Aula 1 - Arquitetura de Sistemas Embarcados I

7/31/2019 Aula 1 - Arquitetura de Sistemas Embarcados I

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Arquitetura de Sistemas

Embarcados IEng. Nilton Barbosa Armstrong Junior

[email protected]

Universidade PositivoCurso de ps-graduao em Construo e Desenvolvimento de SistemasEmbarcados


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Currculo acadmico

1994-1998: Curso tcnico em eletrnica UTFPR

Sistemas de automao microprocessada

2000-2004: Engenharia de Computao Universidade Positivo

Sistema de DSP

Engenharia biomdica

2005-2008: Mestrado em Informtica Industrial UTFPR

Sistemas de lgica programvel

Sistemas paralelizados Cluster

Algoritmos de busca

Bioinformtica (dobramento de protenas)

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Currculo profissional 1999-2004: Procomp Industria eletrnica

Manuteno e anlise em sistemas eletrnicos de automao

2004-2006: Esso Brasileira de Petrleo

Administrao de acesso e suporte de segundo nvel

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Currculo profissional 2006-atual: Instituto de Tecnologia do Paran Tecpar Diviso de

Inteligncia Artificial

Pesquisa e desenvolvimento em Inteligncia artificial

Sistemas especialistas

Sistemas paralelizados Cluster e Grid

Sistemas multi-agentes

Sistemas de automao comercial

Inteligncia em dispositivos mveis J2ME, C++ e C# embarcados

Anlise cromtica inteligente de gramneas Anlise de Firmware (C, AHDL e VHDL)

Robtica eletrnica analgica e digital

Orientao de bolsista de iniciao cientfica

Participao em congressos

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Ementa da Disciplina Avaliar os conceitos iniciais de desenvolvimento de

sistemas embarcados.

Avaliar solues, obtendo o mximo de otimizao

possvel, permitindo desta forma, um melhor desempenhona relao custo X benefcio de um produto final.

Criar solues aparentemente complexas utilizandomicrocontroladores de baixo custo, desempenho

relativamente pequeno, pouca memria e perifricosinternos.

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Projeto da Disciplina

Arquiteturas RISC e CISC de microcontroladores,

Diferena entre arquiteturas de 8, 16 e 32 bits,

AVR

ARM

Perifricos comuns a microcontroladores

Timers, PWM, interrupes, UART, SPI, I2C e outros

Aplicaes tpicas

8 bits, 16 bits e 32 bits.

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Pr-requisitos

Circuitos digitais e microprocessados

Linguagem ANSI C: para a programao dos

microcontroladores

Linguagem de programao de alto nvel para a

programao em desktop

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Conhecimentos desejveis

Circuitos analgicos:

Interface com os sensores

Instrumentao eletrnica:

Diagnstico e testes

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Avaliao Trabalhos:

Entrega na aula posterior.

Valor fixo em 1,0 ponto

Defesa de projeto prtico:

Divulgao na aula n2 e entrega na aula n6

Individual ou em dupla

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Bibliografia LABROSSE J.; GANSSLE J.; OSHANA R.; WALLS C.; CURTIS K.; ANDREWS J.;

KATZ D.; GENTILE R.; HYDER K.; PERRIN B.; EMBEDDED SOFTWARE - Know it

all, 1st ed., Newnes, Oxford: 2008.

GANSSLE J.; NOERGAARD T.; EADY F.; EDWARDS L.; KATZ D.; GENTILE R.;ARNOLD K.; HYDER K.; PERRIN B.; HUDDLESTON C.; EMBEDDED HARDWARE

- Know it all, 1st ed., Newnes, Oxford: 2007

BARR M.; EMBEDDED C CODING STANDARD, 1st ed., Netrino Institute, Maryland:

2009.

NOERGAARD, T.; Embedded Systems Architecture; 1st ed.; Elsevier; New York;

2005

MARWEDEK, P.; Embedded System Design; 1st ed.; Elsevier; New York; 2006

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Bibliografia

TOCCI, R. J.; WIDMER, N. S.; MOSS, G. L. Sistemas Digitais:

Princpios e Aplicaes. 10ed.

NICOLOSI, D. E. C. Microcontrolador 8051 detalhado. 2 ed.

PATTERSON, D. A.; HENNESSY, J. L. Organizao e Projeto de

Computadores: A Interface Hardware/Software. 2 ed.

TOKHEIM, Roger L. Introduo aos Microcontroladores.

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Cronograma 30horas/aulaData Planejamento

17/mar/2012 Introduo a Sistemasembarcados

31/mar/2011 Arquiteturas AVR e ARMPerifricos

14/abr/2011 Projeto de firmware

28/abr/2011 Projeto de driver de

perifericos12/mai/2011 Gerenciamento de energia

26/mai/2011 Projeto final

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Objetivos desta aula

Introduzir o conceito de Sistemas Embarcados

Mostrar seu ciclo de desenvolvimento

Apresentar a arquitetura genrica do SistemaEmbarcado e seus componentes

Introduzir o conceito e a arquitetura genrica dos

microcontroladores Panorama de Mercado

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Sistemas Embarcados

Computadores dedicados, eficientes econfiveis porm com alguma limitao

funcional em relao ao computador desktop

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O que so sistemas embarcados?

Sistemas microprocessados portteis ou no,destinados a uma ou a um conjunto definido defuncionalidades, em tempo-real ou no;

Funcionalidade global esttica e funcionalidadelocal dinmica;

No so mquinas genricas, como os desktops;

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Sistemas embarcados

Cenrio das dcadas de 50-70

Eletrnica rudimentar

Dispositivos eletromecnicos Circuitos digitais discretos: muitos circuitos integrados

Pouca autonomia

Pouca capacidade computacional Exemplos:

Calculadoras mecnicas, circuitos comutados,computadores discretos

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Motivaes para o surgimento

Substituio de lgica discreta

Manuteno de funcionalidade

Melhor controle de sistemas eletromecnicos:

Proteo da propriedade intelectual

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Motivaes para o surgimento Substituio de lgica discreta:

Dcada de 70: primeiros microprocessadores

Ex.: calculadoras

Reduo de custo de fabricao

Facilidade de reprogramao

Manuteno de funcionalidade: Fcil adio e remoo de funcionalidades

Upgrades feitos remotamente

Software muda e hardware permanece inalterado

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Melhor controle de sistemas eletromecnicos:

Ex.: Controle de motor veicular:

Perfis de funcionamento (econmico, torque,velocidade)

Monitoramento de sensores

Proteo da propriedade intelectual

Em geral, pode-se configurar um dispositivo parano permitir a recuperao do firmware

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Processamento digital de sinais (DSP):

Capacidade de incorporar funcionalidadesanalgicas em circuitos digitais:

Filtros digitais

Modulao e demodulao

Recuperao de informao

Transformao

Codificao: TV digital, mp3

Anlise de imagens: mouse ptico

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Exemplos de sistemas embarcados Automveis: ignio, injeo eletrnica, ABS

Eletrnicos: TV, DVDs, VCRs, eletrodomsticos, cmeras

Indstria: robs e sistemas de controle

Medicina: monitores cardacos, prteses

Telecomunicaes: roteadores, hubs

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Desafios em um sistema embarcado

Voltar a pensar como era feito o desenvolvimentoh 3 dcadas

Memria limitada Poder de processamento e opes de depurao

limitados

Baixo consumo

Maximizao da vida de baterias

Fonte: A Boss's Quick-Start to Firmware Engineering, Part 1, Ganssle Group, http://www.ganssle.com/articles/abossguidepi.htm

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http://www.ganssle.com/articles/abossguidepi.htmhttp://www.ganssle.com/articles/abossguidepi.htm


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Processamento em tempo-real

Processos que, se no executados no tempo

correto, invalidam o sistema

Dimenses reduzidas

GPS, radar, detector de minas, celular

Fonte: Wayne; What and Why about Architecture for Embedded Systems; Department of ElectricalEngineering, Princeton University, 2000;

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Investir em inspeo do cdigo

Em grandes equipes o mesmo cdigo revisto

por at quatro pessoas Depurar mais caro e mais difcil

Corrigir erros ainda mais caro!

Reduzir os custos de manufatura Poucos componentes e/ou cdigo executvel

reduzido

Fonte: Wayne; What and Why about Architecture for Embedded Systems; Department of ElectricalEngineering, Princeton University, 2000;

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Programar eficientemente

Custo por linha(sistema final)

Finalidade dofirmware

$15-$30 Comercial

$100 Militar

$1000 Espacial

Fonte: A Boss's Quick-Start to Firmware Engineering, Part 1, Ganssle Group, http://www.ganssle.com/articles/abossguidepi.htm

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http://www.ganssle.com/articles/abossguidepi.htmhttp://www.ganssle.com/articles/abossguidepi.htm


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Metodologia de desenvolvimento

Processo que define os passos a serem tomados

Visa fazer com que as equipes pensem todos namesma direo

Fundamental em equipes de qualquer tamanho

Importantssima para ser competitivo

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Metodologia de desenvolvimento

Modelo Waterfall

Refinamento sucessivo

Projeto de hardware e software combinado

Modelo hbrido

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Modelo Waterfall

Requisitos

Arquitetura

Implementao

Teste

Manuteno

Fonte: Picking the right system design methodology for yourembedded apps: Part 1


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Refinamento sucessivo

Especificao

Arquitetura

Projeto

Implementao

Teste

Especificao

Arquitetura

Projeto

Implementao

Teste

...



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Projeto de HW/SW combinado

Requisitos e especificao

Arquitetura

Projeto deHardware

Integrao

Manuteno

Projeto deSoftware



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Modelo hbrido

Adaptado de: NOERGAARD, T.; Embedded systems architecture: acomprehensive guide for engineers and programmers; Oxford; Elsevier, 2005.

Concepodo produto

Analise dosrequisitos

Projeto daarquitetura

Desenvolvimentoda arquitetura

Reviso efeedback

Implementaoda arquitetura

Incorporao

do feedback

Entrega da versofinal da arquitetura

Correes

Desenvolvimento(implementao) do

sistema

Reviso e teste

do sistema

Entrega e manuteno dosistema


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Descrio docomportamento

Necessidades do clienteConformidade a normasViabilidade financeira

Projeto do Sistema

Escolha dos componentes eferramentas

Planejamento da implementaoSoluo de problemas

Implementao

FirmwareHardware

SoftwareLayoutDesign de produto

Estratgia genrica (Waterfall)

Requisitos

Arquitetura

Implementao

Teste

Manuteno


Teste

ValidaoManuteno

Correo deerros

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Arquitetura genrica de um sistema

embarcado Abstrao do sistema embarcado

Composta de elementos que representamrelaes estruturais e comportamentais

Define poucos detalhes sobre os elementos

Deve incluir os elementos internos e externos do

sistema embarcado

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MCU

Arquitetura genrica de um sistema

embarcado

Sensores A/D CPU D/A

Atuadores

FPGA /ASIC

Memrias

Interfacehumana

Porta deDiagnstico

Sistemasauxiliares

(Alimentao,arrefecimento,

comunicao)

Sistemas de backup esegurana

eletromecnicos Fonte (adaptado): KOOPMAN, P. J., Embedded SystemDesign Issues, Proceedings of the InternationalConference on Computer Design, 1996.

Portas decomunicao

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Escolhendo um microcontrolador DigiKey apresenta mais de 32500 opes (mar/2011)

Aprox. 11% a mais que em abr/2010

Diviso entre 8, 16 e 32 bit cada vez menos evidente

Deciso errada pode comprometer o futuro doproduto

Pode significar perda da vantagem competitiva

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Questes-chave na escolha Finalidade

Matemtica x Controle

Largura de barramento da arquitetura Aplicao do produto final Impacto no desempenho Custo

Freqncia de operao Freqncia x Desempenho x Custo

Dificuldade de layout (High-Speed design)

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Questes-chave na escolha

Desempenho

Kernel: Execuo de cdigos de mquina (MIPS)

Sintticos: Dhrystone, CoreMark, Whetstone

Outros: I/O Benchmarchs, Parallel benchmarks

Arquitetura adequada para o produto

RISC sinnimo de desempenho, porm diversosCISC atingem 80MIPS a 80MHz

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Questes-chave na escolha

Funcionalidades do microcontrolador

PoR, BrownOut, DSP, on-board debug, PLL, timers,comunicao

Planos para o futuro: compatibilidade de novasverses, novos perifricos

Tempos de escrita e apagamento da flash

Tamanho x Tempo de Gravao

Velocidade X Custo

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Questes-chave na escolha Velocidade da CPU x velocidade da Flash

Preferivelmente zero Wait-States

Tamanho do armazenamento em Flash

Tamanho x Custo x Expansibilidade

rea ocupada

rea x Dissipao x Custo da PCI

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Questes-chave na escolha Consumo

Sleep mode, longevidade da bateria, necessidade deemisso eletromagntica

Tenso de alimentao x Consumo

Freqncia de operao x Custo

Tipo, tamanho e custo da bateria

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Questes-chave na escolha Necessidade de atendimento a normas:

Ambientais: ROHS, Pb-free, etc.

Tcnicas: Anatel, FCC, IEC, SIL, , DO-178B, MISRA,Netrino, etc.

Faixa de temperatura

Normal, Militar, Espacial

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Questes-chave na escolha Ferramentas de desenvolvimento

Linguagem

Suporte futuro

Preo

Reusabilidade

Depurador (emulado e on-chip)

Otimizador

Profiler

Fonte: Before Selecting A Microcontroller, Ask Yourself These Seven Questions,By Roland Gehrmann, January 23, 2007

Selecting an embedded MCU: How to avoid evaluation trap? by Didier MAURER , Aurlie DESCOMBES from DolphinIntegration, 2010


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RISC x CISC

Instrues

de mquina

Execuo dainstruo

Instruesde mquina

Conversopara

microcdigo

Microcdigo

Execuo domicrocdigo

RISC ReducedInstruction Set Computer

CISC - ComplexInstruction Set Computer


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CISC RISC

Filosofia Projeto HW simples Projeto de SW simples

Instrues Multi-clock Single Clock

Tamanho do cdigoexecutvel

Pequeno Grande

Tipos de dados Numerosos Somente os bsicos

N de instrues porprograma Poucas Muitas

UtilizaoAssembly fcil de usar

Restrio de tamanho deROM

Mais fcil o uso decompiladores de alto-nvel

Necessidade de clock reduzido

Comparao CISC x RISC


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Arquitetura Von Neumann

CPU

Instrues + dados Dados

En

dereo

Dados

Memria Flash Memria RAM

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Arquitetura Von Neumann com cache

CPU

Instrues + constantes Dados

Memria cache

Endereo

Dados

Dados

DadosControlador

cache

Controle



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Arquitetura Harvard modificada

CPU


En

dereo

B

En

dereo

A

Dados

A

Dados

B



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Arquitetura Harvard + Von Neumann

CPU


Endereo

B

Endereo

A

Dados

A

Dados

B

Memria cache -

Instrues

Memria cache -

Dados

Memria principal (Flash + RAM)

Endereo

C Dados

Controladorda cache

Controle


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Alternativas ao microcontrolador

Flexibilidade

Desempenho

ASIC

Microcontroladores

FPGALgicadiscreta

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Desempenho

ASIC

Microcontroladores

FPGA

Lgicadiscreta

Custoseria

do

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Manipulao de dados

Microcontroladores

DSP

C

lculomatem

tico

MSP

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Panorama de mercado

Arquitetura Participao no mercado

8bit 60%

16bit 15%

32bit 9%

Outros 16%

Participao no mercado das diversasarquiteturas:

Fonte: http://www.ganssle.com/articles/8and16bit.htm

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Panorama de mercado

Quantidade de projetos que contm pelo menosum processador de:

Tamanho do registrador Quantidade

4 bit 0%

8 bit 42.3%

12/14 bit 4.5%

16bit 36.3%

24 bit 1.5%

32 bit 64.5%

64 bit 3.4%

Fonte: GANSSLE, J.; The Embedded Muse; n. 132; agosto, 2006.

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Panorama de mercado

Quantidade de projetos em que as empresasinvestiram por segmento:

Segmento Quantidade

Eletro-eletrnicos 22.8%

Automao comercial 9.1%

Automotivo 11.3%

Militar/aeroespacial 16.4%

Mdico 11.4%

Telecomunicaes 24.5%

Automao industrial 27.8%

Outros 19.4%


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Panorama de mercado

Perfil de paradigma de programao de firmware:

Recurso de Orientao a

Objetos Percentual

Encapsulamento 34.7%

Herana 22.2%

Polimorfismo 14.5%

Nenhum deles 63.5%


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Futuro do mercado Cenrio ps crise 2008-2009:

Previso de aumento nas vendas de chips, maisde $270 bilhes em 2010

Previso de crescimento nas vendas at 2014

Previso de aumento da produo de ARM de 4bilhes para 5 bilhes

Fontes: GANSSLE, J.; The Embedded Muse; n. 191; Marco, 2010. e Yiu, J.;What s next for microcontrollers?em www.embedded.com, acessado em 22/mar/2010

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Futuro do mercado Cenrio ps crise 2008-2009:

Previso de crescimento no segmento deembarcados de mais de 4% at 2013

Previso da industria automotiva de crescer onmero de linhas de cdigo de 100 milhes para200-300milhes por carro (de luxo)


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Futuro do mercado

Tendncia de migrao de 8bit para 32bit Desempenho muito maior Melhor a acesso s instrues Complexidade dos projetos cada vez maior Pensamento em expanso do sistema Em geral, menor consumo Executveis menores Diferena de custo cada vez menor


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Referncias http://www.eetimes.com/

http://www.ganssle.com/

http://embeddedgurus.com/

http://microcontroller.com/

http://www.netrino.com/

http://www.embedded-systems.com/

http://circuitcellar.com/

http://www.iqmagazineonline.com/current/

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http://www.eetimes.com/http://embeddedgurus.com/http://embeddedgurus.com/http://microcontroller.com/http://www.netrino.com/http://www.embedded-systems.com/http://circuitcellar.com/http://www.iqmagazineonline.com/current/http://www.iqmagazineonline.com/current/http://circuitcellar.com/http://www.embedded-systems.com/http://www.embedded-systems.com/http://www.embedded-systems.com/http://www.netrino.com/http://microcontroller.com/http://embeddedgurus.com/http://embeddedgurus.com/http://embeddedgurus.com/http://embeddedgurus.com/http://www.eetimes.com/


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Artigos interessantes

http://www.embedded.com/columns/guest/223500065

http://www.ganssle.com/articles/8and16bit.htm

http://www.embedded.com/design/222200229

http://www.eetimes.com/design/embedded/4008863/What-next-for-microcontrollers-

http://www.ganssle.com/tem/tem191.htm

http://www.embedded.com/columns/technicalinsights/211600577

http://microcontroller.com/wp/MicrosDSPs/micros_dsps.htm
http://www.ganssle.com/articles/8and16bit.htmhttp://www.ganssle.com/articles/8and16bit.htmhttp://www.embedded.com/design/222200229http://www.eetimes.com/design/embedded/4008863/What-next-for-microcontrollers-http://www.eetimes.com/design/embedded/4008863/What-next-for-microcontrollers-http://www.ganssle.com/tem/tem191.htmhttp://www.embedded.com/columns/technicalinsights/211600577http://www.embedded.com/columns/technicalinsights/211600577http://microcontroller.com/wp/MicrosDSPs/micros_dsps.htmhttp://microcontroller.com/wp/MicrosDSPs/micros_dsps.htmhttp://www.embedded.com/columns/technicalinsights/211600577http://www.embedded.com/columns/technicalinsights/211600577http://www.ganssle.com/tem/tem191.htmhttp://www.eetimes.com/design/embedded/4008863/What-next-for-microcontrollers-http://www.eetimes.com/design/embedded/4008863/What-next-for-microcontrollers-http://www.eetimes.com/design/embedded/4008863/What-next-for-microcontrollers-http://www.eetimes.com/design/embedded/4008863/What-next-for-microcontrollers-http://www.eetimes.com/design/embedded/4008863/What-next-for-microcontrollers-http://www.eetimes.com/design/embedded/4008863/What-next-for-microcontrollers-http://www.eetimes.com/design/embedded/4008863/What-next-for-microcontrollers-http://www.eetimes.com/design/embedded/4008863/What-next-for-microcontrollers-http://www.embedded.com/design/222200229http://www.ganssle.com/articles/8and16bit.htmhttp://www.ganssle.com/articles/8and16bit.htmhttp://www.ganssle.com/articles/8and16bit.htm

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