Presentación general. UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA FACULTAD DE INGENIERÍA. Electrónica Digital III Ingo. Eugenio Duque Pérez Sepbre. 2 del 2013

Curso. Identificación. Conocimientos previos. Código: Electrónica Digital III Código : 2547710 Créditos: 5 (4 horas teóricas y 3 prácticas). Laboratorio: Incluido en la materia. Otros: No validable, obligatoria y no habilitable. Prerrequisitos: 2547610 Electrónica Digital II. Conocimientos previos : Unidad Central de Procesamiento. CPU. Lenguajes de bajo nivel (assembler) y alto nivel “C”. Interfaz hardware/software Hardware: Diseño, análisis, síntesis e implementación.

Curso. Conocimientos adquiridos una vez finalizado. Descripción global de un sistema embebido para dar solución técnica a un problema o necesidad. Identificar restricciones y especificaciones técnicas Analizar posibles soluciones al problema Diseñar solución basados en MCU. Codificar basados en lenguaje C y/o leng. ensamblador. Simular la operación funcional del sistema Implementar físicamente, en Sistema de desarrollo. Verificación exhaustiva de posibles fallas. Validar operación

Visión global de Sistemas Embebidos. Fundamentación en Circuitos Digitales El curso brinda los fundamentos sobre como están diseñado muchos dispositivos electrónicos… Volver

Área de Técnicas Digitales Capacita al estudiante en el entendimiento de la operación y manejo de los sistemas de cómputo. Volver

Área de Técnicas Digitales El estudiante adquiere todas las habilidades requeridas para trabajo en la industria usando Sistemas Embebidos. MOTOR DC ADC CPU PWM IRQ UART IRQ P 0 1 0 0 1 1 Frecuencia? TIM Memoria I2C MCUs

Sistemas Embebidos Vistazo general Los dispositivos electrónicos Celulares. Reproductores MP3/MP4. Unidades de DVD. XBOX, PS1/2/3. Periféricos de un PC. Son ejemplos de Sistemas Embebidos Hardware, Software y/o Firmware.

Actuadores, periféricos Sistemas Embebidos Sistema Embebido Sistema Electrónico. Unidad de Procesamiento. Desarrolla una o varias tareas específicas. No se concibe como un ordenador/computador Usos muy diferentes. Precio y Consumo. Aplicaciones de Tiempo Real. Entradas Sensores, periféricos Procesamiento Tiempo real Salidas Actuadores, periféricos

Sistemas Embebidos Sistema para el procesamiento de información que está incrustado dentro de otros sistemas. Carros. Equipos de Telecomunicación. Electrónica de consumo y más… Características Principales Limitantes de Tiempo Real. Requerimientos de fiabilidad y eficiencia.

Sistemas Embebidos Importancia Los Sistemas Embebidos son considerados las aplicaciones más importantes del área de tecnología de información para los años venideros. Relación directa con el término la era Post-PC. Los computadores tradicionales no dominarán más. Desaparece el computador como lo conocemos. Procesadores y Software en sistemas muy pequeños. Al estar en todas partes, se vuelve algo tan común que ni siquiera nos preguntamos si existe!!!

Sistemas Embebidos Futuro 80’s 90’s 2000’s Grandes Computadoras Mainframes!!! 80’s Computadores personales PC’s 90’s Equipos Móviles PDAs, Celulares 2000’s Futuro En todas partes PostPC

Sistemas Embebidos Computación Ubicua. Computación Pervasiva. Proveer información en cualquiera lugar, en cualquier momento debido a que: El uso de un computador tradicional es complejo. Se pierde mucho tiempo para realizar una actividad. Computación Pervasiva. Similar al caso anterior. La idea principal, sistemas en todas partes, a todo momento, que el uso de los sistemas sea realmente transparente para el usuario!!!

Agenda para la clase 1 Objetivos/Requisitos/Características Qué se planea hacer en este curso y cómo cumplirlo ? 2 Metodología/Recursos Cómo se desarrolla este curso y qué recursos se van a emplear ? 3 Contenido del curso Un breve overview al curso de Sistemas Embebidos 4 Detalles finales Elementos de suma importancia para el desarrollo del curso

Objetivo/Requisitos y características. Objetivo General Capacitar al estudiante en el diseño e implementación de sistemas embebidos básicos, desde el punto de vista hardware/software, programación de bajo y alto nivel y aplicaciones circuitales de baja y mediana complejidad, empleando como unidad central de procesamiento dispositivos tales como los microcontroladores.

Objetivo/Requisitos y características. Objetivos específicos Comprender que es un sistema embebido entendiendo su importancia, límites, restricciones, áreas de aplicación, requerimientos de diseño y unidades funcionales que lo conforman. Hardware Máquina computacional (MPU, MCU, DSP, ASIP) Memorias, ICs, ASICs Software Instrucciones almacenadas en memoria. Firmware. Entradas Sensores, periféricos Procesamiento Tiempo real Salidas Actuadores, periféricos

Objetivo/Requisitos y características. Objetivos específicos Generar un ambiente de diseño real donde los estudiantes se enfrenten a limitaciones de costo, tiempo de desarrollo, consumo de potencia, desempeño, robustez,necesidad de trabajo en equipo y divulgación de resultados.

Objetivo/Requisitos y características. Objetivos específicos Identificar los diferentes elementos que intervienen en la programación de una unidad central de proceso como son los registros, los modos de direccionamiento, el conjunto de instrucciones, interrupciones, memoria, puertos de E/S y periféricos. Registros de Datos Directo Movimiento Registros de Direcciones Indirecto Aritméticas Registros Contador de Programa Absoluto Instrucciones Lógicas M. Direccionam. Códigos de Condición Inmediato Bits Relativo Programa Apuntador de Pila

Objetivo/Requisitos y características. Objetivos específicos Comprender qué son y para qué se utilizan los lenguajes de bajo y alto nivel en la programación de una unidad central de proceso, además de su uso para la programación de sistemas embebidos orientados al bajo consumo.

Objetivo/Requisitos y características. Objetivos específicos Llevar a cabo : prácticas, proyectos de laboratorio y diseño e implementación de prototipos de sistemas reales que afiancen los conocimientos adquiridos durante el curso.

Objetivo/Requisitos y características. Requisitos del curso ELECTRÓNICA BÁSICA PROGRAMACIÓN CIRCUITOS DIGITALES Sistema Embebido ALGORITMOS ARQUITECTURA DE COMPUTADORES MÁQUINAS DE ESTADO

Objetivo/Requisitos y características. Requisitos del curso Para así poder diseñar: Sistema Embebido Software Algoritmos. Eventos. Módulos. Control. Hardware CPU. Memoria. Periféricos. Interconexión.

Objetivo/Requisitos y características. Características a cumplir Características de los Sistemas Embebidos Sistemas Embebidos Sistema de Procesamiento de Información. Está embebido en un producto más grande. Normalmente no es visible por el usuario. Interactúan con el entorno. Conexión con el Entorno Sensores: Recolectan información del entorno. Actuadores: Controlando el entorno. Entradas Sensores, periféricos Procesamiento Tiempo real Salidas Actuadores, periféricos

Objetivo/Requisitos y características. Características a cumplir Características de los Sistemas Embebidos Fiabilidad: Alta probabilidad de que el sistema no tenga fallos. Mantenimiento: Alta probabilidad de que un fallo en el sistema pueda corregirse en un tiempo prudente. Disponibilidad: Alta probabilidad de que el sistema esté disponible. Depende de los anteriores. Sistema Seguro (safety): Propiedad de no producir daños en caso de un fallo. Seguridad con la info. (security)): Confidencialidad con la información.

Objetivo/Requisitos y características. Carecterísiticas a cumplir. Características de los Sistemas Embebidos Uso de periféricos particulares Normalmente: sin teclado, sin mouse, sin discos duros, sin grandes pantallas. Interfaces de Entrada/Salida: Botones o pulsadores, teclados matriciales, displays de 7 segmentos y LCDs, joysticks, pedales, entre otros. Sistemas Híbridos Sistemas Análogos y Sistemas Digitales. ENTORNO Actuadores (Análogo) Sensores (Análogo)

Objetivo/Requisitos y características. Características a cumplir Características de los Sistemas Embebidos Sistemas Reactivos Están en continua interacción con el entorno. Ejecuta una orden de acuerdo al mismo entorno. Esperan a que se produzca un evento, estando en cierto estado. Al producirse el evento, realizan determinado procesamiento generando datos de salida y pasando a un nuevo estado. ENTORNO Sistema Embebido

Objetivo/Requisitos y características. Características a cumplir. Características de los Sistemas Embebidos Operación reactiva en tiempo real Existe un valor máximo para el tiempo de respuesta. Garantiza un límite para el peor caso. Ante eventos periódicos: scheduling para elevar desempeño. Eventos aperiódicos: máxima tasa de entrada para determinar peor caso. Presentación del Evento Máx. Tiempo Respuesta Tiempo Respuesta.

Objetivo/Requisitos y características. Características a cumplir Características de los Sistemas Embebidos Operación en ambientes hostiles. Energía y consumo de potencia. Tamaño del firmware. Eficiencia en tiempo de Ejecución. Peso, tamaño y costo. Facilidad de comunicación con otros sistem.

Aplicaciones AUTOMOTRIZ Aviones Sistema Embebido CONSUMO S. MÉDICOS Frenos. Motor. Aire acondicionado. Sistema GPS. Marchas. Control Tracción. Aviones Control vuelo. Anti-Colisión. Información. Fiabilidad 100%. Sistema Embebido CONSUMO Lavadoras. Neveras. Microondas. Relojes. Video Juegos. Cámaras de Video. S. MÉDICOS Marcapasos. ECG. Diálisis. Fiabilidad 100%.

A continuación… Objetivos, requisitos y características del curso Metodología y recursos Metodología y recursos Breve descripción del contenido del curso Detalles finales acerca del curso

Metodología y Recursos Fundamentación teórica por parte del profesor. Lecturas por parte del estudiante. Se invita al estudiante a ser bastante autodidacta!!! Consulta permanente de información técnica. Lecturas permanentes sobre innovación y desarrollos. Laboratorio: Sistema de desarrollo. Solución a problemas reales. Kit de desarrollo para el JM60 perteneciente a la familia HCS08 de Motorola. Tarjeta madre, tarjeta auxiliar con el JM60, posibilidad de conexión de ICs externos, teclado, LCDs, displays,LEDs, suiches,etc. Ver sistema

Metodología y Recursos

A continuación… Objetivos, requisitos y características del curso Metodología y recursos Breve descripción gráfica del contenido del curso Breve descripción del contenido del curso Detalles finales acerca del curso

Conceptos Generales Introducción a los Sistemas Embebidos

Conceptos Generales Componentes Principales de un S.E.

Conceptos Generales Antes: Elementos por separado … Ahora: Todo en uno … Aplicaciones … E/S 1 CPU E/S 4 A/D PWM E/S 2 E/S 5 IRQ/KBI SERIAL CAPTURE I2C E/S 3 Memoria E/S n

Desarrollo de Firmware Lenguajes de Bajo y Alto Nivel. SOFTWARE MEMORIA RELOJ UNIDAD CENTRAL DE PROCESO

Desarrollo de Firmware move.w (A0)+,D0 add.w (A0),D0 cmp.w #10,D0 bgt Print_Msg_A bra Print_Msg_B … Print_Msg_A: Programación. Sumar dos valores y comparar si el resultado es mayor o igual a 10 int suma; suma = A + B; if (suma >= 10) printf (“Mayor que…”); else printf (“Menor que…”); 01000100010100… 10101001001010… 01001001000101… 11011101010101… …

Desarrollo de Firmware

Desarrollo de Firmware Lenguaje C para Sistemas Embebidos. El Preprocesador. Variables y Tipos de Datos. Modificadores: const, extern, volatile, static, far, near, unsigned, signed, etc. Arreglos, estructuras de datos, punteros. unsigned char X = 0x10; unsigned int A = 0x1200; unsigned long B = 0x8795EF11; 0x10 $0040 Memoria 8-Bits 0x12 0x00 $0041 $0042 0x87 0x95 0xEF 0x11 $0043 $0044 $0045 $0046 Tipo de Dato Variable y Valor Ini.

Desarrollo de Firmware Lenguaje C para Sistemas Embebidos. Funciones en C (Subrutinas y Funciones). Eventos. Inicio Programa Inicialización Evento (Interrupción) Bajo Consumo Sin Eventos, esperando ¿Eventos? EV. 1 EV. n EV. 2 EV. 3

Microcontroladores Programación de un HC08 y Flexis. MCU HC08 / Flexis PTA7 PTA6 PTA5 PTA4 PTA3 PTA2 PTA1 PTA0 MCU HC08 / Flexis GND 5v 0v 5v Puerto Entrada CPU 1 1 1 1 1

Notificación Periódica Microcontroladores Unidades Funcionales. Comunicación Serial, UART, Módulo SCI. Módulo TIMER. Módulo ADC. Amplitud Tiempo VREF_HIGH CPU SCI, SPI, I2C Equipo Externo TIMER Eventos Externos ‘1’ ó ‘0’ Notificación Periódica Señal PWM A/D Señal Análoga 0V a 5V Código Digital 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 VREF_LOW

Aplicaciones con S.E. Protocolo de Comunicación I2C Manejo de LCDs P2 MCU, MPU, DSP … P2 MCU, MPU, LCD, MEM, RTC … SCL o señal de Reloj SDA o señal de Datos S I S T E M A S E M B E B I D O S

Aplicaciones con S.E. CPU Transmisión Serial Memoria UART MUNDO EXTERIOR La CPU lo toma de memoria La CPU se lo pasa a la UART El dato se transmite serialmente. 8 10011100 10011100 1 1 1 1

Microcontroladores Programación de un HC08 y Flexis. MCU HC08 / Flexis PTA7 PTA6 PTA5 PTA4 PTA3 PTA2 PTA1 PTA0 MCU HC08 / Flexis GND 5v 0v 5v Puerto Entrada CPU 1 1 1 1 1

Notificación Periódica Microcontroladores Unidades Funcionales. Comunicación Serial, UART, Módulo SCI. Módulo TIMER. Módulo ADC. Amplitud Tiempo VREF_HIGH CPU SCI, SPI, I2C Equipo Externo TIMER Eventos Externos ‘1’ ó ‘0’ Notificación Periódica Señal PWM A/D Señal Análoga 0V a 5V Código Digital 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 VREF_LOW

Aplicaciones con S.E. Protocolo de Comunicación I2C Manejo de LCDs P2 MCU, MPU, DSP … P2 MCU, MPU, LCD, MEM, RTC … SCL o señal de Reloj SDA o señal de Datos S I S T E M A S E M B E B I D O S

Aplicaciones con S.E. CPU Transmisión Serial Memoria UART MUNDO EXTERIOR La CPU lo toma de memoria La CPU se lo pasa a la UART El dato se transmite serialmente. 8 10011100 10011100 1 1 1 1

FIFO: Producción de Datos Aplicaciones con S.E. FIFO LLENA? FIFO: Producción de Datos Llena Otros Eventos No Llena Ev. n (Productor) Escribir en FIFO FIFO? Actualizar puntero Llena Siguiente posición Primera posición No Llena Poner Datos Retornar

Aplicaciones con S.E. Control de Motores DC. SP + - e(k) m(k) PI Digital Power PWM Sensado

Algoritmos eficientes Aplicaciones con S.E. Memoria 1 2 3 4 5 6 7 8 9 * # A B C D Teclado RTC Algoritmos eficientes Manejo básico E/S Contador simple Buzzer MOTOR DC Displays Arreglos y vectores 25/02/08 - 8:35 PM Monitoreo: Activado LCD Sensado

A continuación… Objetivos, requisitos y características del curso Metodología y recursos Breve descripción del contenido del curso Detalles finales acerca del curso Detalles finales acerca del curso

Evaluación Parte teórica. Valor 50% Parte práctica. Valor 50% 2 parciales cada uno del 20% 2 pruebas cortas, cada una del 5 %. 1 prueba corta (opcional)de valor 5%. Puede reemplazar una de las dos anteriores. Parte práctica. Valor 50% Práctica No. 1. Diseño PCB. Valor: 5% Práctica No. 2. Leng. Ensamblador Valor : 7% Práctica No. 3. Lenguaje C. Valor : 8% Práctica No. 4. Manejo de Interrupc. Valor : 15% Práctica Final. Diseño de aplicación. Valor : 15%.. .

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.

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. 2009. Sistemas Empotrados en Tiempo Real. José Daniel Muñoz Frías.2009 Documentos ubicados en : http://microe.udea.edu.co/~eaduque Proyectos interesantes a nivel mundial y prácticas implementadas en el curso: https://www.dropbox.com/sh/r6jib5pbj75ufc0/0_6M1JD5ru