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

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

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

MCU. Diagrama de bloques Bus

¿Características del MCU? 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? 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.

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

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

Diseño de S.E. y Hardware 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: DISPLAY CONVERSOR A/D MUESTREO Y RETENCIÓN PROCESAMIENTO DE INFORMACIÓN CONVERSOR D/A ACTUADORES SENSORES ENTORNO

Diseño de S.E. y Hardware 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.

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

Toma de datos del entorno 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 Ve Vx

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

¿Preguntas? 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?

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Comunicación de datos 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). Medio físico Canal de Comunicación

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

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

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

Unidades de Procesamiento ASICs: Application Specified Integrated Circuit. Lógica Reconfigurable: FPGA, CPLD, ... Procesadores: MPUs, MCUs, DSPs, … Dificultad de Reprogramación Eficiencia Energía 0.5um 0.25um 0.130um 70nm Mops/mW 100 10 1 0.1 0.01 Tecnología Flexibilidad ASICs Reconfigurable Procesadores

Unidades de Procesamiento 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 Microprocesador, Microcontrolador, DSPs Unidad de procesamiento Cerebro CONTROL DATAPATH RAM ROM P1 CONTROL DATAPATH P2 Pn Periféricos de Entrada Periféricos de Salida CPU MEMORIA P1 P2 Pn 10110100101 11111010101 10110001011 11001001111 00010100011 10100000000 00000011010 10100111010 10110100101 11111010101 10110001011 11001001111 00010100011 10100000000 00000011010 10100111010

¿Preguntas? 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”?

Unidades de Procesamiento 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. RUN 400mW 10s 90s 10s 160ms 90s IDLE 50mW SLEEP 160 W StrongARM SA 1100

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

Unidades de Procesamiento CPU para S.E: Características Eficiencia, consumo de potencia: Escalamiento de voltaje dinámico (DVS). P =  * CL * Vdd2 * 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!!! De acuerdo a la carga del procesador, se varía la polarización de él, para disminuir la potencia P = VI. IDLE RUN Ev 1 IDLE RUN Ev 2 IDLE RUN Ev 3 IDLE RUN Ev 4 IDLE RUN Ev 5

Unidades de Procesamiento 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. Instrucción CISC Unidad de Control Instrucciones RISC Decodificador y traductor CISC -> RISC Decodificador instrucciones RISC Memoria …

Unidades de Procesamiento 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) to CPU X(0) X(1) X(2) X(3) …  A Postincremento y memoria circular MAC y(i) = 0011 y(i) = 0011 1000 (-8) 1000 (8)   y(i+1) = 0101 y(i+1) = 0101

Unidades de Procesamiento 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. Un solo paquete Instrucción 1 Instrucción 2 Instrucción 3 Instrucción 4 Punto Flotante Enteros Enteros Memoria

Unidades de Procesamiento CPU para S.E. Microcontroladores Integra los diferentes componentes de un PC MOTOR DC ADC CPU PWM IRQ UART IRQ P 0 1 0 0 1 1 Frecuencia? TIM Memoria I2C Realmente es un “Embedded Chip”

¿Preguntas? 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? ______________________________

Memoria 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 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%. Años 1 3 5 7 9 Velocidad CPU x 1.5 / año Off-Line Memoria Secundaria Memoria Principal CACHÉ Registros GAP Memoria x 1.07 / año Memoria: Jerarquía

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

Modificando el entorno Dispositivos electro-mecánicos. Actuadores. Conversores D/A: Ponderación binaria. N = b01 + b12 + b24 + b38 + … + bn2n 4-bits, V = (b0/8 + b1/4 + b2/2 + b3/1) * (R1 / R) * Vref

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

Fin de la Clase!!! 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 ?

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