aula 2- arquitetura de sistemas embarcados - marco-2012

7/31/2019 Aula 2- Arquitetura de Sistemas Embarcados - Marco-2012

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Arquiteturas ARM e AVR

Eng. Nilton Barbosa Armstrong Junior

Universidade PositivoCurso de ps-graduao em Construo e Desenvolvimento deSistemas Embarcados


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Direcionamento 1 aula Introduo a Sistemas Embarcados

2 aula Arquiteturas ARM e AVR

3 aula Perifricos e desenvolvimento defirmware


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Direcionamento 4 aula Desenvolvimento de firmware

5 aula Gerenciamento de energia

6 aula Entrega do Projeto


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Estrutura Famlia ARM e seus dispositivos

Famlia AVR e seus dispositivos


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Arquitetura ARM Introduo

Famlias

Arquitetura interna

Aplicaes


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ARM - Origens Acorn Computer Limited fundada em 1978

Sede em Cambridge - Inglaterra

Fabricante de computadores domsticos: Atom 1MHz/8bits de 1980 a 1983 BB Micro 2MHz/8bits - de 1981 a 1994 Baseados no processador MOS 6502

Muito popular na Inglaterra


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ARM - Origens Sucesso de vendas : BBC Micro

Faturamento 2800 para 8.5m em 1983.

Ao mesmo tempo: IBM lana o PC em 1981 e o PC-XT em 1983

Vrios outros fabricantes utilizavam o Z80

Mercado atual: entusiastas e cientficos

Mercado potencial: Corporativo


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ARM - Origens Objetivo Acorn em 1983 : Competir com o IBM-

PC e com o Z80, ambos CISC.

BBC Micro ainda limitado: Muitos processadores adicionais necessrios

Arquiteturas da poca no supririam a demanda 16 bits ainda invivel Necessidade de interface grfica

Deciso de criar seu prprio processador


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ARM - Origens Baseados em um projeto de graduao

Projeto RISC da Universidade de Berkeley

Projeto ARM- Acorn RISC Machine Incio: 1983

Acorn Computers : IP Parceria com VLSI Technology : CHIP

CPU com baixa latncia de I/O Processamento comparvel ao IBM-PC


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ARM - Origens Processador ARM1 - 1985

Primeiro prottipo ARM Sem produo

Processador ARM2 - 1986:

Primeiro processador RISC em produo CPU 32 bits a 3MIPS Co-processador para o BBC Micro (MOS 6502) Utilizado em aplicaes de CAD Desempenho superior ao 80286 (16 bits 1982)


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ARM - Origens Computador Acorn Archimedes

Primeiro computador pessoal baseado totalmentena arquitetura ARM

32 bits, com desempenho de 4 a 18 MIPS

Um computadores mais poderosos do final dosanos 80 e inicio dos 90

Enorme sucesso na Europa no ramo educacional


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ARM Origens Final dos anos 80

Consrcio entre: Acorn Computers : Desenvolvimento VLSI Tecnology: Manufatura

Apple Computers: Apoio ao desenvolvimento Projeto Newton PDA e tablet Apple

O projeto do processador adquire propores

enormes


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ARM Ltd. 1990

Criao dajoint-venture:Advanced RISC Machines Ltd. ARM Ltd.

1998

Lanamento de aes na bolsa de Londres e naNasdaq Mudana de nome

ARM Holdings plc


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ARM Holdings plc Lder no mercado de IP para semicondutores

Adquiriu mais de um dezena de empresas

Emprega mais de 2000 pessoas

Faturamento superior a $415M/ano

20 bilhes de chips fabricados com seu IP


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ARM Mercado 2010-2011 90% no mercado de Smartphones

80% das cmeras digitais

10% de computadores mveis

28% dos demais dispositivos eletrnicos

2012: Incio nos servidores e desktop


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ARM Atuao Produtos na forma de IP

Processadores System Multimedia Physical

Software Ferramentas de desenvolvimento e depurao


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ARM - Atuao Modelo de negcio

Royalties sobre a venda da licensas sobre os Ips No vendem nem fabricam componentes reais

Fabricante implementam e complementam os

IPs NXP, Texas, STMicro, ATMEL, Marvell, Analog

Devices, IBM, Intel e outras 900 empresas Adicionam seus perifricos


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ARM - Caractersticas Arquitetura Load/Store

16 registradores de 32 bits

Instrues de tamanho fixo em 32bits: ARM: Melhora desempenho e aumenta tamanho Thumbs: Diminui o tamanho e o desempenho

Maioria das instrues single-clock


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ARM - Caractersticas Execuo condicional: resolve a falta de

branching predictor

Sistema de interrupes simples eextremamente eficiente

Arquitetura Harvard modificada

Utilizao de pipeline em todas as famlias


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Famlias


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ARM Processadores Clssicos

Custo

Desempenho

ARM7

ARM9

ARM11


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ARM Processadores Clssicos Basicamente processadores recm formao da

empresa

Excelentes na funcionalidade

Arquiteturas j desatualizadas

PDAs, telefones e outros gadgets


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ARM - Processadores de AplicaoLinha A Processadores destinados a aplicaes de alto

desempenho, utilizando sistemas operacionais

complexos

Single core (A5, A6 e A9) e Multi Core (A9 e

A15)

Opo de extenso de multimdia

Focados no usurio final


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ARM - Processadores de AplicaoExemplos Tablets, eBookReaders

Smartfones

NetBooks

Digital media players

Home Gateway


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ARM

ProcessadoresEmbarcados Linha M e R Destinados ao mercado de sistemas embarcados

Sistemas no aptos a sistemas complexos, mas simSingle-Thread ou com RTOS

Normalmente destinados a aplicaes deterministicas

com restrio de custo

Basicamente microcontroladores: Evoluo natural de 8 e 16 bits


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ARM

ProcessadoresEmbarcados Linha M e R

Linha Finalidade

M0 MCUs com pequena rea e baixssimoconsumo

M1 Criados para uso em FPGAs

M3 MCUs de alto desempenho

M4 Digital Signal Controllers (misto de MCUcom DSP

R4 Aplicaes de Tempo Real e migrao

da linha clssica


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Diferenas entre a Linha M e ACategoria LInha M (embarcados) Linha A (Aplicao)

Arquitetura Pode ser a mesma ou com alguma diferena

Clock At 20Mhz Maior que 2GHz

Barramento 32bitsPerifricos Integrados Discretos

Interrupes Agis Menos ageis

Memria At 1MB Maior de 2GBAcesso memria MPU MMU

Custo Baixo Alto

Consumo Baixo Mdio


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Intervalo


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Famlia AVR Famlia de microcontroladores

Fabricantes: ATMEL

CPUs de 8 a 32 bits

Instrues RISC

Arquitetura Harvard modificada


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Microcontroladores ATMELATMEL

AVR

8051 ARM

Wireless


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Famlia ATMEL - AVRATMEL - AVR

8Bit 16Bit 32Bit

Tiny Xmega UC3

ATtiny AT32UC3XXXX

Mega Xmega

ATmegaXXXXAT90XXXX

ATxmegaXXXX

Batterymanagement


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AVR Battery Management Gerenciamento de baterias

Objetivos: Confiabilidade: autenticao de baterias Maximizao da energia utilizada da bateria Segurana ao usurio

Vantagens:

Circuitaria analgica integrada: Medio de corrente SOC System on a Chip


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AVR ATtiny Pequenos dispositivos:

At 1.6mm x 2.9mm com 6 pinos

Alta eficincia de cdigo Mesma relao MIPS/Clock de MCUs maiores

Tecnologia picoPowerOperao Consumo

Normal (1MHZ e 1.8V)


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AVR ATtiny Integrao de perifricos

Desde FLASH e RAM at ADCs e amplificadoresoperacionais

Operao a at 0.7V

Aplicaes

Brinquedos Controles remotos Dimmers Sensores wireless Handhelds


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AVR ATmega MCUs de uso genrico

1MIPS por Clock at 20MIPS

Grande combinao de perifricos FLASH, RAM, EEPROM

ADC, DAC LCD, USB, CAN , USART

Todos os dispositivos possuem suporte a ICSP eOn-chip debugging


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AVR ATXmega MCUS de uso genrico

Linha de maior poder de processamento dacategoria: at 32MIPS

Compatibilidade de pinos e cdigo entre os Xmega

e mesmas ferramentas Alto desempenho : em geral 1 MIPS/Clock

ADC com at 2Msps e DAC com at 1Msps


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Justificativa de escolha Finalidade : Controle

Largura de barramento da arquitetura: 8bits @ $4,50

Freqncia de operao: Fmax = 20MHz

Desempenho: 20MIPS

Arquitetura: RISC


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Justificativa de escolha Funcionalidades do microcontrolador:

Perifricos

Tempos de escrita e apagamento da flash:Negligvel neste caso


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Justificativa de escolha

Tamanho do armazenamento em Flash:16kbytes

rea ocupada: 10,16mm x 34,798mm

Necessidade de atendimento a normas: ROHS


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Justificativa de escolha Consumo: ativo: 9mA@16MHz@5V Power Down:

64nA@0MHz@5V

Faixa de temperatura: -40C a 85C

Ferramentas de desenvolvimento: AVRStudio 5

Linguagem C ou C++ Gratuito Depurador (emulado e on-chip) Otimizador: presente

Profiler: presente


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Caractersticas ATMEGA168ATMEGA168 PIC18F452

Conjunto de instrues RISC RISC

N de instrues 131 75

Frequncia 20MHz 40MHzDesempenho 20 MIPS 10 MIPS

Relao MIPS/MHz 1:1 1:4

FLASH 8K words (16bits) 16K words (16bits)

RAM (Bytes) 1024 1536

EEPROM 512 256

Multiplicao em HW No 8x8 bits

HW Context Saving No Sim


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Arquitetura interna ATMEGA168 No baseia-se em acumulador, mas em 32

registradores de 8 bits

Poucas instrues (RISC), executadas em 1ciclo de 1 clock (maioria)

Arquitetura Harvard Modificada

Pouca ou nenhuma memria externa


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Arquitetura interna ATMEGA168 Registradores mapeados no espao da memria RAM

Pilha de chamadas na memria RAM

Pipeline (duas operaes simultneas)

Capacidade de auto-write na memria FLASH

Serial 2-Wire capaz de at 400kbps RTC com oscilador independente

Bootloader


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Linguagem assembly Operandos flexveis: 32 work-registers

Possui 131 instrues

Conjunto RISC Reduced Complexity InstructionSet Computer

Tempo de execuo: Operaes aritmticas e controle : 1 ciclo de clock Operaes com memria: 2 ciclos de clock Operas de branching: 3 ciclos de clock


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ATMEGA168 - Pipeline

Clock

Interno

Executando XBuscando X

Executando X+1Buscando X+1

Executando X+2Buscando X+2

Pipeline

Executando XBuscando X Executando X+1Buscando X+1Normal


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Organizao de memria de programa

Interrupes

Programa

Bootloader

0x0000

0x1FFF

Interrupes

Flash de 8k words ou 16k Bytes

Bootloader com no mximo 1kByte

Vetor de interrupes realocvel

Capacidade de auto-write


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Organizao de memria de dados

32 regs. deuso geral

0x0000

0x001F

64 regs. de

I/O

1279Bytes160 regs. DeI/O estendido

SRAMinterna

1024 bytes

0x0020

0x005F

0x0060

0x00FF

0x0100

0x04FF


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Perifricos ATMEGA168ATMEGA168 PIC18F452 AT89S51

Interrupes 26 (vetoradas) 18 (no vetoradas) 6 (vetoradas)

Timer 3 4 2

Linhas de I/O 23 (DIP28) 32 (DIP40) 32 (DIP40)

Capture/Compare/PWM 6 2

Com. Serial Sincrona (MSSP) e assncrona (UART)

Com. Paralela ---- PSP - 8 bits ----

conversor A/D 10bits ----N de canais

(multiplexados)6 canais 8 canais ----

Funesespeciais

POR, BOR, WDT e ICSP ICSP e WDT


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Power Management ATMEGA168Clocks ativos Osc. Formas de Wake-up

Modo CP

U

FLA

SH

I/O

AD

C

Principal

Tim

er

Int0,

int1,

Pin

os

TIm

er1

Tim

er2

EEPROM

AD

C

WDT

Outros

Idle X X X X X X X X X X X X

ADC noisereduction

X X X X X X X X X X

Power Save X X X X X X

Standby X X X X

Power Down X X X


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InterrupesAtivao Origem ATMEGA168 PIC18F452

Internas

Timer 10 4

Parallel Slave Port 0 1

USART 3 2

MSSP 2 2Conversor A/D 1 1

Capture/Compare/PWM 2 2

EEPROM 1 1

Outras (WDT, analog) 2 1

ExternasInterrupes externas 2 3

Interrupo externa pornvel

3 1

No suporta multi-interrupo


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Entrada e sada Divididas em 3 portas PB, PC e PD

Possui 23 linhas bidirecionais.

Funes multiplexadas com os perifricos

Possui 3 linhas com capacidade de Interrupo pormudana de nvel

Fluxo de dados definido por software

Suportam at 40mA por pino


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Conversor A/D Mtodo: Aproximao sucessiva

Resoluo de 10bits

8 canais multiplexados

Possibilidade de converso durante o modo de ADC NoiseReduction

Referncia de converso interna ou externa

Fmax de sinal: 200kHz com 10bits

Converso single ended


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Gerenciamento de Reset Registrador MCUSR

Armazena a causa do ltimo reset: Reset externo WatchDog Timer expirado Power-on Reset POR Brown-out Reset - BOR


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Fluxo de desenvolvimentoAVRStudio 5

WinAVR

Avr-gcc

make

Avrdude

Desenvolvimento

Depurao

Compilao

Programao Programao viaSerial


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Programao do ATMEGA168 Transferncia de arquivo binrio para memria

interna do microcontrolador Flash RAM EEPROM Bootloader Fusveis

WDT Clock

Uso do bootloader, etc.


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Mtodos de programao doATMEGA168 Equipamentos Debuggers (tambm programam!)

AVR-ONE! AVR JTAGICE MKII AVR-Dragon

Programadores STK500 AVR-ISP MKII FLIP


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Mtodos de programao doATMEGA168 Equipamentos Vantagens

In System Programming

Integrao com o AVRStudio4

Alguns possuem Hardware Debugger

Desvantagens Custo

Pouca flexibilidade


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Mtodos de programao doATMEGA168 - Bootloader Bootloader

Utiliza a IAP In Application Programming

Permite controle da origem do arquivo binrio queser gravado na memria FLASH Serial Flash Memria externa Ethernet Bluetooth, etc.


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Mtodos de programao do

ATMEGA168 - Bootloader Vantagens

In System Programming e In Application Programming

Baixo custo

Grande flexibilidade

Desvantagens Sem Integrao com o AVRStudio5

Necessidade de elaborao de um algoritmo para

gravao


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Prxima aula Construo de firmware

Estudo dos perifricos

Kit ATMEGA168

Exerccios


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Contato

[email protected]


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Referncias Hardware

www.atmel.com http://www.avrfreaks.net/index.php?module=Freak

s%20Devices&func=displayDev&objectid=78

Software e exemplos http://winavr.sourceforge.net/ Documentao WinAvr
http://www.atmel.com/http://winavr.sourceforge.net/http://winavr.sourceforge.net/http://www.atmel.com/

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