LUẬN VĂN: PHÁT TRIỂN, TỐI ƯU THUẬT TOÁN ADAPTIVE PAGE LAYOUT TRÊN THIẾT BỊ NHÚNG docx

1




























ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Tài Tuệ


PHÁT TRIỂN, TỐI ƯU THUẬT TOÁN ADAPTIVE
PAGE LAYOUT TRÊN THIẾT BỊ NHÚNG





KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY


Ngành: Công nghệ thông tin






HÀ NỘI - 2010

2

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ


Nguyễn Tài Tuệ


PHÁT TRIỂN, TỐI ƯU THUẬT TOÁN ADAPTIVE
PAGE LAYOUT TRÊN THIẾT BỊ NHÚNG

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

Ngành: Công nghệ thông tin



Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Việt Hà
Cán bộ đồng hướng dẫn: Th.S Vũ Quang Dũng



HÀ NỘI - 2010

1


Lời cảm ơn
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trường Đại học Công Nghệ trong suốt bốn
năm học vừa qua đã trang bị cho tôi nền tảng kiến thức quý báu, rất cần thiết cho việc hoàn
thành khóa luận và làm việc sau này. Các thầy cô luôn là những tấm gương mẫu mực về tác
phong nghiên cứu khoa học để tôi noi theo.
Tôi muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Việt Hà, phó hiệu trưởng trường
Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội, cùng Th.S Vũ Quang Dũng, giảng viên bộ
môn Công nghệ phần mềm, trường Đại học Công Nghệ. Các thầy đã hết lòng chỉ bảo giúp đỡ
tôi trong thời gian học tập tại trường cũng như trong suốt quá trình nghiên cứu hoàn thành khóa
luận này.
Xin gửi lời cảm ơn tới các thành viên phòng nghiên cứu Toshiba-Coltech đã nhiệt tình

cộng tác và chia sẻ cùng tôi trong thời gian làm việc tại đây.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè đã luôn động viên, giúp đỡ tôi trong lúc
khó khăn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện khóa luận. Mặc dù đã
cố gắng hoàn thành luận văn với tất cả sự nỗ lực của bản thân,nhưng luận văn chắc chắn không
tránh khỏi những thiếu sót, kính mong quý thầy cô tận tình chỉ bảo. Một lần nữa xin gửi đến tất
cả mọi người lời cảm ơn chân thành nhất.
Hà Nội, 15 tháng 5 năm 2010
Sinh viên,
Nguyễn Tài Tuệ
i
Tổng quan
Ngày nay TBDĐ đang ngày một trở nên phổ biến bởi những tính năng ưu việt của chúng,
tuy nhiên không giống như môi trường PC với màn hình hiển thị lớn và cấu hình mạnh mẽ, các
TBDĐ có những hạn chế như màn hình hiển thị nhỏ và có rất nhiều kích thước với mục đích sử
dụng khác nhau. Việc xây dựng một giao diện thông minh dành cho các TBDĐ luôn rất quan
trọng, một ứng dụng với giao diện thông minh có thể sử dụng trên nhiều loại thiết bị khác nhau
như điện thoại di dộng, TV hay thiết bị định hướng GPS của ôtô. Thuật toán Adaptive Page
Layout [1] là một giải pháp để đưa ra cách sắp xếp màn hình hiệu quả cho các TBDĐ. Trong
khóa luận này tôi sẽ hướng đến việc phát triển, tối ưu thuật toán APL về tốc độ xử lý, bộ nhớ sử
dụng cũng như các yêu cầu về giao diện hiển thị khi chạy trên thiết bị nhúng sử dụng kiến trúc vi
xử lý ARM. Các phương pháp tối ưu sẽ được kiểm chứng qua kết quả chương trình cài đặt thuật
toán APL trên ARM. Đồng thời tôi cũng xây dựng ứng dụng minh họa Health Examination
Visualization sử dụng APL như một mô đun để biểu diễn các dữ liệu kiểm tra sức khỏe một
cách trực quan (theo yêu cầu bên phía Toshiba) trên ARM, qua đó có thể chứng minh khả năng
ứng dụng vào thực tiễn thiết bị nhúng của thuật toán APL áp dụng các cải tiến của tôi.
Trong khóa luận của tôi có sử dụng các kết quả tối ưu thuật toán APL trên PC đã được
trình bày trong khóa luận của bạn Cao Bắc Tiến[2]. Dựa trên các đặc điểm của kiến trúc ARM
tôi thực hiện tối ưu tốc độ tính toán khi cài đặt thuật toán APL trên ARM và các vấn đề về giao
diện hiển thị hiển thị của chương trình.
ii

Abstract
Mobile devices are becoming more and more popular because of their mobilty and wire-
less technology. However mobile devices are not like a PC which has large screen and powerful
capability, they have small screens with many sizes based on various targets. It is very impor-
tant to construct an intelligent graphical user interfaces (GUIs) which can be constructed for
one application and should be usable on different interactive devices, e.g cell phone, TV or
GPS devices on car. Adaptive Page Layout [1] algorithm is a solution for constr ucting an ef-
fective layout on mobile devices. In this thesis, we focus on optimizing the APL algorithm in
computation speed, memory consumption and satisfying some requirements of GUIs on em-
bedded system using ARM. The optimization methods will be proved by results of the program
using APL on ARM. I also build Health Data Visualization Application using APL as a module
to visualize health data (based on requirement of Toshiba) on ARM, the application denotes the
ablity of my optimization methods on APL in embedded system.
In my thesis, I use some results of optmizing APL on PC which are represented in Cao
Bắc Tiến graduation thesis. Based on properites of ARM system, I improve APL computation
speed and GUI of applications on ARM.
iii
Bảng từ viết t ắt
STT Từ hoặc cụm từ Từ viết tắt Chú thích
1 Adaptive Page Layout APL Dàn trang mang tính thích ứng
2 Personal Computer PC Máy tính cá nhân
3 Health Examination Data Visu-
alization
HEDV Hệ thống trực quan hóa dữ liệu
kiểm tra sức khỏe
4 Thiết bị di động TBDĐ
5 Zoomable User Interface ZUI Giao diện người dùng hỗ trợ
"zoom"
6 Floating Point Accelerator FPA Thành phần tăng tốc xử lý dấu
phảy động

7 Vector Floating Points VFP Thành phần xử lý dấu phảy động
8 Graphical User Interface GUI Giao diện người dùng
Bảng 1: Bảng từ viết tắt
iv
Mục lục
1 Mở đầu 2
2 Cơ sở lý thuyết 4
2.1 Thuật toán Squarified Treemap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1.1 Treemap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1.2 Squarified Treemap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Kiến trúc ARM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3 OpenGL|ES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3 Bài toán đặt ra 10
3.1 Phát tr iển phần mềm cho ARM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.1.1 Các đặc điểm của kiến trúc xử lý ARM . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.1.2 Xây dựng môi trường phát triển phần mềm cho ARM . . . . . . . . . . 11
3.2 Các yêu cầu về giao diện người dùng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
4 Giải pháp 12
4.1 Giải pháp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4.2 Xây dựng môi trường phát triển phần mềm cho ARM . . . . . . . . . . . . . . 12
v
MỤC LỤC
4.3 Sử dụng dấu phẩy tĩnh thay thế cho dấu phẩy động . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.4 Tối ưu mã chương trình . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
5 Demo, thực nghiệm 19
5.1 Thử nghiệm trên ARM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
5.1.1 Cài đặt thuật toán APL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
5.2 Health Data Visualization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
5.2.1 Các bước phát triển hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
5.2.2 Kiến trúc chương trình . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

5.2.3 Tiền xử lý dữ liệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
5.2.4 Cài đặt mô đun dàn trang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
5.2.5 Một số hình ảnh về giao diện của chương tr ình . . . . . . . . . . . . . 25
5.2.6 Kết quả kiểm thử demo chương trình . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
6 Kết luận và hướng phát triển 27
6.1 Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
6.2 Một số hướng phát triển . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
A Phụ lục 29
A.1 Demo chương trình hiển thị ảnh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
A.2 Phiên bản HEDV chúng tôi phát triển trên nền tảng ARM . . . . . . . . . . . . 29
Tài liệu tham khảo 34
vi
Danh sách hình vẽ
2.1 Biểu đồ cây và treemap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Các trạng thái của vi xử lý kiến trúc ARM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3 Biểu đồ sử dụng điện năng của các thành phần trong TBDĐ . . . . . . . . . . . 8
4.1 Giao diện WideStudio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.2 Biểu diễn dấu phẩy tĩnh và dấu phẩy động . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
5.1 Thử nghiệm thuật toán APL chưa tối ưu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
5.2 Thử nghiệm thuật toán APL sau khi tối ưu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
5.3 Kết quả tối ưu về hiển thị . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
5.4 Đồ thị thể hiện sự tối ưu về tốc độ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
A.1 Giao diện demo chương trình hiển thị ảnh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
A.2 Demo HEDV phiên bản trên ARM với các mục được chia theo treemap . . . . 31
A.3 Demo HEDV phiên bản trên ARM với các mục được chia theo đường chéo . . . 32
A.4 Thanh công cụ tùy chỉnh hiển thị dữ liệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
vii
Danh sách bảng
1 Bảng từ viết tắt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv
2.1 SDRAM tiết kiệm năng lượng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

5.1 Kết quả test trên ARM về diện tích che phủ(%) . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
5.2 Kết quả thực hiện thuật toán APL (trước và sau khi tối ưu) trên ARM . . . . . . 23
5.3 Kết quả kiểm thử demo chương trình . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1
CHƯƠNG 1
Mở đầu
Xây dựng dàn trang cho TBDĐ là một vấn đề có cốt yếu trong việc đưa ra một giao diện
thông minh với khả năng hỗ trợ người dung cao . Các kỹ thuật sắp xếp giao diện cho TBDĐ hiện
nay có rât nhiều hạn về mặt tốc độ cũng như hiệu quả hiển thị. Sự khác biệt về màn hình hiển
thị, cấu hình và mục đích sử dụng của các TBDĐ cũng yêu cầu dữ liệu được biểu diễn rất khác
nhau. Vì thế hiện nay nhiều thuật toán về dàn trang (page layout) đã được nghiên cứu và phát
triển như Layout Manga Algorithm [3] , VIPS (Vision-based Page Segmentation Algorithm)
[4], hay Web Page Layout [5] Nhưng hầu hết các thuật toán này đều được ứng dụng cho nền
tảng PC, không thực sự đáp ứng được các yêu cầu khi chuyển đổi và cài trên thiết bị nhúng (như
giới hạn về khả năng xử lý, bộ nhớ và màn hình hiển thị ). Trong luận văn này, tôi sẽ chọn thuật
toán APL (cho các hình khối có thứ tự) và tiến hành các bước tối ưu để giải quyết bài toán về
dàn trang trên TBDĐ. Tôi hi vọng cách tiếp cận và giải quyết bài toán được đưa ra trong khóa
luận này sẽ mang lại những ý nghĩa tích cực trong thực tiễn.
Ngoài phần mở đầu, bố cục của khóa luận gồm bốn chương tiếp theo:
• Chương 2: Trình bày các cơ sở lý thuyết mà tôi sử dụng trong việc giải quyết bài toán của
mình.
• Chương 3: Trình bày cụ thể những yêu cầu mà bài toán đặt ra.
• Chương 4: Trình bày giải pháp đề giải quyết bài toán nêu ở chương 3.
2
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• Chương 5: Trình bày các demo, kết quả thực nghiệm đồng thời đánh giá hiệu suất cũng
như ý nghĩa thực tiễn.
• Chương 6: Kết luận và nêu một số hướng phát triển trong tương lai.
3
CHƯƠNG 2

Cơ sở lý thuyết
Trong khuôn khổ vấn đề đã nêu ở phần giới thiệu tôi cần quan tâm đến thuật toán Adaptive
Page Layout (dàn trang mang tính thích ứng) [1], thuật toán về trực quan hóa dữ liệu Squarified
Treemap [6], các cơ sở và đặc điểm về kiến trúc ARM và thư viện đồ họa OpenGL|ES. Tôi đã
sử dụng các kết quả nghiên cứu được trình bày trong khóa luận của bạn Cao Bắc Tiến [2] về
thuật toán APL trên PC.
2.1 Thuật toán Squarified Treemap
Thuật toán Squar ified Treemap [6] là thành phần khá quan trọng trong việc xây dựng
demo Health Examination Data Visualization của chúng tôi. Squarified Treemap được phát
triển dựa trên treemap.
2.1.1 Treemap
Treemap là một dạng biểu diễn cấu trúc dữ liệu có thứ bậc thay thế cho biểu đồ cây. Mỗi
hình chữ nhật trong treemap biểu diễn một lá của biểu đồ cây. Và việc chia các hình chữ nhật
theo chiều thẳng đứng hoặc chiều ngang thể hiện các lá cùng cấp hay không (Ví dụ: Các lá trên
cùng một cấp sẽ được chia theo cùng chiều thẳng đứng hoặc cùng chiều dọc). Và cỡ của mỗi
4
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
hình chữ nhật trong treemap thể hiện cỡ của các lá tương ứng trong biểu đồ cây. Biểu đồ 2.1 thể
hiện sự tương ứng giữa biểu đồ cây và treemap. Về mặt ý tưởng một thuật toán treemap sẽ tạo
cho mỗi hình chữ nhật một tỉ lệ tương ứng với nó dựa theo đặc điểm dữ liệu của từng hình mà
nó biểu diễn sau đó dựa theo các thỉ lệ này sẽ đưa ra một khung hình sắp xếp hù hợp.
(a) Biểu đồ cây (b) Biểu diễn theo
treemap
Hình 2.1: Biểu đồ cây và treemap
2.1.2 Squarified Treemap
Thuật toán Squarified Treemap là một trong các thuật toán xây dựng treemap hiệu quả.
Squarified Treemap nhằm mục đích cải thiện tính trực quan trong biểu diễn treemaps bằng
cách đưa các khối hình chữ nhật trong biểu diễn treemap về các khối hình gần với hình vuông
hơn. Điều này sẽ giúp không gian hiển thị được hiệu quả hơn, dễ so sánh cỡ của các khối hình
hơn, đồng thời, độ chính xác của việc biểu diễn cũng được cải thiện hơn. Tư tưởng Squarified

Treemap được thể hiện qua đoạn mã sau:
void sq ua r if y ( l i s t < real > ch il d r en , l i s t < re a l > row , r ea l w){
r e a l c = head ( c hi l d r en ) ;
i f ( worst ( row , w) <= worst ( row++[c ] , w)
s qu a ri fy ( t a i l ( c h il dr e n ) , row ++[ c ] , w) ;
e l s e {
layoutrow ( row ) ;
s qu a ri fy ( c hi l d re n , [ ] , width ( ) ) ; } }
5
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Với R là danh sách các diện tích cho trước và s là tổng diện tích thì hàm worst được định nghĩa
bởi công thức 4:
worst(R, w) = max
r∈R
(max(w
2
r/s
2
, s
2
/(w
2
r)))(4)
width là hàm chỉ ra độ dài của cạnh nhỏ nhất của hình chữ nhật con trong hàng, layoutrow()
thêm một hàng con vào hình chữ nhật. Đầu vào của thuật toán Squarify Treemap là danh sách
diện tích các hình chữ nhật con cần đưa ra dàn trang. Danh sách row bao gồm các hình chữ nhật
sẽ đước sắp. Theo đoạn mã trên một hình chữ nhật con sẽ được lấy ra từ đầu vào (list children)
sau đó sẽ so sánh điểm qua hàm đánh giá worst() rồi tiếp tục đưa ra dàn trang mới.
2.2 Kiến trúc ARM
Ứng dụng cho các hệ thống nhúng hiện nay ngày càng trở nên phức tạp, không phải đơn

giản chỉ là điều khiển một chốt đèn giao thông định thời, đếm số người ra vào cửa, điều khiển
động cơ ON-OFF, hiển thị một câu thông báo trên LCD, theo xu thế tất yếu các nhân điều khiển
cần có cấu hình mạnh hơn, đáp ứng thời gian thực tốt hơn các nhân điều khiển 8bit đang dùng.
Chính sự hạn chế về dung lượng bộ nhớ chương trình-dữ liệu cũng đã ảnh hưởng không ít tới
phạm vi ứng dụng của hệ chip vi điều khiển 8bit. Vi điều khiển 8bit gặp phải rất nhiều vấn đề về
tính toán số thực, cài đặt thuật toán phức tạp. Các kết quả thu được từ vi điều khiển 8bit ấy luôn
bị hạn chế khi ta ứng dụng vào công nghệ cao: truyền thông đa phương tiện, xử lý âm thanh,
hình ảnh, các thiết bị hỗ trợ cá nhân <PDA>, các ứng dụng trong mobile robot linh hoạt, tự hành
và ‘biết ứng xử’. Từ những đánh giá trên hệ thống hiện tại cần một kiến trúc vi xử lý đủ mạnh,
đáp ứng được tốt về mặt tương tác giao diện người dùng. Do đó trong khóa luận này chúng tôi
tập trung vào nghiên cứu phát tr iển phần mềm chạy trên hệ thống sử dụng hệ vi xử lý ARM 32
bit. Kiến trúc ARM là thành phần quan trọng của nhiều hệ thống nhúng 32-bit đã rất thành công
và được sử dụng rộng rãi trong TBDĐ, theo eeglossar y [? ] 75% các bộ vi xử lý của các thiết bị
nhúng trên thị trường hiện nay sử dụng vi xử lý kiến trúc ARM. Kiến trúc cũng như cách xử lý
của ARM có sự khác biệt đối với máy tính cá nhân, điều đó dẫn đến nảy sinh một số khác biệt
6
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
trong việc lập trình trên nền tảng ARM và PC. ARM sử dụng cấu trúc RISC thay vì CISC như
PC. RISC tập trung chú ý vào việc giảm tính phức tạp của các chỉ dẫn được thi hành bởi phần
cứng bởi vì cung cấp tính mềm dẻo và thông minh trong phần mềm dễ dàng hơn trong phần
cứng. Như một hệ quả, thiết kế RISC đặt nhiều yêu cầu đối với trình dịch hơn. Hệ vi xử lý ARM
được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị di động bởi khả năng tiết kiệm năng lượng của nó. Cơ
chế hoạt động linh hoạt của ARM được thể hiện trong hình 2.2, hệ vi xử lý ARM có nhiều trạng
thái hoạt động thích hợp với các tác vụ mà CPU phải thực hiện. Trạng thái RUN là khi CPU
Hình 2.2: Các trạng thái của vi xử lý kiến trúc ARM
đang thực hiện tác vụ, IDLE là trạng thái CPU khi không thực hiện tác vụ nào và chờ thực hiện
tác vụ tiếp theo, SUSPEND là khi CPU ngừng hoạt động nhưng lưu các tác vụ đang thực hiện,
OFF là trạng thái khi CPU ngừng hoạt động, việc quản lý lính hoạt giữa các trạng thái này giúp
tiết kiệm năng lượng tối đa trên hệ thống sử dụng kiến trúc vi xử lý ARM. Hệ thống sử dụng
kiến trúc vi xử lý ARM sử dụng SDRAM 2.5V tiết kiệm năng lượng hơn rất nhiều so với loại

SDRAM 3.3V thông thường (theo bang. Theo biểu đồ 2.3 [7] chi tiết việc tiêu thụ điện năng
Bảng 2.1: SDRAM tiết kiệm năng lượng
Loại RAM Điện năng khi chạy(mW) Điện năng khi Suspend(mW)
Loại bình thường(3.3V) 891 9.9
Tiết kiệm năng lượng(2.5V) 324 1.2
7
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
của các thành phần trên TBDĐ bình thường sử dụng kiến trúc vi xử lý ARM dành đến 46.5 %
năng lượng để dành cho việc hiển thị trên màn hình, do đó việc xây dựng giao diện chương trình
chạy trên kiến trúc vi xử lý ARM rất quan trọng đối với việc hoạt động tiết kiệm điện năng của
TBDĐ. Các kiến trúc vi xử lý ARM từ ARM7 trở lên có hỗ trợ tính toán với dấu phẩy động sử
Hình 2.3: Biểu đồ sử dụng điện năng của các thành phần trong TBDĐ
dụng Floating Point Accelerator (FPA) và phần cứng Vector Floating Point accelerator (VFP),
tuy nhiên việc tính toán bằng dấu phẩy động tiêu tốn nhiều năng lượng và tốc độ chậm hơn rất
nhiều so với dấu phẩy tĩnh, khi đó trình biên dịch C sẽ phải xử lý các tính toán sử dụng dấu phẩy
động thay thế bằng nhiều phép toán số học, điều này đòi hỏi nhiều thời gian và năng lượng hơn
các phép toán số học thông thường.
8
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.3 OpenGL|ES
OpenGL|ES [8] cung cấp các giao diện lập trình cho các chương trình ứng dụng đồ họa 2D-3D
trên các hệ thống nhúng. Các giao diện lập trình này cho phép chương trình đồ họa giao tiếp với
phần cứng dễ dàng hơn với các tính năng ưu việt tương tự như của OpenGL, tuy nhiên thư viện
đồ họa OpenGLES đã được rút gọn đi để thích hợp hơn cho việc phát triển phần mềm trên thiết
bị nhúng. OpenGL|ES hỗ trợ các kiến trúc vi xử lý ARM (từ ARM7 trở lên) đồng thời thư viện
này cũng cho phép thực hiện các phép toán sử dụng dấu phảy tĩnh do đó các ứng dụng phát triển
cho ARM có thể sử dụng các giao diện lập trình phong phú từ thư viện này.
9
CHƯƠNG 3
Bài toán đặt ra

Mục tiêu bài toán là giải quyết vấn đề hiển thị và tương tác người dùng trên TBDĐ, bởi
vậy, ngoài những yêu cầu về giao diện thì có những yêu cầu đặt ra đặc trưng bởi nền tảng thiết
bị nhúng. Có thể nói, bài toán bao gồm hai vấn đề lớn: (1) tốc độ xử lý và (2) các yêu cầu về
giao diện người dùng. Nội dung khóa luận tập trung vào phát triển tối ưu thuật toán cho ARM
do đó các bài toán đặt ra ở đây sẽ dựa trên đặc điểm của kiến trúc ARM.
3.1 Phát triển phần mềm cho ARM
3.1.1 Các đặc điểm của kiến trúc xử lý ARM
Các hệ sử dụng kiến trúc xử lý ARM từ ARM7 trở lên được cài đặt phần cứng hỗ trợ tính
toán dấu phảy động (FPA và VFP) tuy nhiên việc tính toán dấu phảy động chậm hơn rất nhiều
so với dấu phảy tĩnh bởi phải qua FPA. Bên cạnh đó các phép toán với số thực cũng mất chi phí
tính toán rất cao. Bởi vậy, cần có giải pháp xử lý các phép tính toán với số thực và chuyển từ
dấu phảy động qua dấu phảy tĩnh sử dụng trong APL để thuật toán có thể thực hiện chính xác
và đảm bảo hiệu năng xử lý trên ARM. Đặc điểm của kiến trúc ARM yêu cầu các kỹ thuật lập
trình phù hợp.
10
CHƯƠNG 3: BÀI TOÁN ĐẶT RA
3.1.2 Xây dựng môi trường phát triển phần mềm cho ARM
Đối với máy sử dụng kiến trúc vi xử lý ARM có bộ nhớ và tốc độ tương đối nhỏ, việc phát
triển phần mềm và xây dựng trực tiếp trên chúng (hoặc trên giả lập) là rất khó khăn do đó đòi
hỏi phải xây dựng một môi trường phát triển phần mềm phù hợp và hiệu quả cho các máy này.
Các mô đun cần tích hợp trong biểu diễn dữ liệu trực quan như Treemap [6] được cài đặt rất
phức tạp, yêu cầu tính toán với các số tương đối lớn nên việc chuyển đổi, tối ưu mã nguồn của
chúng để đưa lên ARM là rất khó khăn. Các thư viện đồ họa hỗ trợ ARM còn rất hạn chế nên
việc chọn ra các thư viện đồ họa thích hợp đáp ứng được yêu cầu về cả mặt giao diện lẫn tốc độ
xử lý là một vấn đề lớn.
3.2 Các yêu cầu về giao diện người dùng
Việc chuyển đổi các mô đun treemap, cũng như mô phỏng dữ liệu thông qua thuật toán
APL lên trên thết bị nhúng đặt ra một yêu cầu cần phải đảm bảo tính sử dụng đối với người sử
dụng. Giao diện đạt được của chương trình phải có khả năng thích ứng linh hoạt với nhiều kích
cỡ màn hình và đưa ra một cách biểu diễn dữ liệu trực quan, linh hoạt. Việc cài đặt thuật toán

sử dụng WideStudio là một trong những yêu cầu từ phía Toshiba đối với nhóm phát triển.
11
CHƯƠNG 4
Giải pháp
4.1 Giải pháp
Tại chương này chúng tôi xin trình bày việc xây dựng môi trường phát triển phần mềm
cho ARM và cài đặt tối ưu thuật toán APL khi đưa lên máy sử dụng kiến trúc vi xử lý ARM.
Tôi tập trung vào việc tối ưu về mặt tốc độ của thuật toán khi chạy trên ARM và xây dựng giao
diện chương trình phù hợp với thiết bị nhúng trên ARM.
4.2 Xây dựng môi trường phát triển phần mềm cho ARM
Để khắc phục việc xây dựng trực tiếp trên thiết bị giới hạn về mặt phần cứng ta sẽ xây
dựng môi trường phát triển trên PC sau đó cross-compile để đưa phần mềm qua TBDĐ để chạy.
Yêu cầu thiết bị di động và máy chủ PC phải cùng sử dụng Debian GNU/Linux, giao diện xây
dựng trên thiết bị sử dụng thư viện đồ họa là X11, OpenGLES. Công cụ phát triển sẽ sử dụng
là WideStudio và GNU ToolChain cho ARM, hình 4.1 thể hiện giao diện lập trình của công
cụ WideStudio cho hệ thống nhúng. Việc sử dụng WideStudio và Debian có thể tận dụng hệ
thống thư viện hỗ trợ ARM phong phú cho Debian và các thư viện đồ họa được tích hợp trong
WideStudio. Bên cạnh đó các thư viện và công cụ phát triển đều là miễn phí do đó việc lập trình
12
CHƯƠNG 4: GIẢI PHÁP
và đưa ứng dụng vào thực tế sẽ gặp nhiều thuận lợi hơn.
Hình 4.1: Giao diện WideStudio
4.3 Sử dụng dấu phẩy tĩnh thay thế cho dấu phẩy động
Vì kiến trúc vi xử lý ARM9 hỗ trợ tính toán dấu phẩy tĩnh tốt hơn dấu phẩy động rất nhiều
(tăng tốc độ phép toán) do đó các phép toán sử dụng dấu phẩy động phải thay thế bằng dấu phẩy
tĩnh. Phép toán sử dụng dấu phảy động sẽ phải sử dụng mô đun FPA tốc độ của mô đun này
chậm hơn 10 lần so với mô đun xử lý số nguyên. Biểu diễn của các số sử dụng dấu phẩy động
và sử dụng dấu phẩy tĩnh theo hình 4.1 Tôi sẽ sử dụng 1 số nguyên 32 bit để biểu diễn một số
dấu phẩy tĩnh với 16 đầu lưu phần nguyên và 16 bit cuối lưu phần thực. Do đó giới hạn của việc
biểu diễn bằng giấu phẩy tĩnh sẽ là từ 2

31
. Việc thay thế dấu phẩy động bằng dấu phẩy tĩnh được
thực hiện qua các phần: xử lý dữ liệu đầu vào, các hằng số chuyển từ dấu phẩy động sang dấu
13
CHƯƠNG 4: GIẢI PHÁP
Hình 4.2: Biểu diễn dấu phẩy tĩnh và dấu phẩy động
phẩy tĩnh, thay thế các toán tử bình thường bằng các toán tử sử dấu phẩy động.
Xử lý dữ liệu và các hằng số
Thay thế các số dấu phẩy động bằng các số sử dụng dấu phẩy tĩnh sử dụng hàm Fixed-
FromFloat(float value) và FixedFromInt(int a) theo mã chương trình dưới đây
i nl in e i n t FixedFromInt ( i n t a )
{
return ( a << 16 ) ;
}
i nl in e i n t FixedFromFloat ( f l o a t va lue ) {
return ( i nt ) ( value ∗ (1 < <16));}
Việc biểu diễn việc chuyển từ số nguyên và số thực có dấu phảy động sang số có dấu phảy tĩnh,
với số nguyên ta thực hiện phép dịch 16 bit thì khi đó 16 bit đầu sẽ để biểu diễn phần nguyên
conf 16 bit sau biểu diễn phần thực. Với số thực vì dùng 16 bít để lưu phần nguyên nên giá trị
tuyệt đối của số thực sẽ bị giới hạn < 2
15
các số nằm ngoài giới hạn sẽ được nhận các giá trị là
giới hạn 2
31
− 1 và 2
31
của dấu phảy tĩnh, ta nhân với hằng số 65536 (1 « 6) để thu được số sử
dụng dấu phảy tĩnh 16 bit biểu diễn phần nguyên và 16 bit biểu diễn phần thực.
14
CHƯƠNG 4: GIẢI PHÁP

Thay thế các phép toán
Các phép toán với số thực sẽ được thay thế bằng các phép toán với số nguyên kết, do đó
có thể làm tăng tốc độ tính toán đáng kể khi đưa chương trình lên ARM (khi chạy trên ARM
không cần sử dụng đến FPA và VFP). Phép nhân được thay thế bằng hàm Mul(int a, int b) mã
chương trình của hàm Mul(int a, int b) được trình bày dưới đây:
i nl in e long Mul ( i n t a , i n t b ) {
return ( ( a ∗ b ) >> 16) ;
}
Việc nhân hai số có thể thực hiện bằng cách nhân hai số dấu phảy tĩnh bình thường sau đó dịch
16 bit để thu được kết quả có dạng dấu phẩy tĩnh như trình bày ở trên. Phép chia được thay thế
bằng hàm Div(int a, int b), đây là mã chương trình của hàm Div(int a, int b)
i nl in e i n t Div ( i nt a , i n t b ) {
i f ( ( b >> 24) && ( b >> 24) + 1) {
return Mul ( a >> 8 , I n v er se ( b >> 8 ) ) ;
} e l se {
return Mul ( a , I n ve rs e ( b ) ) ;
}
}
Phép chia sẽ được thực hiện tương đương với việc thực hiện phép nhân Mul và phép nghịch đảo
Inverse. Giá trị dưới dạng nghịch đảo sẽ thu được qua phép biến đổi Newton-Raphson (6)
x
n+1
=(2 - A*x
n
)*x
n
(6)
Tuy nhiên tập lệnh của ARM không cung cấp chỉ lệnh thực hiện việc chia số nguyên do đó phép
chia được sử dụng hạn chế để làm tăng tốc độ tính toán. Phép exp sẽ được thực hiện thay thế bởi
hàm FixedExp(int val), mã nguồn của hàm được trình bày dưới đây

15