Sistemas em Tempo Real

1. Sistemas em Tempo Real Módulo 6: Sistemas EmbarcadosJarbas Silveira. Jarbas Silveira

2. Ementa:6. Sistemas Embarcados: Características; Restrições; Considerações de projeto; Embarcando sistemas operacionais em sistemas embarcados Roteiro Jarbas Silveira

3. Sistemas Embarcados- Introdução- Características - Arquiteturas- Considerações sobre projetos- Principais topologias- Embarcando sistemas operacionais em sistemas embarcados Roteiro Jarbas Silveira

4. Um sistema embarcado é um sistema microprocessado no qual o computador é completamente encapsulado ou dedicado ao dispositivo ou sistema que ele controla;- Qual a principal característica que o torna diferente de um computador pessoal? Introdução Jarbas Silveira

5. Diferente de computadores de propósito geral, como o computador pessoal, um sistema embarcado realiza um conjunto de tarefas pré-definidas, geralmente com requisitos específicos. Já que o sistema é dedicado à tarefas específicas, através de engenharia pode-se otimizar o projeto reduzindo tamanho, recursos computacionais e custo do produto. Introdução Jarbas Silveira

6. O primeiro sistema embarcado reconhecido foi o Apollo Guidance Computer, desenvolvido por Charles Stark Draper no MIT. O computador de guia, que operava em tempo real, era considerado o item mais arriscado do projeto Apollo. O uso de circuitos integrados monolíticos para reduzir o tamanho e peso do equipamento aumentou tal risco. (Wikipedia) Introdução Jarbas Silveira

7. O primeiro sistema embarcado de produção em massa foi o computador guia do míssil nuclear LGM-30 Míssil Minuteman, lançado em 1961. Ele possuía um disco rígido para a memória principal. (Wikipedia) Introdução Jarbas Silveira

8. Sistemas embarcados são desenvolvidos para uma tarefa específica;- Alguns, inclusive, por questões como segurança e usabilidade, possuem restrições para computação em tempo real;- O software escrito para sistemas embarcados é muitas vezes chamado firmware, e armazenado em uma memória ROM ou memória Flash ao invés de um disco rígido. Características Jarbas Silveira

9. Por vezes o sistema também é executado com recursos computacionais limitados: sem teclado, sem tela e com pouca memória;- Limitações de interface: Sistemas embarcados podem possuir desde nenhuma interface do utilizador (dedicados somente a uma tarefa) a uma interface de utilizador completa, similar à dos sistemas operacionais desktop (em sistemas como PDAs). Características Jarbas Silveira

10. Comumente apresentam limitação de: - Espaço - Peso - Consumo - Limitação de memória (código e dados) Características Jarbas Silveira

11. Comumente estão sujeitos a: - Temperaturas elevadas Qual limite para um CI? - Vibração - Esforço mecânico - Umidade Características Jarbas Silveira

12. Microcontroladores- Microprocessadores - Embedded processors - ARM - MIPS - Network processors - Power - ARM - Digital Signal Processors - Soft Processors Arquiteturas Jarbas Silveira

13. Microcontroladores - Linha tênue entre microprocessadores e microcontroladores; - Definição: Um microcontrolador é um computador programável, em um chip otimizado para controlar dispositivos eletrônicos. É uma espécie de microprocessador, com memória e interfaces de E/S(I/O) integrados, possuindo todas lógicas para se projetar qualquer tipo de circuito encontrado, enfatizando a auto-suficiência, em constraste com um microprocessador de propósito geral, o mesmo tipo usado nos PCs, que requer chips adicionais para prover as funções necessárias. (Wikipedia) Arquiteturas Jarbas Silveira

14. Microcontroladores - Microcontrolador enfatiza na existência de módulos, visando a auto-suficiência; - Essa característica torna-o fundamental para projetos que necessitam os seguintes requisitos: - Integração - Baixo custo - Baixo consumo - Espaço reduzido Arquiteturas Jarbas Silveira

15. Microcontroladores - Alguns microcontroladores trazem características bem parecidas com um processador; - Porque um microcontrolador seria confundido com um microprocessador? - O 80C51 da Intel é um exemplo clássico desta arquitetura; - O 80C52, da Atmel embarcou a memória no próprio chip. Iss deu uma maior característica de microcontrolador ao chip. Arquiteturas Jarbas Silveira

16. Microcontroladores - Microcontrolador com Linux Embedded... Isso pode? - Sim, pois a NXP (spin-off da Phillips, chama sua linha de LPC de arms 7 e 9 de microcontroladores; - No outro extremo , a Microchip fabrica um microcontrolador de 6 pinos, o PIC10F200 (U$ 0.39). Arquiteturas Jarbas Silveira

17. Microcontroladores (Fabricantes) - Microchip - Atmel - Freescale - NXP - Holtek - Renesas - NEC - ST Arquiteturas Jarbas Silveira

18. Microcontroladores - Microchip: - Fabricante com linha mais vasta de microntroladores no mercado; - Linhas de 8 e 16 bits, recentemente linha de 32 bits foi lançada; - Processadores de 6 pinos até 100 pinos; - Linha com várias interfaces on-chip, como SPI, I2C, USB, CAN, RFPIC, ADs, DACs; - Recentemente lançou os DSPICs (Digital Signal PICs); Arquiteturas Jarbas Silveira

19. Microcontroladores - Freescale: - Spin-off da Motorola, portanto herdou todo a expertise; - Contém uma linha muito vasta de microcontradores; - Não tem como linha principal os microcontroladores; - Linha QT/QY (processadores de 8 e 16 pinos foi grande sucesso no mercado); - Embora seja um grande fabricante não compete (em microcontroladores) com a Microchip. Arquiteturas Jarbas Silveira

20. Microcontroladores - NXP: - Spin-off da Phillips, portanto herdou todo a expertise; - Ocupa uma linha high-end de microcontroladores, com famílias de ARM7 e ARM9; - Tem uma família com muitas opções de módulos onchip, como ADs, CAN, DAC; - Tem muitas opções de RTOS no mercado. Arquiteturas Jarbas Silveira

21. Microcontroladores - Texas: - Representa um importante fabricante de microcontroladores no mercado devido ao seu baixíssimo consumo da linha MSP430; - Um dos seus MSP430 é usado como RTC, devido ao seu consumo e custo. A Texas mesmo fornece o código gratuitamente; - A sua grande tradição é em Processadores Digitais de Sinais; - Grande tradição em aplicações médicas; Arquiteturas Jarbas Silveira

22. Microcontroladores - ST: - A ST é a 4.a maior fabricante de semicondutores do mundo; - Seu foco não é microcontroladores, no entanto, suas linhas ST6 e ST7 competem fortemente em custo; - Linha STM32 e STR9 de alto desempenho - Mantém grupo de 20 profissionais no Brasil Arquiteturas Jarbas Silveira

23. Arquiteturas Jarbas Silveira

24. Processador Digital de Sinais (DSPs): DSPs (do inglês Digital Signal Processor) são microprocessadores especializados em processamento digital de sinal usados para processar sinais de áudio, vídeo, etc., quer em tempo real quer em off-line.Um dos usos do DSP que chamaram a atenção da midia foi a proposta do cancelamanto de ruídos: através do sistema proposto um dispositivo captaria o ruído ambiente e geraria um "anti-ruído", com as ondas simétricas: a cada vale corresponderia um pico e vice-versa. Assim poderia se cancelar o ruído de um ambiente, por exemplo, dentro de um automóvel. Arquiteturas Jarbas Silveira

25. Processador Digital de Sinais (DSPs):Outra grande característica do DSP é sua alta velocidade comparada a outros microcontroladores. Sua velocidade é medida em mips (million instruction per second).Os DSPs ganharam popularidade na electrônica de consumo em aparelhos como os teclados, que sintetizam os sons de diversos instrumentos, como por exemplo os órgão de tubos, o piano e o violão. Arquiteturas Jarbas Silveira

26. Processador Digital de Sinais (DSPs): - Processador com funções específicas e otimizadas para tratamento de sinais. - Conjunto de instruções elaboradas para processamento de sinais. - Implementação de algoritmos complexos em tempo real. - Desempenho para implementar funções múltiplas. Arquiteturas Jarbas Silveira

27. Processador Digital de Sinais (DSPs): - Na maioria dos casos são processadores voltados a funções específicas. - Linhas mais conhecidas: - Energia - Voz - Imagens - Disponível em arquiteturas 16 e 32 bits Arquiteturas Jarbas Silveira

28. Processador Digital de Sinais (DSPs): - Arquiteturas de hardware voltada a uma função específica torna as interfaces mais específicas. - Isso pode dificultar projeto de hardware. - Concepção da arquitetura pode ser decisiva na implementação da solução. - É comum o uso de lógica programável para compatibilizar interfaces. - É comum o uso de interfaces rápidas, para permitir a aquisição dos sinais. Arquiteturas Jarbas Silveira

29. Processador Digital de Sinais (DSPs): - A ferramenta de debug é fundamental em um processador de alto desempenho como um DSP. - Além das complexas instruções é necessário um desempenho muito grande para emulação em tempo real. - A emulação nem sempre é fiel à execução em tempo real, principalmente em processadores de alto desempenho. Arquiteturas Jarbas Silveira

30. Processador Digital de Sinais (DSPs): - O Kernel geralmente é construída de maneira particular para a aplicação. O que isso significa? - A maioria dos fabricantes oferecem ferramentas para desenvolvimento de Kernel, a um custo relativamente alto. - Nestes casos, o engenheiro nem sempre consegue manipular rotinas de baixo nível para, por exemplo, alteração de algoritmos de escalonamento. Arquiteturas Jarbas Silveira

31. Processador Digital de Sinais (DSPs): - Exemplo de Microkernel: Code Composer da Texas Instruments. - Oferece boa interface gráfica para emulação e simulação. - Disponível para a família TMS320 da Texas. - Permite break-points em tempo real. - Programação em C e Assembly. Arquiteturas Jarbas Silveira

32. TMS 320C6205 Arquiteturas Jarbas Silveira

33. TMS320DM6446 Arquiteturas Jarbas Silveira

34. Processador Digital de Sinais (DSPs):Outros fabricantes: - Analog Devices - Freescale - DSP Groups - Intel - Altera - Xilinx Arquiteturas Jarbas Silveira

35. Network Processors - São processadores que tem um conjunto de características específicas para aplicações de rede. - Principais características: múltiplas interfaces de rede, aceleração para tratar pacotes de rede, interfaces de alta velocidade, aceleração para criptografia. - Processamento suficiente para tratar a taxa de dados nas interfaces de alta velocidade. Arquiteturas Jarbas Silveira

36. Network Processors - Ausência de interfaces de vídeo e LCD, pois não tem este propósito. - Interfaces de alta velocidade para aquisição de sinais digitais. - Ausência de interfaces analógicas, pois não tem esse propósito. - Tendência de se utilizar Linux como sistema operacional. - Todos os fabricantes já disponilizam BSP (Board Support Package) em Linux . Arquiteturas Jarbas Silveira

37. Network ProcessorsArquitetura Genérica de Aplicação Arquiteturas Network Processor REDE Storage Interface Analógica Jarbas Silveira

38. Network Processors Principais cores: - XSCALE (ARM5) - POWER QUIC - ARM - MIPS - X86 Arquiteturas Jarbas Silveira

39. Network Processors – Principais fabricantesFreescale - Líder mundial, tem hoje a linha mais completa de network processors. - Dispões de vários modelos, com as mais variadas interfaces. - Oferecem BSPs de Linux embedded para todos os modelos. - Utiliza a linha POWER como core principal - Tem um péssimo suporte! Arquiteturas Jarbas Silveira

40. Network Processors – Principais fabricantesFreescale - MPC8313 Arquiteturas Jarbas Silveira

41. Network Processors – Principais fabricantesFreescale - MPC8548 Arquiteturas Jarbas Silveira

42. Network Processors – Principais fabricantesIntel - Maior tradição na linha de PCs - Recentemente vendeu para a Marvell sua linha embedded processors (PXA). Isso deixou o mercado desconfiado. - Tem como core principal o ARM5 VTE (ARM5 com modificações realizadas pela própria Intel). - Tem um suporte muito bom! Arquiteturas Jarbas Silveira

43. Network ProcessorsIntel – IXP465 Arquiteturas Jarbas Silveira

44. IntelIXP2350 Arquiteturas Jarbas Silveira

45. Embedded Processors - São processadores que tem um conjunto de características específicas para aplicações embarcadas do tipo handheld. - Apresentam quase sempre 3 tipos de interfaces típicas:vídeo, teclado e armazenamento. - Apresentam características como baixo consumo e tamanho reduzido. - Muito utilizados em projetos como handheld e POS (Point of Sale). Arquiteturas Jarbas Silveira

46. Embedded Processors- As interfaces mais comuns de teclado: - teclado matricial. Vantagem de aceitar uma quantidade média de teclas, porem não segue um padrão; - teclado PS/2. Vantagem por seguir padrão, no entanto precisa de teclado inteligente. - teclado via interface de pinos. Vantagem para pequenos teclados, necessidade de rotina de firmware (pooling). Arquiteturas Jarbas Silveira

47. Embedded Processors- As interfaces mais comuns de vídeo: - Controlador de LCD gráfico. Vantagem por ser um padrão. Necessidade de display no equipamento. - Controlador VGA/SVGA. Vantagem por ser um padrão. Nem todos os embedded processors dispões dessa interface. Possui um conector reduzido e pode oferecer uma excelente resolução. Arquiteturas Jarbas Silveira

48. Embedded Processors- As interfaces mais comuns de armazenamento: - SD/MMC: padrão, permite armazenar grandes quantidades de dados (4GB), mídias de tamanho reduzido. Desvantagens são segurança duvidosa e baixa taxa de transmissão de dados. Padrão também sofreu muitas diferenças, como SD, MMC, mini-SD. Arquiteturas Jarbas Silveira

49. Embedded Processors- As interfaces mais comuns de armazenamento: - Outras interfaces como USB, fire-wire e PCI-e apresentam boa taxa de transmissão. - IDE e SCSI é uma interface em decadencia. - SATA é uma interface que apresentam excelente taxa de transmissão mas não é comum em embedded processors. Arquiteturas Jarbas Silveira

50. Embedded Processors - Freescale - Dispões de uma vasta linha de modelos: IMX1, 2 e 3. - Embedded processors utilizam ARM9 - Fornece BSPs para Linux e Windows - Oferecem boas bibliotecas de funções multimídia. Arquiteturas Jarbas Silveira