Agenda. ! Visão Geral sobre Sistemas Embarcados. ! Proposta de um Currículo em Sistemas Embarcados! Estudos de Casos. ! Conclusão

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1 Agenda 1! Visão Geral sobre Sistemas Embarcados! Disciplinas da UFPE! Disciplinas da UFSC! Proposta de um Currículo em Sistemas Embarcados! Estudos de Casos! Conversor de cores RGB para YCrCb! Desenvolvimento de um testbench em SW para testar um módulo de HW descrito em VHDL! Novos Experimentos! Conclusão

2 Sistemas Embarcados 2! Computadores invisíveis em dispositivos usados diariamente, por exemplo, leitor de música, telefone celular, carros, trens, equipamentos médicos, etc.! Um sistema de computador para fins especiais de sistemas embarcados, que faz parte de um sistema maior! Em breve, o número de dispositivos será maior do que o de seres humanos no planeta! 40 bilhões de dispositivos em 2020! 99% de processadores são utilizados em sistemas embarcados! 4 bilhões de processadores embarcados vendidos no ano passado! 70 bilhões do mercado global em 2013, crescimento de 10-15% em 2014

3 o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o Sistemas Embarcados Estão em Toda Parte Nossa vida diária depende de sistemas embarcados 3

4 Do banheiro... 4 Produto: Sonicare Plus toothbrush. Microprocessador: 8-bit Zilog Z8.

5 Até Marte... 5! Produto: NASA's Mars Sojourner Rover! Microprocessador: 8-bit Intel 80C85

6 Características dos Sistemas Embarcados 6! Uma função! Dedicado a executar uma única função! Funcionalidade complexa! Muitas vezes precisa executar um ou mais algoritmos sofisticados! Telefone celular, impressora laser! Restrições! Baixo custo, baixo consumo de energia, pequeno, rápido, etc.! Tempo real e reativo! Continuamente reage a mudanças no ambiente do sistema! Deve calcular resultados em tempo real, sem atraso! Sistemas críticos! Não deve pôr em perigo vidas humanas e do meio ambiente

7 Agenda 7! Visão Geral sobre Sistemas Embarcados! Disciplinas da UFPE! Disciplinas da UFSC! Proposta de um Currículo em Sistemas Embarcados! Estudos de Casos! Conversor de cores RGB para YCrCb! Desenvolvimento de um testbench em SW para testar um módulo de HW descrito em VHDL! Novos Experimentos! Conclusão

8 Universidade Federal de Pernambuco (UFPE) 8! Fundada em 1962! 3 Campi! 128 cursos de pós-graduação! 69 Mestrados Acadêmicos,! 10 Mestrados Profissionais! 49 Doutorados! Cursos de excelência (6 ou 7)! Física! Ciência da Computação! Química! 99 cursos de graduação! Aproximadamente estudantes

9 Centro de Informática 9! Fundado em 1971! 85 professores! Curso de pós- graduação desde 1974! Áreas de pesquisa! Engenharia de Software! Banco de Dados!...! Sistemas Embarcados! Sistemas de Comunicação! Aprox dissertações de mestrado e 294 teses de doutorado

10 Engenharia da Computação 10 Comunicações Controle Computação hardware software

11 Engenharia da Computação! Curso de graduação de 5 anos, diurno.! Estrutura Semestral das Disciplinas.! Formação Profissional Básica:! Disciplinas básicas e profissionais.! Formação Especializada:! Disciplinas profissionais específicas.! Formação Complementar:! Disciplinas de formação complementar ou outras atividades.

12 Graduação em Engenharia da Computação no Centro de Informática da UFPE (CIn/ UFPE) Formação Profissional Básica: disciplinas obrigatórias que compõem a formação comum a todos os alunos 65% do total Formação Especializada: disciplinas eletivas com formação específica em áreas de conhecimento 30% do total Formação Complementar: disciplinas fora do programa do curso, de outros centros, e atividades credenciadas 5% do total

13 EC no CIn Disciplinas Obrigatórias Matemática Física Computação Controle Comunicações

14 Cálculo 1 Álgebra Vetorial e Linear para Computação Introdução à Programação (120h) Introdução à Computação(45h) Matemática Discreta para Computação Física 1 Cálculo 2 Sistemas Digitais Algoritmos e Estruturas de Dados Lógica para Computação Física 2 Cálculo 3 Infra-Estrutura de Hardware Infra-Estrutura de Software Informática e Sociedade Física Experimental 1 3 Física Métodos Numéricos Computacionais Matemática Interface Hardware-Software Gerenciamento de Dados e Informação Probabilidade e Estatística Circuitos Sinais e Sistemas Infra-Estrutura de Comunicação Paradigmas de Linguagens Computacionais História e Futuro da Computação (45) Dispositivos Semicondutores Eletromagnetismo Inglês para Computação Informática Teórica Engenharia de Software e Sistemas Eletrônica Princípios de Comunicação Servomecanismo Teoria e Implementação de Linguagens Sistemas Inteligentes Metodologia e Expressão Técnico-Científica Comunicações Projeto de Hardware-Software-Comunicação Computação Trabalho de Graduação (150h) Estágio (300h) Controle Disciplinas Eletivas (900h)

15 Melhorando Ensino de Programação. Para Engenheiros da Computação.! Implementação das funcionalidades dos sistemas embarcados! Implementação da comunicação entre equipamentos

16 Aprendendo Programação de um modo diferente.! Desenvolvimento de pequenos sistemas que interagem ou controlam o ambiente! Comportamento do sistema implementado através de um programa (software)! Utilização do Arduino

17 Engenharia da Computação! Formação Básica Exatas:! Matemática! Física Computação:! Hardware! Software! Comunicações Engenharia:! Eletrônica! Telecomunicações! Controle! Formação Especializada Controle e Automação Processamento de Sinais Comunicações em Computadores Segurança de Sistemas Sistemas Embarcados Sistemas Inteligentes

18 Sistemas Embarcados 18! Disciplina: Engenharia de Sistemas Embarcados! Aprox. 30 estudantes por semestre! Projeto de sistemas embarcados, Implementação em Software! Disciplina: Prototipação de Sistemas Digitais! Aprox. 30 alunos! Projeto de módulos de hardware com prototipação em FPGA! Disciplina: Projeto de Sistemas Embarcados! Aprox. 20 estudantes por semestre! Assembly, 8051, ARM7, desenvolvimento de hardware em FPGA

19 Agenda 19! Visão Geral sobre Sistemas Embarcados! Disciplinas da UFPE! Disciplinas da UFSC! Proposta de um Currículo em Sistemas Embarcados! Estudos de Casos! Conversor de cores RGB para YCrCb! Desenvolvimento de um testbench em SW para testar um módulo de HW descrito em VHDL! Novos Experimentos! Conclusão

20 Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) 20! Fundada em 1962! CAPES 6 ou 7 (Nível de Excelência)! Química! Engenharia Mecânica! Engenharia Elétrica! Farmacologia! Direito! 56 cursos de pós-graduação! 3882 nível de mestrado! 2360 nível de doutorado! 83 cursos de graduação! Aproximadamente estudantes

21 Departamento de Engenharia Elétrica e Eletrônica 21! Fundado em 1966! 52 professores! Curso de pós-graduação desde 1971! Áreas de pesquisa! Circuitos e sistemas integrados! Comunicações e processamento de sinais! Eletrônica de potência! Engenharia biomédica! Sistemas de energia! Aprox dissertações de mestrado e 324 teses de doutorado

22 Atividades de Ensino 22! Disciplina: Sistemas Embarcados! Aprox. 30 estudantes por semestre! Projeto de sistemas embarcados, SystemC, Verificação! Disciplina: Microprocessadores! Aprox. 50 estudantes por semestre! Assembly, 8051, ARM7

23 Agenda 23! Visão Geral sobre Sistemas Embarcados! Disciplinas da UFPE! Disciplinas da UFSC! Proposta de um Currículo em Sistemas Embarcados! Estudos de Casos! Conversor de cores RGB para YCrCb! Desenvolvimento de um testbench em SW para testar um módulo de HW descrito em VHDL! Novos Experimentos! Conclusão

24 Currículo em Sistemas Embarcados 24 1 Projeto Linguagem SystemC 2 3 Projeto baseado Verificação em plataforma Simulação Intel-Altera (DE2i-150) 4 Desenvolvi mento de projetos Electronic Design Automation Formal Semiformal Barramento PCIe Co-projeto de HW e SW Estudos de casos

25 Labs. Utilizando a Plataforma Intel-Altera 25 1 e 2 Intel-Altera (DE2i-150) 3 Estudo de caso 4 e 5 Projeto do HW 6 Integração HW e SW Barramento PCIe RGB -> YCrCb Ponto-fixo Análise dos resultados Qsys & SDK Gprof Somadores Multiplicado res

26 Material Desenvolvido 26

27 Agenda 27! Visão Geral sobre Sistemas Embarcados! Disciplinas da UFPE! Disciplinas da UFSC! Proposta de um Currículo em Sistemas Embarcados! Estudos de Casos! Conversor de cores RGB para YCrCb! Desenvolvido um testbench em SW para testar um módulo de HW descrito em VHDL! Conclusão

28 Aulas 1 e 2 28! Conhecer a estrutura interna do kit DE2i-150! Conhecer o processador Atom da Intel e a FPGA Cyclone IV! Conhecer o barramento PCIe! Executar demos! Control_Panel para explorar o funcionamento dos componentes da FPGA! PCIe_Fundamental para estabelecer a comunicação entre o processador Atom e a FPGA

29 Arquitetura do kit DE2i

30 Arquitetura do kit DE2i

31 Arquitetura do kit DE2i Processador FPGA

32 Barramento PCIe 32! PCIe framework OS (Yocto) embarcado no Atom - PCI express system será implementado na FPGA utilizando o software Qsys Builder da Altera. - PCI express software development kit (SDK) será implementado no processador.

33 Aula 3 33! Aula 3: Introdução do estudo de caso! Apresentação do estudo de caso! Explicar o funcionamento teórico da conversão RGB -> YCrCb -> Limiarizado! Executar o programa Gprof e analisar o custo computacional de cada função do programa e determinar quais devem ser implementadas em hardware

34 YCrCb 34! Y é o componente de luminância e CB e CR são as componentes de croma.! A crominância refere-se ao valor das cores, enquanto a luminância refere-se às luzes, i.e., branco e preto! Y'CbCr não é um espaço de cor absoluto, ao contrário, é uma forma de codificação de informações RGB

35 Apresentação do Estudo de Caso 35! Descrição geral Vídeo Cores RGB (Red / Green / Blue) Software da conversão de cor (Linguagem C) Vídeo Limiarizado Cor Preto e Branco

36 Apresentação do Estudo de Caso 36! Funções principais do software Frames do vídeo Cores RGB (Red / Green / Blue) Software da conversão de cor (Linguagem C) Vídeo (frames) Limiarizado Cor Preto e Branco Conversão de RGB -> YCrCb Limiarizado

37 Conversão da Cor RGB -> YCrCb 37 R G B Conversão de RGB -> YCrCb Y Cr Cb Limiarizado Black White Y = 0.299*R *G *B Cr = (R - Y)* Cb = (B - Y)*

38 Limiarização 38 R G B Conversão de RGB -> YCrCb Y Cr Cb Limiarizado Black White Y Cr Cb 50<Y 115<Cr<180 85<Cb<135 Yes Black No White

39 Software para Conversão de Cor (Linguagem C) 39 Início Ler imagem readppm(const char *filename) Salvar a imagem resultante writeppm(const char *filename, PPMImage *img) Converter: RGB -> YCrCb converteycrcb(ppmimage *img) Todas as imagens foram processadas? Não Limiarização limiarizacaoycrcb(ppmimage *img) Fim Sim

40 Software Gprof 40! Resultados de desempenho do software, executado em PC.

41 Função com Maior Custo Computacional 41 Inicio Ler imagem readppm(const char *filename) Salvar a imagem resultante writeppm(const char *filename, PPMImage *img) Converter: RGB -> YCrCb converteycrcb(ppmimage *img) Limiarização limiarizacaoycrcb(ppmimage *img) Todas as imagens foram processadas? Fim Não Função a ser projetada Sim em Hardware

42 Aulas 4 e 5 42! Aula 4 e 5: Hardware conversor YCrCb! Explicar a representação em ponto fixo e a multiplicação! Implementação do multiplicador em VHDL/ SystemVerilog! Simular seu funcionamento no ModelSim! Estrutura do somador subtrator em ponto fixo

43 Arquitetura da Função converteycrcb em Hardware 43 Y = 0.299*R *G *B Cr = 0.713*R *Y Cb = 0.564*B *Y

44 Aula 6 44! Aula 6: Integração dos módulos de hardware e software! Criar projeto no Qsys com os componentes necessários! Modificar o código em C adicionando as funções de acesso ao PCIe e substituindo a função em C pela versão implementada em hardware! Execução do exemplo na placa! Análise de resultados

45 Resumo do Estudo de Caso (1/4) 45! Diagrama de blocos Frames do vídeo Cores RGB (Red / Green / Blue) SW / HW da conversão de cor (Linguagem C) Vídeo (frames) Limiarizado Cor Preto e Branco Conversão de RGB -> YCrCb Limiarizado Função implementada em Hardware (FPGA)

46 Resumo do Estudo de Caso (2/4) 46 Início Ler imagem readppm(const char *filename) Salvar a imagem resultante writeppm(const char *filename, PPMImage *img) Conversão: RGB -> YCrCb Todas as imagens foram processadas? Não Limiarização limiarizacaoycrcb(ppmimage *img) Fim Sim SW executado no Atom HW executado Na FPGA

47 Resumo do Estudo de Caso (3/4) 47 PCI express software development kit (SDK) Barramento PCIe PCI express system Qsys Builder da Altera Processador Atom Executa o software conversor de cor FPGA Cyclone IV É implementado o hardware para executar a função RGB -> YCrCb

48 Descrição da arquitetura (1/2) 48! Arquitetura do conversor ponto fixo em VHDL converteycrcb R cte G cte cte B m1: fpmul m2: fpmul m3: fpmul a1: fpadd a2: fpadd cte cte cte m4: fpmul m5: fpmul m6: fpmul cte cte a3: fpadd a4: fpadd a5: fpadd a6: fpadd c1: FxP2FtP c2: FxP2FtP c3: FxP2FtP Y Cr Cb rgb cte m7: fpmul

49 Descrição da Arquitetura (2/2) 49! Topo do sistema topconverteycrcb PCIE_PERST_N PCIE_REFCLK_P PCIE_RX_P CLOCK_50 de2i_150_qsys.qsys pcie_ip_pcie_rstn_export pcie_ip_refclk_export pcie_ip_rx_in_rx_datain_0 clk_clk rgb(23:0) pcie_ip_tx_out_tx_dataout_0 y(31:0) cr(31:0) cb(31:0) PCIE_TX_P converteycrcb y(31:0) rgb(23:0) cr(31:0) cb(31:0)

50 Componente de2i_150_qsys.qsys no Qsys 50 Nome Endereço

51 Software Conversor de Cor (user application) 51 app.c Código da aplicação implementada. Aqui são utilizadas as funções, definidas no PCIE.c, para acessar ao barramento PCIE. - PCI express software development kit (SDK) será implementado no processador..

52 Funções para Acessar o Barramento PCIe (1/5) 52 Início Ler imagem readppm(const char *filename) Salvar a imagem resultante writeppm(const char *filename, PPMImage *img) Conversão: RGB -> YCrCb Todas as imagens foram processadas? Não Limiarização limiarizacaoycrcb(ppmimage *img) Fim Sim

53 Funções para Acessar o Barramento PCIe (2/5) 53 Início PCIE_Load( ) PCIE_Open(0,0,0) Ler imagem readppm(const char *filename) PCIE_Write32(pixelRGB) Salvar a imagem resultante writeppm(const char *filename, PPMImage *img) Conversão RCB -> YCrCb Hardware (FPGA) PCIE_Read32( Y ) PCIE_Read32(Cr) PCIE_Read32(Cb) Todas as imagens foram processadas? Sim PCIE_Close( ) PCIE_Unload( ) Não Limiarização limiarizacaoycrcb(ppmimage *img) Fim

54 Funções para Acessar o Barramento PCIe (3/5) 54 #include<stdio.h> #include<stdlib.h> #include <string.h> #include "PCIE.h #define DEMO_PCIE_USER_BAR PCIE_BAR0 #define ESCRITA 0x00 #define YLER 0x20 #define CRLER 0x40 #define CBLER 0x60 int main(){ int j; char nomearquivoin[] char nomearquivoout[] char nomearquivoycbcr[] PPMImage *image;// PPMImage 'e uma estrutura PPMImage *imageycrcb; PPMImage *imagelimiar; = "./videoinppm/exemplocamera_0x.ppm"; = "./videooutppm/exemplocamera_0x.ppm"; = "./videoycbcr/exemplocamera_0x.ppm"; // Variaveis do PCIE void *lib_handle; //ponteiro PCIE_HANDLE hpcie; //typedef int PCIE_HANDLE // Carregando o driver do PCIE lib_handle = PCIE_Load(); if (!lib_handle){ printf("pcie_load failed!\r\n"); return 0; } // Abrindo o PCIE hpcie = PCIE_Open(0,0,0); Esses endereços devem corresponder com os endereços atribuídos no Qsys ESCRITA = endereço do RGB YLER = endereço do Y CRLER = endereço do Cr CBLER = endereço do Cb

55 Funções para Acessar o Barramento PCIe (4/5) 55 if (!hpcie){ printf("pcie_open failed\r\n"); }else{ for(j=49;j<55;j++){//48=0, 49=1, 50=2,..., 57=9 nomearquivoin[28] = j; image = readppm(nomearquivoin); } } imageycrcb = converteycrcb(image, hpcie,j); nomearquivoycbcr[28] = j; writeppm(nomearquivoycbcr,imageycrcb); imagelimiar = limiarizacaoycrcb(imageycrcb); nomearquivoout[29] = j; writeppm(nomearquivoout,imagelimiar); PCIE_Close(hPCIE); printf("x = %d y=%d\n",image->x,image->y); printf("...final\n"); } // Unload PCIE PCIE_Unload(lib_handle); return 0;

56 Funções para Acessar o Barramento PCIe (5/5) 56 static PPMImage *converteycrcb(ppmimage *img, PCIE_HANDLE hpcie, int j) {... for(i=0;i<img->x*img->y;i++) {... bpass = PCIE_Write32(hPCIE, DEMO_PCIE_USER_BAR, ESCRITA,(DWORD)Mask); bpass = PCIE_Read32(hPCIE, DEMO_PCIE_USER_BAR, YLER,&reciever); if(bpass){ Y = (unsigned char)(*(float*)&reciever); } Trabalho de aula... } } } return img;... fclose(fileout_hw_pfixo);

57 Resultados 57! Frames originais do vídeo

58 Resultados 58! Software: RGB -> YCrCb

59 Resultados 59! Hardware: RGB -> YCrCb

60 Resultados 60! Erro quadrático dos resultados em SW e HW eq = (result_sw result_hw)^2

61 Resultados Gprof 61! Hardware (ponto fixo)! Software

62 Agenda 62! Visão geral sobre Sistemas Embarcados! Disciplinas da UFPE! Disciplinas da UFSC! Proposta de um Currículo em Sistemas Embarcados! Estudos de Caso! Conversor de cores RGB para YCrCb! Desenvolvido um testbench em software para testar um módulo somador descrito em VHDL! Novos Experimentos! Conclusão

63 Projeto Final 63! Descrição funcional: Deve-se desenvolver um testbench em software para testar um módulo somador (sem sinal e sem detecção de overflow) descrito em VHDL.! Devem ser gerados 1000 vetores de teste. Cada par de argumentos (Arg1 e Arg2 em 32 bits) deve ser enviado para o modulo somador (em HW) via PCIe.! Os vetores devem somados e o resultado (Resp em 32 bits) deve ser retornado para o testbench via PCIe.! Os resultados devem ser exibidos no console e gravados em um arquivo texto. The image cannot be displayed. Your computer may not have enough memory to open the image, or the image may have been corrupted. Restart your computer, and then open the file again. If the red x still appears, you may have to delete the image and then insert it again.

64 Novos Experimentos: Interface Hardware-Software 64! Desenvolvimento de sistemas controlados pelo FPGA! Desenvolvimento de módulo para FPGA! Desenvolvimento de driver para comunicação com módulo via PCI! Integração Hardware e Software

65 Novos Experimentos: Interface Hardware-Software 65

66 Experimentos: Interface Hardware-Software 66

67 Interface Hardware-Software Snake Game 67

68 Interface Hardware-Software Snake Game 68! Vídeo

69 Agenda 69! Visão geral sobre Sistemas Embarcados! Disciplinas da UFPE! Disciplinas da UFSC! Proposta de um Currículo em Sistemas Embarcados! Estudos de Caso! Conversor de cores RGB para YCrCb! Desenvolvimento de um testbench em software para testar um módulo somador descrito em VHDL! Conclusão

70 Conclusão 70! Viabilidade de desenvolver projetos complexos de Sistemas Embarcados (HW-SW) com o kit Intel-Altera DE2i-150! Disciplinas estão sendo atualizadas! Material desenvolvido estará disponível em breve! Desenvolvimento de novos experimentos introdutórios para a placa DE2i-150

71 Conclusão 71

72 Conclusão 72

73 Obrigado! 73