Capítulo 1 - Introdução

Transcrição

1 Capítulo 1 - Introdução Prof. Romis Attux EA Obs: Os slides se baseiam, em parte, nos dos autores do livro-texto.

2 Sistemas Embarcados O acesso aos computadores pessoais vem crescendo de maneira vertiginosa nos últimos anos, e esse crescimento tem sido reforçado pela maior acessibilidade à internet. Os sistemas embarcados, que formam a base de nosso curso, não são o que classicamente chamamos de computadores pessoais (desktops, laptops, notebooks etc.), mas sim, computadores que estão embutidos em outros dispositivos.

3 Sistemas Embarcados Atualmente, o número de sistemas embarcados é muito maior que o número de computadores clássicos. Esses sistemas se encontram em aplicações como celulares, modems, câmeras, veículos, televisões etc. Em contraste com os computadores pessoais, que são usados para realizar múltiplas funções, os sistemas embarcados, em geral, realizam uma função única e bem definida.

4 Sistemas Embarcados O caráter acessório desses sistemas gera uma série de restrições peculiares de projeto, como: tamanho, consumo, desempenho etc. Também é comum que sistemas embarcados possuam restrições rígidas de resposta em tempo real, como no contexto de controle e segurança.

5 Exemplo Função única, baixo consumo, custo reduzido, resposta adequada etc.

6 Internet das Coisas Atualmente está em voga o conceito de internet das coisas, ou seja, de que haja uma ampla conectividade entre os aparelhos eletrônicos de uso comum. Isso certamente trará muitos desafios do ponto de vista de projeto de sistemas embarcados eficientes.

7 Métricas de Projeto Uma métrica de projeto é uma característica mensurável da implementação de um sistema embarcado. Discutiremos a seguir uma série de métricas importantes.

8 Métricas de Projeto NRE Cost: Nonrecurring engineering cost custo fixo (em dinheiro) necessário para projetar um sistema, ou seja, um custo invariante à quantidade de unidades produzidas. Custo por unidade: custo de manufatura de uma unidade (descontado o NRE). Tamanho: medido em bytes (software) ou portas / transistores (hardware). Desempenho: tempo de execução do sistema. Potência: métrica que afeta o consumo da bateria e também influi nas necessidades de resfriamento.

9 Métricas de Projeto Flexibilidade: capacidade de alterar funcionalidades do sistema sem incorrer em NRE expressivo. Time-to-Prototype (TTP): Tempo necessário para se projetar uma versão funcional do sistema, que pode ser maior que o tempo de construção na linha final, mas que serve para testar a adequação da idéia realizada. Time-to-Market (TTM): Tempo necessário até que se possa fazer o produto chegar aos consumidores. Envolve o tempo de projeto, manufatura e teste.

10 Métricas de Projeto Capacidade de manutenção: possibilidade de modificar o sistema após o lançamento, especialmente por quem não o projetou. Correção: confiança de que o sistema realizará aquilo que é a sua meta. Segurança: a probabilidade de que o sistema não causará danos.

11 Conflitos Essas métricas são tipicamente conflitantes, o que quer dizer que o projeto de um sistema embarcado é uma tarefa multiobjetivo. É preciso analisar cada situação e buscar um projeto eficiente, que priorize o que é mais relevante e que não seja dominado por um design ainda mais apropriado.

12 Conflitos - Ilustração Power Performance Size NRE cost

13 TTM O tempo até o lançamento de um produto no mercado (TTM) é uma métrica que pode ser crucial para o êxito ou o fracasso do projeto como um todo. Há janelas de oportunidade muito bem definidas, e a perda da ocasião propícia pode levar a severos prejuízos.

14 Revenues ($) Janela - TTM Time (months)

15 Revenues ($) Exemplo Simples Entrada com Atraso no Mercado Peak revenue On-time Peak revenue from delayed entry Market rise Market fall Delayed On-time entry D Delayed entry W Time 2W

16 Exemplo Simples Entrada com Atraso no Mercado Vamos supor que a subida se dê a 45 graus e que a área dos triângulos forneça o ganho financeiro associado. Para o triângulo que representa uma entrada no mercado no tempo certo, a área é W 2. O outro triângulo, que representa uma entrada com atraso D, tem área igual a 0,5*(2W D)*(W D). Fazendo uma diferença e normalizando pelo retorno do primeiro caso, obtemos uma perda percentual igual a: (D(3W D)/2W 2 )*100%

17 Exemplo Simples Entrada com Atraso no Mercado Se o tempo de vida for de 52 semanas, teremos W = 26. Se houver um atraso de 4 semanas, a perda será de 22% e, se for de 10 semanas, a perda será de 50%. Isso ilustra bem o quanto o fator tempo pode ser determinante no projeto de um sistema embarcado.

18 NRE e Custo por Unidade Vamos analisar um pouco o efeito do NRE e do custo por unidade (U). Suponhamos três casos: NRE = 2000 e U = 100, NRE = e U = 30, NRE = e U = 2. O custo total é NRE + U*(no. de unidades). A opção mais vantajosa depende, portanto, do número de unidades vendidas. As curvas a seguir ilustram isso.

19 tota l c ost (x1000) p er p rod uc t c ost NRE e Custo por Unidade $200,000 $160,000 A B C $200 $160 A B C $120,000 $120 $80,000 $80 $40,000 $40 $ Numb er of units (volume) $ Numb er of units (volume)

20 Métricas de Desempenho Construído o produto, é possível avaliá-lo de diferentes perspectivas de desempenho. Um ponto essencial é saber quanto tempo o sistema leva para desempenhar a operação para a qual foi projetado. Podemos imaginar que isso é dado diretamente por grandezas como a taxa de clock ou o número de instruções executadas por segundo, mas isso não é verdade, pois há aspectos de arquitetura que devem ser levados em conta (veremos isso no curso).

21 Métricas de Desempenho Latência ou tempo de resposta: o tempo entre o início da execução da tarefa e sua conclusão. Por exemplo, processar uma imagem pode levar 0,1 s. Vazão: Número de tarefas por unidade de tempo. É afetada pelo grau de paralelismo do sistema. Speedup: Para comparar dois sistemas, podemos analisar o fator de speedup, que é a razão entre seus desempenhos.

22 Tecnologias Discutiremos aqui três aspectos tecnológicos principais: Tecnologia dos processadores Tecnologia dos circuitos integrados Tecnologia de projeto

23 Tecnologia de Processadores Falaremos de processadores de propósito geral, processadores de propósito único e processadores específicos de uma aplicação. total = 0 for i = 1 to N loop total += M[i] end loop

24 Processadores de Propósito Geral Processadores de propósito geral embutem a idéia de programa armazenado, e são capazes de realizar uma ampla gama de tarefas dependendo do software neles executado. Para tanto, o caminho de dados (datapath) deve ser bastante geral, sendo capaz de executar diversas instruções.

25 Processadores de Propósito Geral O projeto de um sistema embarcado num sistema desse tipo muitas vezes se resume à confecção do software apropriado. Isso leva a um baixo NRE, a uma alta flexibilidade, a um custo por unidade relativamente baixo em pequenas quantidades e a uma performance expressiva se processadores adequados forem usados. No entanto, o custo por unidade pode ser alto para quantidades maiores e a performance pode não ser boa se não houver um bom casamento com as funcionalidades do processador. O tamanho e o consumo também podem ser elevados.

26 Processadores de Propósito Geral Controller Control logic and State register IR PC Datapath Register file General ALU Program memory Data memory Assembly code for: total = 0 for i =1 to

27 Processadores Específicos de uma Aplicação (ASIPs) ASIPs são variações dos processadores gerais que vimos que os tornam mais adequados à realização de determinadas tarefas. Essas tarefas podem se ligar a contextos como processamento de sinais e controle, por exemplo. No primeiro caso, podemos citar os DSPs, altamente otimizados para realizar operações ligadas a processos como filtragem ou cálculo de transformadas de Fourier.

28 ASIPs Por outro lado, temos os chamados microcontroladores, que possuem diversas facilidades para gerar sinais de controle, temporizar e atuar. Possíveis vantagens: flexibilidade com bom tamanho, consumo e desempenho. Porém, podem ter custo NRE alto e custo alto associado à geração de compiladores eficientes. Na figura a seguir, temos um esquema que mostra as peculiaridades de um ASIP.

29 ASIPs

30 Processadores de Propósito Único São basicamente circuitos lógicos projetados para realizar uma única função. As principais vantagens seriam alta performance, baixo consumo, baixo custo por unidade para altas quantidades. Por outro lado, pode haver alto custo NRE, a flexibilidade deve ser baixa, o custo pode ser alto para poucas unidades e o desempenho pode não ser equivalente ao de um processador de propósito geral em alguns casos.

31 Processadores de Propósito Único

32 Processadores de Propósito Único Note que não há uma memória propriamente a unidade de controle é fixa, como numa máquina de Turing específica. A unidade de controle é, de certa forma, uma máquina de estados que vai pulsando e gerando os sinais de controle necessários.

33 Circuitos Integrados Circuitos integrados (também chamados de chips) são dispositivos semicondutores que contêm uma enorme quantidade de transistores e outros elementos conectados. Existem vários processos para construir CIs, mas, atualmente, a tecnologia CMOS é dominante.

34 Circuito e Transistor CMOS

35 Camadas CIs são criados por camadas. A camada mais baixa é formada pelos transistores. As camadas do meio formas os componentes lógicos. As camadas superiores interligam os componentes lógicos. A criação dessas camadas envolve processos de deposição química controlados por máscaras cuidadosamente projetadas (formando um layout).

36 Customização Plena (Full Custom) Nesse caso, otimizam-se todas as camadas do circuito integrado que vai realizar o papel de sistema embarcado. Otimizações: posição dos transistores para minimizar o comprimento das conexões, direcionamento de fios etc. Feitas as otimizações, fazem-se as máscaras e elas são enviadas a um fabricante. VLSI alto custo NRE, alto tempo de construção, possivelmente uma excelente performance e um consumo pequeno. Usado só em casos em que métricas de performance e alto volume são cruciais.

37 Customização Parcial (ASIC) Quando se lida com um applicationspecific IC (ASIC), as camadas inferiores já estão total ou parcialmente construídas e se deve apenas concluir o projeto das conexões das portas. ASICs são a tecnologia mais popular, pois permitem bom desempenho e tamanho sem um custo NRE tão alto. Mas ainda exigem um tempo relativamente alto até o mercado.

38 PLD Num programmable logic device (PLD), todas as camadas já existem. Elas formam um circuito programável, ou seja, as conexões entre elementos podem ser criadas a posteriori pelo usuário. Um exemplo disso são os FPGAs (Field Programmable Gate Arrays), que podem ser programados eletronicamente via software. PLDs tem custo NRE baixo e disponibilidade temporal excelente. Por outro lado, podem ser grandes, ter um alto custo por unidade, consumir mais potência e ser mais lentos. São muito usados para prototipagem.

39 Tendências Uma tendência que vem se verificando (até certo ponto) é que o número de transistores nos chips vem dobrando, grosso modo, a cada 18 meses. Essa é a chamada lei de Moore, batizada em homenagem a Gordon Moore, da Intel, que a cunhou.

40 Tendências 10,000 1,000 Logic transistors per chip (in millions)

41 Tendências

42 Tecnologia de Projeto Tipicamente, pensa-se num esquema top-down de projeto, com várias camadas de abstração: Especificação do sistema Especificação comportamental Especificação no nível de transferência de registradores (assembly ou máquina de estados + registradores) Especificação lógica nível booleano

43 Tecnologia de Projeto Compilação / Síntese: permite ao projetista especificar a funcionalidade em alto nível e gera os detalhes de nível mais baixo automaticamente. Bibliotecas: permitem o reuso de soluções préexistentes. Podem ser muito útil se o reuso se encaixar bem no projeto. Teste e verificação: envolve garantir que a funcionalidade está correta evita tarefas de debug em níveis mais baixos e a necessidade de refazer níveis mais altos. Um exemplo são simuladores que geram formas de onda para determinado design.

44 Tecnologia de Projeto

45 Efeito - Produtividade

46 Compromissos (Trade-offs) Projeto de sistemas embarcados: encontrar um compromisso entre métricas conflitantes. O bom projetista deve ser erudito em sua área. Atualmente, o projetista de hardware, por exemplo, pode ter de trabalhar com software em diferentes níveis (na programação de um sistema FPGA ou escrevendo código para um processador de propósito geral).

47 Co-Design Hardware / Software Isso nos leva a perceber que, no fundo, encontrar o compromisso entre métricas relevantes leva a um balanço entre a escolha de hardware ou software numa etapa de projeto. O melhor dos mundos é ter um design conjunto em ambos os campos, já que a otimização multiobjetivo a realizar é complexa. Esse é o conceito de co-design hardware / software.

48 Escada do Co-Design Sequential program code (e.g., C, VHDL) Compilers (1960's,1970's) Assembly instructions Assemblers, linkers (1950's, 1960's) Machine instructions Behavioral synthesis (1990's) Register transfers RT synthesis (1980's, 1990's) Logic equations / FSM's Logic synthesis (1970's, 1980's) Logic gates Implementation Microprocessor plus program bits: software VLSI, ASIC, or PLD implementation: hardware

49 Escolhas... General, providing improved: Generalpurpose processor ASIP Singlepurpose processor Customized, providing improved: Flexibility Maintainability NRE cost Time- to-prototype Time-to-market Cost (low volume) Power efficiency Performance Size Cost (high volume) PLD Semi-custom Full-custom

50 Gap Design / Produtividade Apesar de a produtividade dos projetistas ter aumentado muito, ela não acompanha o desenvolvimento dos chips. Em 1981, um chip de primeira linha exigia 100 projetistas-mês para ser projetado, considerando-se 100 transistores / projetista mês. Em 2002, um chip de ponta exigiria projetistasmês, supondo 5000 transistores / projetista-mês. Supondo que o custo por projetista-mês seja de US$ 10000,00, isso significa que houve um salto da ordem de um milhão para trezentos milhões de dólares!

51 Gap Design / Produtividade 10, ,000 1,000 10,000 Logic transistors per chip (in millions) IC capacity Gap Productivity (K) Trans./Staff-Mo productivity

52 Mito do Projetista-Mês A situação é ainda mais complicada, pois estamos supondo que o aumento do tamanho da equipe não afete a produtividade, o que não é real. Há dificuldades de organização, comunicação etc.

53 Mito do Projetista-Mês Suponhamos um projeto de de transistores. Um projetista o completaria em /5000 = 200 meses. No entanto, 10 projetistas poderiam levar /41000 = 24,3 meses se supuséssemos que um projetista a mais reduz em 100 transistores a produtividade individual. Com 25 projetistas, teríamos 15,3 meses, mas, com 26, teríamos 15,4 meses!

54 Mito do Projetista Mês