Bài giảng Hệ nhúng - Chương 2: Quy trình phát triển hệ thống nhúng - Phạm Văn Thuận

Hệ nhúng
35
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
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
 Trên thực tế, hầu hết các hệ nhúng đều dùng 
các đặc trưng chung của ABCs là tiêu chí đầu 
tiên để thu thập requirement
Các Ảnh 
hưởng
Đặc trưng Mô tả
Business
[Sales, 
Marketing, 
Management
]
Sellability Tính thương mại của sản phẩm
Time-to-
Market
Thời gian phát triển sản phẩm
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
Các Ảnh 
hưởng
Đặc trưng Mô tả
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
Các Ảnh 
hưởng
Đặc trưng Mô tả
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
Các Ảnh 
hưởng
Đặc trưng Mô tả
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)
Quality 
Assurance
Testability Xem trong phần technical ở trên
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
User 
friendliness
Xem trong phần bussiness ở trên
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
r
Scheduling 
time
vxWork Tornado 
IDE, Singer 
step 
debugger
BSP Device 
driver, 
graphics, 
networking
x86, 
MIPS, 
ARM, PPC
Hard real-time, 
priority based
Linux Depend on 
vendor for 
developme
nt IDE, 
gcc
Depend on 
vendor, 
some with 
no BSP
Device 
driver, 
graphics, 
networking
Depend 
on vendor 
(x86, 
ARM)
Depend on 
vendor, some 
are hard real-
time, some are 
soft
Window 
CE
Visual 
studio
BSP Device 
driver, 
graphics, 
networking
x86, 
ARM
Real time 
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
80
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.