EEA-27 Microcontroladores e Sistemas Embarcados Aula 01 PDF

EEA-27 Microcontroladores e Sistemas Embarcados Aula 01 Prof. Dr. Harlei M. A. Leite Aeronautics Institute of Technology - ITA Electronic Engineering Division Department of Applied Electronics Conteúdo 1. 2. 3. 4. Sistemas embarcados Métricas de projeto Qualidade Referências Prof. Dr. Harlei M. A. L...

EEA-27 Microcontroladores e Sistemas Embarcados Aula 01 Prof. Dr. Harlei M. A. Leite Aeronautics Institute of Technology - ITA Electronic Engineering Division Department of Applied Electronics Conteúdo 1. 2. 3. 4. Sistemas embarcados Métricas de projeto Qualidade Referências Prof. Dr. Harlei M. A. Leite (ITA) - EEA-27 Microcontroladores e Sistemas Embarcados Sistemas embarcados Definição É um conjunto de hardware e software completamente encapsulado ou dedicado ao dispositivo ou sistema; Múltiplos sistemas embarcados podem coexistir em um mesmo dispositivo; Maior classe de computadores, apesar da maioria dos usuários desconhecer a sua existência; De acordo com a IEEE 610.12-1990, um sistema embarcado faz parte de um sistema maior e implementa alguns dos requerimentos deste sistema. Prof. Dr. Harlei M. A. Leite (ITA) - EEA-27 Microcontroladores e Sistemas Embarcados Sistemas embarcados Para que é usado? Prof. Dr. Harlei M. A. Leite (ITA) - EEA-27 Microcontroladores e Sistemas Embarcados Sistemas embarcados Principais características São desenvolvidos para realizar tarefas específicas de um produto. ○ Executam uma única função repetidamente; ○ Não podem ter sua funcionalidade alterada durante o uso; ○ Estão sujeitos a restrições de projeto bastante rigorosas com relação a algumas métricas, como tamanho, potência consumida, tempo de resposta, custo, etc. Interagem com outros dispositivos como sensores e atuadores. ○ Sensores: detectam e medem mudanças no ambiente físico ou em um sistema e convertem essas mudanças em sinais elétricos ou dados que podem ser interpretados, exibidos ou processados; ○ Atuadores: respondem a sinais elétricos ou comandos de controle para realizar uma ação física específica. Eles transformam energia elétrica ou de outra forma em movimento, força, luz ou outra forma de energia. Prof. Dr. Harlei M. A. Leite (ITA) - EEA-27 Microcontroladores e Sistemas Embarcados Sistemas embarcados Principais características Sistemas embarcados podem possuir desde: ○ ○ Nenhuma interface de usuário (dedicado somente a uma tarefa); Uma interface de usuário mais simples que utiliza botões, LEDS, displays, etc. Se comunicam com o meio externo através de periféricos: ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ Teclas; LEDs; Display de LCD alfanumérico; Interface serial (I2C, SPI, etc); Universal serial Bus (USB); TCP/IP; Outros. Prof. Dr. Harlei M. A. Leite (ITA) - EEA-27 Microcontroladores e Sistemas Embarcados Sistemas embarcados Exemplo: cafeteira Ao pressionar o botão “Café curto”, um sistema deve: ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ Ler sensores do reservatório de grãos; Ler sensores do reservatório de água; Acionar o motor de moagem do grão; Acionar a resistência de aquecimento de água; Calcular o tempo da infusão; Acionar o compressor; Avisar ao finalizar o processo; Permitir que o usuário interrompa a operação. Prof. Dr. Harlei M. A. Leite (ITA) - EEA-27 Microcontroladores e Sistemas Embarcados Sistemas embarcados Atividade Elabore um exemplo de sistema embarcado para um dispositivo de sua escolha; Descreva uma funcionalidade; Pense em termos de processos, temporização, sensor, atuador, etc; Projete para ser eficiente, prático e seguro. Prof. Dr. Harlei M. A. Leite (ITA) - EEA-27 Microcontroladores e Sistemas Embarcados Sistemas embarcados Principais componentes Memória Interface Humana Conversor Analógico/Digital Alimentação Porta Debugger Unidade de Processamento Conversor Digital/Analógico Software Sensores Atuadores Segurança Prof. Dr. Harlei M. A. Leite (ITA) - EEA-27 Microcontroladores e Sistemas Embarcados Resfriamento Sistemas embarcados Processador Circuito digital projetado para realizar tarefas de computação. Exemplos: ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ Microprocessador - uP; Microcontrolador - uC; Digital Signal Processor - DSP; Field-Programmable Gate Array - FPGA; Application-Specific Integrated Circuit - ASIC; System on Chip - SoC; Multiprocessor System on Chip - MPSoC; Prof. Dr. Harlei M. A. Leite (ITA) - EEA-27 Microcontroladores e Sistemas Embarcados Sistemas embarcados Microprocessador - uP É uma Unidade de Processamento Central em um único circuito integrado; O primeiro microprocessador comercial foi o Intel 4004, fabricado em 1971. Estrutura básica: ○ ○ ○ ○ ○ Unidade de Controle (UC); Unidade Lógica e Aritmética (ULA); Registradores; Barramentos; Memória Cache. Prof. Dr. Harlei M. A. Leite (ITA) - EEA-27 Microcontroladores e Sistemas Embarcados Sistemas embarcados Microcontrolador - uC Integra, em um mesmo chip, processador, memória e I/O. Principais famílias: ○ ○ ○ AVR; ARM; RISC-V based. Prof. Dr. Harlei M. A. Leite (ITA) - EEA-27 Microcontroladores e Sistemas Embarcados Sistemas embarcados Diferenças de sistemas embarcados baseados em uP e uC: Sistema embarcado baseado em microprocessador - uP Memória programa Memória dados Sistema embarcado baseado em microcontrolador - uC Memória programa I/O Processador I/O Processador I/O Clock Memória dados I/O Prof. Dr. Harlei M. A. Leite (ITA) - EEA-27 Microcontroladores e Sistemas Embarcados I/O Clock I/O Sistemas embarcados Digital Signal Processor - DSP Otimizados para algoritmos de processamento digital de sinais, tais como: ○ ○ ○ ○ Filtros; Convoluções; Transformada Rápida de Fourier (FFT); Operações matriciais. Vários registradores, blocos de memória e unidades aritméticas; Realiza operações vetoriais de forma eficiente; Operações aritméticas implementadas em hardware. Prof. Dr. Harlei M. A. Leite (ITA) - EEA-27 Microcontroladores e Sistemas Embarcados Sistemas embarcados Field-Programmable Gate Array - FPGA Hardware reconfigurável; Os circuitos podem ser dinamicamente alterados; A especificação do circuito ocorre por meio de HDLs. Prof. Dr. Harlei M. A. Leite (ITA) - EEA-27 Microcontroladores e Sistemas Embarcados Sistemas embarcados Application-Specific Integrated Circuit - ASIC Circuito integrado projetado para um uso específico; Otimizado para alcançar bom desempenho e consumo de energia; Menor custo quando produzido em grande quantidade; Uma vez fabricado, não pode ser modificado. Prof. Dr. Harlei M. A. Leite (ITA) - EEA-27 Microcontroladores e Sistemas Embarcados Sistemas embarcados System on Chip - SoC CI que contém todas as partes do sistema, tais como unidade de processamento, memória, periféricos, FPGA, sensores, etc. Prof. Dr. Harlei M. A. Leite (ITA) - EEA-27 Microcontroladores e Sistemas Embarcados Sistemas embarcados Multiprocessor System on Chip - MPSoC SoC com vários uPs; Os uPs podem ser homogêneos ou heterogêneos. Prof. Dr. Harlei M. A. Leite (ITA) - EEA-27 Microcontroladores e Sistemas Embarcados Métricas de projeto Visão geral Definição ○ Característica ou atributo desejado e mensurável utilizada para avaliar diversos aspectos do desenvolvimento de sistemas, como desempenho, consumo de energia, tamanho, confiabilidade, eficiência, etc. Desafio: ○ Construir uma implementação que atenda à funcionalidade desejada e, ao mesmo tempo, que otimize várias métricas de projeto. Prof. Dr. Harlei M. A. Leite (ITA) - EEA-27 Microcontroladores e Sistemas Embarcados Métricas de projeto Métricas importantes Custo NRE (Non-Recurring Engineering cost): custo associado ao desenvolvimento inicial de um produto; Custo por unidade: custo de fabricação de cada cópia do sistema; Tamanho: espaço físico exigido pelo sistema (medido em bytes no caso de software ou nº de transistores para hardware); Desempenho: tempo de execução do sistema; Potência: quantidade de potência consumida pelo sistema. Prof. Dr. Harlei M. A. Leite (ITA) - EEA-27 Microcontroladores e Sistemas Embarcados Métricas de projeto Métricas importantes Flexibilidade: habilidade de mudar a funcionalidade do sistema sem que demande um alto custo NRE; Tempo de prototipagem: tempo necessário para a construção de uma versão do sistema que funcione; Tempo para o mercado: tempo necessário para desenvolver o sistema até o ponto que possa ser lançado e vendido aos consumidores; Sustentabilidade: capacidade / facilidade de modificar o sistema após seu lançamento inicial, especialmente por projetistas que não participaram do desenvolvimento original. Prof. Dr. Harlei M. A. Leite (ITA) - EEA-27 Microcontroladores e Sistemas Embarcados Métricas de projeto Importante Melhorar o sistema em termos de uma métrica usualmente leva a uma degradação com respeito a outra métrica. Exemplo: ○ Aumentar a performance pode gerar um aumento na potência consumida pelo sistema. Para ser bem sucedido, um engenheiro precisa estar familiarizado com uma variedade de tecnologias de software e hardware para encontrar a melhor implementação da funcionalidade desejada, dentro das restrições de projeto. Prof. Dr. Harlei M. A. Leite (ITA) - EEA-27 Microcontroladores e Sistemas Embarcados Métricas de projeto Custo NRE e custo por produto Para uma dada implementação, são conhecidos o custo NRE (vNRE) e o custo por unidade (vu). Logo, Custo total = vNRE + Vu * número de unidades Cada produto fabricado, portanto, custou: Custo por produto = vNRE / número de unidades + vu Prof. Dr. Harlei M. A. Leite (ITA) - EEA-27 Microcontroladores e Sistemas Embarcados Métricas de projeto Custo NRE e custo por produto Exemplo: vNRE = $ 2000 e vu = $ 100 Supondo que 20 unidades foram produzidas: Custo total = $ 2000 + $ 100 * 20 = $ 4000 Custo por produto = $ 2000 / 20 + $ 100 = $ 200 O custo NRE traz um custo adicional por produto de $ 100 Supondo que 2000 unidades foram produzidas, Custo por produto = $ 2000 / 2000 + $ 100 = $ 101 O custo NRE traz um custo adicional por produto de $ 1 Prof. Dr. Harlei M. A. Leite (ITA) - EEA-27 Microcontroladores e Sistemas Embarcados Métricas de projeto Custo NRE e custo por produto Suponha que existam três tecnologias para a implementação de um produto: ○ ○ ○ Tecnologia A: vNRE = $2.000 e vu = $ 100 Tecnologia B: vNRE = $30.000 e vu = $ 30 Tecnologia C: vNRE = $100.000 e vu = $ 2 Quando é vantajoso utilizar cada uma destas tecnologias? Prof. Dr. Harlei M. A. Leite (ITA) - EEA-27 Microcontroladores e Sistemas Embarcados Métricas de projeto Custo NRE e custo por produto Prof. Dr. Harlei M. A. Leite (ITA) - EEA-27 Microcontroladores e Sistemas Embarcados Métricas de projeto Desempenho Métrica que informa quanto tempo o sistema precisa para executar a tarefa desejada; Algumas medidas, como a frequência de clock ou o número de instruções por segundo que o processador consegue executar têm influência no desempenho, mas não são necessariamente medidas de desempenho; Exemplo: câmera digital - mais importante do que conhecer estas medidas, o parâmetro crítico é a velocidade de processamento de uma imagem. Prof. Dr. Harlei M. A. Leite (ITA) - EEA-27 Microcontroladores e Sistemas Embarcados Métricas de projeto Desempenho Latência (tempo de resposta) ○ Tempo entre o início e a conclusão da tarefa (e.g., uma câmera processa uma imagem em 0,25 segundos). Throughput (taxa, vazão de produção) ○ Número de tarefas que podem ser processadas em uma unidade de tempo (e.g., uma câmera processa 4 imagens por segundo); ○ É possível aumentar o throughput utilizando paralelismo. Prof. Dr. Harlei M. A. Leite (ITA) - EEA-27 Microcontroladores e Sistemas Embarcados Qualidade Software embarcado, quando não é bem feito: Toyota: recall de 160.000 automóveis híbridos devido a uma falha do software de controle do motor (outubro de 2005); Nissan: recall de mais de 16.000 Murano e Infiniti EX35 (fevereiro de 2008) devido a problemas no airbag, causado por uma falha de software; Chrysler: recall de 25.000 Jeep Commanders para corrigir erros no software de controle de transmissão; Cricket Communications: recall de 285.000 celulares devido a erro no software, que causava problemas de áudio quando o usuário se conectava ao 911; Defibtech: recall de 42.000 desfibriladores (fevereiro de 2007); Guidant Corporation: recall de 21.000 desfibriladores implantados em pacientes (junho de 2005). Prof. Dr. Harlei M. A. Leite (ITA) - EEA-27 Microcontroladores e Sistemas Embarcados Referências Andrew N. Sloss; Dominic Symes; Chris Wright. ARM System Developer’s Guide: Designing and Optimizing System Software. Elsevier, 2004. Andrew S. Tanenbaum; Todd Austin. Organização Estruturada de Computadores. 6ª edição. Pearson, 2013. William Stallings. Arquitetura e Organização de Computadores. 8ª edição. Pearson, 2010. Prof. Dr. Harlei M. A. Leite (ITA) - EEA-27 Microcontroladores e Sistemas Embarcados