Introducción a los Sistemas Embebidos

Ing. José Juárez

Circuitos Digitales y

Microcontroladores

2015

Introducción a los Sistemas

Embebidos Definición de Sistema Embebido*: Es el nombre genérico que reciben los equipos electrónicos que

incluyen un procesamiento de datos, pero que a diferencia de una PC,

están diseñados para satisfacer una función específica, como en el

caso de un reloj, un reproductor de MP3, componentes de un sistema

de control de un automóvil, de un satélite o de una planta nuclear, un

teléfono celular, un router wifi.

Es un sistema electrónico que está contenido (“embebido”) dentro de

un equipo completo que incluye además, por ejemplo, partes

mecánicas y electromecánicas.

*SASE: SIMPOSIO ARGENTINO DE SISTEMAS EMBEBIDOS

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Introducción a los Sistemas

Embebidos El cerebro de un sistema embebido es típicamente un

microprocesador, aunque también pueden ser un DSP, una FPGA, un microcontrolador o un ASIC, y su diseño está optimizado para reducir su tamaño, consumo y costo, y maximizar su confiabilidad y desempeño.

El diseño de sistemas embebidos es un motor clave de la industria y del desarrollo tecnológico, y es un campo que en los últimos años ha crecido notablemente en la Argentina. Ya vamos a hablar de la CIAA y EDU-CIAA…

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Diferentes Aplicaciones

Audio & video

Automotriz

Conectividad

HMI

UI: LCD,Touch sense

Energía Inteligente

Medicina

Control Industrial

Electrónica de consumo

Aeroespacial

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Diferentes Aplicaciones

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Proceso de Diseño de un SE

Según la filosofía de diseño TOP-DOWN el desarrollo de un SE puede seguir el siguiente ciclo:

Análisis->Diseño->Implementación->Ensayos->Mantenimiento

Fase de análisis:

Requerimientos: parámetros que el sistema DEBE satisfacer. Ej: el sistema debe ser autónomo y caber en un bolsillo

Especificaciones: los requerimientos llevan a obtener especificaciones técnicas detalladas. Ej: Dimensiones exactas del producto y duración promedio de la batería, error máx aceptado, etc.

Restricciones: Limitaciones con las cuales el diseñador debe manejarse. Ej: Costo, Seguridad, compatibilidad con otros sistemas, tiempo de desarrollo…

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Proceso de Diseño de un SE

Fase de análisis: Algunos ítems a considerar:

Peso y tamaño

Consumo: energía necesaria para operar el sistema

Confiabilidad del dispositivo (Tiempo medio de falla)

Seguridad: riesgos ambientales y/o personas

Costos de ingeniería no recurrente: costo del desarrollo única vez

Costos por unidad: el costo para fabricar una unidad más

Tiempo de prototipado

Tiempo de puesta en mercado

Factores humanos: grado de apreciación del consumidor

Marco Legal: licencias, normas, permisos, impuestos

Compatibilidad: con estándares existentes

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Proceso de Diseño de un SE

Fase de diseño:

Diseño de alto nivel:

Modelización matemática del problema

Construcción de un modelo conceptual del sistema

Estimación del tiempo-costo

Descomposición del sistema en componentes:

Hardware – Software

H: Diseño en diagramas de bloques, esquemas.

S: Diagramas UML, de flujo, diagrama de estados.

Fijación de criterios de ensayo y mantenimiento

Revisión preliminar del diseño (PDR)

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Proceso de Diseño de un SE

Fase de diseño:

Diseño de bajo nivel: Optimización del modelo, diseño de algoritmos, Simulación

Elección de la plataforma de hardware (uP, uC, DSP, FPGA, PLC, PC)

Construcción de prototipos y/o maquetas

Diseño de firmware, software

Descomposición del sistema en módulos

Descomposición en capas: Drivers, SO,

Aplicación de usuario

Revisión critica del diseño (CDR)

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Proceso de Diseño de un SE

Fase de Implementación: Desarrollo del hardware: esquemáticos, PCB, armado

Mecánica:

*Imágenes proyecto CIAA

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Proceso de Diseño de un SE

Fase de Implementación: Desarrollo de firmware: implementación de módulos,

funciones, drivers, etc.

Compilación y depuración en Circuito

Generación de documentación

Esta etapa puede ser iterativa con las otras

Pueden trabajar simultáneamente varias personas de un equipo si se dividen correctamente las tareas

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Proceso de Diseño de un SE

Fase de Ensayos: Validación de todas las funciones del sistema

Medición de parámetros: exactitud, estabilidad, tiempo de respuesta, etc.

Medición de Performance global: utilización de recursos, memoria, velocidad, consumo

¿Cumple con los requerimientos y especificaciones?

Revisión del producto y su documentación

Conformidad del cliente

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Proceso de Diseño de un SE

Fase de Mantenimiento:

Actualización de firmware

Depuración de errores “BUGS”

Adaptación a nuevos requerimientos

Agregar código para adicionar nuevas prestaciones

Migración a otro hardware

La misma implementación en un hardware mas veloz,

de menor consumo, etc.

Modificación de la mecánica

Adaptación para otros ambientes de operación

Todas las fases requieren de documentación!!!

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Componentes de un SE

Componentes de Hardware:

Microprocesador, Microcontrolador

FPGA, ASIC

Memorias

Periféricos

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Componentes de un SE

Componentes de Software:

Manejadores de dispositivos (Device Drivers)

Funciones a nivel de placa, stack de protocolos

Planificación y ejecución de tareas en tiempo real

Aplicaciones de usuario

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Componentes de Hardware

MPU o MCU?

P(MPU): Unidad de procesamiento de propósito general, gran

capacidad de computo, 16, 32 y 64 bits, FPU, sin periféricos

integrados, con expansión de buses, múltiples núcleos.

C (MCU): Sistema de procesamiento completo, destinados a

aplicaciones específicas, moderada capacidad, 8, 16, 32 bits,

punto fijo, con periféricos integrados en el mismo chip.

En la actualidad esta diferencia se hace cada vez menos

notoria en la gama de arquitecturas de 32bits

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Otras tecnologías

DSP: Digital Signal Processor

16,32 bits, FPU +Op Math + periféricos

Procesamiento de señales de Audio, video, comunicaciones…

DSC: Digital Signal Controller

16,32 bits, DSP pto fijo + periféricos

industria, hogar, automotriz

FPGA: Field Programmable Gate Array

Circuitos lógicos reconfigurables ad-oc

Diseños específicos, diseños propietarios

PLC: Programable Logic Controller

P 32 bits + I/O Dig y analóg+ Power DC/AC

Bajo normas y protocolos Industriales

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Diagrama en Bloques de un C

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ARM Cortex-M3 (32 bits)

Diagrama en Bloques de un C

HCS08 (8 bits)

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Tipos de Encapsulados

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Cortesia Atmel Semiconductors

Tipos de Encapsulados

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Cortesia Atmel Semiconductors

Memorias Integradas

RAM: es volátil, provee almacenamiento temporal de datos, variables globales y pilas. SRAM.

FLASH: no volátil, provee almacenamiento permanente de programas y ctes. Es borrable en forma completa o en bloques. Es más rápida, de mayor capacidad y menor consumo que las EEPROM. Soportan ISP (In Circuit Programming)

EEPROM: no volátil, provee almacenamiento de

largo plazo para variables, constantes, datos del

sistema. Es actualizable por bytes durante la

ejecución del programa. Moderada Capacidad y

velocidad de acceso.

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