PDF de programación - 2 - Sistemas embebidos

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2 - Sistemas embebidos

Sistemas embebidos

CPU, Memorias, dispositivos de E/S y buses

Sistema microprocesador ejemplo: Arduino

©Universidad Politécnica de Madrid

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Sistemas embebidos
▪ ¿Qué es un sistema embebido/empotrado?
Es un sistema electrónico de propósito específico donde el
procesador/computador está totalmente dedicado al dispositivo que
controla y encapsulado en él. Al contrario de un computador de
propósito general, como un ordenador personal, un sistema empotrado
lleva a cabo tareas predefinidas con requisitos muy específicos (no
valdrían para otra cosa).

▪ ¿Por qué un sistema embebido?
Al estar dedicados a una tarea específica, es posible optimizarlo,
reduciendo el tamaño, coste y/o consumo. Los sistemas embebidos
generalmente se producen en masa, así que los ahorros pueden ser
multiplicados por millones.

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Sistemas embebidos: elementos

▪ Como todo sistema electrónico dispone de...

magnitudes

físicas

Sensores

Procesamiento

(analógico, digital,

uControlador)

Alimentación

Actuadores

magnitudes

físicas

▪ En un sistema embebido el procesamiento (al menos en parte), es realizado
por un microcontrolador que ejecuta un programa de control para cumplir
con un unas determinadas tareas o funcionalidades.

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Sistemas embebidos: ejemplos

Sensores

Actuadores

Funcionalidades

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Sistemas embebidos: ejemplos

Sensores

Actuadores

Funcionalidades

Motores
Pantalla
Indicadores
Válvulas
Cerrojos
Calefactor
Bombas
Ventiladores
…

Control lavado
Control secado
Interfaz usuario
Monitorización
Mantenimiento
Seguridad
Ecología
…

Botones
Selectores
Temperatura
Corriente
Humedad
Velocidad
Vibración
Nivel
Presión
Escapes
…

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Sistemas embebidos: ejemplos

Entradas
digitales

Entradas
analógica

Salidas
digitales

Salidas

analógicas

Comunicaciones
bajo protocolo

uC /
MCU

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http://asic-soc.blogspot.com.es/2007/12/embedded-system-for-automatic-washing.html

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Sistemas embebidos: ejemplos

Microcontroladores

En vez de hacer un sistema centralizado, donde una sola MCU
controla todo, se tiende a hacer sistemas distribuidos, donde
cada MCU controla una parte y se comunican entre ellas para
coordinarse (al final, la idea es remplazar la lógica de control
mediante micros fácilmente programables. Si usásemos una
sola MCU, el control se complicaría)

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http://am.renesas.com/applications/appliances/washing_machine_high/index.jsp

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Sistema embebido: ¿qué necesitamos?

Sensores y actuadores

• Electrónica de acondicionamiento para leer los sensores (ej: amplificadores…)
• Electrónica de acondicionamiento para operar los actuadores (ej: drivers…)

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P

Dispositivos E/S

• Leer el estado de señales digitales/discretas (ej: teclados, sensores…)
• Leer el valor de señales analógicas/continuas (ej: sensores…)
• Actuar sobre señales digitales (ej: luces, calefactores, válvulas…)
• Actuar sobre elementos “analógicos” (ej: motores…)
• Comunicarnos con otros dispositivos (ej: pantallas, relojes/calendarios…)
• Medir el paso del tiempo y actuar en consecuencia (ej: temporizadores…)
• Atender a eventos críticos en tiempo predecible (ej: interrupciones…)

Memoria

• Almacenar datos de operación (RAM) y “settings” (FLASH/EEPROM)
• Almacenar programas (RAM ó ROM/FLASH)

Microprocesador

• Ejecutar los programas almacenados en memoria
• Operar con los datos (operaciones aritméticas y lógicas)
• Controlar (leer y escribir sobre) los dispositivos de E/S para que actúen

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Sistema embebido: elementos

Unidad

Central de
Proceso

CPU

(Microprocesador)

Memoria

Dispositivos

E/S

microcontrolador

Electrónica de

acondicionamiento

l


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e
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S

s
a
n
r
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x
e

Sensores y
actuadores

Sistema embebido

Objetos sobre
los que se actúa

y se mide

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microcontrolador

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Microcontrolador y buses

Unidad

Central de
Proceso

CPU

(Microprocesador)

m

n

Memoria

Dispositivos

E/S

Señales
externas

Bus de direcciones

Bus de datos

Bus de control

m bits direcciones : 2m posiciones/direcciones de memoria distintas
n bits de datos : n bits transmitidos en paralelo
varias señales de control (reloj, reset, read/write, interrupción, etc. )

Capacidad : 2m x n bits

Transferencias
de datos:

Escritura: uP  Memoria Entrada: E/S  uP
Lectura : Memoria  uP Salida: uP  E/S

(todas con el

micro)

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

El tamaño del bus de datos coincide normalmente con el tamaño de la palabra con la que el uP puede
trabajar y hacer operaciones. Así, hablamos de micros de 8, 16 o 32 bits. Es la unidad mínima de
información que se intercambia entre el uP, la memoria y/o los dispositivos de E/S.

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Unidad Central de Proceso (CPU)
▪ Encargada de la ejecución de todas las operaciones y movimiento de datos

entre el microprocesador, la memoria y los dispositivos de E/S.
Típicamente se divide en:

 Banco de registros: almacena datos y resultados de operaciones con la ALU
 Unidad Aritmético Lógica (ALU): Realiza operaciones entre registros (+, -, and, or…)
 Unidad de control: Secuencia las acciones en función de la instrucción a ejecutar

Memoria

de programa

Unidad de Control

Banco de
registros

ALU

(Unidad

Aritmético

Lógica)

Memoria
de datos

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Dispositivos de E/S
▪ Circuitería que permite la interacción entre el microprocesador y las señales

externas, bien sea para leer el valor de estas señales, para modificarlas o
para que operen de una determinada manera.

Unidad

Central de
Proceso

CPU

(Microprocesador)

Memoria

Bus de direcciones

Bus de datos

Bus de control

E/S Paralelo

E/S Serie

Convertidor

Analógico a Digital

Convertidor

Digital a Analógico

Controlador uSD

Controlador USB

Dispositivos E/S

s
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n
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e

s
e
a
ñ
e
S

l

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Memorias

▪ Son circuitos integrados de almacenamiento

Bus de direcciones

Bus de datos

13

A12..0

D

10

A9..0

D7..0

8

CS
R/W
1K x 8

Señales de control

CS
R/W

8K x 1

11

A10..0

D3..0

4

CS
R/W

2K x 4

▪ Se estructuran normalmente en 2m (m = ancho del bus de direcciones)
posiciones de memoria de n (n = ancho del bus de datos) bits cada una

▪ Diseño interno optimizado para almacenar muchos bits a bajo coste (los
elementos de memoria no son biestables), por eso son bastante lentas
comparadas con otros circuitos digitales. La estructura interna de cada celda
de memoria depende del tipo de memoria y de su tecnología de fabricación.

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Memorias y dispositivos de almacenamiento

Registros

Caché

bytes

ns

Memorias

SRAM

DRAM

SDRAM

DDRAM

FLASH RAM

…

Volátiles

No-volátiles

RAM

PROM

EPROM

EEPROM

FLASH

Otros dispositivos de memoria
(Dispositivos de almacenamiento
masivo)

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© R.H. King Academy

Dispositivos magnéticos (discos duros)

Dispositivos
ópticos

CD-ROM, CD-R, CD-RW

DVD-ROM, DVD-RW…

Tera-Bytes

ms

Blue-Ray

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Firmware
▪ Denominamos firmware al programa que está cargado en la MCU y que se encarga del

control del sistema.

int main() {

while( true ) {

char key = read_keyboard();

if (key = ‘C’) {

do_cold_washig();

}

if (key = ‘T’) {

char temp = read_temp_encoder();
do_hot_washig( temp );

}

}

}

int do_cold_wasshing() {

// 100 washing cycles
for( int i = 0 ; i < 100 ; i++ ) {
do_spin_right(10); // 10 seconds
do_wait(10);
do_spin_left(10);

}

// Drying (fast spin) during 3 minutes
initialize_time_lapse();
do_fast_spin();
while ( time_lapsed() < 180 ) { } ;
stop_motors();

}

int stop_motors() {

// Motor driver is in bit 3 of PORTB
clrBit(PORTB, 3); // set pin to 0

}

▪ En un sistema embebido, el programa está siempre activo, ya que el sistema debe

estar preparado para responder a su entorno en cualquier momento y sin
intervención (sin tener que cargar un programa, por ejemplo)

▪ En la mayoría de los sistemas empotrados la medición del tiempo juega un papel

fundamental, ya que el sistema suele interactuar con elementos que necesitan tiempo
para reaccionar y funcionalidades que dependen del tiempo.

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Ejemplo de microcontrolador: el AVR AtMega168/328

Memoria de programa

Memoria de datos

CPU

Dispositivos de E/S

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Ejemplo de sistema microprocesador: Arduino (I)

AtMega168

Serie-USB

Conector

USB

Conector E/S

Regulador

Conector

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Ejemplo de sistema microprocesador: Arduino (II)
▪ La versión utilizada para las prácticas y trabajos

Circuito comunicación
USB

Pines de E/S

Reset

Conector USB

Circuitería
de
alimentación

Reloj

Microcontrolador
AtMega168

Conector
alimentación
externa

Placa “Shield” de Arduino
diseñada para las
prácticas y trabajos

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