Τίτλος Μαθήματος: Πολυπύρηνες Αρχιτεκτονικές, Ενσωματωμένα Συστήματα και Εφαρμογές
Διδακτικές Ώρες: 39
Διδακτικές Μονάδες (ECTS): 7,5
Εξάμηνο: 2ο
Διδάσκοντες: Γραμματικάκης Μιλτιάδης, Καθηγητής, Κορνάρος Γεώργιος, Αναπληρωτής Καθηγητής

Στόχοι του Μαθήματος
Οι φοιτητές εκτίθενται σε τεχνολογίες αιχμής στον σχεδιασμό ενσωματωμένων συστημάτων, μέσα από τη μελέτη σημαντικών πρόσφατων ερευνητικών δημοσιεύσεων, τη χρήση διαθέσιμων εμπορικών και ανοικτού κώδικα εργαλείων σχεδίασης, καθώς και την ανάπτυξη και αξιολόγηση αρχικών πρωτοτύπων υποσυστημάτων ή πρωτοκόλλων. Στο τέλος του μαθήματος, όλοι οι φοιτητές/ τριες συμμετέχουν σε ομαδικό σεμινάριο, όπου παρουσιάζουν τις δημοσιεύσεις που τους ανατέθηκαν, επιδεικνύουν πρακτικά παραδείγματα από τις εργασίες τους και σκιαγραφούν πιθανές μελλοντικές επεκτάσεις.

Προαπαιτούμενα: Απαιτείται πολύ καλή γνώση αρχιτεκτονικής υπολογιστών και βασικών αρχών λειτουργικών συστημάτων, καθώς και ισχυρό υπόβαθρο στη μηχανική υπολογιστών (VHDL, Verilog) ή/και στη μηχανική λογισμικού (C/C++/SystemC, Linux).

Ενδεικτική Ύλη

Ενότητα 1: Ενσωματωμένα Συστήματα: Γλώσσες και Μεθοδολογία Σχεδίασης

• Μοντελοποίηση συστημάτων-on-chip, γλώσσες σχεδίασης, ροές σχεδίασης, επίπεδα αφαίρεσης
• Σχεδίαση από την κορυφή προς τα κάτω (platform-based) και από τη βάση προς τα πάνω (component-based)
• Σύνθεση υψηλού επιπέδου (High-Level Synthesis – HLS)
• Σχεδίαση βάσει μοντέλων (π.χ. χρήση UML)
• Πνευματική ιδιοκτησία – επαναχρησιμοποίηση σχεδιασμού
• Προσπάθειες τυποποίησης

Ενότητα 2: Μεθοδολογία Σχεδίασης σε Επίπεδο Συστήματος (SoC/NoC), Εργαλεία και Γλώσσες

• Μεθοδολογία σχεδιασμού SoC/NoC σε επίπεδο συστήματος, μοντελοποίηση επιπέδου συναλλαγών (Transaction-Level Modeling)
• Λειτουργικά συστήματα πραγματικού χρόνου (RTOS) και σχετικά μοντέλα
• Μοντελοποίηση και προσομοίωση με SystemC
• Εκτίμηση κατανάλωσης ενέργειας σε πρώιμο στάδιο
• Εργαλεία ESL (Electronic System Level): προσομοίωση, δημιουργία κίνησης (traffic), διερεύνηση σχεδιαστικού χώρου, κατανομή εργασιών, χρονοπρογραμματισμός, οπτικοποίηση, αποσφαλμάτωση, σκιαγράφηση προφίλ, δυναμική επικύρωση και επαλήθευση.
• Σειριακές και παράλληλες τεχνικές προσομοίωσης (πυρήνες προσομοίωσης, λίστες συμβάντων)
• Στοχαστικές τεχνικές προσέγγισης για πολύπλοκα προβλήματα βελτιστοποίησης: simulated annealing, network calculus

Ενότητα 3: RTL, Εργαλεία και Γλώσσες

• Μοντελοποίηση HDL (Verilog και VHDL)
• Επαναπρογραμματιζόμενες τεχνολογίες και τυποποίηση
• Εργαλεία EDA για προσομοίωση, προσομοίωση επεξεργαστή (ISS)
• Μοντελοποίηση IP/SoC και προσομοίωση
• Κατανομή υλικού/λογισμικού: συν-σχεδιασμός (co-design) και συν-επαλήθευση (co-verification)
• Εκτίμηση ισχύος
• Σχεδίαση σε επίπεδο μπλοκ (IP core), πλήρης
  μετάφραση RTL σε/από SystemC/C

Ενότητα 4: Κυβερνο-Φυσικά Συστήματα (CPS) και Πλατφόρμες Internet of Things (IoT)

• Middleware και RTOS, Δικτύωση, Εφαρμογές, Ενσωματωμένα Γραφικά Περιβάλλοντα Χρήστη (Embedded GUIs)
• Ειδική εστίαση στη εκβιομηχάνιση με χρήση της πλατφόρμας STM32 MCU
• Σεμινάρια και ομαδικά έργα – πραγματικά παραδείγματα εφαρμογών

Βιβλιογραφία
[1] G.Kornaros: “Multi-Core Embedded Systems”, CRC Press/Taylor & Francis Group, Sep. 2010, ISBN: 978-1-4398-1161-0
[2] Geoffrey Brown, “Discovering the STM32 Microcontroller”, 2012
[3] W. Wolf, “Computers as Components: Principles of Embedded Computing Systems Design”, Morgan Kaufman Publisher, 2001, ISBN 1-55860-541- X (case), ISBN 1-55860-693-9
[4] Qing Li and Carolyn Yao, “Real-Time Concepts for Embedded Systems”, ISBN:1578201241
[5] T. Noergaard, “Embedded systems architecture: A comprehensive guide for engineers and programmers”, Elsevier, 2005. ISBN-13: 978-0-7506-7792-9, ISBN-10: 0-7506-7792-9
[6] F. Vahid, T. Givargis, “Embedded system design: A unified hardware-software introduction”, Wiley, 2002