Sistemas Embarcados: Microcontroladores Prof. Protásio Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB
Processadores Embarcados Todo sistema embarcado necessita ter incorporado um dispositivo de processamento Existe uma infinidade de processadores diferenciados por: tipos, especificações, desempenho, consumo, etc. Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 2
Processadores Embarcados O processo de escolha de um processador para um sistema embarcado é: Um tanto complexa justamente pela infinidade de processadores existentes Por depender dos requerimentos do sistema embarcado Velocidade, custo, consumo de energia, etc. Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 3
Processadores Embarcados O processo de escolha de um processador para um sistema embarcado é: Difícil, por não saber a priori o consumo de memória que o FW/SW necessitará. Antes de ter o SE plenamente entendido, é difícil saber precisamente o desempenho do processador necessário. Etc. Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 4
Processadores Embarcados Em geral, processadores para sistemas embarcados podem ser: Microprocessadores (µp) SOCs (System-on-Chip) com processador integrado (integrated processors) DSCs (Digital Signal Controller) DSPs (Digital Signal Processor) Microcontroladores (µc) Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 5
Processadores Embarcados Microprocessadores (µp) Tipicamente, são processadores que realizam tarefas de alta complexidade e que tem um conjunto mínimo de: Memória e de Dispositivos de E/S integrados. Em geral, podem ter arquiteturas: CISC ou RISC Von Neumann ou Harvard Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 6
Processadores Embarcados Microprocessadores (µp) Sistemas baseados em µp utilizam memórias e outros periféricos externos µp Memória Interface E/S Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 7
Processadores Embarcados SOCs com processador integrado (integrated processors) São circuitos integrados que contêm periféricos dedicados a uma dada aplicação e que contêm um processador integrado. Em geral, necessita de memória externa. Processadores de uso específico Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 8
Processadores Embarcados Exemplo: nrf24le1 2.4GHz RF System-on-Chip with Flash Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 9
Processadores Embarcados SOCs com processador integrado (integrated processors) Exemplos: MC68360: Integrated Communications Controller Intel EP80579 Integrated Processor Embedded, Security and/or IP Telephony applications MPC8245 PowerPC integrated processor for high-performance embedded systems. Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 10
Processadores Embarcados SOCs com processador integrado (integrated processors) Exemplos de períféricos: PCI Express Interface Universal asynchronous receiver/transmitter (UART) Memory controller DMA controller I 2 C controller Ethernet interfaces Parallel Interface Port Integrated Serial ATA (SATA) Host Controllers Dual Controller Area Network (CAN) Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 11
Processadores Embarcados DSPs (Digital Signal Processor) São processadores especialmente projetados para implementar processamento digital de sinais. Exemplo de uma função de DSP: Filtro de resposta ao impulso finita (FIR) Envolve repetidas multiplicações Sua largura de banda depende da velocidade de processamento destas operações Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 12
Processadores Embarcados DSPs (Digital Signal Processor) Exemplo: Motorola DSP56000 Facilitação para operações com tabelas de dados X,Y Multiply accumulate (MAC) operation 1 MAC por ciclo de máquina Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 13
Processadores Embarcados Microcontroladores (µc) Podem ser descritos como sistemas autocontidos contendo processador, memória e periféricos em um mesmo chip. MEMÓRIA µc Barramentos CPU Periféricos Internos Portas de E/S Pinos do CI : Dispositivos Externos Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 14
Processadores Embarcados Microcontroladores (µc) Os µcs, em geral, realizam tarefas de baixa complexidade. Sistemas baseados em µc utilizam um número mínimo de componentes externos Em geral, podem ser: CISC ou RISC Von Neumann ou Harvard Em certos casos, para o projeto de um sistema embarcado somente é necessário FW/SW. Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 15
Microcontroladores Os µcs tiveram origem com o avanço da tecnologia (maior número de transistores por chip e menor consumo): Tornando possível a integração de processadores, periféricos e memórias em um mesmo chip. O desenvolvimento de µc, essencialmente, segue o desenvolvimento de µp com uma ou mais gerações de antecedência. Ou seja, um µp atual poderá vir a ser um µc no futuro. Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 16
Transformação µp µc Exemplo 1: Processador MC6800 Após 1993, o MC6800 não é mais usado como um processador discreto É usado integrado em µc (Ex: 68HC11) Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 17
Transformação µp µc Exemplo 2: µp Z80 da Zilog Lançado na década de 70 Baseado no Intel 8080 (com um conjunto estendido de instruções) Atualmente, é um core dos microcontroladores ez80 Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 18
Comparação: Custo x Desempenho Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 19
Nível de integração com o sistema X desempenho Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 20
Microcontroladores Classificação em termos de volume de produção: Dispositivos de baixo volume de produção Dispositivos de médio volume de produção Dispositivos de alto volume de produção Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 21
Microcontroladores Dispositivos de baixo volume de produção Usados para prototipação Usam EPROM janelada ou EEPROM Custo relativo alto Pode-se modificar o FW/SW Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 22
Microcontroladores Dispositivos de médio volume de produção Usam OTP (One Time Programing ROM ou EPROM não janelada) Uma só programação de FW/SW é permitida Custo relativo médio Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 23
Microcontroladores Dispositivos de alto volume de produção O FW/SW é gravado na Foudry Usam-se, em geral, máscaras parcialmente pré-projetas Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 24
Microcontrolador MC68HC705 Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 25
Microcontrolador MC68HC705 Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 26
Microcontrolador PIC12F629 Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 27
Microcontrolador PIC16F87 Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 28
PIC24F16 Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 29
MSP430 CPU 16-bits RISC; Arquitetura de Von-Neumann: Memory data bus (MDB) e memory addres bus (MAB) comuns; Arquitetura de ultrabaixa potência Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 30
MSP430 Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 31
lm4f120h5qr Stellaris Launchpad Frequência de operação: 80 MHz Interfaces de Comunicação 8 UARTs 4 módulos SSI 4 módulos I 2 C CAN 2.0 A/B USB Suporte Analógico 12 ADCs de 12 bits. Taxa máxima: 1 milhão de amostras por segundo 2 Comparadores analógicos e 16 comparadores digitais Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 32
Tarefa Fazer um estudo comparativo entre MCU considerando: Frequência # pinos I/O digitais Memória # entradas e saída analógicas # interrupções Interfaces de comunicação(uart, I2C,SPI, etc.) Aplicações Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 33
Processadores Embarcados Abaixo seguem algumas empresas que fornecem soluções em SE: Analog devices Freescale Cypress Microchip Infineon Intel Renesas OKI Philips ST Texas instruments Xilinx Prof. Protásio / Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB 34