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Questions and Answers
O que ocorre se o software não 'alimentar' o temporizador dentro de um intervalo de tempo especificado?
O temporizador aciona uma ação corretiva.
Qual é o objetivo do temporizador watchdog?
Detectar a falha (por não ser reiniciado) e realizar uma ação predeterminada para remediar a situação, como um reinício do sistema.
Qual é a função da modulação por largura de pulso (PWM)?
Inserir informações em um sinal mediante a modificação de suas características.
Como a implementação digital da modulação por largura de pulso (PWM) é realizada?
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Qual é a razão entre a largura do pulso (tempo em nível alto) e período da onda?
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Quais são as duas desvantagens inerentes às formas de E/S controlada por interrupção e programada?
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O que o módulo de DMA pode fazer para transferir dados de e para a memória?
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Quando o módulo de DMA precisa usar o barramento do sistema?
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Qual é o objetivo do acesso direto à memória (DMA)?
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O que é o roubo de ciclo (cycle stealing)?
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Qual é o objetivo das interrupções Inter-Processor Interrupts (IPIs) em sistemas multiprocessados ou multi-core?
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Quais são as funcionalidades do Nested Vector Interrupt Controller (NVIC) em ARM?
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Qual é o objetivo das interrupções entre sistemas separados ou entre componentes de hardware?
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Como o NVIC gerencia as interrupções?
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Qual é a função do NVIC em relação às interrupções?
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Quais são os exemplos de tasks do sistema criados quando o kernel é iniciado pela primeira vez?
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Por que é necessário que o processador execute a instrução para a qual o contador de programa aponta, mesmo quando nenhuma outra tarefa existe?
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Em que estados pode uma tarefa variar?
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O que é o propósito da idle task?
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O que pode acontecer em alguns casos, em vez de executar a idle task?
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Que é uma message queue e qual é o seu propósito em um sistema multitarefa?
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Como as tarefas interagem com uma message queue?
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Quais são as componentes principais de uma message queue?
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Qual é o propósito da fila de espera em uma message queue?
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Como as message queues facilitam a coordenação e o intercâmbio de dados entre diferentes partes de um sistema multitarefa?
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Study Notes
Temporizador/Contador
- Em circuitos digitais, vários flip-flops (FFs) são conectados para criar um contador.
- Conectando 3 FFs, criamos um contador de 3 bits capaz de contar até 7 (000 - 111).
- Todos os microcontroladores vêm com Timer/Counter em seu chip.
Temporizador
- Um circuito capaz de medir intervalos de tempo.
- Pode gerar eventos temporais, por exemplo, para manter o sinal verde em um semáforo por 10 segundos.
- Pode medir o tempo decorrido entre a ocorrência de eventos, por exemplo, para computar a velocidade de um carro.
Vantagens do Temporizador
- Precisão ajustável: possibilita a contagem de milissegundos, microssegundos e até mesmo ciclos de clock.
- Multitarefa: enquanto o delay pausa a execução do programa, os temporizadores continuam operando em segundo plano, permitindo que outras tarefas sejam realizadas enquanto o temporizador está contando ou aguardando um determinado intervalo de tempo.
- Interrupções: os temporizadores frequentemente têm a capacidade de gerar interrupções após um período definido, o que significa que o processador pode continuar sua operação normal até ser alertado pela interrupção do temporizador.
Medição de Tempo
- Contando os pulsos que aparecem em um sinal de clock de entrada que possui um período/frequência conhecido.
- Exemplo: Se a frequência de clock é igual a 1 MHz (período 1µs) e são contabilizados 2000 pulsos, o tempo decorrido é 2 milissegundos (ms).
Características do Temporizador
- Faixa: máximo intervalo de tempo que um temporizador de 16 bits consegue medir. 65535 x 10^-6 = 65,535 ms.
- Resolução: mínimo intervalo de tempo que o temporizador consegue medir (período do clock). 1 µs.
- O sinal top indica que a contagem máxima foi alcançada.
Contador
- Mesma estrutura interna de um temporizador, porém conta pulsos gerados por outro sinal de entrada no lugar do clock.
- Por exemplo, a contagem de carros que passam por um sensor.
- Com um seletor, controlado pelo modo de operação, é possível configurar um dispositivo como temporizador ou contador.
Estruturas Alternativas do Contador
- Diminuindo a faixa do contador: O valor final da contagem é determinado de acordo com o intervalo de tempo a ser analisado.
- Aumentando a faixa do contador: Contador em série (cascata) estende o valor máximo da contagem (amplia a faixa).
- Contador com divisor de frequência: Dependendo dos bits em mode, o sinal de saída do prescaler será semelhante ao relógio de entrada, mas com metade da frequência, ou um quarto da frequência, etc.
Implementação do Temporizador
- É possível utilizar um processador genérico para implementar um temporizador.
- Sabendo o número de ciclos que cada instrução consome, basta escrever um laço (loop) que executa uma determinada sequência de instruções.
- Quando o loop se encerra, sabe-se que um determinado período de tempo (ciclos) se passou.
Temporizador Watchdog
- É um contador que é regularmente reiniciado pelo software em operação normal do sistema.
- Se o software não "alimentar" o temporizador (ou seja, não reiniciá-lo) dentro de um intervalo de tempo especificado, o temporizador aciona uma ação corretiva.
Funcionamento do Temporizador Watchdog
- Se o sistema trava, falha ou entra em um estado inesperado que impeça a renovação do temporizador, o watchdog entra em ação.
- Ele detecta a falha (por não ser reiniciado) e realiza uma ação predeterminada para remediar a situação, como um reinício do sistema.
Modulação por Largura de Pulso (PWM)
- Modular: inserir informações em um sinal mediante a modificação de suas características.
- PWM ajusta o tempo que um sinal periódico com dois níveis (digital), alto e baixo, permanece em nível alto de acordo com a informação a ser inserida.
- Tempo de nível alto: largura do pulso.
- Duty cycle: razão entre a largura do pulso (tempo em nível alto) e período da onda.
Implementação Digital do PWM
- Um relógio é usado como base para estabelecer o período e a largura de pulso.
- Exemplo: período correspondente a 8 pulsos e tempo de nível alto a 6 pulsos de relógio.
Módulo de E/S
- O módulo de E/S é responsável pela comunicação entre o dispositivo periférico e o processador.
- A comunicação envolve comandos, informações de estado e dados.
Função do Módulo de E/S
- O módulo de E/S realiza armazenamento temporário (buffering) de dados.
- Isso é necessário devido à diferença de taxa de transferência entre a memória principal e os dispositivos periféricos.
- Os dados são enviados do processador para o módulo de E/S e, em seguida, para o dispositivo periférico.
Detecção de Erro
- O módulo de E/S é responsável por relatar erros ao processador.
- Exemplos de erros incluem erros mecânicos e elétricos, como papel atolado em uma impressora.
Estrutura do Módulo de E/S
- O módulo de E/S tem uma estrutura de blocos específicos para realizar suas funções.
Técnicas de Operações de E/S
- Existem três técnicas de operações de E/S: E/S programada, E/S controlada por interrupção e acesso direto à memória (DMA).
E/S Programada
- Na E/S programada, os dados são trocados entre o processador e o módulo de E/S.
- O processador precisa permanecer em um ciclo de verificação de estado até que determine que a palavra está disponível no registrador de dados do módulo de E/S.
E/S Controlada por Interrupção
- Na E/S controlada por interrupção, o módulo de E/S interrompe o processador para solicitar atendimento quando estiver pronto para trocar dados.
- O processador, então, executa a transferência de dados e retoma seu processamento anterior.
Acesso Direto à Memória (DMA)
- O DMA é uma técnica mais eficiente que E/S controlada por interrupção.
- No DMA, um módulo adicional no barramento do sistema assume o controle do sistema do processador e transfere dados de e para a memória pelo barramento do sistema.
Interrupção
- A rotina de serviço de interrupção (ISR) é comumente chamada de rotina de serviço de interrupção ou manipulador de interrupção.
- Quando um periférico ativa um sinal de interrupção, os seguintes passos são executados:
- Uma interrupção é acionada (Interrupt Requests, IRQ);
- A CPU empilha o registrador PC na pilha e carrega o registrador PC com o endereço do ISR;
- O processador suspende a execução do código;
- O processador executa a rotina de serviço de interrupção (ISR);
- O processador recarrega o valor de PC armazenado na pilha;
- O processador retoma a execução do código para o estado anterior da interrupção acontecer.
Tipos de Interrupção
- Interrupção de Software:
- Produzida por um software;
- Usada para solicitar ao SO que execute um determinado serviço ou atividade;
- Um programa normalmente cria uma interrupção de software utilizando uma instrução específica, como INT em assembly x86 ou uma chamada de sistema em uma linguagem de programação de alto nível.
- Interrupção de Hardware:
- Chamada de funções (eventos) realizados pelo uC para eventos detectados pelos periféricos;
- Existe para isso as interrupções de hardware, que são chamadas de funções (eventos) realizados pelo uC para eventos detectados pelos periféricos.
Contextualização
- Na computação, existe a necessidade de realizar ações com base em eventos, que podem ser classificados como:
- Internos ao uP/uC (por exemplo, término de um cálculo realizado por um dos núcleos de um processador multicore ou a detecção de um overflow de memória);
- Externos ao uP/uC (por exemplo, novo pacote oriundo da comunicação ethernet ou a leitura de um sensor conectado a um pino do uC).
- Vantagens de um programa orientado a eventos:
- Facilidade de implementação;
- Facilidade de manutenção;
- Definição de prioridades;
- Modularização.
Visão Geral
- É um mecanismo usado para sinalizar à CPU a ocorrência de eventos importantes relacionados a dispositivos periféricos e outros elementos do sistema.
- Considera que um microprocessador deve realizar, entre outras tarefas, a leitura e o processamento de dados de um periférico toda vez que este periférico tiver um novo dado.
- O instante de chegada de novos dados é absolutamente imprevisível da perspectiva do microprocessador / programa em execução.
Pooling vs. Interrupção
- A principal diferença entre pooling e interrupção é que a CPU verifica os periféricos em intervalos regulares no pooling para verificar se eles solicitam serviços de CPU.
- Por outro lado, na interrupção os periféricos interrompem a CPU para avisar da necessidade de serviços de CPU.
Rotina de Serviço de Interrupção (ISR)
- Para cada interrupção deve haver um programa associado a ela.
- Quando ocorre uma interrupção, este programa é executado para realizar determinado serviço para a interrupção.
Nested Vector Interrupt Controller (NVIC) em ARM
- O NVIC permite a conexão de diversos periféricos ao processador, cada um gerando interrupções em momentos específicos.
- Ele gerencia essas interrupções em níveis de prioridade, permitindo que as interrupções mais urgentes sejam atendidas antes das menos prioritárias.
- Além disso, o NVIC é "vetorizado", o que significa que ele pode lidar com várias interrupções simultâneas e direcioná-las para os respectivos tratadores de interrupção, conhecidos como ISRs (Interrupt Service Routines).
Escalonamento de Processos
- O escalonador mantém uma lista de processos executáveis.
- Quando um processo consome seu quantum, ele é colocado no fim da lista.
- A troca da CPU é feita no momento em que o processo é bloqueado ou finalizado antes de consumir seu quantum.
Escalonamento Round-Robin
- Cada tarefa executa por um intervalo definido em um ciclo contínuo.
- Um contador de tempo de execução (quantum) acompanha a fatia de tempo para cada tarefa.
- Quando o intervalo de tempo para uma tarefa é concluído, o contador é zerado e a tarefa é colocada no final do ciclo.
- Tarefas recém criadas com a mesma prioridade são colocadas no final do ciclo.
Context Switch (Troca de Contexto)
- Cada tarefa possui seu próprio contexto, que é o estado dos registradores da CPU necessários sempre que é escalonada para executar.
- Uma troca de contexto ocorre quando o escalonador muda de uma tarefa para outra.
- O kernel cria e mantém um bloco de controle de tarefa associado (TCB) para cada tarefa.
Dispatcher (Despachante)
- O dispatcher é a parte do escalonador que realiza a troca de contexto e altera o fluxo de execução.
- O dispatcher é responsável por passar o controle para uma das tarefas.
Algoritmos de Escalonamento
- O escalonador determina qual tarefa é executada seguindo um algoritmo de escalonamento.
- Dois algoritmos de escalonamento comuns são o escalonamento preemptivo baseado em prioridade e o escalonamento Round-Robin.
Tasks (Tarefas)
- Na programação sequencial, as instruções são executadas uma por vez, em uma cadeia predefinida de instruções.
- O kernel cria seu próprio conjunto de tasks do sistema e aloca a prioridade para cada uma a partir de um conjunto de níveis de prioridade reservados.
Idle Task
- A tarefa ociosa é criada na inicialização do kernel e configurada como menor prioridade.
- Ela é composta por um loop infinito e executada quando nenhuma outra tarefa pode ser executada ou quando nenhuma outra tarefa exista.
- O único propósito é utilizar os ciclos ociosos do processador.
Comunicação Inter-Task
- A comunicação entre tarefas ocorre por meio de primitivas inter-task, que são kernel objects que facilitam o processo.
- Exemplos de primitivas inter-task: semaphores, message queues, signals, pipes, mutex, etc.
Semaphores
- Em um sistema multitarefa, as tarefas competem por recursos e devem se sincronizar para compartilhar recursos do sistema.
- Semaphores são objetos kernel que fornecem serviços de gerenciamento para facilitar o sincronismo.
- Um semaphore é um kernel object onde uma ou mais threads de execução podem adquirir ou liberar para o propósito de sincronização.
- Operações básicas de semaphores: pegar (take) e liberar (give).
Tipos de Semaphores
- Binary (Binário): pode ter o valor “0” ou “1”, é considerado indisponível (empty) quando o valor é “0” e disponível (full) quando o valor é “1”.
- Counting (Contador): utiliza uma contagem para permitir que ele seja adquirido ou liberado múltiplas vezes.
- Mutual Exclusion (Mutex) Semaphores: oferece suporte a ownership e recursive locking.
Fila de Mensagens (Message Queues)
- Message queues são mecanismos de comunicação e sincronização entre tarefas.
- Permitem que tarefas enviem e recebam mensagens de maneira organizada e segura.
- Uma message queue é uma estrutura de dados que armazena mensagens em uma ordem específica, geralmente em uma fila FIFO (First In, First Out).
Modelando um Sistema
- Heurística para projetar um sistema: Identificar objetos ativos com comportamento reativo, atribuir responsabilidades e recursos, identificar eventos do sistema, utilizar diagramas de classe e de sequência, etc.
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Description
Entenda como conectam-se flip-flops para criar contadores e como funcionam os Timer/Counter em microcontroladores.
