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Arquitetura de Sistemas
Embarcados IEng. Nilton Barbosa Armstrong Junior
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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7/31/2019 Aula 1 - Arquitetura de Sistemas Embarcados I
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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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7/31/2019 Aula 1 - Arquitetura de Sistemas Embarcados I
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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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7/31/2019 Aula 1 - Arquitetura de Sistemas Embarcados I
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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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Motivaes para o surgimento
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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Motivaes para o surgimento
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.htm7/31/2019 Aula 1 - Arquitetura de Sistemas Embarcados I
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Desafios em um sistema embarcado
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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Desafios em um sistema embarcado
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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Desafios em um sistema embarcado
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.htm7/31/2019 Aula 1 - Arquitetura de Sistemas Embarcados I
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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
...
Fonte: Picking the right system design methodology for yourembedded apps: Part 1
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Projeto de HW/SW combinado
Requisitos e especificao
Arquitetura
Projeto deHardware
Integrao
Manuteno
Projeto deSoftware
Fonte: Picking the right system design methodology for yourembedded apps: Part 1
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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
Fonte: Picking the right system design methodology for yourembedded apps: Part 1
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
36
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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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7/31/2019 Aula 1 - Arquitetura de Sistemas Embarcados I
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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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7/31/2019 Aula 1 - Arquitetura de Sistemas Embarcados I
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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
Memria Flash Memria RAM
7/31/2019 Aula 1 - Arquitetura de Sistemas Embarcados I
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Arquitetura Harvard modificada
CPU
Instrues + constantes Dados
En
dereo
B
En
dereo
A
Dados
A
Dados
B
Memria Flash Memria RAM
7/31/2019 Aula 1 - Arquitetura de Sistemas Embarcados I
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Arquitetura Harvard + Von Neumann
CPU
Instrues + constantes Dados
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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7/31/2019 Aula 1 - Arquitetura de Sistemas Embarcados I
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Alternativas ao microcontrolador
Desempenho
ASIC
Microcontroladores
FPGA
Lgicadiscreta
Custoseria
do
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Alternativas ao microcontrolador
Manipulao de dados
Microcontroladores
DSP
C
lculomatem
tico
MSP
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7/31/2019 Aula 1 - Arquitetura de Sistemas Embarcados I
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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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7/31/2019 Aula 1 - Arquitetura de Sistemas Embarcados I
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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%
Fonte: GANSSLE, J.; The Embedded Muse; n. 132; agosto, 2006.
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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%
Fonte: GANSSLE, J.; The Embedded Muse; n. 132; agosto, 2006.
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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)
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
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
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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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/
62
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/7/31/2019 Aula 1 - Arquitetura de Sistemas Embarcados I
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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
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