Electrónica dos Sistemas Embebidos. Resumo: Objectivos Programa Avaliação Bibliografia Horário Planeamento Sistemas Electrónicos Embebidos

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1 Electrónica dos Sistemas Embebidos Resumo: Objectivos Programa Avaliação Bibliografia Horário Planeamento Sistemas Electrónicos Embebidos

2 Objectivos Introduzir os sistemas electrónicos utilizados nos sistemas embebidos e nos sistemas de comunicações.

3 Programa 1 - Conversão analógico-digital e digital-analógica: Arredondamento e amostragem; Comparador Schmitt trigger; Conversores com resistências de valores múltiplos e malha R-2R; Conversores paralelo, rampa dupla e aproximações sucessivas. 2 - Filtragem: Função de transferência; Aproximações de Butterworth e Chebyshev; Filtros RLC; Filtros activos de 1ª e 2ª ordem, passa-baixo, passa-alto, passa-banda e rejeita-banda. 3 - Geração de sinais Osciladores lineares e critério de Barkhausen; Oscilador em ponte de Wien; Osciladores LC; Osciladores a cristal; Controlo de ganho e estabilização de osciladores sinusoidais; Multivibradores astáveis; O temporizador 555; VCO; PLL, Sintetizadores de frequência. 4 - Sistema de comunicações: blocos constituintes do sistema PCM. 5 - Sensores e actuadores: Características (gama, resolução; erro; precisão; linearidade; sensibilidade); Sensores de temperatura, de luz, de posicionamento, de movimento e de som; Actuadores de calor, luz, força, posicionamento e movimento, e de som; Circuitos de interface para sensores e actuadores. 6 - Sistemas embebidos: utilização de microcontroladores para actuação de LEDs, LCDs e de motores passo-a-passo.

4 Avaliação Duas componentes: 2 testes e/ou exame (23 de Abril+16 de Junho)+2ª Exame(2/7) O 2º teste na 1ª data de exame Opção por testes ao entregar o 2º teste Haverá repetição parcial dos testes. Os testes incluem toda a matéria anteriormente leccionada. Peso 70% Avaliação contínua: 6 sessões de laboratório com preenchimento de fichas e 1 projecto de sistema embebido. Peso 15% 6 Fichas nas aulas teóricas de sextas-feira nas semanas coincidentes com os Labs: peso 15% Nota mínima de 10 em cada componente Na Aval. contínua e na média dos testes ou exame

5 Bibliografia Embedded Microcomputer Systems, 3rd edition, Jonathan W. Valvano, 2012, Cengage Learning Electrical & Electronic Systems, Neil Storey, 2004, Prentice Hall Analog Electronics: Circuits, Systems and Signal Processing, David Crecraft, Stephen Gergely, 2002, Elsevier Microelectronic Circuits, 5th edition, Sedra & Smith, 2004, Saunders College Publishing

6 Plataformas de Desenvolvimento para Sistemas Embebidos MPLAB IDE V8.89 (V8.92-última versão) + Compilador de C MPLAB XC 16(Free)+PICKIT3+ Placa FST com o microcontrolador 30f6012A Aplicações para Sistemas Embebidos com microcontroladores PIC e dspic da Microchip ISE WebPACK Design Software+Placa de desenvolvimento com a FPGA XC2S300e-6pq208 Síntese ( compilação ) de sistemas electrónicos/digitais a partir de projectos descritos em linguagem HDL (Verilog) tendo como alvo chip de lógica programável (FPGA) ISE Design Tools>Version 10.1 (Obter previamente V10.1 Registration ID)

7 Horário Horário de dúvidas: 4ª e 6ª depois dos labs ou depois das 14h nas semanas de aulas práticas 5ª às 14h nas semanas de fichas

8 Práticas e Lab.

9 O que são os sistemas embebidos Computadores existem por todo o lado Pensamos logo em PC s Laptops Mainframes Servers Mas existem outras formas de computação mais básica

10 Exemplos- sistemas embebidos

11 Exemplo de Sistema Embebido- Camara Digital CCD Digital camera chip A2D CCD preprocessor Pixel coprocessor D2A lens JPEG codec Microcontroller Multiplier/Accum DMA controller Display ctrl Memory controller ISA bus interface UART LCD ctrl

12 Características Principais dos Sistemas Embebidos Funcionamento simples Executam um programa simples repetidamente Com as constrições respeitantes a uma métrica: Baixo custo, baixas potência, dimensões Reactividade e tempo real Reagem( sensores/actuadores) a mudanças do meio envolvente Executam tarefas computacionais em tempo real e sem atrasos.

13 As 3 tecnologias básicas dos sistemas embebidos/perspectiva Unificada Tecnologia A maneira de levar a cabo uma tarefa usando processos, métodos ou conhecimentos técnicos. 3 tecnologias chave para os sistemas embebidos Tecnologia dos processadores Tecnologia de projecto Tecnologia dos circuitos integrados (IC)

14 Tecnologia dos processadors Processadores variam conforme as aplicações total = 0 for i = 1 to N total += M[i] end Processador genérico processador específico numa gama de aplicações (DSP) Processador dedicado

15 Processadores genéricos Dispositivo usado para uma variedade de aplicações- micropocessadores Características Programa em memória Circuito de dados com grandes ficheiros de registos e ALU genérica Pentium os mais conhecidos mas há centenas de outros Controller Control logic and State register IR PC Program memory Assembly code for: total = 0 for i =1 to Datapath Register file General ALU Data memory

16 Processadores Específicos-DSP Processador optimizado para um conjunto particular de operações (dsp) Compromisso entre sistema geral e sistema dedicado Características Tem memória de programa datapath com algumas tarefas de processamento optmizadas Unidades com funções especiais Vantagens Alguma flexibilidade, rapidez, dimensões e consumo Controller Control logic and State register IR Program memory PC Assembly code for: total = 0 for i =1 to Datapath Registers Custom ALU Data memory

17 Processadores dedicados Circuito digital é construído para executar exactamente o programa Exemplos coprocessoadores e periféricos Características Contem unicamente os componentes necessários à execução do programa Não há programa em memória Controller Control logic State register Datapath index total + Data memory

18 Tecnologias de projecto de sistemas O modo como se converte o nosso conceito duma funcionalidade numa implementação Compilation/ Synthesis Libraries/ IP Test/ Verification Compilation/Synthesis: Automates exploration and insertion of implementation details for lower level. System specification System synthesis Hw/Sw/ OS Model simulat./ checkers Libraries/IP: Incorporates predesigned implementation from lower abstraction level into higher level. Behavioral specification RT specification Behavior synthesis RT synthesis Cores RT components Hw-Sw cosimulators HDL simulators Test/Verification: Ensures correct functionality at each level, thus reducing costly iterations between levels. Logic specification Logic synthesis Gates/ Cells Gate simulators To final implementation

19 Tecnologias de Co-Projecto No passado: Hardware and software eram tecnologias de projecto muito diferentes A maturação recente do processo de síntese activou um ponto de vista unificado Hardware/software coprojecto Compilers (1960's,1970's) Assembly instructions Assemblers, linkers (1950's, 1960's) Machine instructions Microprocessor plus program bits: software Sequential program code (e.g., C, VHDL) Implementation Behavioral synthesis (1990's) Register transfers RT synthesis (1980's, 1990's) Logic equations / FSM's Logic synthesis (1970's, 1980's) Logic gates VLSI, ASIC, or PLD implementation: hardware The choice of hardware versus software for a particular function is simply a tradeoff among various design metrics, like performance, power, size, cost, and especially flexibility; there is no fundamental difference between what hardware or software can implement.

20 Tecnologia dos circuitos integrados O modo como os circuitos digitais são implementados no IC IC: circuito integrado, ou chip as tecnologias diferem na forma como se adequam ao projecto Os circuitos são constituídos por numerosas camadas (10 ou mais) e diferem nos método de fabrico IC package IC source gate oxide channel drain Silicon substrate

21 Tecnologia dos circuitos integrados 3 tipos de tecnologias de IC Completamente dedicada/vlsi Semi-dedicada ASIC (gate array) PLD /FPGA(Programmable Logic Device)

22 Independência de tecnologia face ao tipo de micropocessadores

23 Tecnologia dedicada/vlsi (Full-Custom) Todas as camada são optimizadas para a implementação dum sistema particular Colocação dos transistores Dimensões dos transistores Routing de ligações Vantagens Excelente performance,baixa dimensão e consumo Desvantagem: custo de projecto e período longo de entrada em mercado

24 Tecnologia semi-dedicada Algumas camadas estão completas ou parcialmente construídas. Aos projectistas é deixado o routing e a acivação de alguns blocos. Vantagens Boa performance, baixas dimensões e menor custo de trabalho de Desvantagens Ainda requer bastante tempo para o desenvolvimento.

25 Tecnologia das PLD Todas as camadas ja existem Os projectistas compram o integrado As conexões são criadas ou destruídas para implementar uma funcionalidade Field-Programmable Gate Array (FPGA) é popular Vantagens:Menor trabalho de projecto, disponibilização quase imediata do sistema Desvatagens: dimensão, preço/unidade, elevado consumo, rapidez

26 Evolução nos chips electrónicos Moore's Law: in 1965, Intel co-founder Gordon Moore predicted that the number of transistors on a chip will double about every two years.

27 Ilustração gráfica da lei de Moore ,000 transistors 150,000,000 transistors Leading edge chip in 1981 Leading edge chip in 2002 Um chip de 2002 poderia albergar chips de 1982

28 O problema da produtividade em projecto electrónico-i Ainda que a produtividade tenha subido a um ritmo impressionante não consegue acompanhar o ritmo de crescimento da capacidade dos chips 10, ,000 1,000 10,000 Logic transistors per chip (in millions) IC capacity Gap Productivity (K) Trans./Staff-Mo productivity

29 O problema da produtividade em projecto electrónico-ii Um chip de fronteira requeria100 meses de projecto 10,000 transistors / 100 transistors/month 2002 Um chip de fronteira requere meses de projecto 150,000,000 / 5000 transistors/month O custo passou de $1M to $300M Logic transistors per chip (in millions) 10,000 1, IC capacity productivity Gap 100,000 10, Productivity (K) Trans./Staff-Mo.