1 saulo o. d. luiz arquiteturas de hardware para sistemas embarcados sistemas embarcados período...

1 Saulo O. D. Luiz

Arquiteturas de Hardware para sistemas embarcados

Sistemas embarcados

Período 2010.2

2 Saulo O. D. Luiz

Roteiro

Sistemas embarcadosProcessadores de propósito geralMicrocontroladoresHardware embarcado

ProcessadorMemóriaDispositivos de entrada e saídaCoprocessadores

Arquiteturas multicore– Exemplo: plataforma OMAP (ARM e DSP)

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Definição

• Sistema embarcado é um dispositivo que possui um processador mas não é um computador de propósito geral

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Exemplos

• Controle automotivo:– motor, freios …

• Aviões– motor, controles de vôo …

• Forno de microondas• Câmera digital• Telefone celular• Internet tablet• PDA• ...

5 Saulo O. D. Luiz

Processadores de propósito geral

• Um sistema construído com um microprocessador requer memória, entradas e saídas externas

6 Saulo O. D. Luiz

Microcontroladores

• Um microcontrolador possui processador, memória, dispositivos de entrada e saída e outros elementos num único chip

7 Saulo O. D. Luiz

Exemplos

• Forno de microondas• Controle remoto da TV• Câmera digital• CD player• ...

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Microcontrolador

• Microcontrolador• Micro: pequeno• Controlador: aplicações de controle

• Também chamados de controladores embarcados, pois, na maioria das vezes, são construídos dentro dos (ou embarcados em) sistemas que controlam

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Exemplo de aplicação

• Sistema de controle de temperatura de um forno

Fonte: D. Ibrahim, PICBASIC Projects. Newnes, 2006c

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Exemplo de aplicação

Fonte: D. Ibrahim, PICBASIC Projects. Newnes, 2006

11 Saulo O. D. Luiz

Exemplo de aplicação

Fonte: D. Ibrahim, PICBASIC Projects. Newnes, 2006

12 Saulo O. D. Luiz

Qual a arquitetura de hardware necessária para atender os

requisitos das aplicações típicas de Sistemas embarcados?

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Processador

• Computador com um conjunto complexo de instruções (CISC):– Muitas operações– Diferentes formatos e comprimentos de

instruções

• Computador com um conjunto reduzido de instruções (RISC):– Menos instruções– Eficiência em processadores com pipeline

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Memória

• A memória armazena dados e instruções

• A CPU obtem instruções a partir da memória

• Arquiteturas:– von Neumann– Harvard

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Arquitetura von Neumann

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Arquitetura Harvard

17 Saulo O. D. Luiz

von Neumann X Harvard

• A arquitetura Harvard permite acessos simultâneos a dados e instruções

• A maioria dos DSPs usa Harvard:– Maior largura de banda

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Dispositivos de entrada e saída

• Tipicamente incluem algum componente não digital

• Interface com a CPU:

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Coprocessadores

• Coprocessador: unidade funcional chamada através de instrução

• Exemplos– ARM:

• unidades de aritmética de ponto-flututante

– DSPs 5509 e 5510:• DCT/IDCT• Interpolação de pixels• Estimação de movimento

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Como esses recursos de hardware estão organizados num

sistema embarcado real?

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Exemplo de hardware embarcado

OMAP– Open Multimedia Applications Platform

Família de processadores com arquitetura dual core (ARM + DSP)

Desenvolvida para alto desempenho e baixo consumo de energia

OMAP 1610,1611 e 1612– Podem ser usados em telefones móveis

22 Saulo O. D. Luiz

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Plataforma OMAP – Dispositivos

Archos PMA400 Nokia 770

HP Ipaq 6300Palm Tungsten

E

Nokia N800

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Plataforma OMAP

Kits de desenvolvimento

OMAP OSK

OMAP 1611

Kit de desenvolvimentousando os OMAP 591x

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Plataforma de OMAP1611

Processador OMAP controlando os seguintes dispositivos de I/O– Tela de toque

– Portas seriais

– Controlador Ethernet

– Cartões de memória flash

– MMC

– Keypad

– Cartões Mini-PCI

– Interface Bluetooth

– ...

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Tecnologia CMOS de baixo consumo e alto desempenho

Tecnologia 130 nm de baixa tensão

Consome menos de 10 µA em modo standby

Suprimento de energia compartilhado entre processamento de aplicações, banda básica digital e relógio de tempo real permite controle preciso sobre consumo de energia

Gerenciamento de energia a clock otimizado: somente dois relógios necessários em 13 MHz e 32 kHz

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Subsistema ARM926TEJ

Máxima frequência: 204 MHz16KB I-cache; 8KB D-cacheAceleração Javasuporte para conjuntos de instruções de

32-bit e 16-bit (thumb mode)MMUs de dados e programa

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Subsistema TMS320C55x DSP

Máxima frequência: 204 MHz

32K x 16-bit on-chip dual-access RAM (DARAM) (64 KB)

48K x 16-bit on-chip single-access RAM (SARAM) (96 KB)

24 KB I-cache

Uma/duas instruções executadas por ciclo de relógio

Aceleradores em hardware para DCT, iDCT, interpolação de pixels, e estimação de movimento para compressão de vídeo

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Subsistema de aplicação

DMA com 4 canais físicos e 17 lógicos e um 2D graphics engine dedicado

USB On-the-Go (OTG)

Duas portas SD/MMC/SDIO (secure data/multimedia card/secure digital IO)

Dois UARTs (universal asynchronous receiver/transmitter) 3.68 MHz

Controlador I2C (Inter-Integrated Circuit)

uWire

CompactFlash

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Subsistema de aplicação

Portas para camera

ETM (Enhanced Debug Trace) para depuração

FIR (Fast IrDA)

SPI (Serial Peripheral Interface Bus)

Controlador LCD

Interface 54-Mbps para WLAN 802.11a/b/g

Controlador de memória para:– 128 MB de SDRAM móvel e DDR móvel

– 256 MB Flash

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Depuração de aplicações em:– ARM

– DSP

– JTAG (Joint Test Action Group)– Padrão IEEE 1149.1 (Standard Test Access Port and

Boundary-Scan Architecture)

JTAG

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Cross-Compilação

PC

Scratchbox ARM926

• Scratchbox:– toolkit de cross-compilação para targets ARM

e PowerPC

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Funcionalidade x Consumo

• Maior consumo de energia:– Câmeras de alta resolução;– Flash;– LCD de alta resolução;– Mais funcionalidades e

aplicações;– etc.

• Quantidade limitada de energia suprida pelas baterias– Com os aparelhos

ganhando mais características, a vida da bateria de torna menor.

34 Saulo O. D. Luiz

Uma solução!

• Os usuários querem aparelhos com características avançadas sem perder a autonomia da bateria!

• Para aliar o alto desempenho ao baixo consumo de potência, o OMAP combina:

• DSP:– baixo consumo de

potência;

– operações de computação intensiva.

• ARM, adequado para:– SO

– interface com o usuário

35 Saulo O. D. Luiz

Desenvolvimento de aplicações para a Plataforma OMAP

• Há grande disponibilidade de aplicações multimídia open-source – para PC

• Exemplos: decodificadores de vídeo, áudio e voz.

• Essas soluções precisam então ser portadas para o DSP alvo.

• DSP:– Aplicações

multimídia

• ARM– SO

– interface com o usuário

36 Saulo O. D. Luiz

Problemas chave

• Comunicação entre os processadores;

• Implementação de algoritmos baseados em aritmética de ponto-fixo;

• Limitações de uso de memória;

• Otimizações.

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Comunicação entre os processadores

• DSP Gateway

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Exemplo de uso do DSP GatewayDSP Gateway

processo 1

open() returnacompleto

completo

close() returna

ARM DSP

close()close()Desativar tarefa

Tarefa no DSP excluída

dinamicamente

write() write()Entrada de comando de dados/controle

write() returna

read()read()

read() returna

Saída de dados

Tarefa executando

Device driver DSP kernelAplicação Linux Aplicação DSP

open() open()ativar tarefa no DSP

Tarefa no DSP criada

dinamicamente