1 Saulo O. D. Luiz Arquiteturas de Hardware para sistemas embarcados Sistemas embarcados Período 2010.2.

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1 1 Saulo O. D. Luiz Arquiteturas de Hardware para sistemas embarcados Sistemas embarcados Período 2010.2

2 2 Saulo O. D. Luiz Roteiro Sistemas embarcados Processadores de propósito geral Microcontroladores Hardware embarcado Processador Memória Dispositivos de entrada e saída Coprocessadores Arquiteturas multicore –Exemplo: plataforma OMAP (ARM e DSP)

3 3 Saulo O. D. Luiz Definição Sistema embarcado é um dispositivo que possui um processador mas não é um computador de propósito geral

4 4 Saulo O. D. Luiz Exemplos Controle automotivo: –motor, freios … Aviões –motor, controles de vôo … Forno de microondas Câmera digital Telefone celular Internet tablet PDA...

5 5 Saulo O. D. Luiz Processadores de propósito geral Um sistema construído com um microprocessador requer memória, entradas e saídas externas

6 6 Saulo O. D. Luiz Microcontroladores Um microcontrolador possui processador, memória, dispositivos de entrada e saída e outros elementos num único chip

7 7 Saulo O. D. Luiz Exemplos Forno de microondas Controle remoto da TV Câmera digital CD player...

8 8 Saulo O. D. Luiz 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

9 9 Saulo O. D. Luiz Exemplo de aplicação Sistema de controle de temperatura de um forno Fonte: D. Ibrahim, PICBASIC Projects. Newnes, 2006c

10 10 Saulo O. D. Luiz Exemplo de aplicação Fonte: D. Ibrahim, PICBASIC Projects. Newnes, 2006

11 11 Saulo O. D. Luiz Exemplo de aplicação Fonte: D. Ibrahim, PICBASIC Projects. Newnes, 2006

12 12 Saulo O. D. Luiz Qual a arquitetura de hardware necessária para atender os requisitos das aplicações típicas de Sistemas embarcados?

13 13 Saulo O. D. Luiz 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

14 14 Saulo O. D. Luiz Memória A memória armazena dados e instruções A CPU obtem instruções a partir da memória Arquiteturas: –von Neumann –Harvard

15 15 Saulo O. D. Luiz Arquitetura von Neumann

16 16 Saulo O. D. Luiz Arquitetura Harvard

17 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

18 18 Saulo O. D. Luiz Dispositivos de entrada e saída Tipicamente incluem algum componente não digital Interface com a CPU:

19 19 Saulo O. D. Luiz 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

20 20 Saulo O. D. Luiz Como esses recursos de hardware estão organizados num sistema embarcado real?

21 21 Saulo O. D. Luiz 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 22 Saulo O. D. Luiz

23 23 Saulo O. D. Luiz Plataforma OMAP – Dispositivos Archos PMA400 Nokia 770 HP Ipaq 6300 Palm Tungsten E Nokia N800

24 24 Saulo O. D. Luiz Plataforma OMAP Kits de desenvolvimento OMAP OSK OMAP 1611 Kit de desenvolvimento usando os OMAP 591x

25 25 Saulo O. D. Luiz 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 –...

26 26 Saulo O. D. Luiz 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

27 27 Saulo O. D. Luiz Subsistema ARM926TEJ Máxima frequência: 204 MHz 16KB I-cache; 8KB D-cache Aceleração Java suporte para conjuntos de instruções de 32-bit e 16-bit (thumb mode) MMUs de dados e programa

28 28 Saulo O. D. Luiz 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

29 29 Saulo O. D. Luiz 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

30 30 Saulo O. D. Luiz 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

31 31 Saulo O. D. Luiz Depuração de aplicações em: –ARM –DSP –JTAG (Joint Test Action Group) –Padrão IEEE 1149.1 (Standard Test Access Port and Boundary-Scan Architecture) JTAG

32 32 Saulo O. D. Luiz Cross-Compilação PC Scratchbox ARM926 Scratchbox: –toolkit de cross-compilação para targets ARM e PowerPC

33 33 Saulo O. D. Luiz 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 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 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 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.

37 37 Saulo O. D. Luiz Comunicação entre os processadores DSP Gateway

38 38 Saulo O. D. Luiz Exemplo de uso do DSP Gateway DSP Gateway processo 1 open() returna completo close() returna ARM DSP close() Desativar tarefa Tarefa no DSP excluída dinamicamente write() Entrada de comando de dados/controle write() returna read() read() returna Saída de dados Tarefa executando Device driver DSP kernelAplicação LinuxAplicação DSP open() ativar tarefa no DSP Tarefa no DSP criada dinamicamente