BME VIK - Beágyazott rendszerek illesztése információs rendszerekhez

3. A tantárgyfelelős személy és tanszék Dr. Kovácsházy Tamás,

A tantárgy tanszéki weboldala http://www.mit.bme.hu/oktatas/targyak/vimim343/

4. A tantárgy előadója

dr. Kovácsházy Tamás, egyetemi docens

Méréstechnika és Információs Rendszerek Tanszék

5. A tantárgy az alábbi témakörök ismeretére épít A tárgy épít az alábbi BSc témakörök ismeretére:

· Informatika 2, (VIAUA203), számítógép-hálózatok témakör,

· A programozás alapjai I. (VIHIA106), C programozás alapjai.

A tárgy épít a szakirányon belül korábban elhangzott alábbi témakörök ismeretére:

· Szoftvertechnológia (BMEVIMIM150).

7. A tantárgy célkitűzése A tantárgy a beágyazott rendszerek információs rendszerekhez történő illesztése során alkalmazandó technológiák ismertetését tűzi ki célul. A beágyazott rendszerek a legritkább esetben működnek elszigetelten, szinte kivétel nélkül egy nagyobb, komplex információs rendszerbe integrálódnak. Az integrálhatósághoz a beágyazott rendszereknek rendelkezniük kell szabványos illesztési felületekkel. Ennek megfelelően a tárgy részletesen bemutatja a beágyazott rendszerek modern kommunikációs interfészeinek tulajdonságait, hardver és szoftver felépítésüket, implementációs kérdéseiket és a felmerülő erőforrás-igényeket. A példaként tárgyalt illesztési technológiák felölelik az USB, IEEE.802.x, TCP/IP szabványokat, valamint a magasabb rétegekben alkalmazott kommunikációs architektúrákat és protokollokat (CORBA, DCOM, HTTP, XML, web services, SNMP, FTP). Ezeken kívül ismertetésre kerül az ilyen beágyazott elemeket tartalmazó, többnyire adatgyűjtést, de akár beavatkozást is végző információs rendszerek rendszerszintű felépítése, komponensei, működése, az alkalmazható protokollok.

A tantárgy követelményeit eredményesen teljesítő hallgatóktól elvárható, hogy:

(1) tisztában legyenek a hálózati/kommunikációs interfészek réteges szerkezetével, hardver- és szoftverarchitektúrájával,

(2) ismerjék az elosztott adatgyűjtő és beavatkozó rendszerek lehetséges architektúráit, kommunikációs sémáit, funkcionális rétegezését,

(3) legyenek tisztában a gyakorlatban alkalmazott fizikai kommunikációs közegek tulajdonságaival,

(4) implementációs szintű részletes információval rendelkezzenek az USB buszról, valamint a hozzá kapcsolódó szoftverarchitektúráról,

(5) ismerjék az IEEE 802.X szabványrendszert, különösen az IEEE 802.3 (Ethernet) valamint az IEEE 802.15.4 szabványokat, valamint azok implementációjának lehetőségeit beágyazott környezetben, a tápteljesítményre és a nyújtott szolgáltatások minőségére is kiterjedve,

(6) ismerjék a TCP/IP protokollcsaládot és annak beágyazott környezetben történő implementációs lehetőségeit, az egyes lehetőségek erőforrás-igényére és elérhető teljesítményére is kiterjedve, beleértve a hálózati eszközök automatikus konfigurálására szolgáló (ARP, DHCP, JINI, UPnP) és menedzsment protokollokat (SNMP, Telnet, WEB), valamint az alkalmazási réteg protokollokat (CORBA, DCOM, HTTP, web services, SNMP, FTP, TFTP), és azok alkalmazási lehetőségeit beágyazott rendszerekben,

(7) tudják használni a hálózati/kommunikációs rendszerek fejlesztése és tesztelése során alkalmazható speciális eszközöket.

8. A tantárgy részletes tematikája 1. A hálózati/kommunikációs interfészek réteges szerkezete (1 óra elmélet/előadás):

Célkitűzés:A réteges szerkezet előnyeinek és következményeinek bemutatása a TCP/IP referenciamodell alapján.

A TCP/IP referenciamodell bemutatása és általánosítása hálózati/kommunikációs interfészekre.

2. Elosztott adatgyűjtő és beavatkozó rendszerek architektúrái (4 óra elmélet/előadás):

Célkitűzés: Elosztott adatgyűjtő és beavatkozó rendszerek lehetséges architektúráinak a bemutatása.

Kliens-szerver architektúra. Elosztott monitor réteges szerkezete és behelyezése a kliens-szerver architektúrába. Üzenetküldési paradigmák, unicast, broadcast, multicast kommunikáció, push, pull és publish-subscribe architektúrák stb. Átjárok és middleware-ek szerepe.

3. Fizikai kommunikációs közegek tulajdonságai (2 óra elmélet/előadás):

Célkitűzés: A gyakorlatban alkalmazott fizikai kommunikációs közegek megismerése.

Réz és optikai vezetők, valamint vezeték nélküli kommunikációs közegek főbb tulajdonságai. Alapvető szempontok (például sávszélesség, jel-zaj viszony, tápteljesítmény igény, EMC és ezek összefüggései). Életvédelmi szempontok, galvanikus leválasztás lehetőségei és gyakorlati megoldásai.

4. Az USB busz (3 óra elmélet/előadás + 2 óra gyakorlat):

Célkitűzés: Az USB busz és a hozzá kapcsolódó szoftverarchitektúra megismerése.

Az USB működése, adatátviteli típusok, USB On-the-Go, USB interfészek hardver implementációja. Táplálási megoldások. Az USB szoftverarchitektúrája, eszközosztályok.

5. Az IEEE 802.X szabványrendszer beágyazott rendszerekben (6 óra elmélet/előadás + 3 óra gyakorlat):

Célkitűzés:Az IEEE 802.3 (Ethernet) és az IEEE 802.15.4 szabványok és implementációs lehetőségeik megismerése.

Az IEEE 802.X szabványosítási rendszer megismerése. Az IEEE 802.3 (Ethernet) szabvány vizsgálata a beágyazott rendszerek szempontjából. Ethernet hardver- és szoftverarchitektúra, az Ethernet kontroller és fizikairéteg-vezérlő illesztési lehetőségei, jellegzetes problémák (pl. signal routing, galvanikus leválasztás). Ethernet fizikai réteg választása és annak hatása a kommunikációra és a fogyasztásra. Power over Ethernet. Az IEEE 802.15.4 szabvány implementációs szempontból, a hardverválasztás szempontjai nagyfrekvenciás, vezeték nélküli kommunikáció esetén, a megállapítások általánosítása Bluetooth és WI-FI esetére.

6. A TCP/IP protokollcsalád beágyazott rendszerekben (8 óra elmélet/előadás + 4 óra gyakorlat):

Célkitűzés: A TCP/IP protokollcsalád és annak beágyazott környezetben történő implementációs lehetőségeinek ismertetése.

Teljes értékű (pl. BSD stack) és különböző szempontok szerint beágyazott rendszerekre optimalizált (lwIP, Microchip TCP/IP stack) protokollkészletek, azok tulajdonságai, teljesítménye és erőforrás-igényeik. Automatikus konfiguráció (ARP, DHCP, JINI, UPnP) és hálózatmenedzsment (SNMP, Telnet, web) lehetőségei és implementációja. Az alkalmazási réteg protokollok (CORBA, DCOM, HTTP, web services, SNMP, FTP, TFTP), és azok alkalmazási lehetőségei beágyazott rendszerekben. Erőforrás-igények, biztonsági kérdések, tűzfal és NAT hatásainak figyelembe vétele. Szabványosítási törekvések, OSGi, SensorML. Óraszinkronizáció lehetőségei, NTP, GPS, IEEE 1588.

7. Fejlesztő és tesztelő eszközök (2 óra elmélet/előadás + 1 óra gyakorlat):

Célkitűzés: A hálózati/kommunikációs rendszerek fejlesztése és tesztelése során alkalmazható speciális eszközök ismertetése.

A protokollanalizátorok típusai és alkalmazástechnikájuk. Ethernet és USB protokollanalizátorok. A kommunikációs rendszerek tesztelésének nehézségei. A szabványosság vizsgálata.

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

10. Követelmények Egy házi feladat elfogadható szintű teljesítése szükséges az aláírás megszerzéséhez és a vizsgára bocsáthatósághoz.

A házi feladatban beágyazott kommunikációs problémákat kell megoldani, például egy Ethernet és TCP/IP kommunikációra képes szenzor működtető programját kell megtervezni, beleértve az alkalmazott kommunikációs protokollok kiválasztását, elkészítését és tesztelését is.

Vizsgaidőszakban: szóbeli vizsga

11. Pótlási lehetőségek Házi feladat a pótlási időszakban pótolható. Házi feladat zárthelyivel nem helyettesíthető.

12. Konzultációs lehetőségek Igény szerint, megbeszélés alapján.

13. Jegyzet, tankönyv, felhasználható irodalom [1] Andrew S. Tanenbaum, Computer Networks (4th Edition), Prentice Hall PTR, 2002.

[2] Andrew S. Tanenbaum, Számítógép-hálózatok, PANEM Kft., 2004.

[3] W. Richard Stevens. TCP/IP Illustrated, Volume 1: The Protocols, Addison-Wesley, 1994.

14. A tantárgy elvégzéséhez átlagosan szükséges tanulmányi munka

Kontakt óra	42
Félévközi készülés órákra	10
Felkészülés zárthelyire	0
Házi feladat elkészítése	20
Kijelölt írásos tananyag elsajátítása
Vizsgafelkészülés	48
Összesen	120

15. A tantárgy tematikáját kidolgozta dr. Tóth Csaba egyetemi adjunktus és dr. Kovácsházy Tamás egyetemi docens

Egyéb megjegyzések Interfacing Embedded Systems to Information Systems