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

Việc xây dựng một giao diện thông minh dành cho các TBDĐ luôn rất quantrọng, một ứng dụng với giao diện thông minh có thể sử dụng trên nhiều loại thiết bị khác nhaunhư điện thoại di dộng

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

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 bốnnăm học vừa qua đã trang bị cho tôi nền tảng kiến thức quý báu, rất cần thiết cho việc hoànthành khóa luận và làm việc sau này Các thầy cô luôn là những tấm gương mẫu mực về tácphong 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 trườngĐại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội, cùng Th.S Vũ Quang Dũng, giảng viên bộmôn Công nghệ phần mềm, trường Đại học Công Nghệ Các thầy đã hết lòng chỉ bảo giúp đỡtôi trong thời gian học tập tại trường cũng như trong suốt quá trình nghiên cứu hoàn thành khóaluận này

Xin gửi lời cảm ơn tới các thành viên phòng nghiên cứu Toshiba-Coltech đã nhiệt tìnhcộng 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

cố gắng hoàn thành luận văn với tất cả sự nỗ lực của bản thân,nhưng luận văn chắc chắn khôngtránh 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

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, cácTBDĐ có những hạn chế như màn hình hiển thị nhỏ và có rất nhiều kích thước với mục đích sửdụng khác nhau Việc xây dựng một giao diện thông minh dành cho các TBDĐ luôn rất quantrọng, một ứng dụng với giao diện thông minh có thể sử dụng trên nhiều loại thiết bị khác nhaunhư điện thoại di dộng, TV hay thiết bị định hướng GPS của ôtô Thuật toán Adaptive PageLayout [1] là một giải pháp để đưa ra cách sắp xếp màn hình hiệu quả cho các TBDĐ Trongkhóa luận này tôi sẽ hướng đến việc phát triển, tối ưu thuật toán APL về tốc độ xử lý, bộ nhớ sửdụng 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 thuậttoán APL trên ARM Đồng thời tôi cũng xây dựng ứng dụng minh họa Health ExaminationVisualization sử dụng APL như một mô đun để biểu diễn các dữ liệu kiểm tra sức khỏe mộtcách trực quan (theo yêu cầu bên phía Toshiba) trên ARM, qua đó có thể chứng minh khả năngứng 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 đượctrình bày trong khóa luận của bạn Cao Bắc Tiến[2] Dựa trên các đặc điểm của kiến trúc ARMtôi thực hiện tối ưu tốc độ tính toán khi cài đặt thuật toán APL trên ARM và các vấn đề về giaodiện hiển thị hiển thị của chương trình

Mobile devices are becoming more and more popular because of their mobilty and less technology However mobile devices are not like a PC which has large screen and powerfulcapability, 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 forone application and should be usable on different interactive devices, e.g cell phone, TV orGPS devices on car Adaptive Page Layout [1] algorithm is a solution for constructing an ef-fective layout on mobile devices In this thesis, we focus on optimizing the APL algorithm incomputation 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 programusing APL on ARM I also build Health Data Visualization Application using APL as a module

wire-to visualize health data (based on requirement of Toshiba) on ARM, the application denotes theablity 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 CaoBắc Tiến graduation thesis Based on properites of ARM system, I improve APL computationspeed and GUI of applications on ARM

Bảng từ viết tắt

3 Health Examination Data

Bảng 1: Bảng từ viết tắt

Mục lục

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 triển 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

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 trình 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

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

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

CHƯƠNG 1

Mở đầu

Xây dựng dàn trang cho TBDĐ là một vấn đề có cốt yếu trong việc đưa ra một giao diệnthông minh với khả năng hỗ trợ người dung cao Các kỹ thuật sắp xếp giao diện cho TBDĐ hiệnnay có rât nhiều hạn về mặt tốc độ cũng như hiệu quả hiển thị Sự khác biệt về màn hình hiểnthị, cấu hình và mục đích sử dụng của các TBDĐ cũng yêu cầu dữ liệu được biểu diễn rất khácnhau Vì thế hiện nay nhiều thuật toán về dàn trang (page layout) đã được nghiên cứu và pháttriển 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 nềntảng PC, không thực sự đáp ứng được các yêu cầu khi chuyển đổi và cài trên thiết bị nhúng (nhưgiới hạn về khả năng xử lý, bộ nhớ và màn hình hiển thị ) Trong luận văn này, tôi sẽ chọn thuậttoán APL (cho các hình khối có thứ tự) và tiến hành các bước tối ưu để giải quyết bài toán vềdàn trang trên TBDĐ Tôi hi vọng cách tiếp cận và giải quyết bài toán được đưa ra trong khóaluận 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:

mình

CHƯƠNG1: MỞ ĐẦU

như ý nghĩa thực tiễn

CHƯƠNG 2

Cơ sở lý thuyết

Trong khuôn khổ vấn đề đã nêu ở phần giới thiệu tôi cần quan tâm đến thuật toán AdaptivePage Layout (dàn trang mang tính thích ứng) [1], thuật toán về trực quan hóa dữ liệu SquarifiedTreemap [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] vềthuật toán APL trên PC

2.1 Thuật toán Squarified Treemap

Thuật toán Squarified Treemap [6] là thành phần khá quan trọng trong việc xây dựngdemo Health Examination Data Visualization của chúng tôi Squarified Treemap được pháttriển 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 Mỗihình chữ nhật trong treemap biểu diễn một lá của biểu đồ cây Và việc chia các hình chữ nhậttheo chiều thẳng đứng hoặc chiều ngang thể hiện các lá cùng cấp hay không (Ví dụ: Các lá trêncùng một cấp sẽ được chia theo cùng chiều thẳng đứng hoặc cùng chiều dọc) Và cỡ của mỗi

CHƯƠNG2: 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 thểhiện sự tương ứng giữa biểu đồ cây và treemap Về mặt ý tưởng một thuật toán treemap sẽ tạocho 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

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 đơngiản chỉ là điều khiển một chốt đèn giao thông định thời, đếm số người ra vào cửa, điều khiểnđộng cơ ON-OFF, hiển thị một câu thông báo trên LCD, theo xu thế tất yếu các nhân điều khiểncần 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 tớiphạm vi ứng dụng của hệ chip vi điều khiển 8bit Vi điều khiển 8bit gặp phải rất nhiều vấn đề vềtính 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 tôitập trung vào nghiên cứu phát triển phần mềm chạy trên hệ thống sử dụng hệ vi xử lý ARM 32bit 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 eeglossary [? ] 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 lýcủa ARM có sự khác biệt đối với máy tính cá nhân, điều đó dẫn đến nảy sinh một số khác biệt

CHƯƠNG2: 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 phầncứng bởi vì cung cấp tính mềm dẻo và thông minh trong phần mềm dễ dàng hơn trong phầncứng Như một hệ quả, thiết kế RISC đặt nhiều yêu cầu đối với trình dịch hơn Hệ vi xử lý ARMđược sử dụng rộng rãi trong các thiết bị di động bởi khả năng tiết kiệm năng lượng của nó Cơchế hoạt động linh hoạt của ARM được thể hiện trong hình 2.2, hệ vi xử lý ARM có nhiều trạngthái 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 hiệntác 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 giúptiết kiệm năng lượng tối đa trên hệ thống sử dụng kiến trúc vi xử lý ARM Hệ thống sử dụngkiến trúc vi xử lý ARM sử dụng SDRAM 2.5V tiết kiệm năng lượng hơn rất nhiều so với loạiSDRAM 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

CHƯƠNG2: 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 trìnhchạy trên kiến trúc vi xử lý ARM rất quan trọng đối với việc hoạt động tiết kiệm điện năng củaTBDĐ 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 rấtnhiều so với dấu phẩy tĩnh, khi đó trình biên dịch C sẽ phải xử lý các tính toán sử dụng dấu phẩyđộng thay thế bằng nhiều phép toán số học, điều này đòi hỏi nhiều thời gian và năng lượng hơncác phép toán số học thông thường

CHƯƠNG2: 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-3Dtrên các hệ thống nhúng Các giao diện lập trình này cho phép chương trình đồ họa giao tiếp vớiphần 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 việnnày cũng cho phép thực hiện các phép toán sử dụng dấu phảy tĩnh do đó các ứng dụng phát triểncho ARM có thể sử dụng các giao diện lập trình phong phú từ thư viện này

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 tínhtoán 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 phítính toán rất cao Bởi vậy, cần có giải pháp xử lý các phép tính toán với số thực và chuyển từdấu 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 lậptrình phù hợp

CHƯƠNG3: 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 pháttriển phần mềm và xây dựng trực tiếp trên chúng (hoặc trên giả lập) là rất khó khăn do đó đòihỏi 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 rấtphức tạp, yêu cầu tính toán với các số tương đối lớn nên việc chuyển đổi, tối ưu mã nguồn củachúng để đưa lên ARM là rất khó khăn Các thư viện đồ họa hỗ trợ ARM còn rất hạn chế nênviệc 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 toánAPL lên trên thết bị nhúng đặt ra một yêu cầu cần phải đảm bảo tính sử dụng đối với người sửdụng 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

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 xâydựng 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 xâydựng 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 hệthống thư viện hỗ trợ ARM phong phú cho Debian và các thư viện đồ họa được tích hợp trongWideStudio Bên cạnh đó các thư viện và công cụ phát triển đều là miễn phí do đó việc lập trình