Ενσωματωμένα Συστήματα Υπολογιστών στη Βιοϊατρική

Εισαγωγικά θέματα: Εφαρμογές ενσωματωμένων συστημάτων. Τεχνολογικός χώρος σχεδίασης και διεπιστημονικότητα. Σχεδιαστικά επίπεδα αφαίρεσης (abstraction levels) και ροές σχεδίασης (design flows). Προδιαγραφές και απαιτήσεις συστήματος.

Υποσυστήματα: Μικροεπεξεργαστές. Μικροελεγκτές. Πρωτόκολλα Επικοινωνίας. Μνήμες. Αισθητήρες. Διεπαφές και διασύνδεση περιφερειακών.

Εργαλεία σχεδίασης: Ανάπτυξη κώδικα περιγραφής σε Γλώσσα Περιγραφής Υλικού (HDL) και/ή Περιγραφής Συστήματος (SDL). Ιεραρχική μοντελοποίηση. Εργαλεία CAD και η χρήση τους. Σχεδίαση συστημάτων με εργαλεία CAD. Επίλυση προβλημάτων με εργαλεία CAD. Προσομοίωση με χρήση λογισμικού προσομοίωσης.

Σχεδίαση Συστήματος: Μεθοδολογία ανάπτυξης συστημάτων, milestones. Μέθοδοι συσχεδίασης υλικού - λογισμικού, μοντελοποίηση συστήματος. Aποσύνθεση και κατάτμηση συστημάτων.

Σχεδίαση υλικού: Τεχνολογία PAL/GAL/FPGA. Χρήση SRAM σε σχεδίαση. Μέθοδος one - hot. Υπολογισμός κρίσιμου μονοπατιού. Καθυστερήσεις εντός και εκτός κυκλώματος για κυκλώματα υψηλής ολοκλήρωσης. Μοντέλα μετάδοσης σήματος. Προσομοίωση (simulation). Σχεδίαση με περιορισμό λογικής πολυπλοκότητας, ή περιορισμένο αριθμό ακροδεκτών.

Σχεδίαση λογισμικού: Μικροελεγκτές. Χαρτογράφηση μνήμης. Επικοινωνία με περιφερειακά. Μέθοδος δειγματοληψίας και μέθοδος διακοπών για υλοποίηση συστημάτων πραγματικού χρόνου. Ανάπτυξη λογισμικού οδηγών (driver) υλικού. Μέθοδοι αλλαγής προγράμματος ενσωματωμένων συστημάτων. Ταχεία ανάπτυξη συστημάτων.

Αξιολόγηση: Δοκιμή, πιστοποίηση και ποιοτικός έλεγχος. Διεθνή πρότυπα.

Εφαρμογές Βιοϊατρικής: Σύνδεση αισθητήρων. Μετατροπή σήματος Ψηφιακό-σε-Αναλογικό και Αναλογικό-σε-Ψηφιακό. Προ-επεξεργασία σήματος. Ενίσχυση σήματος. Επικοινωνία με τον επεξεργαστή. Ανάπτυξη κυκλωμάτων και συστημάτων για την Βιοϊατρική και αλγορίθμους βιοϊατρικής. Περιπτώσεις μελέτης.

Ειδικά θέματα σχεδίασης: Σχεδίαση για επιβεβαίωση λειτουργίας. Μέθοδοι εξεύρεσης λαθών (debugging) για μεγάλα, σύνθετα, ή γρήγορα συστήματα. Υπολογισμοί στατικής και δυναμικής ισχύος, μέθοδοι ψύξης. Μέθοδοι εξοικονόμησης ισχύος για αυτόνομα συστήματα. Σχεδίαση με περιορισμούς. Περιορισμοί σε εφαρμογές πραγματικού χρόνου. Τεχνολογίες για υπολογισμό, αποθήκευση, Ι/Ο, επικοινωνία. Αρτηρίες δεδομένων και ελέγχου. Διαχείριση πολυπλοκότητας. Φαινόμενα προερχόμενα από την αλλαγή κλίμακας. Συστήματα προτυποποίησης και τεχνολογία ανοικτού υλικού.

Με την επιτυχή ολοκλήρωση του μαθήματος οι φοιτητές θα πρέπει να είναι σε θέση να:

• Κατανοεί τις εφαρμογές ενσωματωμένων συστημάτων.
• Γνωρίζει τις τεχνολογίες για τα ενσωματωμένα συστήματα.
• Γνωρίζει τα βασικά εργαλεία προσομοίωσης ανάπτυξης ενσωματωμένων συστημάτων.
• Εφαρμόζει τις σχεδιαστικές ροές και μεθοδολογίες.
• Γνωρίζει τις γλώσσες περιγραφής υλικού.
• Εφαρμόζει την ανάπτυξη λογισμικού για ενσωματωμένα συστήματα.
• Εφαρμόζει τη σχεδίαση με περιορισμούς.
• Γνωρίζει τη σχεδίαση ενσωματωμένων συστημάτων για εφαρμογές βιοϊατρικής.
• Γνωρίζει το σχεδιασμό περιφερειακών ειδικού σκοπού για τη βιοϊατρική.
• Γνωρίζει πως να αξιολογήσει ένα ενσωματωμένο σύστημα.
• Γνωρίζει τη μέθοδο σχεδίασης με σεβασμό στα διεθνή πρότυπα.

Όλοι οι φοιτητές και οι φοιτήτριες θα αξιολογηθούν σε ένα σύνολο εργασιών και τελικών εξετάσεων, αναλυτικά:

1. Γραπτή τελική εξέταση (30%)
2. Γραπτή εξαμηνιαία εργασία (1x15%)
3. Δημόσια Παρουσίαση (1x25%)
4. Εργαστηριακή εργασία (30%)

Στις γραπτές εξετάσεις εξετάζονται στην ύλη του μαθήματος στην οποία συμπεριλαμβάνονται και οι διαλέξεις του διδάσκοντα. Για την ανακοίνωση προβιβάσιμου βαθμού θα πρέπει και η θεωρία και το εργαστήριο να έχουν τελικό συνολικό βαθμό μεγαλύτερο (ή ίσο) του βαθμού 5, προκειμένου να εξαχθεί ο τελικός βαθμός βάσει της παραπάνω ποσόστωσης.

Εφαρμόζεται η εκπαίδευση βασισμένη σε έργο (PBL - Project Based Learning)

Προτεινόμενη βιβλιογραφία:

1. Κ. Καλοβρέκτης, “Βασικές Δομές Ενσωματωμένων Συστημάτων”, Εκδόσεις Μαρκέλλα Ι. Βαρβαρήγου, έκδοση 1η/2012, ΑΘΗΝΑ, Εύδοξος: 22767325
2. Μ. Δασυγένης, Δ. Σούντρης, “Ενσωματωμένα Συστήματα”, "Ελληνικά Ακαδημαϊκά Ηλεκτρονικά Συγγράμματα και Βοηθήματα, Αποθετήριο “Κάλλιπος”, 2016, ΑΘΗΝΑ, Εύδοξος: 320162
3. Δ. Πογαρίδης, “Ενσωματωμένα Συστήματα, οι μικροελεγκτές AVR και Arduino”, εκδόσεις Μούργκος Ιωάννης, έκδοση 2η/2015, ΑΘΗΝΑ, Εύδοξος: 50661496
4. Gadre Dhananjay, “Προγραμματίζοντας τον Μικροελεγκτή AVR”, ΕΚΔΟΣΕΙΣ Α. ΤΖΙΟΛΑ & ΥΙΟΙ Α.Ε., έκδοση 1η /2001, ΘΕΣ/ΝΙΚΗ, Εύδοξος: 18548914
5. W. Wolf, “Οι Υπολογιστές ως Συστατικά Στοιχεία, Αρχές Σχεδίασης Ενσωματωμένων Υπολογιστικών Συστημάτων”, Εκδόσεις ΝΕΩΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΩΝ ΜΟΝ. ΕΠΕ, έκδοση 1η/2008, ΑΘΗΝΑ, Εύδοξος: 3409

Προτεινόμενα περιοδικά:

1. IEEE Transactions on Computers
2. IEEE Embedded Systems Letters
3. Computer, IEEE
4. IET Computers & Digital Techniques
5. IEEE Micro
6. ACM Transactions on Design Automation of Electronic Systems
7. Microprocessors and Microsystems: Embedded Hardware Design, Elsevier
8. ACM Transactions on Architecture and Code Optimization (TACO)
9. EURASIP Journal on Embedded Systems, Elsevier
10. IEEE Transactions on Biomedical Engineering
11. IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems