Clase 03: E/S digital, controladores de memoria y DMA ... · Problemas de una senal~ digital: Ruido El ruido son picos y ca das que estropean los datos Prof: Lic. Jos e H. Moyano

Clase 03: E/S digital, controladores de memoria y DMASistemas Embebidos

Prof: Lic. Jose H. Moyano

Departamento de Ciencias e Ingenierıa de la Computacion

2019

Prof: Lic. Jose H. Moyano (Departamento de Ciencias e Ingenierıa de la Computacion)Clase 03: E/S digital, controladores de memoria y DMA 2019 1 / 46

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Repaso

Un Sistema Embebido se compone de al menos un CPU, memoria y buses queinterconectan dispositivos perifericos (algunos “internos” y otros que implementaninterfaces de E/S).


Repaso

¿Como realiza E/S el CPU?I Direcciones de E/S asociadas a dispositivosI Lıneas de interrupcion (IRQs) e ISRs

Mapeados a las direcciones, el sistema cuenta con dispositivos perifericos:I Puertos (GPIO) como interfaz a dispositivos simples.I Dispositivos integrados al microcontrolador (por ej. timers, etc).I Dispositivos que implementan interfaces externas (estandar o para facilitar la

interaccion con otros dispositivos)


Puertos externos de E/S

Los puertos externos permiten adquirir y controlar senalesLas senales pueden ser

Digitales: Se controlan de manera directa y pueden incluir circuitos de proteccion.

Analogicas: Requieren conversion D/A o A/D.


Entradas y senales digitales


Definicion de los valores logicos

Las senales digitalesdefinen dos valores logicosEn el ejemplo, para unaE/S de 5v, se consideraentre 2 y 5 nivel alto (1logico), y entre 0 y 0.8 unnivel bajo (0 logico).Entre 0.8 y 2 el nivellogico es consideradoindefinido.


Problemas de una senal digital: Picos

Los picos pueden generar tanto mediciones incorrectas, como danos en el equipo


Problemas de una senal digital: Ruido

El ruido son picos y caıdas que estropean los datos


Problemas de una senal digital: Flancos lentos

Asemejan una funcion seno


Problemas de una senal digital: Desplazamiento de tension

Offset de la senal genera mediciones incorrectas


Acondicionamiento de la senal digital


Acondicionamiento de la senal digital

Las senales pueden acondicionarse incorporando circuitos adicionales, brindandomecanismos de proteccion.En la opcion A de la figura, se utiliza la proteccion tradicional incorporando diodos paraproteger cortocircuito e inversion de polaridad.En la opcion B, se utiliza un Schmitt trigger que filtra ruido de una senal digital.En la opcion C, el circuito esta aislado por un opto aislador, con un led que controla unfototransistor que permite o no el paso de corriente.


Ejemplo: E/S digital ATMega328P


Interfaces con dispositivos digitales simples


Pulsadores

Conexion simple de pulsadores y llaves:I SPDT: Single-pole, double-throwI SPST: Single-pole, single-throw


PulsadoresEliminando el rebotede teclado(debouncing)

Polling

Interrupcionesp/generar undelay (timer)

Filtros pasivos enhardware ybuffers Schmitttrigger.


Keypads


Keypads


Keypads

Matriz y barrido de teclado – Limitaciones:I Tiempos de barrido (ej. Teclado musical, gaming, etc)I Una sola tecla por vez (ghosting)

En dichos contextos se debe destinar una mayor cantidad de recursos para nomultiplexar el uso de los mismos en el tiempo.


DC switching

Llaves controladaspor software.

Permiten controlarcargas diversas, perorequieren circuiterıaadicional.


LEDsSi el microcontrolador es capaz de proveer la corriente necesaria, el manejo de LEDspuede realizarse directamente para pequenas cargas:


LED arrays


LED arrays


LED arrays


LED arrays


LED arrays


LED arrays


Displays de cristal lıquido (LCD)Controlar LCDs de manera directa no es sencillo.Los LCDs traen un microcontrolador incorporado que provee una interfaz massencilla para integrarla en un sistema.Por ej: HD44780.


Displays de cristal lıquido (LCD)

Lıneas de control:

RS: Instr vs escriturade char.

R/W:Lectura/escritura

E: Enable (clocksync.)


Displays de cristal lıquido (LCD)Ejemplo: Arduino LCD Keypad Shield


Displays

El manejo de displays en general no difiere mucho de lo presentado anteriormente:I CRT displaysI LCD displaysI OLED displaysI etc.

En general este tipo de dispositivos complejos suelen implementar la logica decontrol (controlador de video) y se suele incluir sus drivers mediante librerıas.


DisplaysEs posible construir un controlador VGA con dispositivos simples como un Arduino.


Controladores de memoria



Toda memoria que no sea ROM ni SRAM (las que pueden controlarse directamentepor el CPU), requiere de un controlador que se encargue de:

I Coordinar los accesos del CPU y los refrescos de la informacion almacenada (enmemorias DRAM).

I Coordinar el temporizado de lecturas y escrituras, mapeo de direcciones a bloques(memorias EEPROM y Flash), Wear leveling y Garbage Collection (memorias Flash)

Estos controladores son expuestos al sistema a traves de registros de datos ycontrol, y suelen tener asociados un conjunto de interrupciones destinadas anotificar de los eventos ocurridos.



Circuito separado (ej Northbridge)I La alternativa tradicional

Integrada en el CPUI Integrated Memory Controller (IMC)I Menor latencia en los accesos, menor flexibilidadI Ej: Intel Core i5, i7, AMD Athlon, AMD Opteron, etc.

Multiples controladores en paralelo para ampliar el ancho de los busesI Ej: 4 controladores de 64 bits = 256 bits (ej. Placas de video y GDDR SDRAM)


Controladores de memoriaEscribiendo en una memoria EEPROM/flash

El controlador expone registros para las operaciones.

La escritura requiere un temporizado adecuado. Se escriben varias palabras a la vez.

Existen mecanismos de proteccion de bloques de memoria (tanto para escriturasinternas, como para el acceso desde el exterior vıa programadores y debuggers –proteccion de propiedad intelectual).






Gestion y proteccion de memoriaMemory Management Unit (MMU)

Traducir direcciones virtuales a fısicas (Page/Seg Tables/TLB)

Proteccion de memoria, control de cache, arbitraje de bus, bank switching (enarquitecturas simples).



Traducir direcciones virtuales a fısicas (Page/Seg Tables/TLB)

Proteccion de memoria, control de cache, arbitraje de bus, bank switching (enarquitecturas simples).




Gestion y proteccion de memoriaMemory Protection Unit (MPU)

Mapeo de direcciones virtual-fısico 1 a 1 (hardware mas simple)

Proteccion de accesos (multiples tareas)


Direct Memory Access (DMA)


Direct Memory Access (DMA)

Alternativa al modo de I/O programadas.I Liberar al CPU de la tarea de coordinar las transferencias entre los dispositivos y la

memoria del sistema.I No se requiere programar software para que gestione las transferencias.I El CPU puede realizar otras tareas mientras ocurren las transferencias (mayor

performance).I El controlador de DMA compite con el CPU por el Bus.

Presente en arquitecturas embebidas con ciertas prestaciones y enmicrocontroladores c/DSP.


Direct Memory Access (DMA)Esquema 1: El dispositivo espera el DMAACK para actuar sobre el bus.


Direct Memory Access (DMA)Esquema 2: El controlador de DMA copia el dato del dispositivo a un buffer para luegotransferirlo a memoria (menos hardware en el dispositivo).


Referencias

Atmel AVR ATmega328P Datasheet.

Simon, D. An Embedded Software Primer. Addison-Wesley Professional. 1999.ISBN: 978–0201615692. Capıtulo 3.

Wilmshurst, T. Designing Embedded Systems with PIC Microcontrollers: Principlesand Applications. Newnes. 2006. ISBN: 978–0750667555. Capıtulos 2, 3, 6, 7, 8, 9y 13.


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