Sistemas Embarcados:

Transcrição

1 Sistemas Embarcados: Microcontroladores Prof. Protásio Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB

2 Norma Técnica (Standard) De acordo com o INMETRO (Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia), uma norma técnica é: um documento aprovado por uma instituição reconhecida, que prevê, para um uso comum e repetitivo, REGRAS, DIRETRIZES ou CARACTERÍSTICAS para os produtos ou processos e métodos de produção conexos, e cuja observância não é obrigatória. Também pode incluir prescrições em matéria de terminologia, símbolos, embalagem, marcação ou etiquetagem aplicáveis a um produto, processo ou método de produção, ou tratar exclusivamente delas.

3 Standard Em ciência e tecnologia, a palavra inglesa standard é utilizada com pelo menos dois significados diferentes: Como um regulamento técnico (RT) ou uma norma técnica (NT) a grande diferença entre RT e NT reside na obrigatoriedade de aplicação do primeiro. Como um padrão de medição.

4 Norma Técnica (Standard) Existem vários tipos de standard. Exemplos: Technical standard. A standard that describes the characteristics of applying accumulated technical or management skills and methods in the reation of a product or performing a service. Component standard. A standard that describes the characteristics of data or program components. Description standard. A standard that describes the characteristics of product information or procedures provided to help understand, test, install, operate, or maintain the product. Design standard. A standard that describes the characteristics of a design or a design description of data or program components. Measurement standard. A standard that describes the characteristics of evaluating a process of product. Method standard. A standard that describes the characteristics of the orderly process or procedure used in the engineering of a product or performing a service.

5 Standards em Sistemas Embarcados Considere o modelo arquitetural abaixo. Camada de Aplicativos Camada de Software de Sistema Camada de Hardware Este é geral para todos os SE.

6 Standards em Sistemas Embarcados Standards podem definir as funcionalidades que são específicas para cada camada do modelo de sistema embarcado. Os Standards podem ser classificados em: Específicos de mercado De propósito geral Ou estarem em ambas as categorias.

7 Standards em Sistemas Embarcados Standards específicos de mercado Relativos a um particular grupo de sistema embarcados relacionados e que compartilham características e técnicas similares ao usuário final. Exemplos: Bens eletrônicos de consumo (Consumer Electronics) TVs, jogos, aparelhos domésticos (microondas, lavadoras de roupa, etc.), etc. Equipamentos médicos Equipamentos de controle e automação industrial Equipamentos de rede e de comunicação Indústria automotiva Indústria aeroespacial e de defesa Automação de escritório

8 Standards em Sistemas Embarcados Standards de propósito geral Exemplos: Padrões de redes HTTP (Hypertext Transfer Protocol) TCP (Transmission Control Protocol)/IP (Internet Protocol) IEEE (Institute of Electronics and Electrical Engineers) Ethernet Padrão de Local Area Networks (LANs) Bluetooth J2ME (Java 2 Micro Edition).NET Compact Framework HTML (Hyper Text Markup Language)

9 Standards e Linguagens de Programação Não há uma linguagem de programação que seja perfeita para todos os sistemas embarcados. De acordo com o padrão da linguagem de programação escolhida, pode-se introduzir mudança na arquitetura do sistema embarcado. Por exemplo: se for JAVA, deve coexistir um componente adicional, o JVM (Java Virtual Machine). Também é possível usar mais de uma linguagem de programação Por exemplo, assembly inline em um programa em C Ademais, existem linguagem com vários padrões, por exemplo, C, C++.

10 Standards e Linguagens de Programação Evolução das Linguagens de Programação

11 Standards e Linguagens de Programação A linguagem de máquina é a única que o hardware pode executar diretamente, assim: São usados mecanismos para gerar códigos de máquina a partir de outras linguagem. Esses mecanismos podem ser: Pré-processamento Etapa opcional realizada antes da tradução ou interpretação. É uma etapa de organização de códigos fontes. Tradução Mecanismo que traduz uma linguagem de um nível maior em outra de nível menor. A compilação é um tipo de tradução. Interpretação Mecanismo em que um programa em uma linguagem de baixo nível é utilizado para interpretar instruções de uma outra linguagem em nível maior. Exemplo: BASIC.

12 Standards e Linguagens de Programação Pré-processamento É uma etapa opcional e inicial dos processos de tradução e de interpretação a fim de facilitar estes processos. Exemplo: em C ou C++, o pré-processamento é que realiza o processamento de macros (fragmentos de códigos) #define MAX(a,b) (a > b)? a : b

13 Standards e Linguagens de Programação Compilação É a etapa de geração de código, a partir de uma dada linguagem, para uma linguagem alvo específica de mais baixo nível. Em geral, o resultado da compilação é um código objeto (*.o em C ou C++, é um código padronizado em um formato anterior ao código de máquina) ou bytecode (.class em JAVA).

14 Standards e Linguagens de Programação Linkagem É a etapa de geração de código de máquina a partir de um código objeto considerando outros códigos ou bibliotecas necessárias. O resultado da linkagem é o arquivo executável a ser transferido para o sistema embarcado. Bibliotecas

15 Standards e Linguagens de Programação Fluxo de compilação e linkagem em C

16 Exemplos de linguagem de programação que afetam a arquitetura do Sistema Embarcado Relembrando: Compilação: traduz o código fonte de uma vez só. Interpretação: gera (interpreta) código(s) de máquina para cada linha de código fonte por vez. Source L1 Source L2 Source L3 Source L4 Source L5 Target Code for Source L1 Target Code for Source L2 Target Code for Source L3 Source L6

17 Exemplos de linguagem de programação que afetam a arquitetura do Sistema Embarcado Linguagem de programação interpretadas Um subclasse das linguagem de programação Interpretadas são as linguagens de script: Exemplos: PHP, Perl, Python, JavaScript, HTML, Linguagens de script são de alto nível e com características avançadas, tais como: Independência de plataforma Resolução do tipo de dado realizada on-the-fly Geração de código em tempo de execução e executado imediatamente Prototipação rápida Em geral, usam APIs (Application Programming Interface) Uma API é um conjunto de comandos ou padrões de programação (biblioteca) para acesso (em alto nível, ou seja, sem envolvimento com detalhes de implementação) às funcionalidades de uma dado ambiente de software ou aplicativo.

18 Exemplos de linguagem de programação que afetam a arquitetura do Sistema Embarcado SCRIPT Um script é uma listagem sequencial de eventos. Um evento pode ser: Chamada de um comando Chamada de uma função Uma configuração, etc. S ee e e n O uso de script facilita a reexecução de rotinas. Exemplo: um arquivo bath (do DOS ou do Linux) é um script.

19 Exemplos de linguagem de programação que afetam a arquitetura do Sistema Embarcado O uso de linguagem de scripts adiciona um componente na arquitetura do Sistema Embarcado: o INTERPRETADOR. O interpretador é um componente de software que processa scripts (linhas de código fonte) on-the-fly. Camada de Aplicativos Interpretador Camada de Software de Sistema Camada de Hardware

20 Exemplos de linguagem de programação que afetam a arquitetura do Sistema Embarcado Exemplo de interpretadores: Arquitetura de um sistema embarcado com a camada de aplicação contendo um browser e interpretadores Interpretador JavaScript e HTTP

21 Exemplos de linguagem de programação que afetam a arquitetura do Sistema Embarcado Todas linguagens de script são interpretadas Mas nem toda linguagem interpretada são de script. Exemplo: Linguagem JAVA Incorpora compilação e interpretação

22 Exemplos de linguagem de programação que afetam a arquitetura do Sistema Embarcado Linguagem JAVA Esquema de compilação na máquina host O bytecode java é o código alvo e é independente de plataforma.

23 Exemplos de linguagem de programação que afetam a arquitetura do Sistema Embarcado Linguagem JAVA Na máquina-alvo (o sistema embarcado), o bytecode java é executado em uma JVM. JVM pode estar em qualquer camada da arquitetura do sistema embarcado Camada de Aplicação Camada de Aplicação Camada de Aplicação Camada de Software de sistema Camada de Software de sistema Java Virtual Machine Java Device Drivers Java Virtual Machine Camada de Software de sistema Processador Java Camada de Hardware Camada de Hardware Camada de Hardware JVM in Hardware, i.e, ARM s Gazelle, Ajile s aj100 JVM part of System layer, i.e., Skelmir s Cee-J, Esmertec/Insignia s Jeode and Jbed, Tao s Intent, Kava s KavaVM JVM complied in application, i.e., Esmertec s Jbed, Kava KavaVM, IBM s J9

24 Exemplos de linguagem de programação que afetam a arquitetura do Sistema Embarcado Linguagem JAVA Uma JVM tem impacto o projeto de sistemas embarcados em: Tamanho Velocidade, e Funcionalidade. Uma JVM contém primariamente: As classes integradas ao JVM Máquina de execução (execution engine) que executa o código java

25 Exemplos de linguagem de programação que afetam a arquitetura do Sistema Embarcado Componentes de uma JVM Classes integradas ao JVM Máquina de execução

26 Exemplos de linguagem de programação que afetam a arquitetura do Sistema Embarcado Componentes de uma JVM Classes integradas ao JVM São bibliotecas compiladas de byte code e são comumente denominadas de JAVA APIs Java APIs permitem ao programador executar funções do sistema e reuso de código Aplicativos em Java requerem o uso de Java API classes juntamente com seu próprio código. As APIs diferem de acordo com a aplicação e podem incluir: Gerenciamento de memória, Suporte de rede Suporte gráfico, etc.

27 Exemplos de linguagem de programação que afetam a arquitetura do Sistema Embarcado Componentes de uma JVM Classes integradas ao JVM Exemplos de APIs para dois padrões de java embarcado pjava JVM APIs (Personal Java)

28 Exemplos de linguagem de programação que afetam a arquitetura do Sistema Embarcado Componentes de uma JVM Classes integradas ao JVM Exemplos de APIs para dois padrões de java embarcado J2ME (Java 2 Micro Edition) J2ME JVM (User Interface)

29 Exemplos de linguagem de programação que afetam a arquitetura do Sistema Embarcado Componentes de uma JVM Padrões de java embarcado

30 Exemplos de linguagem de programação que afetam a arquitetura do Sistema Embarcado Componentes de uma JVM Máquina de execução (Execution Machine) Em geral, é composta de: Colletor de Lixo (garbage collector, GC) Desalocar memória não necessária Unidade de processamento de byte code Interpreta o byte code em código de máquina.

31 Exemplos de linguagem de programação que afetam a arquitetura do Sistema Embarcado.NET Compact Framework É uma proposta de Microsoft que permite aplicativos escritos em C#, Visual Basic e JavaScript serem executados em dispositivos embarcados. O código fonte nessas linguagens são convertidos em uma linguagem intermediária independente de plataforma: MSIL (Microsoft Intermediate Language)

32 Exemplos de linguagem de programação que afetam a arquitetura do Sistema Embarcado.NET Compact Framework

33 Rede Uma rede é um conjunto de máquinas autônomas e interconectadas. Sistema embarcado em rede Em certas aplicações, um sistema embarcado precisa se comunicar com um outro sistema (máquina host, um servidor, outro sistema embarcado, etc.) Para isso, então é preciso ter um esquema de rede. Para a comunicação é preciso: Sistema de interconexão comum entre os dispositivos Protocolo de rede para interoperabilidade. Padrões são extremamente importante. Por que?

34 A princípio, o projetista de sistemas embarcados deve conhecer: A distância entre os dispositivos O meio físico a ser utilizado Arquitetura geral da rede

35 As redes podem ser: Homogênea se todos as máquinas por ela interconectadas são idênticas. Caso contrário, heterogênea. Redes heterogêneas demandam padronização: Em nível de hardware (tensões, frequências, etc.) Em nível de software (por exemplo, representação de dados e formatação de mensagens).

36 Distância entre os dispositivos Em geral, as redes podem ser: Redes Locais (LAN: Local Area Network) (< 100 m) Interconectam máquinas que estão nas proximidades uma das outras. Por exemplo: no mesmo prédio, na mesma sala, etc. Tipicamente, par trançado metálico é empregado como meio físico. Redes de Campus (CAN: Campus Area Network) (<10 km) Interconectam máquinas em nível de campus (fábrica, universidade, etc.). Tipicamente são compostas de várias LANs interligadas por uma rede de alto desempenho (backbone) baseada em fibra óptica. Redes Metropolitanas (MAN: Metropolitan Area Network) (5-100 km) Interconectam máquinas e LANs em nível regional Redes de Longa Distância (WAN: Wide Area Network) Interconectam máquinas e/ou LANs que estão distribuídos em uma grande área geográfica (em nível nacional, continental, ou até mundial (como a Internet).

37 Meio físico Em geral, os meios físicos podem ser classificados como: Guiados O sinal é guiado através de um caminho físico com fronteiras bem definidas. Exemplos: fios ou cabos condutores Não-Guiados O sinal não é guiado através de um caminho físico com fronteiras bem definidas, mas sim em meios como o vácuo, ar ou água.

38 Meio físico Uma outra forma de classificar os meios físicos, pode ser em: Wired Baseado no uso de fios ou cabos condutores Wireless Baseado em comunicação sem uso de fios ou cabos condutores.

39 Parâmetros importantes que diferenciam os meios de comunicação Tipo de dado: analógico ou digital Capacidade de dados o meio pode transportar Largura de banda: taxa de dados em bits por segundo. Latência: quantidade de tempo gasto para que um dado vá da origem ao destino. Velocidade em que o meio transporta dados da origem ao destino

40 Parâmetros importantes que diferenciam os meios de comunicação Distância máxima Exemplos: Meios sem perda: não há perda de energia por unidade de distância Meios com perda: não há perda de energia por unidade de distância Exemplo: em sistema wireless, existe a perda de propagação em que a potência do sinal cai com o quadrado da distância percorrida. Suscetibilidade a interferências externas Eletromagnetic Interference (EMI), Radio Frequency Interference (RFI), condições climáticas, etc.

41 Tipos padrões de meio físico Par trançado Cabo coaxial Fibra óptica Microondas Rádiodifusão Infravermelho

42 Arquitetura geral de rede Fornece a relação entre os dispositivos conectados pela rede. As arquitetura mais comuns são: Ponto-a-ponto Cliente-Servidor Híbrida

43 Arquitetura ponto-a-ponto Não há controle centralizado na rede. Cada dispositivo na rede gerencia seus próprios recursos e requisitos. Usualmente são implementadas em LAN São mais simples de serem implementadas

44 Arquitetura cliente-servidor Há um dispositivo centralizado de controle na rede, denominado de servidor. Os outros dispositivos são denominados de clientes. Em geral, clientes contêm poucos recursos e utilizam recursos do servidor. São utilizadas tanto para LAN quanto para WAN

45 Arquitetura de redes de difusão (broadcast) Todas as máquinas compartilham uma mesma linha de transmissão. Mensagens/pacotes enviados por uma máquina são recebidas por todas as demais. Se o endereço de destino contido na mensagem for diferente do endereço da máquina que a recebeu, a mensagem é descartada Barramento Radiodifusão via satélite Anel

46 Arquitetura de rede X topologia de rede A topologia de rede se refere ao arranjo físico entre os dispositivos conectados no qual é determinado pela: Arquitetura da rede Meio de comunicação (wired X wireless) Distância entre os dispositivos

47 Exemplos de topologias de rede Árvore Malha Barramento Estrela Anel Malha Completa

48 Interconexão de sistemas É necessário ter um padrão para que máquinas diferentes se comuniquem em uma rede heterogênea. Questões: Camada de aplicativos Como um aplicativo envia uma mensagem a uma outra máquina? Como um aplicativo comunica essa mensagem até o meio físico através de sua arquitetura? Essa comunicação deve atender a algum procedimento (protocolo, codificação, aspectos físicos: tensão, frequência,...) em todas as máquinas? Máquina 1 Máquina 2 Máquina 3 Máquina N Camada de sistema Camada de Hardware Meio Físico...

49 Modelo OSI (Open Systems Interconnection) É um modelo aberto de interconexão de dispositivos em rede. Foi criado em 1980 pelo ISO (International Organization for Standardization) Normaliza a interconexão em sete camadas de rede: Camada física Camada de enlace de dados Camada de rede Camada de transporte Camada de seção Camada de apresentação Camada de aplicação

50 Modelo OSI (Open Systems Interconnection) Máquina 1 Máquina 2 Aplicação Protocolo da camada de aplicação Aplicação Apresentação Protocolo da camada de apresentação Apresentação Interface entre camadas Seção Transporte Protocolo da camada de seção Protocolo da camada de transporte Seção Transporte Rede Protocolo da camada de rede Rede Enlace Protocolo da camada de enlace Enlace Física Protocolo da camada física Física Meio Físico

51 Modelo OSI (Open Systems Interconnection) Distribuição das camadas na arquitetura da máquina Application Layer Presentation Layer Session Layer Application Software Layer Transport Layer Network Layer System Software Layer Data-Link Layer Physical Layer Hardware Layer

52 Modelo OSI (Open Systems Interconnection) O modelo OSI contempla a transferência de dados entre camadas e entre máquinas. Exemplo Suponha que um dado na camada de aplicativo será enviado à camada de aplicativo de um outro dispositivo Na descida, cada camada acrescenta um nova informação de controle (header) Na subida, é o contrário.

53 Modelo OSI (Open Systems Interconnection) Camada física Responsável pela geração dos sinais elétricos, ópticos ou eletromagnéticos que serão propagados pelo meio físico. Os protocolos nesta camada especificam: níveis de tensão, duração, técnicas de multiplexação, pinagem, etc.

54 Modelo OSI (Open Systems Interconnection) Exemplos de protocolos de camada física

55 Modelo OSI (Open Systems Interconnection) Camada de enlace de dados A camada de enlace utiliza a camada física para a transmissão de quadros de dados (DataLink Frames). Quadros de dados: conjunto de bytes delimitados por sequências préestabelecidas de bits. A camada de enlace: Envia/recebe quadros de dados e aguarda/envia o respectivo quadro de reconhecimento de recepção. Verifica se todos os quadros de dados foram recebidos. Verifica a ocorrência de erros. Se sim, envia novamente o quadro. Verifica o endereço de origem do quadro. Verifica se o quadro recebido é para o dispositivo. Controla o fluxo de dados: ordem de chegada, taxa de recepção, etc.

56 Modelo OSI (Open Systems Interconnection) Camada de enlace de dados Se o quadro recebido é para o dispositivo, retira o cabeçalho correspondente à camada de enlace de dados. Os bits ou frames restantes são denominados de datagram que é enviado para a camada superior seguinte.

57 Modelo OSI (Open Systems Interconnection) Camada de enlace de dados

58 Modelo OSI (Open Systems Interconnection) Camada de rede Nesta camada, as redes podem ser subdivididas em subredes. A camada de rede controla a operação dessas subredes. Uma de suas funções é o roteamento de pacotes da máquina de origem à máquina de destino. O roteamento pode apresentar características dinâmicas (mudança de rotas de acordo com o trafego em certos roteadores) ou estáticas (usando sempre a mesma rota entre duas máquinas). Máquinas em uma mesma subrede se comunicar através de seus endereços físicos. Máquinas em subredes diferentes se comunicar através de um endereço adicional, denominado de endereço de rede.

59 Modelo OSI Camada de rede Se o dado for para o dispositivo: É retirado o cabeçalho da camada de rede Os campos de dados restantes é denominado de pacote (packet). O pacote é passado para a camada de transporte.

60 Modelo OSI Exemplos de protocolos de camada de rede

61 Modelo OSI Camada de transporte É a primeira a estabelecem especificamente a comunicação máquina-a-máquina. As camadas anteriores (física, de enlace e de rede) são empregadas na comunicação roteador-roteador, roteador-máquina, máquinamáquina. Os protocolos da camada de transporte são responsáveis por: Particionar os dados da camada superior (camada de seção) em unidades menores Assegurar confiabilidade garantindo que: Os pacotes sejam recebidos e transmitidos na ordem correta. Sejam transmitidos em taxa razoável

62 Modelo OSI Camada de transporte Ao receber um pacote, a camada de transporte retira o cabeçalho da camada de transporte. Os dados restantes são denominados de messagem e são passados para a camada superior.

63 Modelo OSI Camada de transporte Exemplos de protocolos

64 Modelo OSI Camada de seção Uma seção é a conexão entre dois aplicativos executados em máquinas diferentes a fim de organizar e sincronizar a troca de informação. Os protocolos da camada de seção: Estabelecem seções definindo regras de diálogo entre os dois aplicativos. Separam e gerenciam os dados de cada seção Regulam o fluxo de dados de cada seção Assegura que os aplicativos envolvidos nas seções são os corretos.

65 Modelo OSI Camada de seção Ao receber uma mensagem, a camada de seção retira o cabeçalho da camada de seção. Os dados restantes são passados para a camada superior.

66 Modelo OSI Camada de seção Exemplos de protocolos

67 Modelo OSI Camada de apresentação Protocolos nesta camada são responsáveis por: Converter dados em formato genéricos para que possam ser transmitidos. Compressão/descompressão de dados Criptografia/descriptografia de dados Conversão de caracteres Exemplo: Quando um float é transmitido, o mesmo é convertido para uma representação padronizada, enviado através da rede, e reconvertido na representação adotada pela máquina de destino.

68 Modelo OSI Camada de apresentação A camada de apresentação retira o cabeçalho da camada de apresentação. Os dados restantes (mensagem) são passados para a camada superior.

69 Modelo OSI Camada de apresentação Exemplos de protocolos

70 Modelo OSI Camada de aplicação Nesta camada é iniciada a conexão de rede por um dispositivo para um outro dispositivo. Protocolos na camada de aplicação são usados diretamente como aplicativos de rede. Esses aplicativos de rede é que virtualmente conectam a outros aplicativos executados em outros dispositivos.

71 Modelo OSI Camada de aplicação Exemplos de protocolos

72 Tarefa Como podem ser classificados os padrões utilizados em sistemas embarcados? Nomeie e defina 4 grupos de padrões de mercados específicos. Dê 3 exemplos de padrões de cada grupo. Nomeie e defina 4 grupos de padrões de propósito geral. Dê 3 exemplos de padrões de cada grupo. Qual a diferença entre uma linguagem de alto nível de uma de baixo nível? Dê exemplo de cada uma. Um compilador pode ser localizado em: a) Na máquina alvo. b) Na máquina host. c) Na máquina alvo e/ou na máquina host. d) Nenhuma acima Qual a diferença entre compilador cruzada de um compilador? Qual a diferença entre compilador e de um montador (assembler)? O que é um interpretador? Dê dois exemplos de linguagem interpretada Qual a diferença entre LAN, CAN, MAN e WAN? Quais os tipos de meios de transmissão que podem conectar dispositivos? O que é o modelo OSI? Quais são as camadas do modelo OSI? Dê exemplo de dois protocolos em cada camada do modelo OSI.