208006 Sistemas Embebidos I-2010

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BASICAS TECNOLOGIA E INGENIERIA CONTENIDO DIDCTICO DEL CURSO: 208006 SISTEMAS EMBEBIDOS

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA

ESCUELA DE CIENCIAS BASICAS TECNOLOGIA E INGENIERIA

PROGRAMA DE INGENIERIA ELECTRONICA

208006 SISTEMAS EMBEBIDOS

OSCAR IVAN VALDERRAMA ARIAS

(Director Nacional)

JUAN CARLOS VESGA FERREIRA

Acreditador

SOGAMOSO

Diciembre de 2009


ASPECTOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL Y VERSIONAMIENTO

El presente mdulo fue diseado en el ao 2008 por el Ing. Armando

Portela Duarte, docente de la UNAD, y ubicado en el CEAD de Barranquilla, el Ing.

Portela es Ingeniero Electrnico.

El presente mdulo ha tenido una actualizacin, echa en el ao 2009 por el

Ing. OSCAR IVAN VALDERRAMA ARIAS, quien ha sido tutor de la UNAD en el

CEAD SOGAMOSO, desde ao 2005 y que se desempea actualmente como

director del cuso a nivel nacional.

Este mismo ao el Ing. JUAN CARLOS VESGA FERREIRA, tutor del CEAD

Bucaramanga, Coordinador Nacional Tecnologa e Ingeniera en

Telecomunicaciones, apoy el proceso de revisin de estilo del mdulo y dio

aportes disciplinares, didcticos y pedaggicos en el proceso de acreditacin de

material didctico desarrollado en el mes de ENERO de 2010.


INTRODUCCIN

El presente curso sobre sistemas embebidos se trata de un curso metodolgico al cual le han sido asignados 3 crditos que de acuerdo al sistema de crditos acadmicos, consistente en 144 horas de trabajo acadmico: 96 horas promedio de estudio independiente y 48 horas promedio de acompaamiento tutorial enmarcadas en un campo de formacin disciplinario en reas de la ingeniera bsica. Con el curso se pretende que los estudiantes se adentren en el mundo de los sistemas embebidos analizando sus caractersticas y capacidades, concentrando el estudio en las herramientas de desarrollo tanto software como hardware inherentes a este tipo de sistemas de manera que se familiaricen con los procesos de diseo, programacin y desarrollo de sistemas autnomos. Los sistemas embebidos conforman un rea de la electrnica en continuo crecimiento y desarrollo, debido a la creciente demanda de sistemas autnomos y

integrados, microprocesadores, microcontroladores etc. que a su vez sern empleados en la fabricacin de productos y equipos en una variedad de sectores como por ejemplo aplicaciones militares, electrodomsticos, juguetes, en la industria, el transporte, etc. La importancia de este curso radica en que se brindan las herramientas al estudiante para que maneje de manera suficiente el diseo y desarrollo de aplicaciones empleando estos dispositivos teniendo en cuenta que da a da se requiere cada vez ms de nuevas aplicaciones autnomas especficas o la mejora continua de las existentes. El curso de divide en tres unidades didcticas; 1 Unidad: Conceptos Generales

sobre Sistemas Embebidos, en esta se realizar una introduccin general sobre

los sistemas embebidos y sus principales caractersticas enfocando el estudio a

los microcontroladores 68HC08 de FreeScale (Motorola); 2 Unidad: Desarrollo de

Software para Sistemas Embebidos, en esta unidad se sentarn las bases para la

programacin de sistemas embebidos empleando tanto lenguajes de

programacin de bajo (assembler) como de alto nivel enfocando el estudio al

lenguaje de programacin C; 3 Unidad: Sistemas Operativos Orientados a

Sistemas Embebidos, en esta unidad final se analizan los conceptos referentes a

sistemas operativos y su aplicacin en sistemas embebidos enfocndose en el

sistema operativo embebed Linux.

Para el desarrollo del curso se proceder a introducir, a travs de la plataforma, los conceptos y problemticas que se plantean al trabajar con sistemas embebidos, el estudiante se encargar de analizar y ampliar estos contenidos con una visin crtica durante su tiempo de estudio independiente de manera que


cualquier duda que resulte de este ejercicio pueda ser disipada por el tutor a travs de foros y cesiones de Chat previamente definidas. Debido a la naturaleza de los contenidos se realizarn una serie de actividades y talleres tanto individuales como en grupo, en los que se plantean problemticas que sean susceptibles de ser resueltas con el empleo de los sistemas embebidos en conjuncin con la aplicacin prctica de los contenidos vistos, obteniendo as una aplicacin funcional. La evaluacin de los contenidos depender de la activa participacin de los estudiantes en las diferentes actividades planteadas sumada a las calificaciones automticas de revisin de conceptos realizadas en lnea. Las temticas planteadas en el presente curso a manera introductoria son de gran relevancia puesto que los desarrollos que incluyen sistemas embebidos se encuentran a la orden del da en cualquier tipo de aplicacin por lo tanto conforman un rea de la electrnica muy interesante para enfocar estudios ms profundos.


INDICE DE CONTENIDO

Unidad Captulos Lecciones

1. Conceptos generales sobre

sistemas embebidos

1. Introduccin a los sistemas embebidos

1. Definicin e Historia

2. Importancia y reas de aplicacin

3. Caractersticas

4. Preconceptos

5. Fases de diseo

2. Componentes principales de un sistema embebido

6. Diagrama de bloques de un sistema embebido.

7. Entradas: Sensores, muestreadores y conversores A/D.

8. Comunicacin

9. Unidades de Procesamiento y Memoria

10. Salidas y conversores D/A

3. Unidades centrales de procesamiento

11. Componentes de una CPU

12. Arquitecturas ms comunes

13. Comparacin de los dispositivos ms comunes

14. Microcontroladores HC08

15. Microprocesadores ColdFire y tarjetas de desarrollo

2. Desarrollo de software para

sistemas embebidos

4. Introduccin a la programacin de sistemas

embebidos

1. Diagramas de flujo

2. Programacin en lenguaje Ensamblador (Assembler)

3. Notaciones y sintaxis

4. Tipos de instrucciones

5. Escribiendo un pequeo programa

5. Prcticas bsicas y aplicaciones

6. Programacin y puesta en marcha

7. Modo de ejecucin


8. Desarrollo de tarjeta de programacin universal

9. Software

10. Software Code Warrior

6. Introduccin a la programacin en C y

microcontrolador HC08

11.Generalidades de C

12. Fases de procesamiento de un programa en C

13. Ejemplos de manejo de mdulos del HC08

14. Programacin en Assembler del HC08

15. Programacin en C del HC08

3. Sistemas operativos orientados a sistemas

embebidos

7. Visin general

1. Consideraciones sobre el hardware

2. Conceptos generales sobre sistemas operativos

3. Componentes del sistema operativo

4. Arranque de un programa

5. Memoria virtual

8. Sistema operativo embedded Linux

6. Visin general

7. Tipos de sistemas que utilizan Linux embebido

8. Arquitectura genrica de un sistema con Linux embebido

9. Caractersticas del kernel de Linux

10. Arranque del sistema

9. Implementacin de embedded Linux

11. Metodologa de diseo e implementacin

12. uCLinux

13. Pasos bsicos para comenzar con uCLinux

14. Trminos relacionados

15. Primeros pasos con uCLinux


LISTADO DE TABLAS


LISTADO DE GRFICOS Y FIGURAS


UNIDAD 1

Nombre de la Unidad Conceptos generales sobre sistemas embebidos

Introduccin Estudio y discusin de algunos temas y conceptos relacionados con sistemas embebidos.

Justificacin Al estudiante del curso de sistemas embebidos es necesario introducirlo en los conceptos bsicos de los sistemas embebidos.

Intencionalidades Formativas

Reconocer los conceptos bsicos de los sistemas embebidos

Reconocer los componentes bsicos

Reconocer los elementos bsicos de la unidades centrales de procesamiento

Denominacin de captulos

1. Introduccin a los sistemas embebidos 2. Componentes principales de un sistema embebido 3. Unidades centrales de procesamiento

CAPITULO 1: INTRODUCCIN A LOS SISTEMAS EMBEBIDOS

Leccin 1: Definicin e Historia.

Los sistemas embebidos son sistemas computacionales aplicados, posiblemente compuestos tambin por otro tipo de elementos mecnicos i/o electromecnicos, aunque estn constituidos por la unin hardware software, se diferencian de otros sistemas como por ejemplo los computadores personales por el hecho de estar diseados para cumplir funciones especficas. Es decir, un sistema

computacional, pero independientemente de esto es controlado por un 1 se entiende por embebido o empotrado

por tanto estos dispositivos de cmputo no son visibles ni

2. A pesar de que se pueden tomar como ciertos los enunciados del prrafo anterior, es complicado sentar una definicin definitiva para los sistemas embebidos, puesto que gracias al constante desarrollo tecnolgico que ha influido en el aumento de las prestaciones de los diferentes circuitos integrados y a su vez en el incremento del nivel de integracin y complejidad cada vez en espacios ms reducidos, sumando esto a la disminucin de los costos de implementacin por economas de escala, se hace posible en la actualidad la existencia de pequeos computadores (PDAs, celulares, etc) que pueden realizar una gran cantidad de aplicaciones y que por ser dispositivos integrados de tamao reducido podran

1 Wilmshurst Tim. Designing Embedded Systems with PIC Microcontrollers. Elsevier, 2007. p 3. 2 Sutter Ed. Embedded Systems Firmware Demystified. CMP Books. 2002. p 2.


tambin ser clasificados como sistemas embebidos. Aunque existen discrepancias entre diferentes autores en incluir o no este tipo de dispositivos en la clasificacin de sistemas embebidos. Se observa que los microcontroladores de 8 bits dominan la mayora de las aplicaciones. Un microcontrolador es el ncleo de un sistema electrnico verstil, de bajo coste y reducido tamao que es capaz de detectar las seales de entrada y generar las salidas de un determinado equipo, sistema o instrumento. Los microcontroladores por su reducido tamao y costo adems del hecho de que son los dispositivos semiconductores ms abundantes de todos en la actualidad,

de sistemas ms complejos.

muy definidas, adems eran mquinas extremadamente grandes, costosas y

complicadas, tanto en implementacin como en funcionamiento en comparacin

de las prestaciones, tamao y costo de los computadores actuales. Con el

transcurrir de los tiempos conceptos como Computadoras, Controladores Lgicos

Programables (PLC), etc. fueron evolucionando de los arreglos de dispositivos

electromecnicos secuenciados tradicionales, pasando por mquinas basadas en

tubos de vaco, llegando a sistemas ms modernos y funcionales basados en

tecnologas de cmputo desarrolladas a partir de los avances en dispositivos de

estado slido.

Figura 1. Vista superficial de un circuito integrado.


El desarrollo de los sistemas embebidos tiene sus races en la invencin del circuito integrado, el desarrollo constante en el campo de la electrnica digital ha dado lugar a dispositivos cada vez ms complejos. Entre ellos los microprocesadores y los microcontroladores, ncleos principales de cualquier sistema embebido.

La historia de los microcontroladores inicia en el ao 1969, un equipo de ingenieros japoneses de la compaa BUSICOM lleg a Estados Unidos con una idea, ellos deseaban usar para sus proyectos menos circuitos integrados de los que se usaban en las calculadoras. La proposicin se hizo a la compaa INTEL. La solucin propuesta presuma el desarrollo de circuito integrado cuyo funcionamiento sera determinado por un programa almacenado en el mismo dispositivo. Eso significaba que la configuracin sera ms simple, pero que requerira mucho ms memoria de lo que requera el proyecto que propusieron los ingenieros japoneses. Despus de un tiempo, aunque los ingenieros japoneses probaron soluciones ms sencillas, la idea propuesta por INTEL termino por ser implementada, entonces nace primer microprocesador. Para transformar esta idea en un producto ya fabricado, transcurrieron slo 9 meses para lograr el xito. INTEL obtuvo los derechos para vender este "bloque integrado" en 1971. Primero, compraron la licencia de la compaa BUSICOM, que no tena idea del tesoro que posean. Durante ese ao, apareci en el mercado un microprocesador que se llam 4004, este fue el primer microprocesador de 4 bits con velocidad de 6 000 operaciones por segundo. No mucho tiempo despus de eso, la compaa americana CTC pidi a INTEL y a la Texas Instruments que hiciera un microprocesador de 8 bits. Aunque despus a CTC no le interes mas la idea, Intel y Texas Instruments siguieron trabajando en el microprocesador logrando primero de abril de 1972 desarrollar el microprocesador de 8 bits apareciendo en el mercado con el nombre de 8008. Poda direccionar 16 Kb de memoria, con un set de 45 instrucciones y una velocidad de 300.000 operaciones por segundo. Este microprocesador es el predecesor de todos los microprocesadores de hoy. Intel mantuvo sus desarrollos y saco al mercado el procesador de 8 bits bajo el nombre 8080, el cual poda direccionar 64Kb de memoria, con 75 instrucciones, a un precio de 360 dlls por unidad. En otra compaa americana, Motorola, comprendieron rpidamente lo que estaba sucediendo, as que ellos sacaron al mercado su microprocesador de 8 bits, el 6800 y junto con el procesador, Motorola fue la primera compaa en hacer otros perifricos como el 6820 y el 6850. En ese momento muchas compaas reconocieron importancia de los microprocesadores y empezaron sus propios desarrollos.


Un evento muy importante tuvo lugar en la historia de microprocesadores en una exhibicin de WESCON en 1795 en Estados Unidos. La Tecnologa MOS anunci que estaba comercializando los microprocesadores 6501 y 6502 a 25 dlls. cada uno, y que los compradores podran adquirirlos inmediatamente. Esto era tan extraordinario, que algunas personas creyeron que era una estafa, considerando que los competidores estaban vendiendo el 8080 y el 6800 a 179 dlls. cada uno. Intel y Motorola bajaron sus precios en el primer da de la exhibicin como una respuesta a su competidor, 69.95 por microprocesador. Motorola reclama a la Tecnologa de MOS el haberles copiado su 6800. La Tecnologa MOS suspende la fabricacin del 6501, pero siguen produciendo el 6502. Los 6502 eran microprocesadores de 8 bits, 56 instrucciones y la capacidad de direccionar 64Kb de memoria directamente. Para reducir el costo, el 6502 se vuelve muy popular, as que se instala en las computadoras tales como: KIM-1, Apple I, Apple II, Atari, Comodore, Acorn, Oric, Galeb, Orao, Ultra, y muchas otras. Y muy pronto aparecieron varios fabricantes del 6502 (Rockwell, Sznertek, GTE, NCR, Ricoh, y Comodore quienes toman la Tecnologa MOS) el cual estaba en su momento de apogeo y se venda a una velocidad de 15 millones de procesadores por ao. Otros, sin embargo, no se rindieron. Federico Faggin deja Intel, y empieza su propio Zilog Inc. En 1976, Zilog anuncia el Z80. Durante la fabricacin de este microprocesador, Faggin toma una decisin giratoria. Sabiendo que ya se han desarrollado muchos programas para 8080, Faggin sabia que muchos se quedaran fieles a ese microprocesador. As que decide disear un nuevo procesador que pueda ser compatible con 8080, o que sea capaz de desarrollar todos los programas que ya se haban escrito para el 8080. Adems de estas caractersticas, se agregaron muchas otras para que el Z80 fuera un microprocesador muy poderoso. Poda direccionar 64 Kb de memoria, tena 176 instrucciones, un gran nmero de registros, una opcin para refresco de memoria dinmica de la RAM, mayor velocidad de trabajo etc. El Z80 fue un gran xito y todos cambiaron del 8080 al Z80. Puede decirse que el Z80 fue el microprocesador comercializado ms exitoso de ese tiempo. Adems de Zilog, tambin aparecieron otros nuevos fabricantes como Mostek, NEC, SHARP, y SGS. Z80 estaba en el corazn de muchas computadoras como en Spectrum, Partner, TRS703, Z-3 etc. En 1976, INTEL propone una versin mejorada del microprocesador de 8 bits, al cual nombr 8085. Sin embargo, el Z80 era tan bueno que Intel perdi la batalla. Aunque ms procesadores aparecan en el mercado (6809, 2650, SC/MP etc.), ya todo estaba decidido. Ya no haba grandes mejoras departe de los fabricantes para hacer algo nuevo, as que el 6502 y el Z80 junto con el 6800 permanecieron como los representantes principales de los microprocesadores de 8 bits de ese tiempo. Con los avances hechos en microprocesadores se logr desarrollar computadoras cada vez ms poderosas verstiles y econmicas lo cual adems despert el


inters en desarrollar sistemas computacionales aplicados a unas pocas tareas especficas que agregaran eficiencia y economa a multitud de aplicaciones especficas por ejemplo los controles por inyeccin electrnica para motores de gasolina que redujeron en gran medida las emisiones de contaminantes. Fue posible entonces construir equipos electrnicos que incluan adems unos pocos circuitos accesorios y un software implementado. Los diseos electrnicos comenzaron a ser mucho ms pequeos y simplificados,

los diseadores de equipos electrnicos podan realizar mayor cantidad de tareas

en menos tiempo y el tamao de los equipos se redujo considerablemente; sin

embargo, despus de cierto tiempo apareci una nueva tecnologa, llamada

microcontrolador que simplifico aun mas el diseo electrnico, al incluir en un

mismo encapsulado el ncleo microprocesador, la memoria y las entradas/salidas.

Un microcontrolador cuesta mucho menos que un circuito equivalente construido a

modificar las prestaciones de un dispositivo construido con base en un microcontrolador simplemente modificando su programa, sin tener que reconfigurar la electrnica del sistema. El desarrollo de microcontroladores lo inici la Texas Instruments al realizar su modelo TMS1000 (1971) diseado para propsitos de control y automatizacin,

MCU (Micro-computer Unit) con otro tipo de dispositivos de soporte como memorias RAM, ROM, contadores, temporizadores e interfaces de entrada/salida todos integrados en un solo chip de silicio. Figura 2. Primera familia de microcontrolador TMS 1000.


En 1976 Intel introdujo la familia de microcontroladores MCS-48 de 8 bits que fueron los primeros microcontroladores que ganaron fama y un uso bastante extendido, fueron integrados en teclados de computadoras personales. Despus de 4 aos de continua investigacin y desarrollo surge el Intel 8051, un microcontrolador de 8 bits con memoria EPROM integrada muy comercial, surgiendo tambin la familia de Motorola 68HCXX y una serie de fabricantes incursionaron en el mercado con diferentes familias de microcontroladores, entre las que se encentran: Hitachi 630x, Zilog Z8, Fairchild F8 (3850), Toshiba TLCS-47, NEC V25, MOS Technology 6500.

de lgica programable que paralelamente son desarrollados como respuesta a la necesidad de implementacin de circuitos de propsito especifico en aplicaciones de sistemas embebidos. Dado a los alcances del curso la investigacin sobre este tipo de dispositivos se deja a criterio del estudiante.

Leccin 2: Importancia y reas de aplicacin.

Los sistemas embebidos son considerados como el rea de aplicacin de mayor importancia de la tecnologa de la informacin en el transcurso de los aos venideros gracias a esta expectativa que ha venido creciendo alrededor de estos sistemas, surge un trmino conocido como la era post-PC, ste denota el hecho de que en el futuro los computadores personales estndares se convertirn en los sistemas hardware menos dominantes. Los desarrollos en software y hardware sern empleados cada vez en sistema ms pequeos en muchos casos invisibles al usuario en el orden de facilitar al mximo el empleo de los diferentes productos. En la actualidad el nmero de microprocesadores embebidos en un producto

determinado excede la cantidad de los que se pueden encontrar en computador

personal, se espera que esta tendencia contine en incremento a tal punto que se

predice a manera de ley de Moore,

electrnica de consumo la cantidad de cdigo empleado ser doblada cada dos 3.

Este aumento vertiginoso tanto de aplicaciones como en complejidad para los sistemas embebidos resulta en necesidades de diseo de tecnologas que soporten el desarrollo de los mismos. Por ejemplo aun es necesaria la mejora continua tanto de los lenguajes de programacin como de las diferentes herramientas de desarrollo, desarrollar tcnicas de diseo e implementacin ms ptimas enfocadas en soportar las constantes variaciones y mejoras que se requieren en las diferentes aplicaciones.

3 Marwedel Peter. Embedded System Design. Springer. 2006. p 9.


La intencionalidad es entonces que el estudiante se empape de los conceptos y tcnicas actuales que envuelven el desarrollo de sistemas embebidos para que entre a detectar las falencias y posibles mejoras que puedan ser aportadas en la optimizacin del diseo y desarrollo de estos sistemas. Las aplicaciones de los sistemas embebidos se pueden clasificar bsicamente en los siguientes sectores: Audio, Automotor, comunicaciones (alambricas y mviles), computadores y perifricos, control de movimiento, edificios inteligentes, electrnica de consumo, Industrial, imagen y video, Medico, Militar y aero-espacial, procesamiento digital de seales, robtica, seguridad, sistemas de autenticacin, sistemas de propsito general y miscelneo. Se deja la tarea para los estudiantes la investigacin de ejemplos de aplicaciones especficas para los diferentes sectores.

Leccin 3: Caractersticas.

Los sistemas embebidos son en su mayora sistemas reactivos es decir que su funcionamiento depende de la continua interaccin con un determinado ambiente el cual determina las posibles respuestas del sistema, para tal efecto se emplean determinados sensores o transductores que miden variables fsicas y son convertidas en seales estndar que puedan ser entendidas por el sistema ante las cuales realizan algn tipo de respuesta empleando distintos tipos de actuadores dependiendo de la aplicacin. Entre las diferentes caractersticas que pueden poseer tenemos: Confiabilidad: Una de las principales caractersticas que deben cumplir los sistemas embebidos es la confiabilidad, la implementacin de un sistema confiable debe ser considerada desde un comienzo, no puede dejarse en segundo plano, dependiendo de la aplicacin este aspecto puede llegar a ser primordial, por ejemplo en aplicaciones aero-espaciales o mdicas es imperante la necesidad de evitar el porcentaje de fallas al mximo. La confiabilidad de un sistema embebido se mide analizando los siguientes aspectos:

Confiabilidad en el tiempo (Reliability): mide la probabilidad de que el sistema trabaje correctamente en un instante dado que funciona en el instante t = 0.

Mantenibilidad, (Maintainability): probabilidad que el sistema vuelva a trabajar correctamente d unidades de tiempo despus de una falla.

Disponibilidad (Availability): probabilidad que el sistema est funcionando en el tiempo t, para que esto se d la confiabilidad y mantenibilidad deben ser altas.


Seguridad personal: es la propiedad en la que dado el caso de una falla, el sistema no causar dao. Seguridad informtica: comunicacin efectiva, confidencial y autenticada (encriptacin). Eficiencia: Otra caracterstica que deben cumplir los sistemas embebidos es la eficiencia en diferentes aspectos como en el manejo de la energa suministrada, tamao reducido del dispositivo, tamao reducido del cdigo que gobierna el sistema, minimizacin del peso, y sobre todo reducir los costos para su produccin masiva. Tiempo Real: El trmino tiempo real se refiere a la reac

estmulos externos predefinidos ya sea que provengan del objeto de control o

mediante interfaces de usuario. Donde se entiende por inmediato a un lapso de

tiempo lo suficientemente corto como para que se d el correcto funcionamiento

del sistema, una reaccin correcta pero tarda no es aceptable. Existen las

Hard restriction) en las que su

incumplimiento puede resultar en catstrofe. Otro tipo de restriccin de tiempo se

puede considerar como blanda (Soft restriction).

Interfaces de usuario: La mayora de los sistemas embebidos poseen alguna manera de interactuar con el usuario como pantallas grficas, botones, teclados alfanumricos, sensores, etc.

Leccin 4: Preconceptos.

Para abordar la temtica del presente curso el estudiante de ingeniera electrnica debe manejar previamente una serie de conceptos que ha aprendido durante el transcurso de su carrera, entre los cuales tenemos:

- Nociones Matemticas y Fsicas. - Electrnica Anloga. - Sistemas Digitales. - Informtica y Nociones de Programacin.

Leccin 5: Fases de diseo.

Existen diferentes formas de abordar el diseo y desarrollo de sistemas

embebidos, es importante seguir ciertas pautas de trabajo y tener en cuenta

factores muy diversos para que el diseo pueda terminarse a tiempo y funcione


correctamente, por razones prcticas se observar un enfoque general que puede

ser aplicado en el desarrollo de cualquier sistema embebido. Para tal efecto se

parte analizando la siguiente figura.

Figura 3. Diagrama de flujo general para el diseo de sistemas embebidos.

La metodologa desplegada en la figura 3 se encuentra dividida en cuatro fases principales que van desde la concepcin de la idea hasta el funcionamiento final del dispositivo diseado y sientan las bases para:

Disear un dispositivo libre de defectos de manufactura, que funciona de manera adecuada y se integra con el sistema.

Disear el dispositivo de manera eficiente, sin malgastar recursos ni tiempo.

Planificar el diseo de manera eficiente, crear un cronograma razonable y asignar los recursos necesarios para las diferentes tareas de manera ordenada.

Toda actividad de diseo comienza con la identificacin y especificacin de una problemtica a resolver tomando en consideracin los requerimientos software y


hardware, esta especificacin es muy importante para definir bien los lmites de lo que se quiere implementar. A partir de la especificacin se puede definir una arquitectura con los diferentes componentes que implementan cada funcin del sistema. Para el diseo se debe definir el funcionamiento de cada uno de esos componentes. Una especificacin completa debera comprender los siguientes puntos:

Diagrama en bloques del sistema externo, que muestra como y donde encaja el dispositivo dentro de un sistema completo.

Diagrama de bloques interno que muestra los principales bloques funcionales del dispositivo a implementar.

Descripcin de las entradas/salidas, incluyendo, interfaces lgicas, elctricas, de adquisicin y protocolos de comunicacin.

Estimaciones de tiempos que se deben cumplir, incluyendo tiempos de "setup" y "hold" para las entradas/salidas y frecuencias de reloj.

Estimacin de la del dispositivo dependiendo del nmero de elementos electrnicos necesarios para su implementacin.

Especificacin fsica del dispositivo. Tamao, empaquetamiento, conectores, etc.

Estimacin del consumo de potencia del dispositivo.

Precio estimado del dispositivo.

Procedimientos definiendo el banco de pruebas para la verificacin y validacin para el dispositivo.

Despus de escribir las especificaciones es importante hacer una revisin con todos los miembros del equipo. De esta revisin podrn surgir aspectos relevantes que no fueron tenidos en cuenta individualmente incorporndolos a las especificaciones. La especificacin tambin incluye la metodologa de verificacin del dispositivo o banco de pruebas. Estas muchas veces se dejan para el final del proyecto y no se definen ni llevan a cabo de manera adecuada. La especificacin es un documento que se presta para ser modificado de acuerdo con los cambios de requerimientos y a medida que se tiene ms informacin sobre el proyecto. Una vez que se escribe la especificacin se puede utilizar para seleccionar componentes y tecnologas que se utilizarn para el proyecto. El proceso de diseo es en general un ciclo, e incluye varios pasos intermedios como la verificacin del diseo que engloba varios pasos menores, y al revisar pueden surgir detalles que obligan a volver a realizar pasos anteriores. Dependiendo del dispositivo y tecnologa utilizada, pero en general se siguen los siguientes pasos: Simulacin: es en general un proceso continuo, ya que al simular se pueden encontrar problemas que hacen volver sobre el diseo y hacer cambios. Las simulaciones se hacen sobre pequeas partes del sistema y sobre el sistema


completo. Se debe llevar a cabo una simulacin funcional, pero tambin puede incluir simulaciones de temporizado, consumo de potencia y otros parmetros. Revisin: En este paso se revisan los resultados de la simulacin y se analiza el comportamiento del dispositivo. Una vez que se ha quedado satisfecho con el comportamiento del diseo en las simulaciones se lleva a cabo la implementacin fsica final del dispositivo. En este punto se verifica la implementacin fsica para asegurarse que su funcionamiento coincide con las simulaciones hechas anteriormente. En este paso se deben tambin evaluar los tiempos, consumo de potencia y cualquier otro parmetro de importancia. Si todos los pasos se siguieron correctamente la revisin final debera ser solo una formalidad. Se verifica que el dispositivo est listo para ser entregado o integrado a un sistema dado. La integracin y verificacin en el contexto del sistema general es muy importante. Si los pasos se siguieron correctamente, cualquier modificacin que surja de esta integracin ser en general pequea y no requerir grandes cambios. Cualquier problema o falla que se encuentre debe documentarse y ser analizada as como los diseos en s tanto del hardware como del software del dispositivo, para poder hacer mejoras y/o correcciones en una prxima versin del dispositivo a partir de esta completa documentacin.


CAPITULO 2: COMPONENTES PRINCIPALES DE UN SISTEMA EMBEBIDO

Leccin 6: Diagrama de bloques de un sistema embebido.

Figura 4. Diagrama de bloques de un sistema embebido, Editado de (Designing

Embedded HW)

Los sistemas embebidos ms sencillos emplean microcontroladores como elemento de procesamiento con la ventaja de que el procesador incorpora muchas de las caractersticas y funcionalidades de un computador en un solo integrado, en la figura 4 se presenta un sistema embebido genrico. La diferencia radica en las capacidades de estos dispositivos puesto que su CPU (Unidad Central de Proceso) es mas reducida, poseen una cantidad menor de memoria tanto RAM como ROM y algunos elementos de Entrada Salida (E/S) que pueden ser observados en la figura como bloques o subsistemas, stos le agregan las funcionalidades requeridas al procesador para diversidad de aplicaciones. Ver figura 4. A continuacin se analizan rpidamente los diferentes componentes de la figura 4, para luego entrar a describir de manera mas profunda cada uno de los bloques. Para comenzar tenemos los dispositivos de E/S (I/O Input-Output en Ingles), los ms comunes son los puertos de E/S digital, normalmente llamados de propsito general o GPIO (General Purpose I/O), estos puertos se pueden configurar por software, pin por pin, como entradas o salidas digitales, como entradas se suelen emplear para leer el estado de interruptores, pulsadores o leer estados digitales de otro dispositivo. Como Salidas stos pueden ser empleados para encender o apagar rels u otros dispositivos o para transportar un estado lgico a otros dispositivos. Usados conjuntamente tanto entradas como salidas se puede sintetizar e implementar un protocolo dado para comunicarse con otro integrado. La mayora de los microcontroladores poseen otros subsistemas aparte del los puertos de E/S pero tienen la caracterstica de poder ser convertidos al puertos


GPIO si las funcionalidades de estos subsistemas no son requeridas, este hecho aade gran versatilidad para el uso de microcontroladores en una aplicacin dada. En la figura 4 se observan tambin un bloque con entradas anlogas permitiendo recibir y muestrear seales provenientes de sensores que miden seales de diferentes tipos, para propsitos de grabacin o simplemente se puede monitorear seales de voltaje para asegurar el correcto desempeo de un sistema. Los puertos seriales habilitan al dispositivo para interconectarse con un computador personal, un mdem, otro sistema embebido o de pronto con una red, existen formas especializadas de comunicacin serial conocidas como SPI i I2C, que proveen una manera simple de expandir las capacidades y funcionalidades de los microcontroladores, a travs de stas se puede interconectar perifricos como relojes/calendarios, memorias externas, sensores con interfaces digitales entre otras. Los contadores y temporizadores son utilizados para generar interrupciones internas, regular intervalos para diferentes tareas que se puedan estar ejecutando, generar seales de reloj para controlar la operacin y sincronizacin de dispositivos externos, pulsos de control para motores, alternativamente tambin pueden ser utilizados para contar pulsos provinentes de otros dispositivos. Algunos dispositivos incluyen tambin interfaces de red como puertos USB, Ethernet o CAN. Los microcontroladores ms completos tambin incluyen buses de datos trayendo los buses de direcciones internas para el control y manejo de datos hacia el mundo exterior, esa funcionalidad le agrega al microcontrolador una gran versatilidad para la interconexin de una vasta variedad de posibles perifricos de manera muy similar a lo que lo hara un procesador convencional. Existe una amplia variedad de microcontroladores (en el orden de los miles, provenientes de docenas de fabricantes), con capacidades y subsistemas que varan dependiendo de la aplicacin para la cual sern empleados.

Leccin 7: Entradas: Sensores, muestreadores y conversores A/D.

Los dispositivos de entrada de los sistemas embebidos juegan un papel primordial para agregar la funcionalidad requerida ya que gracias a estos el dispositivo de procesamiento puede entrar a interactuar con el mundo exterior mediante la obtencin de las diferentes seales y datos empleados para su procesamiento y posterior respuesta o seal de salida. 1. Sensores:

Son dispositivos que al interactuar con alguna variable fsica normalmente generan una seal anloga continua proporcional a la magnitud de la variable


medida, aunque existen tambin sensores que entregan informacin digital. Los sensores pueden ser diseados para medir virtualmente cualquier variable fsica, peso, aceleracin, corriente elctrica, diferencias de potencial, temperatura presin, proximidad, movimiento, sensores para medir variables en sustancias qumicas, entre muchos otros. El diseo y desarrollo de sensores de diversos tipos en las ltimas dcadas a posibilitado en gran medida el desarrollo de sistemas inteligentes en muchos infinidad campos. 2. Muestreadores: El termino computador digital implica que ste trabaja en el dominio de tiempo discreto, esto quiere decir que solo puede procesar informacin discreta en instantes de tiempo definidos, por lo tanto para que un procesador pueda manipular seales provenientes de un sensor que entrega informacin continuamente (seales anlogas) primero debe convertirse estas seales en el domino del tiempo continuo al dominio de tiempo discreto, ste es el propsito de los muestreadores, en la fig. 5 se presenta un ejemplo tpico de un circuito para este propsito y la correspondiente seal muestreada. Figura 5. Circuito de muestreo.

Como se aprecia en la figura el circuito consta esencialmente de un transistor en cuya base es aplicada una determinada seal de reloj y un condensador. El transistor bsicamente acta como un interruptor que permite que el condensador se cargue con el valor del voltaje de entrada Ve (seal anloga) en instantes definidos por la seal de reloj, el voltaje en el condensador permanecer virtualmente sin cambio hasta que el interruptor sea serrado de nuevo. Los valores almacenados en el condensador se pueden considerar como un elemento discreto de valores Vx generados a partir de la seal de entrada Ve. Para que esto sea posible se debe asegurar que el circuito tenga la caracterstica de poder cambiar el valor de la carga del condensador casi de manera instantnea, en la prctica lo que ocurre es que el transistor demora un tiempo suficiente para que el condensador se cargue o descargue y la carga en el condensador corresponder al voltaje promedio de entrada durante este periodo.


3. Conversores A/D: Siguiendo con el esquema de trabajo digital se tiene que una vez se han tomado muestras de la seal de entrada en tiempos discretos, estas seales pueden tomar infinidad de valores en un determinado rango, es decir siguen siendo seales anlogas, el paso a seguir es convertir los valores anlogos de entrada a valores discretos, esta tarea es realizada por los conversores A/D (Anlogo a Digital). La conversin a digital se realiza en dos fases: cuantizacin y codificacin. Durante la primera se toma la seal muestreada y a cada uno de los diferentes niveles o variaciones de voltajes que contiene la seal analgica original se asigna un valor o nivel de voltaje discreto que depende de la resolucin (porcin ms pequea de seal que produce un cambio apreciable en la salida) del conversor, en este punto la seal pasa a tomar valores discretos en un rango definido de valores, aproximados a los de la seal original, el valor cuantificado se codifica en binario en una palabra digital, cuyo nmero de bits depende de las lneas de salida del conversor A/D. Existen diferentes mtodos de conversin A/D que varan dependiendo de la velocidad y la resolucin requerida a continuacin se expondr dos esquemas de conversin representativos para comprender los mecanismos de conversin. Una conversin A/D directa es realizada empleando un conversor A/D FLASH (FLASH A/D Converter), ste est conformado por un arreglo de comparadores, cada uno de los cuales tienen dos entradas (+ y -). Si el voltaje en la entrada positiva excede el voltaje de referencia en la entrada negativa, la salida de dicho comparador

er fig. 6. Figura 6. Esquema del Conversor A/D FLASH.


Se observa de la figura 6 que el valor de referencia de cada una de las entradas (-) de los comparadores corresponde a un divisor de voltaje a partir de un valor de referencia estndar, ste enmarca el rango de los posibles valores de entrada que el conversor puede codificar. El codificador genera valores digitales

siendo el caso en que Vx > Vref, el mximo valor de salida posible independiente de que tanto excede Vx a Vref en magnitud. En el caso de que Vx es menor que Vref pero mayor que

43 Vref, entonces el

siguiente si

segundo valor mas largo del conversor y as sucesivamente.

Otro esquema de conversin utilizado es el llamado conversor de aproximaciones sucesivas, el proceso de conversin para este tipo de convertidores se basa en la realizacin de comparaciones sucesivas de manera descendente, hasta que se encuentra la combinacin que iguala la tensin entregada por el D/A y la de entrada, consiste como se puede apreciar en la figura 7 en un comparador en cuya terminal positiva se encuentra la seal de entrada Vx, en esencia el funcionamiento de este conversor es la de generar valores binarios en el bloque lgico de control almacenndolos en el registro de aproximaciones sucesivas, la operacin in

generar un nivel de voltaje anlogo correspondiente al valor binario generado, este voltaje es enviado terminal negativo del comparador. Figura 7. Esquema del Conversor de Aproximaciones Sucesivas. (editado de

embedded system design)

Si la magnitud de Vx es mayor que la de la seal generada en el conversor D/A se

Las ventajas de este esquema es la eficiencia del Hardware, la desventaja es la

velocidad puesto que la identificacin de cada valor de entrada (Vx) no es


instantnea, puesto que para cada valor se requiere que el conversor realice una

serie de aproximaciones antes de encontrar el valor adecuado.

Leccin 8: Comunicacin.

Los diferentes datos manejados en un sistema embebido deben estar disponibles para ser comunicados a travs de diferentes canales, los canales son entidades abstractas caracterizadas por propiedades esenciales de los sistemas de comunicacin como la capacidad mxima de transferencia de informacin y parmetros de ruido, existen adems tcnicas y teoras de comunicaciones que se emplean para hallar la probabilidad de errores en la comunicacin pero estos son temas de otro curso. Para que exista la comunicacin se requiere de un medio fsico por el cual se propagara la informacin entre los que se tienen medios cableados, medios pticos (Fibra ptica), medios inalmbricos (medios de radiofrecuencia, infrarrojos, etc.). 1. Requerimientos: Existe una variedad de requerimientos para que se d la comunicacin entre sistemas embebidos entre los que se tienen los siguientes: Comportamiento en tiempo real: En muchas de las aplicaciones es imperante la comunicacin inmediata entre los sistemas como en el caso de procesos industriales de control y automatizacin en cambio existen otras en las que no es tan primordial este hecho como en el caso del Ethernet. Eficiencia: Este requerimiento tiene su sentido econmico en la implementacin de la comunicacin entre diferentes sistemas embebidos por lo tanto es necesario el desarrollo de diseos eficientes para la conexin de diferentes componentes de un sistema de control y sus componentes externos. Ancho de banda apropiado: Los requerimientos de ancho de banda pueden variar dependiendo de la aplicacin no obstante normalmente es importante evitar al mximo retrasos en la comunicacin, no obstante se debe evitar hacer demasiado costoso el sistema implementado. Robustez:


Dependiendo de la aplicacin los sistemas embebidos pueden encontrarse en ambientes con temperaturas elevadas e interferencias electromagnticas, los sistemas deben poseer la suficiente robustez para mantener una comunicacin confiable. Tolerancia a Fallas: Es necesario que los sistemas se recuperen de fallas de comunicacin de forma rpida, deben existir mecanismos para reintentar la comunicacin en caso de fallas, no es aceptable el reinicio del sistema como en el caso de los computadores. Privacidad: Este requerimiento se realiza en caso de que se necesite privacidad en la comunicacin, para tal efecto existen diferentes tcnicas de encriptacin. 2. Mtodos de transmisin cableada. Estos mtodos son empleados para lograr la suficiente robustez elctrica de las seales transmitidas entre los diferentes integrados de un sistema dado, uno de los mtodos es conocido como sealizacin de terminal simple (single-ended signaling) o asimtrica, en ste las seales se propagan a travs de un solo cable (ver figura 8). Figura 8. Sealizacin de terminal simple o asimtrica.

El otro terminal se conecta a un nivel de referencia, normalmente se conecta a tierra; las seales que llevan la informacin estn representadas por diferencias de potencial con respecto a la referencia. La ventaja de ste mtodo es que una sola referencia sirve para diferentes seales asimtricas, la principal desventaja es la susceptibilidad al ruido externo, la informacin puede ser fcilmente afectada por interferencias de tipo electromagntico. Otro mtodo se conoce como sealizacin diferencial o simtrica, en ste se

requiere un par de hilos por cada seal (ver figura 9).


Figura 9. Sealizacin diferencial o simtrica (editado de embedded system

design).

La seal es codificada de manera que si el voltaje del primer hilo al llegar al comparador e

es decir, cada par se entrelaza para mantener estable las propiedades elctricas a lo largo de toda la longitud de los hilos, reduciendo as, las interferencias creadas por elementos adyacentes. Algunas ventajas de este mtodo de transmisin consisten en que el ruido normalmente se aade de igual forma a ambos hilos y es eliminado casi en su totalidad en la entrada del comparador, adems el valor lgico de la seal solo depende de la polaridad, no de la magnitud, ya que esta puede variar por factores como la distancia y la resistencia del hilo y este hecho no afecta la seal decodificada, no se requiere la existencia de tierras comunes puesto que se trata de seales diferenciales por lo tanto para comunicar grandes cantidades de dispositivos por este mtodo no es necesario implementar tierras de mayor calidad. La sealizacin diferencial es empleada por ejemplo en la implementacin de redes basadas en Ethernet.

Leccin 9: Unidades de procesamiento y Memorias.

Unidades de procesamiento Para abordar el tema de procesamiento de informacin se tendrn en cuenta los ASIC (Aplication-Specific Integrated Circuit), los dispositivos de lgica programable y los procesadores. Estas tecnologas presentan un desempeo distinto hablando del nmero de operaciones que pueden desempear con respecto a su consumo de energa, siendo primeros en desempeo los ASIC, los segundos son los dispositivos de lgica programable y por ltimo los procesadores, en contra prestacin los procesadores son los ms flexibles en lo que a programacin software se trata, los dispositivos de lgica programable presentan cierta flexibilidad y los ASIC no son nada flexibles.

208006 Sistemas Embebidos I-2010

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