Sistemas Embarcados - Introdução, Definição e Arquitetura

SISTEMAS EMBARCADOS Professor Vinicius Belmuds Vasconcelos Tatagiba Curso Técnico em Automação Industrial IFES Campus Linhares 1 Apresentação da ementa da disciplina 2 Definição 3 Microprocessador x Microcontrolador 4 Microcontroladores 5 CPU Barramentos Arquitetura 6 Memória de Programa Memória de Dados Clock Sumário Ver Documento do Plano de Ensino Apresentação da ementa da disciplina Definição Sistemas embarcados Embedded Systems são sistemas computacionais de uso específico com seus recursos computacionais como memória e poder de processamento projetados restritamente para este propósito especial Computadores Tablets Smartphone Sistemas de uso geral Sistemas de uso específico Relógios Calculadoras Máquina de cartão de crédito Balança eletrônica Sistema de acesso biométrico Marca passo Para realizar tarefas específicas devem interagir com o meio ambiente a sua volta Possuem interfaces de entrada e saídas dedicadas Os sistemas embarcados devem ter algumas características como as mostradas abaixo Possuir um alta performance Ter o menor custo possível Ser confiável imagine se um sistema embarcado de aviação deixa de funcionar em pleno voo Deve possuir um bom tratamento de dados o sistema não deixa de funcionar quando uma massa de dados não esperada é recebida Definição O esquema abaixo mostra as áreas envolvidas em um projeto de sistema embarcado Definição Sistemas embarcados são combinações de softwares e hardwares Como devem ser robustos a etapa de teste é crucial no seu desenvolvimento Portanto os sistemas embarcados São uma combinação de hardware e software Possuem uma interface de saída e entrada dedicada para interagir com o meio Realizam uma função específica para a qual foram programados Podem ser reconfigurados via software Definição Um sistema eletrônico é dito embarcado quando é dedicado a uma única tarefa e interage continuamente com o ambiente a sua volta por meio de sensores e atuadores gerenciado por um software reconfigurável Os sistemas embarcados podem ser projetados utilizando microprocessadores ou microcontroladores Porém qual é a diferença entre eles Microprocessador x Microcontrolador Os microprocessadores consistem em um circuito integrado CI ou chip que realiza cálculos computacionais e que necessita de outros periféricos para seu funcionamento Precisa ser integrado a memórias interfaces de comunicação e outros itens Portanto deve ser desenvolvido uma ou mais placas de circuito impresso que contenham estes elementos conversando entre si através de circuitos eletrônicos Os microcontroladores consistem em um circuito integrado CI ou chip que contém um microprocessador embutido juntamente com periféricos dentro de um único encapsulamento Estes periféricos são memórias EEPROM Flash RAM temporizadores comparadores conversores etc Como um único chip de um microcontrolador contém todos estes periféricos dentro dele faz com que seu processamento seja menor e mais limitado do que um microprocessador que trabalha com os itens separados Microprocessador x Microcontrolador O microprocessador é um chip que necessita de outros periféricos para seu funcionamento enquanto o microcontrolador já possui estes periféricos em um único chip Neste curso trabalharemos com microcontroladores São pequenos dispositivos dotados de inteligência basicamente constituídos por uma unidade central de processamento CPU memória de programa e dados e periféricos portas ES USART temporizadores conversores etc Diferente de um microprocessador que roda jogos gráficos e outras tarefas com grande processamento o microcontrolador é utilizado para tarefas mais simples como controle de luminosidade temperatura temporização leitura de sensores etc Microcontroladores A Unidade Central de Processamento CPU Microcontroladores É a composição de registradores da unidade de controle UC e da unidade de lógica aritmética ULA Registradores São memórias temporárias de altíssima velocidade que existem dentro da CPU usadas para armazenar resultados temporários e certas informações de controle Unidade de Controle UC É a unidade responsável por buscar as instruções na memória principal e classificar o tipo das mesmas Unidade Lógica Aritmética ULA Unidade responsável por fazer as operações booleanas e aritméticas Obs O Sistema de memória principal é a unidade que armazena os dados e os códigos do programa Microcontroladores Barramentos Os microcontroladores como os processadores possuem barramentos Os barramentos interligam os elementos básicos de qualquer microcontrolador ou microprocessador CPU memórias e IO Microcontroladores Barramentos Os microcontroladores como os processadores possuem barramentos Os barramentos interligam os elementos básicos de qualquer microcontrolador ou microprocessador CPU memórias e IO Há dois tipos de barramentos aBarramento de endereço basicamente responsáveis por endereçar memórias Ou seja informam em que endereço da memória é desejado ler ou escrever um determinado dado Importante quanto maior este barramento mais número de bits maior a memória total endereçável por ele b Barramento de dados responsáveis por trafegar os dados entre os elementos básicos CPU memórias e IO Quanto maior for este barramento mais veloz é a escrita ou leitura de um microcontrolador Microcontroladores Arquiteturas As duas principais arquiteturas dos microcontroladores são Havard e VonNeumann Arquitetura de Havard É caracterizada pela existência de uma barramento para acesso à memória de dados e outro para a memória de programa resultando em um aumento do fluxo de dados dados e instruções armazenados em memórias diferentes Arquitetura de VonNeumann Nesta arquitetura a memória de dados e programa compartilham o mesmo barramento limitando a banda de operação dados e instruções armazenados na mesma memória Microcontroladores Arquitetura de VonNeumann Ex calcular 2𝑥5 1 Usuário através do sistema de entrada e saída envia a informação do cálculo 2 A informação é armazenada na memória principal 3 A unidade de controle busca a instrução na memória principal 4 A unidade de controle decodifica a instrução na memória principal multiplicação 5 A unidade de controle busca os operandos na memória principal 2 e 5 6 A unidade de controle coloca os operandos nos registrados da CPU mais rápida e com menos capacidade de armazenamento 7 A ULA calcula o resultado de 2𝑥5 passa para a unidade de controle que transporta este valor para a memória principal pelos barramentos de dados 2𝑥5 2 5 2𝑥5 10 Foi necessário acessar a memória 2 vezes para completar o ciclo de busca decodificação e execução da instrução 2 ciclos de clock Microcontroladores Arquitetura de Havard Ex calcular 2𝑥5 1 Usuário através do sistema de entrada e saída envia a informação do cálculo que chega à CPU 2 A CPU envia para a memória de instruções que identifica a multiplicação 3 A unidade de controle coloca os operandos 2 e 5 nos registradores 4 A ULA calcula o resultado de 2𝑥5 passa para a unidade de controle que transporta este valor para a memória principal pelos barramentos de dados 2𝑥5 10 2 5 𝑚𝑢𝑙𝑡𝑖𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎çã𝑜 Na arquitetura de Havard conseguese fazer as busca decodificação e execução de instruções de forma simultânea 1 ciclo de clock Enquanto uma instrução é executada a próxima pode ser lida de forma paralela pipeline Microcontroladores Diferenças nas Arquiteturas VonNeumann Havard Dados e programas na mesma memória Dados e programas em memórias separadas Barramento único entre CPU e memória Um barramento distinto entre a CPU e cada memória Não permite o pipeline Permite o pipeline Um ciclo completo busca decodificação e execução leva 2 ciclos de clock Um ciclo completo busca decodificação e execução leva 1 ciclo de clock Mais simples Mais complexa Microcontroladores Memórias de Programa As memórias de programa dos microcontroladores são em geral do tipo FLASH ROM EPROM e OTP e são responsáveis pelo armazenamento do programa o que significa que a sua capacidade de armazenamento deve ser suficiente para reter todo o código desenvolvido São do tipo não voláteis ou seja o código não é perdido sem energia ROM ReadOnly Memory Não permite que o conteúdo seja alterado pelo usuário aceitando apenas a leitura do conteúdo que foi gravado pelo fabricante Normalmente apresentam um baixo custo em relação às outras memórias EPROM Erasable Programmable ReadOnly Memory Pode ser gravada ou reprogramada muitas vezes porém o seu conteúdo é apagado através da exposição da luz ultravioleta OTP One Time Programmable Tolera somente uma gravação Apresenta um menor custo à memória EPROM e FLASH FLASH Pode ser apagada eletricamente e reprogramada entre 100000 e 1000000 de vezes Microcontroladores Memória de Dados A memória de dados definida como memória RAM Random Acess Memory é uma memória volátil e armazena as variáveis e constantes do sistema O conteúdo presente neste tipo de memória é perdido sempre que a alimentação é cortada Pinos de Entrada e Saída Através destes pinos os microcontroladores se comunicam com o meio externo Estes pinos podem ser definidos como entradas ou saídas Microcontroladores Clock Os processadores são constituídos por circuitos digitais que mudam de estados milhões de vezes por segundo Para executarem suas tarefas determinadas por uma programação necessitam de um sincronismo Portanto usase o relógio clock que tem a função de realizar este sincronismo A velocidade de processamento de um microcontrolador está diretamente relacionada com o seu sinal de clock 𝑓𝐶𝑙𝑜𝑐𝑘 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑙ℎ𝑜 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑒 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 Microcontroladores Clock Em um microcontrolador o clock é quem comanda a velocidade de execução das operações O clock é um trem de pulsos de onda quadrada que tem um período de trabalho muito preciso Para cada sinal de clock o microcontrolador executa uma operação diferente Por exemplo para um clock de 1MHz o microcontrolador executará um milhão de operações por segundo Esta frequência pode ser gerada por um oscilador interno geralmente um circuito RC do microcontrolador ou por osciladores externos cristal ressonador em cerâmica Microcontroladores Clock Ciclo de clock Intervalo de tempo do início da descida ou subida de um pulso até o início ou subido de outro pulso Período Intervalo de tempo gasto para se obter 1 ciclo de clock Borda de subida Transição do valor de nível lógico baixo para alto no pulso Borda de descida Transição do valor de nível lógico alto para baixo no pulso Vamos finalizar por hoje viniciustatagibaifesedubr