teljesíthetősége. 2. Ütemezés beágyazott rendszerekben: Ciklikus, időosztásos, prioritásos. Deadline Monotonic Analysis (DMA) módszer.

    Gyakorlat: DMA CAN buszos rendszerekben: worst-case válaszidő számítása.

    3. hét (2 óra előadás, 1 óra gyakorlat)

    Előadás: Ütemezhetőség, ütemezhetőségi tesztek. Rate Monotonic (RM), Earliest Deadline First (EDF) ütemezések, az EDF ütemezhetőség bizonyítása. Ütemezés nem független taszkok esetén. Prioritás öröklés. Prioritás felső-határ protokollok (PCP, IPCP).

    Gyakorlat: PCP és IPCP protokollok alkalmazása.

    4. hét (2 óra előadás, 1 óra gyakorlat)

    Előadás: Processzor-igény módszer. Ütemezés periódusidőnél rövidebb határidők esetén. Hibatűrő ütemezés. Periodikus és aperiodikus taszkok együttes kezelése.

    Gyakorlat: Háttérbeni ütemezés. Fix prioritású szerverek: Polling Server, Deferrable Server, Priority Exchange Server, Sporadic Server. Slack Stealing. Dual priority Scheduling.

    5. hét (2 óra előadás, 1 óra gyakorlat)

    Előadás: 3. Memória menedzsment időviszonyai: Multitasking rendszerek memóriakezelése. Erőforrás kezelés időviszonyai. 4. Időmérés, időszolgáltatás, órák szinkronizálása: A digitális időmérés elvei. Kis időtartamok mérése.

    Gyakorlat: Időmérés eszközeinek pontossága.

    6. hét (2 óra előadás, 1 óra gyakorlat)

    Előadás: Az órák, mint a valós idő adott pontosságú forrásai. A referencia óra, helyes óra, pontos óra. Óra drift. Óra ofszet. Együttfutás. Pontosság. Időintervallum mérés elosztott rendszerekben.  A make időviszonyai. Órarendszerek típusai. Idő standardok. Berkeley algoritmus. Cristian algoritmus. Master-slave algoritmusok.

    Gyakorlat: Elosztott óra szinkronizálási algoritmusok. Szinkronizációs üzenet jittere. Hibatűrő átlagolás algoritmus.

    7. hét (2 óra előadás, 1 óra gyakorlat)

    Előadás: 5. Mennyiségek, változók valós idejű rendszerekben: RT változók. RT változók képe. Megfigyelések: állapot megfigyelés, esemény megfigyelés, indirekt megfigyelés. RT objektumok. Időbeni pontosság. Állandóság. Akció késleltetés. Idempotencia.

    Gyakorlat: A befogadó környezet modellezése. A mérési eljárás, mint megfigyelő. Példák konvergens eljárásokra.

    8. hét (2 óra előadás, 1 óra gyakorlat)

    Előadás: A befogadó környezet modellezése, a modell beépülése a működtető programba. A modell-illesztések alapkoncepciói. A mintavételezés, a lekérdezés és a megszakítás rendszer-technikája. A replikátum determinizmusának követelménye.

    Gyakorlat: Regressziós sémák, paraméter-illesztés, paraméter adaptáció. Órák reprezentálása regressziós eljárással.

    9. hét (2 óra előadás, 1 óra gyakorlat)

    Előadás: 6. Valós idejű kommunikáció: A kommunikáció időviszonyai: az adatáramlás szabályozásának időigénye. PAR protokollok. Az idővezérelt architektúra (TTA). Az idővezérelt protokollok (TTP) főbb jellemzői. Teljesítőképességi határok. A protokolltervezés alapvető konfliktusai.

    Gyakorlat: A kommunikáció közegek időviszonyai. A fizikai szintű kódolás szinkronizációs eszközei. Időszinkronizáció vezetéknélküli hálózatokban.

    10. hét (2 óra előadás, 1 óra gyakorlat)

    Előadás: 7. Beágyazott operációs rendszerek: RT kernelek feladata. Standard operációs rendszerek RT kiegészítései. RT Linux. Virtualizáció beágyazott rendszerekben. Microkernel technológia.

    Gyakorlat: Beágyazott operációs rendszer szolgáltatások alkalmazási kérdései.

    11. hét (2 óra előadás, 1 óra gyakorlat)

    Előadás: 8. Szenzorhálózatok: Felépítésük, képességeik. A TinyOS fejlesztési környezet. Kommunikáció szenzorhálózatokban. CSMA problémák. Útvonalválasztás kérdései.

    Gyakorlat: Beágyazott rendszerek energiaviszonyai. CMOS áramkörök energiaigénye. Energiafogyasztás optimalizálása. Dynamic Voltage Scaling. Dinamikus teljesítmény menedzsment.

    12. hét (2 óra előadás, 1 óra gyakorlat)

    Előadás: 9. Hatékony implementáció: A modellezés és szabályozás nem-konvencionális eszközei beágyazott rendszerekben: kvalitatív és fuzzy modellezés és szabályozás alapkoncepciói. Hibrid rendszerek.

    Gyakorlat: Példák egyszerű hibrid rendszerekre: termosztát időzítéssel, vezető nélküli targonca vezérlése.

    13. hét (2 óra előadás, 1 óra gyakorlat)

    Előadás: 10. Biztonságkritikus rendszerek: Biztonsági követelmények. Megbízhatósági mértékek. Redundanciák alkalmazása. Állandósult hardver hibák kezelése. Szoftver hibák kezelése.

    Gyakorlat: Megbízhatósági blokkdiagram. Rendszer megbízhatósági számítási módszerei.

    14. hét (2 óra előadás, 1 óra gyakorlat)

    Tartalék oktatási szünetekre.

    9. A tantárgy oktatásának módja (előadás, gyakorlat, laboratórium) Előadás és gyakorlat.
    10. Követelmények

    a.   A szorgalmi időszakban: Két sikeres nagyzárthelyi, továbbá egy házi feladat előírt színvonalú elkészítése. A házi feladat az előadáson megismert módszerek és számítási eljárások begyakoroltatását szolgálják. A kredit megszerzésének feltétele külön-külön a nagyzárthelyikre és a házi feladatra kapható maximális 40 pont 40%-ának, 16 pontnak az elérése. Az osztályzatot a nagyzárthelyik és a feladat összpontszáma alapján állapítjuk meg. Az elért összpontszámot az elérhető maximális pontszámhoz viszonyítjuk, és az alábbiak szerint osztályozunk:

    • 40% -tól, de 52.5% alatt: elégséges (2)
    • 52.5%-tól, de 65% alatt: közepes (3)
    • 65%-tól, de 80% alatt: jó (4)
    • 80%-tól: jeles (5)

    b.   A vizsgaidőszakban: nincs.

    c.   Elővizsga: nincs.

    11. Pótlási lehetőségek

    A nagyzárthelyik egyszeri pótlására a szorgalmi időszakban vagy a pótlási héten biztosítunk lehetőséget. A házi feladat - a kiadáskor rögzített - határidőre adandó be, pótlása a pótlási hét utolsó munkanapjáig lehetséges.

    12. Konzultációs lehetőségek

    Egyéni megbeszélés szerint.

    13. Jegyzet, tankönyv, felhasználható irodalom

    [1]  Péceli G., Beágyazott információs rendszerek. Elektronikus jegyzet.

    [2]  E. A. Lee and S. A. Seshia, Introduction to Embedded Systems - A Cyber-Physical Systems Approach, Second Edition, LeeSeshia.org, 2015.

    [3] H. Kopetz: Real-Time Systems, Design Principles for Embedded Applications, Kluwer Academic Publishers, 1997.

    [4]  Giorgio Butazzo, Hard Real-Time Computing Systems: Predictable Scheduling Algorithms and Applications, Kluwer, 1997.

    [5] Jane W.S. Lu, Real-Time Systems, Prentice-Hall, 2000.

    14. A tantárgy elvégzéséhez átlagosan szükséges tanulmányi munka
    Kontakt óra42
    Félévközi készülés előadásra8
    Félévközi készülés gyakorlatra 7
    Felkészülés zárthelyire18
    Házi feladat elkészítése15
    Összesen90
    15. A tantárgy tematikáját kidolgozta

    Név:

    Beosztás:

    Tanszék, Int.:

    Dr. Péceli Gábor

    egyetemi tanár

    MIT

    IMSc tematika és módszer

    Az IMSc program hallgatói számára emelt szintű fakultatív házi feladatokat kínálunk. Alapvető célunk az, hogy a hallgatókat a tananyag mélyebb megismerésére ösztönözzük, ugyanakkor fakultatív feladatokkal választási lehetőségeket is kínáljunk számukra.

    IMSc pontozás

    A tantárgyból maximum 15 IMSc pont szerezhető, amire összesen 20 pontnyi választási lehetőséget kínálunk az alábbiak szerint:

    • Zárthelyin (pótzárthelyin) maximum 5 IMSc pont szerezhető emelt szintű feladat megoldásáért.
    • Fakultatív házi feladatok emelt szintű megoldásáért összesen maximum 10 IMSc pont szerezhető.

    Az IMSc pontok gyűjtése teljesen független a tantárgyban szerezhető ZH, és fakultatív házi feladat pontoktól. Ezen pontok megszerzése és a fakultatív feladatok megoldása nélkül is jeles szinten teljesíthetők a tantárgy követelményei. Az IMSc pontok megszerzése az IMSc programban nem résztvevő hallgatók számára is biztosított.