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Tema 5: Máquinas de propósito general usadas en sistemas empotradosInformática Industrial 3º Ing. Técnico Industrial en Electrónica Industrial

Tema 5:Tema 5:Máquinas de propósito general usadas en Máquinas de propósito general usadas en sistemas empotradossistemas empotrados

INDICE:PCs industriales: características generalesDispositivos integrados en PCs industrialesInicialización del PC y ejecución de programas desde ROMBuses específicos para PCs industriales


PCs Industriales: características generales PCs Industriales: características generales VENTAJAS:

Arquitectura PC a la vanguardia de los avances tecnológicos gran gama de posibilidades para sistemas empotradosFlexibilidad adaptación a multiples problemasLa arquitectura basada en Intel x86– Estandarización– Multitud de periféricos– Altas prestaciones– Componentes innovadores– Arquitectura basada en buses menos coste en rediseño– Plug and play– Conectividad– Controladores– Entornos OO y facilidad para diseño de interfaces


PCs Industriales: características generalesPCs Industriales: características generales

INCONVENIENTES:Necesidad de adaptación del software y hardware a la aplicación concretaCambio en el BIOS para hardware específico.Mercado muy dinámico componentes nuevos cada 6 meses, cuando un equipo industrial debe tener un tiempo de vida entre 5 y 20 años.Elección de componentes de calidad sistemas criticos, de difícil acceso, parada de sistema imposible.



ASPECTOS CRÍTICOS:Alta fiabilidad– Sistemas críticos– Difícil acceso– Sustitución de componentes costosa– Riesgo para la seguridad en situaciones de fallo

Elección de los componentes teniendo en cuenta no solo el precio.

Interferencias Electro-magnéticas– Los controles EMI para PC no son tan rígidos como para

adaptarse a todos los entornos médico– Pueden verse afectado de EMI del entorno en el que se

encuentran inmersosAdaptación de las emisiones propias y para soportar las del entorno



Temperatura:– PCs cuanto mas potentes más se calientan ventilación para

refrigerar– En sistemas empotrados puede no haber espacio para

ventiladores uso de disipadores– La temperatura máxima es un factor importante para el trabajo

de algunos procesadoresElección del procesador como un compromiso entre prestaciones necesarias y de refrigeración

Control de consumo– En PCs aspecto limitado a sistemas portátiles– Conceptos extrapolables a PCs industriales desconexión de

sistemas que más consumenDiseño de controladores para pasar a modo ahorro de energía

aseguramiento de disponibilidad de recursos cuando sean necesarios sin esperas ni fallos.



Características– Mayor solidez mecánica y eléctrica– Mayor modularidad (más tipos de tarjetas E/S,

bastidores industriales, conectores etc.)– Mayor capacidad para soportar software especifico

(respuestas en tiempo real y preparados para respondes ante soluciones de tiempo crítico)

– Mejores protecciones ante ambientes hostiles con alto ruido electromagnético y condiciones ambientales duras (polvo, temperaturas extremas, variaciones de tensión bruscas y elevadas, etc.)

– Barato Creciente aceptación por la industrial.



Tipos de PCs industriales:– Estaciones de trabajo: basados en sistemas

operativos específicos (UNIX) con alto nivel de procesamiento de datos y robustez

– Sistemas multiprocesador modulares: múltiples placas de control interconectadas por sistemas de bus de altas prestaciones.

– Sistemas basado en PC tradicionales con características industriales: PC proveniente del entorno de oficina adaptado al industrial; alternativa más económica para instalaciones con poco complejidad.




Dispositivos integrados en PCs industrialesDispositivos integrados en PCs industrialesAdemás de los elementos habituales en un PC (CPU, RAM, disco

duro, puerto serie…) hay elementos destinados al uso industrial y sistemas de altas prestaciones:Buses de interconexión internos:– Habituales: PCI, ISA– Especiales: VME, Futurebus, SCSI, GPIB (IEEE 488)– Específicos para PCs industriales (CompactPCI, PC/104)

Elementos de comunicación externos– Tarjetas de comunicación a nivel de campo– Tarjetas de adquisición de datos (E/S digitales y analógicas)– Comunicación serie (RS-232, RS-485, USB, FireWire)– Comunicación Ethernet

Sistemas redundantes de almacenamiento de datosCajas de protección, teclados, y accesorios reforzadosSistemas de alimentación robustosElementos de visualización: LCD, pantallas táctiles, etc.


Dispositivos integrados en PCs industrialesDispositivos integrados en PCs industriales


Inicialización del PCInicialización del PCBIOS = Basic Input Output System (sistema básico de entrada/salida)Software especifico guardado en memoria no volátil no se pierde cuando se apaga el sistema, no depende del buen funcionamiento de disco.Permite el arranque del sistema sin necesidad de ningún recurso externo.Situado en la placa baseAlgunos fabricantes colocan el BIOS en RAM al inicializar el PC (Shadow BIOS) necesidad de realineamiento de los vectores de interupción.PnP (plug and play) Tecnología que permite conectar y asignar recursos sin conflictos automaticamente a los dispositivos conectaos al PC.


Inicialización del PCInicialización del PC

El sistema BIOS de un PC estándar desempeña en realidad cuatro funciones independientes:– Proceso de carga inicial del software.– Programa de inventario y comprobación del

hardware.– Inicialización de determinados dispositivos hardware,

carga de cierto software básico e inicio del Sistema Operativo.

– Servicios de soporte software para determinados dispositivos hardware del sistema.


Inicialización del PCInicialización del PCLa carga inicial del software– Un hardware sin sistema operativo no es capaz de hacer nada

útil ¿Cómo se carga el software despues de conectarlo a suministro de enegía?

– Cuando se da tensión a la fuente de alimentación y desaparecen los transitorios se genera un señal llamada GOOD POWER

– El conjunto de chips que tiene la placa base recibe esa señal y general la señal de RESET al procesador evitamos que el procesador empiece trabajar prematuramente.

– Cuando arranca el procesador no tiene nada en la memoria ni en sus registros internos el sistema se dirige a un posición fija de la memoria FFFF0h.

– En esa dirección hay una instrucción de salto a lugar donde estael programa de carga del sistema (bootstrap).


Inicialización del PC Inicialización del PC Inventario de recursos y comprobación del hardware– La primera parte del programa de la BIOS consiste en la

comprobación del hardware, en caso de existir errores graves se detiene el sistema y emite una serie de pitidos que codifican elproblema y eventualmente un mensaje en pantalla.

– El orden de comprobación es:• Chequéo de registros del procesador• Puesta a cero del temporizador 8253/8254 para refresco de RAM.• Puesta a cero del acceso directo a memoria, DMA, para refresco de

la RAM en el canal 0.• Verificar que el refresco es operativo (los primeros PC's usaban

RAM dinámica).• Verificar la memoria RAM baja (0/16-64 KB).• Cargar los vectores de interrupción y asignarles espacio en la zona

de memoria baja.


Inicialización del PCInicialización del PC– Orden de comprobación (continuación):

• Inicializar los dispositivos de video y teclado.• Determinar el tamaño de la RAM adicional y comprobar su

funcionamiento (el recuento que se ve en pantalla). Si llegado a este punto existiera algún error en la memoria se mostraría un mensaje de error (el dispositivo de video ya está operativo).

• Inicializar los puertos COM (comunicaciones serie), LPT (comunicaciones paralelo) y de juegos

• Inicializar, en su caso, el sistema de disquete.• Inicializar el sistema de disco.• Explorar el área de usuario de la ROM.• Llamar el interruptor de bootstrap.


Inicialización del PCInicialización del PCLa comprobación del dispositivo de video incluye ejecutar un trozo de código almacenado en el propia tarjeta de video cuando se arranca un PC lo primero que aparece es la imformación del fabricante de la tarjeta de video.La etapa de POST se omite en el caso de un arranque en caliente (pulsación del botón de RESET)Tras la etapa de POST se recorre la memoria en busca de código almacenado en los dispositivos, necesario par la inicialización de los mismos tarjetas de red, dispositivos SCSI, discos duros …Información de la BIOSSi la BIOS soporta PnP se asignan a los dispositivos encontrados los recursos que necesitenFinalmente se muestra en pantalla un resumen


Inicialización del PCInicialización del PC

Inicialización– La tarea de POST prepara el hardware disponible.– En la inicialización se cargan en RAM ciertas tablas y

programas básicos para el manejo a bajo nivel de los dispositivos vectores de interrupciones

Carga del sistema– Búsqueda en disquetes, CD-ROM, disco duro, el

orden puede ser configurable en la mayoría de la BIOS actuales.

– Si no encuentra aparece un mensaje de error en el pantalla.


Inicialización del PC y ejecución de Inicialización del PC y ejecución de programas desde ROMprogramas desde ROM

El sistema básico de entrada/salidas– Instrucciones básicas para acceder a los dispositivos

de E/S teclados, pantalla, puertos serie, controladores de disco. (vectores de interrupción).

– Proporciona compatibilidad ofrece un interfaz comun y posibilita que un mismo software se ejecute en cualquier Pc con independencia de cómo este diseñado el hardware.

– El lema de los diseñadores de los PCs fue: “deje que el BIOS lo haga, no se enrede con el control directo”

– Cuando un programa necesita acceder a un dispositivo se lo pide en última instancia a la BIOS.


Ejecución de programas desde ROMEjecución de programas desde ROMNecesaria para evitar el uso de discos duros debido a:– Presencia de vibraciones– Limitaciones de espacio– Limitaciones de consumo– Aumento de la fiabilidad

Usando la etapa de POST del arranque– Cuando el BIOS busca programas en la ROM de los

dispositivos, cargar en esa ROM el programa a ejecutar.– La BIOS busca la secuencia 0x55 0xAA, si la encuentra ejecuta

el código que venga a continuación– Útil para sistema pequeño– No hay posibilidad de uso de otros dispositivo ni de los servicios

del BIOS, ni de uso de Sistemas Operativos.


Ejecución de programas desde ROMEjecución de programas desde ROM

Uso de FLASH ROM conectados a la controladora IDE– Dispositivos que físicamente son una memoria ROM– Interfaz con el sistema como si fueran un disco duro tiene

tabla de particiones, sertor de arranque, y sistema de ficheros– Se almacena en la FLASH ROM el sistema operativo y el

programa a ejecutar y se usa normalmente.– Evita el uso de disco duros, pero de forma transparente al

sistema– Posibilidad de uso de todos los dispositivos conectados y de los

servicios del BIOS y del Sistema Operativo


Buses específicos para PCs industrialesBuses específicos para PCs industrialesCompact PCI– PCI adaptado para aplicaciones empotradas y/o industriales.– Compatible eléctricamente con le PCI– Componentes y tecnología estandarizadas en el mundo

industrial– Es una especificación abierta mantenida por la PCIMG (PCI

Industrial Computer Manufaturers Group) asociación de fabricantes de equipos para aplicaciones industriales (creada en1994).

– Diseñado bajo el concepto de Backplane pasivo.


Buses específicos para PCs industrialesBuses específicos para PCs industriales– Tarjetas basadas en el estándar eurocard con dos tamaños, el

3U compatible con PCI 64 bits y 6U para cuando se necesitan tamaños mayores.

– Contiene líneas dedicadas para alimentación, reloj, tierra además de todas la propias de PCI 64 bits.

– Conectores basados en pin/socket, – Conectores robustos permiten un fijación fuerte al backplane,

adecuados para situaciones donde existen vibraciones


Buses específicos para PCs industrialesBuses específicos para PCs industriales

– Conexión vertical de las tarjetas facilitando el flujo de aire para la refrigeración del sistema

– El sistema de backplane permite el reseteo, la sincronización y el arbitraje de todas la tarjetas conectadas.

– Totalmente compatible con el PCI desarrollado por Intel 256 registros de configuración, PnP, transparencia de dispositivos.

– Funcionalidad hot swap desconexión de una tarjeta sin necesidad de detener el sistema util en sistemas criticos.

– Especialmente diseñada para sistemas en tiempo real.– Compact PCI a la vanguardia de los avances tecnológicos en

capacidad, rendimiento y fiabilidad de los dispositivos.


Buses específicos para PCs industrialesBuses específicos para PCs industriales

PC 104– El tamaño de los componentes basados en

arquitectura PC limita su sus en sistemas empotrados.

– PC 104 son unas especificaciones de BUS basados en ISA y adaptados a las necesidades de los sistemas empotrados.

– El PC 104 se adapta a las necesidades de los sistemas empotrados gracias a:

• Reducción del tamaño de las placas (90 by 96 mm)• Eliminación de los backplanes, sustituidos por un bus auto-

apilable.• Minimizando el número de componentes, el consumo de

energía (1-2 Watios por modulo).


Buses específicos para PCs industrialesBuses específicos para PCs industriales– Dos especificaciones uno de 8 bits y

otros de 16 que corresponden con la tecnología PC y PC/AT.

– Coda uno con la posibilidad de uso de dos tipos de conectores, con 64 pines o dos el de 64 y uno de expansión de 40.

– Posibilidad de combinación de placas con los dos tipos de conectores los de 64+40 deben esta en la base de la pila.


Buses específicos para PCs industrialesBuses específicos para PCs industriales– Incluye líneas dedicadas para relojes, alimentación, control del

bus e interrupciones.– Especificaciones eléctricas que fijan el consumo máximo de

cada placa– El consumo total es la sumo de los consumos de todas la

placas.

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