Presentación general.

1. Presentación general. UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA FACULTAD DE INGENIERÍA. Electrónica Digital III Ingo. Eugenio Duque Pérez Abril 22 del 2014

2. Curso. Identificación. Conocimientos previos. • Código: Electrónica Digital III Código : 2547710 • Créditos: 5 (4 horas teóricas y 3 prácticas). • Laboratorio: Incluido en la materia. • Otros: No validable, obligatoria y no habilitable. • Prerrequisitos: 2547610 Electrónica Digital II. • Conocimientos previos : • Unidad Central de Procesamiento. CPU. • Pasos de ejecución de una instrucción. • Lenguajes de bajo nivel (assembler) y alto nivel “C”. • Interfaz hardware/software • Hardware: Diseño, análisis, síntesis e implementación.

3. Curso. Conocimientos adquiridos una vez finalizado. • Descripción global de un sistema embebido para dar solución técnica a un problema o necesidad. • Identificar restricciones y especificaciones técnicas. Documento de requisitos. • Analizar posibles soluciones al problema • Diseñar solución basados en MCU. • Codificar basados en lenguaje C y/o leng. ensamblador. • Simular la operación funcional del sistema • Implementar físicamente, en Sistema de desarrollo. • Verificación exhaustiva de posibles fallas. Validar operación

4. Sistemas EmbebidosVistazo general • Los dispositivos electrónicos • Celulares. • Reproductores MP3/MP4. • Unidades de DVD. • XBOX, PS1/2/3. • Periféricos de un PC. • Son ejemplos de Sistemas Embebidos • Hardware, Software y/o Firmware.

5. Sistemas Embebidos • Sistema Embebido • Sistema Electrónico. • Unidad de Procesamiento. • Desarrolla una o varias tareas específicas. • No se concibe como un ordenador/computador • Usos muy diferentes. • Precio y Consumo. • Aplicaciones de Tiempo Real. Entradas Sensores, periféricos Procesamiento Tiempo real Salidas Actuadores, periféricos

6. Sistemas Embebidos • Sistema para el procesamiento de información que está incrustado dentro de otros sistemas. • Carros. • Equipos de Telecomunicación. • Electrónica de consumo y más… • Características Principales • Limitantes de Tiempo Real. • Requerimientos de fiabilidad y eficiencia.

7. Sistemas Embebidos • Importancia • Los Sistemas Embebidos son considerados las aplicaciones más importantes del área de tecnología de información para los años venideros. • Relación directa con el término laera Post-PC. • Los computadores tradicionales no dominarán más. Desaparece el computador como lo conocemos. • Procesadores y Software en sistemas muy pequeños. • Al estar en todas partes, se vuelve algo tan común que ni siquiera nos preguntamos si existe!!!

8. Futuro 80’s 90’s 2000’s PC’s PostPC Mainframes!!! PDAs, Celulares En todas partes Equipos Móviles Grandes Computadoras Computadores personales Sistemas Embebidos

9. Sistemas Embebidos • Computación Ubicua. • Proveer información en cualquiera lugar, en cualquier momento debido a que: • El uso de un computador tradicional es complejo. • Se pierde mucho tiempo para realizar una actividad. • Computación Pervasiva. • Similar al caso anterior. • La idea principal, sistemas en todas partes, a todo momento, que el uso de los sistemas sea realmente transparente para el usuario!!!

10. Objetivos/Requisitos/Características Qué se planea hacer en este curso y cómo cumplirlo ? Metodología/Recursos Cómo se desarrolla este curso y qué recursos se van a emplear ? Contenido del curso Un breve overview al curso de Sistemas Embebidos Detalles finales Elementos de suma importancia para el desarrollo del curso 1 2 3 4 Agenda para la clase

11. Objetivo/Requisitos y características. Objetivo General • Capacitar al estudiante en el diseño e implementación de sistemas embebidos básicos, desde el punto de vista hardware/software, programación de bajo y alto nivel y aplicaciones circuitales de baja y mediana complejidad, empleando como unidad central de procesamiento el microcontrolador, partiendo de un muy completo Documento de Requisitos.

12. Objetivo/Requisitos y características. Objetivos específicos • Comprender que es un sistema embebido entendiendo su importancia, límites, restricciones, áreas de aplicación, requerimientos de diseño y unidades funcionales que lo conforman. Hardware Máquina computacional (MPU, MCU, DSP, ASIP) Memorias, ICs, ASICs Software Instrucciones almacenadas en memoria. Firmware. Entradas Sensores, periféricos Procesamiento Tiempo real Salidas Actuadores, periféricos

13. Objetivo/Requisitos y características. Objetivos específicos • Generar un ambiente de diseño real donde los estudiantes se enfrenten a limitaciones de costo, tiempo de desarrollo, consumo de potencia, desempeño, robustez,necesidad de trabajo en equipo y divulgación de resultados.

14. Objetivo/Requisitos y características. Objetivos específicos • Identificar los diferentes elementos que intervienen en la programación de una unidad central de proceso como son: los registros, los modos de direccionamiento, el conjunto de instrucciones, interrupciones, memoria, puertos de E/S y periféricos. Registros de Datos Directo Movimiento Registros de Direcciones Indirecto Aritméticas Contador de Programa Absoluto Lógicas Instrucciones Registros M. Direccionam. Códigos de Condición Inmediato Bits Relativo Programa Apuntador de Pila

15. Objetivo/Requisitos y características. Objetivos específicos • Comprender qué son y para qué se utilizan los lenguajes de bajo y alto nivel en la programación de una unidad central de proceso, además de su uso para la programación de sistemas embebidos orientados al bajo consumo.

16. Objetivo/Requisitos y características. Objetivos específicos • Llevar a cabo : prácticas, proyectos de laboratorio y diseño e implementación de prototipos de sistemas reales que afiancen los conocimientos adquiridos durante el curso.

17. Sistema Embebido Objetivo/Requisitos y características. Requisitos del curso ELECTRÓNICA BÁSICA PROGRAMACIÓN CIRCUITOS DIGITALES ALGORITMOS ARQUITECTURA DE COMPUTADORES MÁQUINAS DE ESTADO

18. Sistema Embebido Software Algoritmos. Eventos. Módulos. Control. Hardware CPU. Memoria. Periféricos. Interconexión. Objetivo/Requisitos y características. Requisitos del curso • Para así poder diseñar:

19. Objetivo/Requisitos y características. Características a cumplir • Características de los Sistemas Embebidos • Sistemas Embebidos • Sistema de Procesamiento de Información. • Está embebido en un productomásgrande. • Normalmente no es visible por el usuario. • Interactúan con el entorno. • Conexión con el Entorno • Sensores: Recolectan información del entorno. • Actuadores: Controlando el entorno. Entradas Sensores, periféricos Procesamiento Tiempo real Salidas Actuadores, periféricos

20. Objetivo/Requisitos y características. Características a cumplir • Características de los Sistemas Embebidos • Fiabilidad: Alta probabilidad de que el sistema no tenga fallos. • Mantenimiento: Alta probabilidad de que un fallo en el sistema pueda corregirse en un tiempo prudente. • Disponibilidad: Alta probabilidad de que el sistema esté disponible. Depende de los anteriores. • Sistema Seguro (safety): Propiedad de no producir daños en caso de un fallo. • Seguridad con la info. (security)): Confidencialidad con la información.

21. Objetivo/Requisitos y características. Carecterísiticas a cumplir. • Características de los Sistemas Embebidos • Uso de periféricos particulares • Normalmente: sin teclado, sin mouse, sin discos duros, sin grandes pantallas. • Interfaces de Entrada/Salida: Botones o pulsadores, teclados matriciales, displays de 7 segmentos y LCDs, joysticks, pedales, entre otros. • Sistemas Híbridos • Sistemas Análogos y Sistemas Digitales. Actuadores (Análogo) ENTORNO Sensores (Análogo)

22. Objetivo/Requisitos y características. Características a cumplir • Características de los Sistemas Embebidos • Sistemas Reactivos • Están en continuainteracción con el entorno. • Ejecuta una orden de acuerdo al mismo entorno. • Esperan a que se produzca un evento, estando en cierto estado. • Al producirse el evento, realizan determinado procesamiento generando datos de salida y pasando a un nuevo estado. ENTORNO Sistema Embebido

23. Presentación del Evento Máx. Tiempo Respuesta Tiempo Respuesta. Objetivo/Requisitos y características. Características a cumplir. • Características de los Sistemas Embebidos • Operación reactiva en tiempo real • Existe un valor máximo para el tiempo de respuesta. • Garantiza un límite para el peor caso. • Ante eventos periódicos: scheduling para elevar desempeño. • Eventos aperiódicos: máxima tasa de entrada para determinar peor caso.

24. Objetivo/Requisitos y características. Características a cumplir • Características de los Sistemas Embebidos • Operación en ambientes hostiles. • Energía y consumo de potencia. • Tamaño del firmware. • Eficiencia en tiempo de Ejecución. • Peso, tamaño y costo. • Facilidad de comunicación con otros sistem.

25. Sistema Embebido Aplicaciones AUTOMOTRIZ Frenos. Motor. Aire acondicionado. Sistema GPS. Marchas. Control Tracción. Aviones Control vuelo. Anti-Colisión. Información. Fiabilidad 100%. CONSUMO Lavadoras. Neveras. Microondas. Relojes. Video Juegos. Cámaras de Video. S. MÉDICOS Marcapasos. ECG. Diálisis. Fiabilidad 100%.

26. A continuación… Objetivos, requisitos y características del curso Metodología y recursos Metodología y recursos Breve descripción del contenido del curso Detalles finales acerca del curso

27. Metodología y Recursos • Fundamentación teórica por parte del profesor. • Lecturas por parte del estudiante. • Se invita al estudiante a ser bastante autodidacta!!! • Consulta permanente de información técnica. • Lecturas permanentes sobre innovación y desarrollos. • Laboratorio: • Sistema de desarrollo. Solución a problemas reales. • Kit de desarrollo para el JM60 perteneciente a la familia HCS08 de Motorola. • Tarjeta madre, tarjeta auxiliar con el JM60, posibilidad de conexión de ICs externos, teclado, LCDs, displays,LEDs, suiches,etc. Ver sistema

28. Metodología y Recursos

29. A continuación… Objetivos, requisitos y características del curso Metodología y recursos Breve descripción del contenido del curso Breve descripción gráfica del contenido del curso Detalles finales acerca del curso

30. Conceptos Generales • Introducción a los Sistemas Embebidos

31. Conceptos Generales • Componentes Principales de un S.E.

32. Conceptos Generales • Antes: Elementos por separado … • Ahora: Todo en uno … Aplicaciones … E/S 1 CPU E/S 4 PWM A/D E/S 2 E/S 5 SERIAL IRQ/KBI CAPTURE I2C E/S 3 Memoria E/S n

33. MEMORIA RELOJ Desarrollo de Firmware Lenguajes de Bajo y Alto Nivel. SOFTWARE UNIDAD CENTRAL DE PROCESO

34. move.w (A0)+,D0 add.w (A0),D0 cmp.w #10,D0 bgt Print_Msg_A bra Print_Msg_B … Print_Msg_A: … intsuma; suma = A + B; if (suma >= 10) printf (“Mayor que…”); else printf (“Menor que…”); 01000100010100… 10101001001010… 01001001000101… 11011101010101… … Desarrollo de Firmware • Programación. Sumar dos valores y comparar si el resultado es mayor o igual a 10

35. Desarrollo de Firmware

36. $0040 0x10 $0041 0x12 $0042 0x00 $0043 0x87 $0044 0x95 $0045 0xEF $0046 0x11 Tipo de Dato Variable y Valor Ini. Memoria 8-Bits Desarrollo de Firmware • Lenguaje C para Sistemas Embebidos. • El Preprocesador. • Variables y Tipos de Datos. • Modificadores: const, extern, volatile, static, far,, near, unsigned, signed, etc. • Arreglos, estructuras de datos, punteros. unsigned charX = 0x10; unsigned intA = 0x1200; unsigned longB = 0x8795EF11;

37. Metodología de Eventos • Controlador de Eventos Inicio Programa Inicialización Bajo Consumo Evento (Interrupción) Sin Eventos, esperando ¿Eventos? EV. 1 EV. n EV. 2 EV. 3

38. 0v 5v 5v 5v GND 5v 0v 5v 5v Puerto Entrada CPU MCU HC08 / Flexis GND PTA6 PTA3 PTA7 PTA5 PTA2 PTA1 PTA0 PTA4 Microcontroladores • Programación de un HC08 y Flexis. 0 1 1 0 1 1 0 1

39. CPU SCI, SPI, I2C Notificación Periódica Amplitud A/D Equipo Externo Señal Análoga 0V a 5V Eventos Externos ‘1’ ó ‘0’ TIMER Código Digital Señal PWM Tiempo Microcontroladores • Unidades Funcionales. • Comunicación Serial, UART, Módulo SCI. • Módulo TIMER. • Módulo ADC. VREF_HIGH 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 VREF_LOW

40. P1 MCU, MPU, DSP … P2 MCU, MPU, LCD, MEM, RTC … SCL o señal de Reloj SDA o señal de Datos Aplicaciones con S.E. • Protocolo de Comunicación I2C • Manejo de LCDs S I S T E M A S E M B E B I D O S

41. CPU Memoria 8 8 UART MUNDO EXTERIOR Aplicaciones con S.E. • Transmisión Serial La CPU lo toma de memoria La CPU se lo pasa a la UART El dato se transmite serialmente. 10011100 10011100 0 0 1 1 0 1 0 1

42. Aplicaciones con S.E. FIFO LLENA? FIFO: Producción de Datos Llena Otros Eventos No Llena Ev. n (Productor) Escribir en FIFO FIFO? Actualizar puntero Llena Siguiente posición Primera posición No Llena Poner Datos Retornar

43. SP e(k) m(k) + - Aplicaciones con S.E. • Control de Motores DC. Power PWM PI Digital Sensado

44. 1 2 3 A 4 5 6 B 7 8 9 C RTC * 0 # D Buzzer Memoria 25/02/08 - 8:35 PM Monitoreo: Activado Teclado LCD Sensado Displays Aplicaciones con S.E. Algoritmos eficientes Manejo básico E/S Contador simple MOTOR DC Arreglos y vectores

45. A continuación… Objetivos, requisitos y características del curso Metodología y recursos Breve descripción del contenido del curso Detalles finales acerca del curso Detalles finales acerca del curso

46. Bibliografía • Base de datos del Area de Técnicas Digitales.Ing. Electrónica UdeA. Profs:Germán García, Johnny Aguirre, Juan Franco, Eugenio Duque • Jonathan Valvano, Developing Embedded Software in C Using ICC11/ICC12/Hiwire. • Jonathan Valvano, Embedded microcomputer systems, Real time interfacing, Brooks/Cole, 2000.

47. Bibliografía • Teoría y diseño con microcontroladores de Freescale. Flia Flexis 32 bits. Antonio Díaz E. Mc Graw Hill. • CPU08 Central Processor Unit. Reference Manual. Freescale Semiconductor. • MC9S08JM60 Data Sheet. Freescale. HCS08 Microcontrollers. • Programación de Sistemas Embebido en C. Gustavo Galeano. Edit. AlfaOmega. 2009. • Sistemas Empotrados en Tiempo Real. José Daniel Muñoz Frías.2009 • Documentos ubicados en : http://microe.udea.edu.co/~eaduque • Proyectos interesantes a nivel mundial y prácticas implementadas en el curso: https://www.dropbox.com.........

48. Evaluación • Parte teórica. Valor 50% • 2 parciales cada uno del 20% • 2 pruebascortas, cadauna del 5 %. • 1 pruebacorta (opcional) de valor 5%. Puedereemplazaruna de las dos anteriores. • Parte práctica. Valor 50% • Práctica No. 1. Diseño PCB. Valor: 5% • Práctica No. 2. Leng. Ensamblador Valor : 10% • Práctica No. 3. Lenguaje C. Valor : 10% • Práctica No. 4. Manejo de Interrupc. Valor : 12% • Práctica Final. Diseño de aplicación. Valor : 13%.. .