Faculdade de Informática Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul Semana Acadêmica da Informática Porto Alegre, 9 a 13 de Junho de 2003 Sistemas.

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1 Faculdade de Informática Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul Semana Acadêmica da Informática Porto Alegre, 9 a 13 de Junho de 2003 Sistemas Computacionais Dedicados: O Que? Onde? Como? Quando? Por Que? Moderador: Eduardo Bezerra Painelistas:Eduardo Todt Fabiano Hessel Fernando Moraes Leandro Becker Ney Calazans http://www.inf.pucrs.br/~eduardob/semana2003.html

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3 All computing systems on Earth are embedded systems… Sistemas embarcados estão em toda parte: carros, avioes, telefones, aparelhos de som, áudio e vídeo, eletrodomésticos em geral, celulares, … Por exemplo, a BMW série 7 possui 63 processadores embarcados. O Pentium da Intel (e similares) domina o mercado de desktops pois esses computadores são utilizados em aplicações bem semelhantes. No caso dos computadores dedicados, um sistema de controle de injeção eletrônica, por exemplo, possui requisitos bastante diferentes de um pager.

4 As vendas dos microprocessadores Pentium da Intel representam apenas cerca de 2% do mercado de processadores:

5 A grande diversidade de aplicações justifica a grande variedade de processadores para sistemas embarcados existentes.

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7 Em resumo: Existe muito mais demanda e inovação na área de sistemas embarcados do que na área de computadores pessoais. Com o aumento da complexidade das aplicações, aumenta também a complexidade dos projetos de sistemas embarcados -> Novas metodologias de projeto. A seguir os painelistas irão apresentar e discutir diferentes visões do processo de projeto de sistemas embarcados.

8 Prof. Leandro Buss Becker Doutor em Ciência da Computação (PPGC-UFRGS, 2003) Professor da FACIN http://www.inf.pucrs.br/~lbecker Modelagem UML

9 Vantagens da UML Descrição em alto-nível de sistemas computacionais dedicados Inicialmente permite concentrar nos requisitos do sistema, evitando detalhes de implementação –Visa a construção de modelos

10 Escopo da UML Funcionalidades: o que o sistema faz –Diagrama de Use Cases –Diagrama de Colaboração –Diagrama de Interação Comportamento: eventos que provocam reações por parte do sistema –Diagramas de Transição de Estados –Diagrama de Atividades Restrições: características que devem ser respeitadas –Requisitos temporais –Requisitos de desempenho (qualidade de serviço - QoS) Estrutura: detalhes sobre a organização da aplicação –Diagrama de Classes

11 Escopo da UML Ferramentas CASE auxiliam na migração do modelo para a arquitetura alvo: –Decisões para implementação de módulos em hw/sw –Geração automática de código –Configuração da infra-estrutura de apoio (e.g. Sistema Operacional Tempo Real – SOTR)

12 UML: Processamento baseado em Modelos UML Model Processor Delivered System Projetista Cliente Vendedor de ferramentas

13 Prof. Fabiano Hessel Doutor em Ciência da Computação (TIMA, França, 2000) Professor da FACIN e do PPGCC http://www.inf.pucrs.br/~hessel System-C

14 SoC é um sistema Multicore Adaptado de F. Schirrmeister (Cadence Design Systems Inc.) 1970s1980s1990s O próximo nível de abstração no espaço arquitetura/comunicação abstract cluster abstract cluster RTL Transistor ( =RC) Modelo a nível de porta 1/0/X/U ( ns) Modelo RTL data[1011011] (critical path latency) 2000s2010+ SoC Multicore utilizando componentes de HW/SW virtuais Componentes de HW/SW provêem/requisitam serviços de comunicação (QoS) abstract cluster on-chip communication Network Comm.interc. SW HW SW tasks OS MPU Comm. int. SW tasks OS MPU Comm. int. SW tasks SW adaptation MPU core HW adaptation IPs OS/drivers SW Tasks CPU cluster IPs HW adaptation Plataforma em volta de uma CPU SW chama rotinas do OS para enviar um Frame i para DCT IP (bus priority) abstract SW HW

15 Complexidade Arquitetura funcional Arquitetura HW/SW Micro-Arquitetura IP Comm. control Rede de Comunicação Abstrata F1 F4 F2 F5 F3 SWHW CPU Rede de Comunicação Física IP HW SW OS F1,F4 Interface HW Interface F1 F2 F3 F5 F4 50k SLDL - Protocolos Abstratos - Arquitetura Funcional 200k VHDL ou C ou SystemC OS Abstrato & Comunicação Hw 6M Synt RTL ou C Exec Ciclo de clock 200M Gates/Instr x 4 x 30

16 Prof. Fernando Gehm Moraes Doutor em Microeletrônica (LIRMM, França, 1994) Professor da FACIN e do PPGCC http://www.inf.pucrs.br/~moraes Vida Real

17 ASIC Application Specific Integrated Circuit Projeto de sistemas computacionais Ontem: –Projeto de blocos de média complexidade –Basicamente organização e arquitetura de computadores Hoje: –Projetos de alta complexidade –Reuso de propriedade intelectual –Inclusão de multi-processamento, redes de comunicação, sistemas operacionais embarcados SoC System on a Chip

18 Tecnologia e Produtividade Gap de produtividade: –Capacidade de projeto é inferior à quantidade de recursos disponibilizados pela tecnologia produtividade (K)transistor/staff month Transistor/CI Transistor/staff month +58%/ano - taxa de crescimento de complexidade +21%/ano - taxa de crescimento de produtividade 818385878991939597990103050709 10.000 1.000 100 10 1 0.1 0.01 0.001 100.000 10.000 1.000 100 10 1 0.1 0.01 anos Complexidade (M) transistor/CI

19 Plataformas de Desenvolvimento DSP MPEG2 PCI PCI-X CONTROLADOR USB2.0 CPU Microprocessador SOFTWARE TEST (BIST) Teste integrado ao sistema REUSO Conexão de módulos de propriedade intelectual ROM Flash RAM1 RAM2 RAM3 Lógica Reconfigurável HARDWARE Desenvolvimento conjunto de software (C/C++) e hardware (VHDL) BRIDGE Utilização de diferentes esquemas de interconexão

20 Exemplo de plataformas de desenvolvimento Altera ExcaliburAltera Excalibur –ambiente de desenvolvimento contendo processador, lógica programável, memória embarcada processador firm core: NIOSprocessador firm core: NIOS processador hard core: ARMprocessador hard core: ARM barramento de comunicação: AVALON / AMBAbarramento de comunicação: AVALON / AMBA –disponibilidade de compra de núcleos –CAD para desenvolvimento de sw/hw disponível Xilinx EmpowerXilinx Empower –semelhante ao ambiente Altera processado firm core: MICROBLAZEprocessado firm core: MICROBLAZE processador hard core: POWERPCprocessador hard core: POWERPC barramento de comunicação: CORECONNECT (IBM)barramento de comunicação: CORECONNECT (IBM)

21 Altera Dispositivo EPXA10 Processador ARM 922T RISC 32 bits 200MHz 256Kbytes de RAM - porta simples 128Kbytes de RAM - dupla porta 1M de portas lógicas - para implementar Hw 1000+ pinos de E/S

22 Prof. Ney Laert Vilar Calazans Doutor em Microeletrônica (DICE-UCL, Bélgica, 1993) Professor da FACIN e do PPGCC http://www.inf.pucrs.br/~calazans

23 Análise de sistemas computacionais Uma visão da validação de projetos Proposta de classificação de atividades de análise de sistemas digitais

24 O que é Emulação?

25 Comparação - Classes de tarefas de análise

26 Exemplo de plataformas de desenvolvimento Projeto de sistema computacional complexo –Chip VLSI com centenas de milhões de transistores –Vários processadores dentro de um único chip –Dezenas de módulos se comunicando internamente –Conectividade externa com diversas fontes: USB Rede Ethernet, Wireless, etc Multimídia –Equipe de 300-400 pessoas envolvidas no projeto (e.g. Pentium IV) –Tempo para fazer o projeto – 6 meses (Senão, alguém faz antes!!) Validação –Simulação - em baixos níveis de abstração (C+VHDL) inviável –Verificação Formal – Ainda inviável p/ sistemas de grande porte –De cada 10 pessoas envolvidas – 3 em projeto, 7 em validação

27 Evolução de Conceitos: time-to-market e assimilação de produtos tecnológicos

28 Prof. Eduardo Todt Doutor em Automação (Barcelona, Espanha, 2003) Professor da FACIN http://www.inf.pucrs.br/~todt Desafios em ambientes industriais ou O que está além do componente programável

29 Grande problema: ruídos elétricos Geração, acoplamento, recepção –Chaveamento de circuitos –Impedâncias parasitas –Crosstalk –Raios Ruídos propagados por linhas de sinal e de alimentação Ruídos induzidos: EMI e RFI ESD Normas

30 Outro problema: reflexões de sinais

31 Problemas de estabilidade Variações com temperatura –Correntes e tensões –Velocidades de propagação/resposta Variações com o envelhecimento dos componentes Variância de parâmetros de componentes

32 Questões Como modelar tudo isto em alto nível? HDLs? Linguagem para hardware ou hardware a partir de linguagem? Aspectos de física, circuitos elétricos, componentes Um profissional de TI quer fazer isto? Seria o melhor a parceria de projetistas de hw e de sw?