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Presentación general 2 UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA FACULTAD DE INGENIERÍA. Electrónica Digital III Ingo. Eugenio Duque Pérez Abril 23 del 2014.

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1 Presentación general 2 UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA FACULTAD DE INGENIERÍA. Electrónica Digital III Ingo. Eugenio Duque Pérez Abril 23 del 2014

2 Sistema Embebido… ¿Qué es? ¿Para qué se usa? La era Post-PC. Requisitos. Términos. Reactivos, Tiempo Real, … Fiabilidad, Mantenibilidad, … Eficiencia, Aplicaciones, … ENTORNO Sistema Embebido

3 Diagrama de bloques básico de un procesador Búsqueda de instrucciones Decodificador de instrucciones Registros internos Interfaz a memoria y E/S Clock Bus ALU

4 MCU. Diagrama de bloques Bus

5 Pequeño sistema digital programable de propósito específica dedicado al control de procesos. Trabajan en tiempo real y evitan mecanismos predictivos de los MPU(como cachés y ejecuciones predictivas). Detectan y reaccionan a eventos externos, en muy pocos ciclos de reloj, accediendo directamente los recursos hardware del sistema, evitando los Sistemas Operativos, aunque a veces los usan en tiempo real RTOS(Real Time Operating System) ¿Características del MCU?

6 Están diseñados para trabajar con el mínimo gasto energético, operando en modos de bajo consumo o manejando adecuadamente la frecuencia. Se encuentran en el mercado MCUs de 4,8,16 y 32 bits, fabricados con tecnologías no muy recientes, lo que implica muy bajos costos. Suelen ofrecer amplio rango de periféricos (temporizadores, puertos paralelos, puertos serie, conversor A/D y D/A,PWM) y algunos más complejos para conexión a redes, sistemas industriales, manejo de video, interfaz de RF, etc. ¿Características del MCU?

7 A continuación… Modificación del entorno desde el S.E. Procesamiento y Almacenamiento Comunicación de datos entre S.E. y el entorno Toma de datos del entorno Diseño de S.E. y Hardware

8 Metodología de Diseño ESPECIFICACIÓN CONOCIMIENTOS PREVIOS HW-COMPONENTES SOFTWARE IMPLEMENTACIÓN: CODIS. HW/SW Particionar Hardware/Software Administración de Eventos. Múltiples tareas, concurrencia. Compilación, Simulación. Uso de bajo nivel (si es requerido) IMPLEMENTACIÓN: CODIS. HW/SW Particionar Hardware/Software Administración de Eventos. Múltiples tareas, concurrencia. Compilación, Simulación. Uso de bajo nivel (si es requerido) REALIZACIÓN DISEÑO HARDWARE HARDWARE SOFTWARE VALIDACIÓN Y EVALUACIÓN: DESEMPEÑO, CONSUMO DE POTENCIA, SEGURIDAD, CONFIABILIDAD, GUSTO AL CLIENTE Diseño de S.E. y Hardware

9 Hardware Menos estandarizado que el de un PC. Razón: Variedad de Sistemas Embebidos. Diferentes configuraciones de Hardware para la diversidad de aplicaciones existentes. En muchos sistemas embebidos se tiene : ENTORNO PROCESAMIENTO DE INFORMACIÓN PROCESAMIENTO DE INFORMACIÓN SENSORES CONVERSOR A/D MUESTREO Y RETENCIÓN CONVERSOR A/D MUESTREO Y RETENCIÓN DISPLAY CONVERSOR D/A ACTUADORES Diseño de S.E. y Hardware

10 Hardware Básico Existe un entorno que posee diversas características. Se implementa un sistema que puede procesar la información: Los datos se toman con Sensores. El sistema procesa datos discretos: Sample and Hold. Los datos procesados se pueden Visualizar. Para controlar el entorno se requiere de Señales Análogas para controlar la operación de los Actuadores. Se requiere muchas veces el uso de D/A. Diseño de S.E. y Hardware

11 A continuación… Modificación del entorno desde el S.E. Procesamiento y Almacenamiento Comunicación de datos entre S.E. y el entorno Toma de datos del entorno Diseño de S.E. y Hardware Toma de datos del entorno

12 Sensores Sirven para Virtualizar una Cantidad Física. Su función: SENSOR Peso Velocidad Aceleración Lluvia Imágenes Temperatura Voltaje/Corriente Voltaje Corriente Conjunto de valores continuo.

13 Muestreo y Retención Pasar de tiempo continuo a tiempo discreto. Se muestrea a determinada frecuencia f. Se toma el voltaje de entrada y se mantiene hasta la próxima muestra. Colección de valores finita. Amplitud Tiempo Clk VeVx Toma de datos del entorno

14 Conversor A/D Muestreo, Referencia, cuantización (Nro. Bits) Amplitud Tiempo V REF_HIGH V REF_LOW Muestreando… Cuantizando… Se emplean 8 valores para cuantización, es decir, 3 bits. Toma de datos del entorno

15 Al diseñar un Sistema Embebido, ¿cuál es el primer paso a llevar a cabo? ¿Para qué se utiliza un Sample and Hold en un Sistema Embebido? ¿Qué elementos se validan cuando se ha terminado de desarrollar un Sistema Embebido? ¿Preguntas?

16 A continuación… Modificación del entorno desde el S.E. Procesamiento y Almacenamiento Comunicación de datos entre S.E. y el entorno Toma de datos del entorno Diseño de S.E. y Hardware Comunicación de datos entre S.E. y el entorno

17 Muy importante en los sistemas embebidos. Información viaja a través de canales de comunicación (Canal = Entidad Abstracta). Máxima velocidad de transferencia. Relación señal a ruido. Medio físico: Wire o alambrada. Wireless o inalámbrica. Óptica (Fibra óptica). Comunicación de datos Canal de Comunicación Medio físico

18 Requerimientos Comportamiento en Tiempo Real: Garantizar tiempo máximo permitido en la comunicación. Eficiencia: Reducir costos. Ancho de banda apropiado: Solo lo necesario, no abusar, Sistemas Costosos. Comunicación atendida por eventos: Polling no recomendado, manejo de eventos(por interrupciones). Comunicación de datos

19 Requerimientos Robustez: Operación del sistema en ambientes hostiles. Tolerancia a fallos: Operación del sistema incluso después de presentado un fallo. Mantenimiento: Reparación del Sistema en tiempos prudentes. Privacidad: Confidencialidad en la información - Encriptación. Comunicación de datos

20 Robustez eléctrica Envió de señales digitales a través de una sola línea. PROBLEMA: Muy susceptible al ruido externo. Esquema: Voltajes respecto a una tierra común. Corrupción de mensajes debido a lo anterior. SOLUCIÓN: Comunicación diferencial. Esquema. El ruido se añade a las dos líneas, removido luego. El valor digital depende de la polaridad, no la magnitud. No se requiere línea de referencia o tierra. Comunicación de datos

21 Robustez eléctrica Comunicación sobre una línea. Posibilidad de Ruido Referencia No es fácil garantizar una buena referencia: capacitancia, inductancias, ruido Punto APunto B Comunicación de datos

22 Robustez eléctrica Comunicación diferencial. Inmunidad al Ruido No es necesario enviar la referencia del sistema Punto APunto B Comunicación de datos

23 A continuación… Modificación del entorno desde el S.E. Procesamiento y Almacenamiento Comunicación de datos entre S.E. y el entorno Toma de datos del entorno Diseño de S.E. y Hardware Procesamiento y Almacenamiento

24 Aporta la inteligencia al S.E. Con/sin memoria interna. Usar/no memoria externa. Arquitectura específica. Periféricos de E/S. CPU CONTROL DATAPATH Memoria Unidad de Procesamiento CPUMemoria Unidades de Procesamiento

25 ASICs: Application Specified Integrated Circuit. Lógica Reconfigurable: FPGA, CPLD,... Procesadores: MPUs, MCUs, DSPs, … Procesadores Reconfigurable ASICs 0.5um 0.25um 0.130um 70nm Mops/mW Tecnología Eficiencia Energía Flexibilidad Dificultad de Reprogramación Unidades de Procesamiento

26 ASICs (Hardwired). Aplicaciones de alto desempeño y muy específicas. Mercado grande para el desarrollo. Costo del diseño y manufacturación muy elevado. Lógica Reconfigurable. Prototipado rápido. Plataforma de prueba de grandes diseños. Expectativas de venta baja. FPGAs: Field Programmable Gate Arrays. Unidades de Procesamiento

27 Microprocesador, Microcontrolador, DSPs Unidad de procesamiento CONTROL DATAPATH RAM ROM P1 P2 Pn Cerebro CONTROL DATAPATH Periféricos de Entrada Periféricos de Salida CPU MEMORIA P1P2Pn Unidades de Procesamiento

28 De las siguientes unidades de procesamiento: Lógica Reconfigurable, Procesadores, ASICs ¿Cuál es más flexible? Indique una razón. Para una aplicación de alto nivel pero con poca expectativa de venta ¿usted qué unidad de procesamiento utilizaría? Trabajando con FPGAs, ¿A qué se refiere el término Programación en el Campo? ¿Preguntas?

29 CPU para S.E: Características Eficiencia, consumo de potencia: Administración dinámica de potencia (DPM). RUN: Ejecución normal. IDLE: Esperando por INT, rápida respuesta. SLEEP: Algunos eventos Wake-Up, lenta respuesta. 10 s 90 s 160ms 90 s RUN 400mW IDLE 50mW SLEEP 160 W StrongARM SA 1100 Unidades de Procesamiento

30 CPU para S.E: Características Eficiencia, consumo de potencia: Administración dinámica de potencia (DPM). RUN WAIT STOP2 STOP3 LPRUN LPWAIT Ejecución a baja frecuencia CPU/Periféricos CPU Detenido, periféricos a baja frecuencia Varios dispositivos pueden estar activos para rápido reinicio La mayoría de dispositivos apagados CPU Detenido, periféricos ON Microcontrolador MC9S08QExxx CPU y periféricos en ejecución!!! Unidades de Procesamiento

31 CPU para S.E: Características Eficiencia, consumo de potencia: Escalamiento de voltaje dinámico (DVS). P = * C L * Vdd 2 * f f es función del voltaje de polarización Vdd. Si se reduce Vdd entonces f también. Al reducir Vdd ¿qué pasa? La potencia se decrementa cuadráticamente y el tiempo de ejecución se incrementa linealmente. Usarlo sí entre cada evento hay tiempo de ocio en la CPU. También cuando no hay recursos de energía, batería baja!!! IDLERUN Ev 1 IDLERUN Ev 2 IDLERUN Ev 3 IDLERUN Ev 4 IDLERUN Ev 5 Unidades de Procesamiento De acuerdo a la carga del procesador, se varía la polarización de él, para disminuir la potencia P = VI.

32 CPU para S.E: Características Eficiencia, tamaño de código (sistemas no complejos): Sistemas típicamente sin disco duro y/o diseños con poca cantidad de memoria RAM y ROM. CISC Buena opción, eficiencia en el tamaño del código. Una instrucción realiza varias operaciones. Memoria embebida dentro del mismo chip, más costosa. RISC: Optimizada para velocidad. CISC para la programación, RISC interno. Memoria Instrucción CISC Unidad de Control Decodificador y traductor CISC -> RISC Decodificador y traductor CISC -> RISC Decodificador instrucciones RISC Instrucciones RISC … Unidades de Procesamiento

33 CPU para S.E. Procesadores Digitales de Señales: Unidades de multiplicación/acumulación junto con modos de direccionamiento especializados. Filtros digitales. Saturación aritmética. Manejo de Overflow y Underflow: (Con y sin signo) X(i)h(n-i) A MAC to CPU X(0) X(1) X(2) X(3) … Postincremento y memoria circular 1000 (-8) y(i) = 0011 y(i+1) = (8) y(i) = 0011 y(i+1) = 0101 Unidades de Procesamiento

34 CPU para S.E. Procesadores Multimedia: Optimizados para operaciones multimedia. Manejo de registros de 64 y 128 bits. Very Long Instruction Word Procesor Alta demanda de procesamiento. Varias instrucciones en un solo paquete. Se deja que el compilador decida. Instrucción 1Instrucción 2Instrucción 3Instrucción 4 Punto Flotante Enteros Memoria Un solo paquete Unidades de Procesamiento

35 CPU para S.E. Microcontroladores Integra los diferentes componentes de un PC Realmente es un Embedded Chip Unidades de Procesamiento ADC IRQ TIM CPU Memoria PWM UART I2CI2C I2CI2C IRQ P P Frecuencia? MOTOR DC

36 Indique cuando debe ser usado el escalamiento dinámico de voltaje para ahorrar energía. Los DSPs se caracterizan por tener unidades de _____________ y modos de direccionamiento _____________________. Si la memoria va a la misma velocidad de la CPU, usted que filosofía de diseño recomienda RISC- CISC ¿Por qué? Cuál es la importancia del overflow en los MCUs? ______________________________ ¿Preguntas?

37 Permite el intercambio de datos por parte de la CPU y los periféricos. Memoria de Acceso Aleatorio Lectura/Escritura, volátil o simplemente RWM. Solo lectura, pasiva, no volátil o simplemente ROM Híbridas o combinaciones de RWM y ROM. Memorias Secuenciales FIFO: First In First Out LIFO: Last In First Out Registros de Desplazamiento Memoria

38 Algo de Historia CPU: Velocidad de Procesamiento. Instrucciones por segundo. Se dobla cada 18 meses por el mismo precio (Ley de Moore). Memoria: Capacidad de Almacenamiento. Capacidad se cuadruplica cada 36 meses por el mismo precio. Incremento de velocidad por año: Menos del 10%. Memoria CPU x 1.5 / año Memoria x 1.07 / año Años Velocidad GAP Off-Line Memoria Secundaria Memoria Principal CACHÉ Registros Memoria: Jerarquía

39 A continuación… Modificación del entorno desde el S.E. Procesamiento y Almacenamiento Comunicación de datos entre S.E. y el entorno Toma de datos del entorno Diseño de S.E. y Hardware Modificación del entorno desde el S.E.

40 Displays Elemento muy importante dentro de un S.E. 7-Segmentos, LCDs, Publik, etc. S I S T E M A S E M B E B I D O S Modificando el entorno

41 Dispositivos electro-mecánicos. Actuadores. Conversores D/A Proceso inverso, de convertir un conjunto de valores con precisión finita en una cantidad física. Modificando el entorno Amplitud Tiempo V REF_HIGH V REF_LOW Generando y suavizando…

42 Dispositivos electro-mecánicos. Actuadores. Conversores D/A: Ponderación binaria. N = b b b b … + b n 2 n 4-bits, V = (b 0 /8 + b 1 /4 + b 2 /2 + b 3 /1) * (R1 / R) * Vref Modificando el entorno

43 Dispositivos electro-mecánicos. Actuadores. Conversores D/A: R/2R VOUT = VREF * VAL / 2 n Otros: Audio, LEDs, etc. Modificando el entorno

44 Lecturas propuestas próxima clase Arquitectura HCS08. Ver : Datasheet and Reference manuals. Motivación para la próxima clase. Menú de instrucciones de lenguaje ensamblador para el MC9S08JM60. ¿Preguntas ? Fin de la Clase!!!

45 Bibliografía Base de datos del Area de Técnicas Digitales.Ing. Electrónica UdeA. Profs:Germán García, Johnny Aguirre, Juan Franco, Eugenio Duque Jonathan Valvano, Developing Embedded Software in C Using ICC11/ICC12/Hiwire. Jonathan Valvano, Embedded microcomputer systems, Real time interfacing, Brooks/Cole, 2000.

46 Bibliografía Teoría y diseño con microcontroladores de Freescale. Flia Flexis 32 bits. Antonio Díaz E. Mc Graw Hill. CPU08 Central Processor Unit. Reference Manual. Freescale Semiconductor. MC9S08JM60 Data Sheet. Freescale. HCS08 Microcontrollers. Programación de Sistemas Embebido en C. Gustavo Galeano. Edit. AlfaOmega Sistemas Empotrados en Tiempo Real. José Daniel Muñoz Frías.2009 Documentos ubicados en : Proyectos interesantes a nivel mundial y prácticas implementadas en el curso: https://www.dropbox.com/sh/r6jib5pbj75ufc0/0_6M1JD5ru


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